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地面數(shù)字電視廣播工程實踐(1)
數(shù)字電視是電視技術(shù)發(fā)展的趨勢。一些國家已經(jīng)開始從模擬電視轉(zhuǎn)向數(shù)字電視廣播，并將逐步停止播出模擬電視節(jié)目。美國已經(jīng)在多個電視臺進行了高清晰度電視地面廣播；英國已經(jīng)在多個地區(qū)開展了無線數(shù)字電視廣播業(yè)務(wù)；在德國柏林，部分無線模擬電視頻道已經(jīng)關(guān)閉并轉(zhuǎn)向數(shù)字播出。在我國，目前已經(jīng)有10多個省市在進行地面數(shù)字電視廣播的播出試驗。長沙廣電集團2003年開始立項進行數(shù)字移動電視試驗，兩年來我們不斷探索，有了一些收獲，在此與同行進行探討。
發(fā)射天線
發(fā)射天線的作用是向空間輻射電磁波，電磁波由交變的電場和磁場構(gòu)成。為了方便分析，工程上通常規(guī)定：用電場的方向表示天線極化方向。一般使用的天線都是單極化的。附圖給出了兩種基本線極化天線的極化情況：垂直極化和水平極化。
在傳統(tǒng)的模擬電視無線覆蓋中，考慮無線電波的視距(無遮擋)傳播方式，天線采用高塔(高山)懸掛。由于水平極化天線具有良好的遠區(qū)場強分布，在同樣的發(fā)射功率下可以覆蓋更大的范圍，所以發(fā)射天線基本上都是水平極化天線。但是，水平極化天線的近區(qū)場強分布劣于垂直極化，特別是在潮濕、多水、多樹林等環(huán)境條件下，由于水平極化天線極化偏轉(zhuǎn)的原因，垂直極化天線的近地接收效果優(yōu)勢明顯；另外，由于垂直極化接收天線很容易實現(xiàn)水平面內(nèi)360°接收，因此在移動接收時垂直極化的天線更合適。清華大學數(shù)字電視技術(shù)研究中心技術(shù)人員的實際試驗結(jié)果也表明，在發(fā)射天線采用垂直極化、接收天線也采用垂直極化天線時，移動接收效果明顯優(yōu)于其它組合方式。建議各電視發(fā)射臺在安裝新的用于移動接收的天線時，盡可能優(yōu)先考慮采用垂直極化。這樣在接收機端可以采用結(jié)構(gòu)簡單的鞭狀車載吸盤天線，其好處是，除了可以解決雨雪天氣下接收性能惡化的問題，還便于車載安裝，降低接收端的造價等。
天線選址
目前，大部分電視發(fā)射天線的位置的選址有兩種情況：高山低發(fā)射塔和平地(樓房)高發(fā)射塔。在長沙市的場地實踐中，我們發(fā)現(xiàn)天線選址非常重要。對于UHF頻段內(nèi)的無線傳輸，雨衰不是傳輸損耗中最重要的部分，當發(fā)射天線采用水平極化時，在春夏暴雨季節(jié)，部分離發(fā)射塔很近、平常接收效果很好的地點其接收效果顯著變壞，而場強較天晴時還略有增加。通過對接收到的無線信號進行測試分析，可以看到在雨天多徑情況明顯惡化。造成這種情況的原因，我們認為與發(fā)射天線的位置有關(guān)。長沙市廣播電視發(fā)射塔位于岳麓山(295m)上海拔270m的地方，塔高88m，移動電視發(fā)射天線中心位于離塔基70m的位置，屬典型的高山低塔。春夏兩季，岳麓山上闊葉林茂盛；而在雨雪天，由于山體的含水量發(fā)生變化，使得天線和大地之間的介電常數(shù)發(fā)生變化，電磁波的傳輸特性也隨之發(fā)生改變；加上闊葉林葉面附水后的鏡面反射等因素的影響。雖然采用垂直極化可以改善這一狀況，但是不可能從根本上解決這一問題。建議在南方多雨水的城市，在進行地面數(shù)字電視天線選址時盡可能避免高山低發(fā)射塔，而優(yōu)先考慮高塔的模式。
由于傳統(tǒng)模擬電視考慮的是大范圍覆蓋，而移動電視現(xiàn)階段主要考慮的是城域覆蓋，所以在移動電視發(fā)射天線的選擇上，重點要根據(jù)具體服務(wù)區(qū)的地形地貌特點，以均勻覆蓋為目的。天線位置不一定要求非常高，天線的高增益也不是重點追求的目標。一般以選擇不超過4層左右的偶極板天線為宜。
發(fā)射頻率
目前各地開展地面數(shù)字電視實驗，一般在工作頻率上選擇范圍不大。但就地面數(shù)字電視這項技術(shù)而言，對工作頻率還是有一定要求的。首先，現(xiàn)在地面數(shù)字電視發(fā)射機一般都采用LDMOS功放模塊，為了獲得較大的線性動態(tài)范圍，基本都選擇其工作頻率在UHF頻段內(nèi)。其二，目前數(shù)字電視信道解調(diào)的FFT都依賴速度有限的芯片完成，它的處理能力是有限的，對多徑信號的時延越短，處理愈快；而對于速度相同的移動接收而言，頻率愈低，多普勒頻移越小，因此工作頻率相對低一些對高速移動接收是有利的。其三，水、濕地、樹林等對無線數(shù)字信號的吸收，隨著頻率的增高而增大。其四，目前UHF頻段的低端，電磁干擾嚴重。根據(jù)國外有關(guān)專家的意見，開展以移動接收為主要業(yè)務(wù)的地面數(shù)字電視廣播，其工作頻率一般選擇在550～700MHz之間較為適宜。特別是在水、濕地、樹林偏多的地區(qū)，開展數(shù)字移動電視廣播以工作頻率偏低端為宜。
單頻網(wǎng)與多頻網(wǎng)
單頻網(wǎng)(SFN)是指同一區(qū)域內(nèi)的若干個發(fā)射臺同時在同一個頻段上發(fā)射同樣的無線信號，以實現(xiàn)對一定服務(wù)區(qū)域的可靠覆蓋。在傳統(tǒng)的模擬電視中，相鄰發(fā)射臺需要使用不同的頻率播放節(jié)目以避免相互干擾(差轉(zhuǎn))，在一定距離以外才能進行頻率重用，即多頻網(wǎng)(MFN)方式。在MFN方式下，一套模擬電視電視節(jié)目要覆蓋較大區(qū)域，就必須占用幾個頻道的帶寬，消耗了大量的頻譜資源。在電視廣播中引入單頻網(wǎng)的概念，是電視技術(shù)數(shù)字化帶來的結(jié)果，采用數(shù)字調(diào)制和數(shù)字信號處理技術(shù)，使單頻網(wǎng)的應(yīng)用成為可能。
相對于傳統(tǒng)的多頻網(wǎng)，單頻網(wǎng)帶來的最直接的一個好處是頻譜效率提高。由于同頻率使用，在同一服務(wù)區(qū)一個頻道上采用數(shù)字電視技術(shù)可傳送多套電視節(jié)目，可以節(jié)省大量的頻率資源，多個發(fā)射臺同時工作所帶來的分集效果，也使得接收的可靠性大大增強，從而獲得更好的節(jié)目覆蓋率。此外，通過對發(fā)射網(wǎng)絡(luò)(如發(fā)射機的數(shù)量、分布、單個發(fā)射機的天線高度、發(fā)射功率等)的調(diào)整和優(yōu)化，還可以降低總的功耗，減輕對附近其它網(wǎng)絡(luò)的干擾，甚至可以根據(jù)需要方便靈活地改變覆蓋區(qū)域的分布。
長沙地面數(shù)字電視網(wǎng)絡(luò)覆蓋目前采用的就是單頻網(wǎng)形式，該網(wǎng)絡(luò)由3臺工作在同一頻道的德國RS公司生產(chǎn)的發(fā)射機組成，主發(fā)射機位于長沙市岳麓山，發(fā)射功率為1.3kW；2個子發(fā)射點分別位于長沙市南邊和東北面，發(fā)射功率均為400W。目前，在長沙市區(qū)覆蓋率在96%以上。在調(diào)試過程中我們發(fā)現(xiàn)：如果按照各基站嚴格同步的方式(同一時刻發(fā)射同一碼元)，當增加發(fā)射機后，雖然可以改善輔助發(fā)射機附近的場強覆蓋，改善接收效果，但是通過大面積測試發(fā)現(xiàn)，輔助發(fā)射的引入帶來了新的問題：輔助發(fā)射機與相鄰發(fā)射機的信號在中心交界區(qū)有影響；理論上，每引入一個單頻網(wǎng)發(fā)射點，就等效于對原來的發(fā)射機引入一個多徑，必須采用改變各基站發(fā)射機同步時刻來優(yōu)化。因此對于覆蓋半徑要求不大的地區(qū)，或者在市區(qū)地形不是非常復(fù)雜的城市，如果能用一個發(fā)射機完成覆蓋，盡可能采用適當功率的單點覆蓋，個別盲區(qū)則采用同頻轉(zhuǎn)發(fā)器(Gap Filler)加高指向性天線來完善。單頻網(wǎng)從某種意義上講是為了實現(xiàn)對環(huán)境特別惡劣的覆蓋或者超大范圍覆蓋而采取的一種辦法，技術(shù)上也還有待進一步完善，并不非常適合中小范圍內(nèi)覆蓋。
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