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UHF频段数字电视宽带发射机与大区域M-SFN组网探讨

2014-11-23 07:53 来源:电视技术

责编:陈默

UHF频段数字电视宽带发射机与大区域M-SFN组网探讨

 

2014-11-14 赵章佑 
 
    【原编者按】经多年的探讨和实践,本文作者就UHF频段数字电视宽带发射机及其在地面数字电视广播(DTTB)的多频道组网,从技术背景、技术基础、优势及需继续探讨等方面进行了系统阐述。文中提出:需依据国情正确解读中国地面数字电视传输标准(DTMB)的融合特性,结合中国AVS视频编码(简称双国标),并采用数字电视宽带发射机及多频道单频网(M-SFN)组网技术,推进大区域/省级双国标M-SFN网的规模发展。此外,作者还提出了一系列采用宽带发射机进行大区域M-SFN组网的创新概念和关键技术,并立足国内自主创新的工程实现技术,以尽快率先拥有这一领域的知识产权。


作者简介赵章佑(1948— ),高级工程师。2002—2005,任湖南株洲电广宽带信息网络有限公司技术顾问;2005—2008,任湖南株洲广播电视产业(集团)股份有限公司董事长特别助理;20089月退休;2008—2012,任湖南省有线电视网络(集团)股份有限公司技术顾问;2008—2012兼任中数投资本管理及天广视讯科技发展(北京)有限公司技术顾问。目前仍担任的职务有:全国音频、视频及多媒体系统与设备标准化技术委员会委员,AVS产业联盟顾问,桂林思奇通信设备有限公司首席技术顾问等。


 UHF频段的宽带数字电视发射机不同于多路微波(MMDS)的模拟制宽带发射及数字制小功率的空隙填充器(gap-filler(设备是宽带的,使用还是单频道的)。笔者2002年底主持国内首次数字MUDS实验测试后,随着国内地面数字电视广播(DTTB)市场发展,又在2005年主持株洲实验,以初步验证笔者设想的数字电视宽带发射机+多频道单频网(Multiple Channels SingleFrequency NetworkM-SFN技术模型的可实施性;但限于当时条件,仅在2个发射站之一采用1UHF频段数字电视宽带发射机进行实验。

所谓数字电视宽带发射机(以下简称宽带发射机)就是其带宽是n×8 MHz(中国的频道带宽),而按照目前的制造水平,其中2≤n≤8。其工作带宽内不同的频道可以是相邻的(neighboring),但也可以是隔频道的。

而所谓M-SFN则是一种DTTB大区域组网模型:在同一大区域内形成DTTB同一性的多个频道单频网(Single Frequency NetworkSFN);网络中各个对应发射机除遵循频率、比特、时刻一致的SFN基本要素设置外,在网络中还以相对应的单频道功率相同或不同功率配置,并以邻频或隔频设置的多频道之功率信号,经不同地点的台站发射,实现(几十套电视节目等数字信息)DTTB信号同网(包括特定服务区)的可靠覆盖。

20068月,中国DTTB传输标准DTMB颁布后,笔者2007年底支持广西某通信公司和上海某公司等在云南省昭通市,首次实现由2个主发射台都采用宽带发射机(每台400 W)组建6个频道(每个频道约35 W)的M-SFN2008年底,笔者又支持广西某通信公司在湖南永州市级区域覆盖中再次采用宽带发射机的M-SFN组网方式进行了5个县域(其中2个主发射台有交叉覆盖区)的5个频道的M-SFN组网工程实践。

20085月,笔者参加我国中部某省有线电视网络集团公司的省级/大区域DTTB网络的无线项目(企业自筹资金)筹建工作。其中历经5年时间参与该项目的技术方案制定、专家评审、实验网建设、验收以及项目启动试运行的全过程。该项目参照株洲经验和国内其他地方推广应用DTMB组网实践,探讨在一个省域/大区域内有线孵化无线有线(有限)网络、无线(无限)延伸有线、无线并举融合的构建策略;积极发挥该有线集团自有优势,通过与地市级/县级广电部门合作进行部署实践;按照DTMB/C=1AVS(双国标),再加宽带发射机(还有小功率补点)等技术,首次在一个省域/大区域内实施M-SFN组网的技术模型(还可外加插入地市级和县级节目的MFN)。

2013年底,该项目在该省DTTB网络建设群雄纷争的状况下,仅用一年时间就一举组建23个县域(全省约1/4的市县)的102个发射台站。而每个发射台只动用4个频道,可提供48DVD质量的SDTV节目。这样就初步实现该省域/大区域M-SFN组网,并投入试运营。据悉,目前总用户数达23万。

由于该省级区域项目的实施推进,国内学术界和产业界都在跟踪探讨和开发。2012330日,笔者在吉尔吉斯斯坦首届国际数字通信圆桌会议上,发表文章《中国AVS+DTMBM-SFN系统与运营模式》,首次向国内外专家阐述大区域M-SFN组网和采用宽带发射机的技术模型。此后,在20126月上海电视节/白玉兰论坛、20133月和20143月的CCBN中国数字电视峰会上,笔者发表后续的演讲,并公开撰文提出有关建议。而早在201110月辛亥革命百周年时,北京大学徐孟侠教授向台湾同行介绍中国内地宽带发射机的原理和典型案例。

20133月北京CCBN展会上,笔者应我国大型发射机制造厂家北京北广科技公司(BBEF)执行总裁兼总工叶进教授邀请,专门与该公司相关技术人员交流了宽带发射机及其应用等情况。此后,叶进教授多次在有关技术论坛上介绍该公司研发宽带发射机的情况。20147月在烟台举行的未来广播电视(FOBTV峰会上,叶进教授在其报告中,突出介绍宽带发射机的优点是:简化设备(如省略多频道功率合成器等)、提高可靠性、节能环保和降低成本等。

在国内外相关各界对于宽带发射机及M-SFN组网应用不断被诠释情形下,笔者按多年来亲自参与的国内外相关项目的实践,特别是结合我国中部某省有线集团这项国内外没有先例的省级/大区域M-SFN组网和采用宽带发射机的工程实现中的体会撰写本文,供有关人员参考和讨论。

 

1 技术背景

要较快推进DTMB的大发展,首先要结合国情正确解读DTMB的工程实现的技术特征,进而确定科学的建设与发展模型。这涉及三大因素:

1市场竞争因素:在满足公共服务(包括免费提供基本节目、应急广播)状况下,实现国内城乡信息公共服务均等化;符合我国由电视大国向电视强国发展战略,满足参与国际市场竞争需要;推进国内无线三网融合,适应国际上DTTB新一代技术与新一代通信网络交融发展技术趋势等。

2实施条件因素:包括确立节能环保、低成本(含模拟台网的利用率)和快速(规模建设及管理的可实施性)构建大规模M-SFN组网技术模型和运营模型;其中还涉及模数过渡的频率优化可行性,相关配套技术标准的指导性、相关运营管理体系(含政策)的建立及技术政策(包括频率管理)的许可性等。

3产业支撑因素:包括构建完整的工程实现技术的自主知识产权体系及能承载大规模发展的产业成熟度等。

在音视频编码、数字传输和其他软硬件等的技术和业务市场的双重作用下,催化了国内外DTTB固定接收模式的M-SFN覆盖工程应用。这不仅冲击单一的公益性免费服务方式,还呈现从点覆盖网向区域特别是大区域覆盖的网络(含M-SFN和多频网(MFN)两类组网技术)工程应用的发展趋势。由此,要实现国内DTTB固定接收模式的网络用户规模及其产业的大发展,就必须高度重视国内已创新推出的省级/大区域的双国标M-SFN组网工程模型的推广。为此,近几年国内双国标学术界和产业界(含发射机、芯片和部分运营商等)共同反复实践,就如何解决频率优化这一关键技术进行了一系列的技术创新开发。其中采用宽带发射机技术进行M-SFN组网是解决这方面关键技术的最佳解决方案。

通过这种技术创新,一方面有利于在跨越式规模发展中尽快关闭省级/大区域的模拟电视广播,腾出宝贵的、可以转化为重大社会效益和经济效益(所谓数字红利)的地面电视频谱资源,改善国内信息产业发展急需的频率资源条件。另一方面,也有利于在国内模数同播期或模拟电视关闭后的两段时期,探讨广电业务和服务创新发展。通过若干年的持续努力,在加速国内双国标省级/大区域M-SFN组网建设发展中,实现我国由电视大国向电视强国的历史性突破,并赶上发达国家数字电视发展水平。

 

2 技术基础

2.1 基于DTMB融合技术优势

据悉,由美、加、欧、日、韩、中等大多数国家参加的、预定2015年底完成的ATSC 3.0版物理层,将采用类似中国DTMB的融合方案为基本技术框架。而DTMB开创的融合技术形成的突出工程实现优势,更多地体现在极有利于解决大区域的一次性的规模实施的M-SFN组网中的集约化、可实施性和可拓展性方面,即具有在大区域的M-SFN组网的集约型规模构建和运营启动以及承接未来网络发展的双重效应。

DTMB的这一技术特征一度被狭义应用所困而没有被业界看重:只看单点覆盖,而没有重视区域组网覆盖;只看单一选项应用而没有看到两个选项融合应用。但国内不断推进的DTTB规模运营网络建设以及如何实现双国标拓展海外市场的搏击中,逐渐彰显出中国创造的融合技术优势,也就铸就了在国际市场中双国标+宽带发射机方案超越“DVB-T2+H.264+多频道功率合成器(以下简称多工器)发射方案,突破性形成能全域性(大规模)、节能环保、低成本、快速,并能承接多业务地进行大区域M-SFN组网的工程设计的理论基础。

2.1.1 集约化

大区域M-SFN网络构建,涉及初期一次性频率资源占用多,用户规模发展及业务层面问题深,关联网络(有线电视网络、卫星网络、通信网络)运行、管理体系的影响因素多,一次性构建投资及风险大等经济可行性的考量。因此,必须做好大系统网络的集约化构建中的诸技术要素选择,以实现最少资源占用、最低成本构建,从而获得最大的投资回报和最佳的社会及服务效应。由此,必须考虑各种技术(信源、信道等)组合属性的结构不同,会在大系统中呈现复杂的相互作用、相互影响、相互制约的工程实现的可行性;如双国标或DVB-T2+H.264的选择,能否邻频设置、能否采用宽带发射机,能否简洁地进行频率优化,能否通过M-SFN实现最少频率占用,系统是否存在崩溃性故障因素和信息安全,能否平滑实现与通信网络的链接,最终体现能否集约型一次性构建复杂的运营大网等等。由此可见,首先尽可能降低信道传输和传播中的各种恶化率的影响,选择合适的DTTB标准或DTMB的选项及设备,以形成良好的相关性作用,才能解决好大区域 M-SFN组网的各类技术协同性、关联性等的工程实现的集约化问题。

大区域M-SFN组网是复杂的系统工程。优先采用DTMB中对时域和频域不敏感的C=1选项,利用它对发射端、传输链接及信号传播乃至接收端的非线性、量化噪声和相位噪声等要求相对DTMB/C=3 780选项较低,就方便邻频设置和采用宽带发射机构建大区域覆盖网;且可采用10-9量级时钟精度进行M-SFN组网构建等一系列工程实现中具有简洁性技术特征,是有利于提高工程的集约化程度,从而增强了该复杂系统工程的可行性的。

2.1.2 可实施性

1)大系统能否相邻频道设置是可实施性的要素之一(DVB-T2不宜相邻频道设置)。如果不能相邻频道设置,那么系统占用的频段带宽要增大。系统工作频段越宽,一方面在发射、固定接收天馈系统中的阻抗波动、场型劣化、系统自扰等非线性因素影响大;且系统的多次频率优化的工作难度也加大。此外,还会影响工程中对原有台站实施(如机房空间、铁塔发射天线安装位置许可等)和有线网络传输链接设施的利用率(包括对构建的设备和产品的普适性和共融性)。

相邻频道设置这种类似于国际上最新提出宽带联发或根据业务进行动态分配的新技术,既有利于发射机由单频道(如8 MHz)向一定带宽(目前能达到的工作频带为64 MHz)的宽带发射机开发,也有利于与之配套的天线系统的开发,更有利于新型射频(RF)延迟调整技术的开发,使得大区域M-SFN组网的可实施性大增。

2M-SFN构建中如果采用国际上通用的SFN适配器技术,须基于统一的时钟,如GPS;特别是如果采用DTMBC=3 780)选项的话,其时钟精度量级为10-12。后者势必构成全系统的各个环节受此精度的限制太严,由此维持系统可靠性的成本较高,不利于快速大区域规模组网和运营。而采用DTMBC=1)选项只需在系统构建时,同步构建10-9量级精度的时钟恢复系统就能保证M-SFN的性能。特别是在采用小功率多补点的准蜂窝(有效减少重复覆盖区面积)覆盖模式时,只需通过各区域的激励器内置10-9量级精度的10 MHz晶体时钟源,就能保证M-SFN各交叉区内的稳定接收。

3)有利于激励器技术性能提升而达到实用要求。由于多频道信号经过功放(具有非线性)会使得单频道的MER值明显劣化。工程实际表明,采用DTMB/C=1选项在等电平多频道射频信号合成后,再经过宽带功率放大时,可按照每增加一倍的频道数,其每个频道的MER值要劣化约3~4 dB考虑。由此,如果按照DTMB发射机测试标准中的规定(MER≥32 dB),在同时放大4个频道时,其对应的每个频道输入信号MER值就应在38~40 dB以上。如果再考虑小信号线性混合时对每个频道信号的MER劣化度0.5~1.0 dB,由此每个单频道激励器输出信号的MER值就应在38.5~41.0 dB以上(若采用DTMB/C=3 780选项,则所需的数值要显著高于此值)。

4DTMB/C=1选项具有发射功率峰均比(PAPR)较低的技术特征,有利于改善宽带发射机的电源效率,从而有利于提高各种功率等级、各种类型(特别是室外型)的宽带发射机产业化和工程可实施性,即能立足国内制造业支撑,较快满足一次性大面积采用小功率多补点准蜂窝覆盖组网的规模推进;从而有利于国内DTTB的节能环保、低成本、大规模、快速地构建和高效运营(滚动发展)的新型广电产业局面形成。

2.1.3 可拓展性

DTMB融合特征铸就了系统的较强的未来可拓展性。

1)只有在采用DTMB/C=1选项构建了大区域的M-SFN组网运营的规模网络以后,才能为在网络中采用DTMB/C=3 780选项,开展与通信网容易链接的准交互、大区域移动接收等新业务的发展提供技术、经济和管理的运营条件。也即在形成大区域的多业务DTTB规模运营网络的基础上,才能有实力拓展无线三网融合,继而承载未来网络的新型业务。

2DTMB的融合技术所呈现的工程实现优势,特别能使大规模运营网络在核心技术上保持较长时间的稳定性,非常适合国内用较短时间实现模数转换的DTTB市场需求,也就特别适合大多数发展中国家的类似市场需求。

 

2.2 基于AVS产业化程度的快速提高

由于国内AVS(包括AVS+)技术及产业化(含AVS统计复用技术开发)已赶上国外先进国家的水平。因此,在国家颁布的数字电视接收器/接收机的标准中,从201411日起只推荐AVS视频编码,没有推荐H.264MPEG-2(后者属于需淘汰的技术,还需支付专利费)。这就为在大区域M-SFN组网中采用AVS编码提供了极好的实施条件。

果断采用AVS/AVS+编码技术,既符合国家推荐自主创新高技术的政策,又能明显减少大区域M-SFN组网需用的频道数量,还能改善电视节目技术品质和数量,也能大幅度降低工程中频率规划和优化实施难度。

 

2.3 基于国内创新的产品及工程技术支撑

2.3.1 国产自主创新的高性能激励器(调制器)快速市场化

国产高性能激励器/调制器在单频道检测方法时,其主要技术指标均大幅度优于国家测试标准;其中相位噪声、本底噪声、带外抑制、10 MHz时钟源的频率精度(含频率稳定度)及MER值等指标都明显提高(例如,单频道测试的MER≥45 dB,时钟频率精度10-9等)。这就极有利于改善M-SFN组网时多个频道经射频信号合成后的宽带射频(RF)信号技术指标,以满足宽带发射机功放模块对输入信号源的参数要求。

特别是国内新近研发的DTMB多频道激励器(多通道的多节目传送流(MPTS)输入、射频合成输出),除采用一系列新技术和新工艺,使输出宽带信号参数提高外,还采用内置主备切换的、精度量级为10-910 MHz晶体时钟源对多频道信号锁相,保证大区域M-SFN对时钟频率的控制更加简洁、可靠,并降低了设备成本。国内某公司提供的多频道激励器输出口的频谱图见图1

1 国产多频道激励器输出口的频谱图(截图)

20141月,国内某产品经广播科学研究院委托测试的激励器部分参数测试结果见表1

1 国产多频道激励器部分参数测试结果

注①:测试项均在5个频道同时打开时所测,其余测试项仅打开所测试频道。

2.3.2 DTMB宽带发射机的制造技术的最新突破

目前,宽带发射机在单通道检测方法时的主要技术指标均大幅度优于国家测试标准。采用新型功放模块及制造新工艺可使发射机功放级的非线性劣化度降低。目前国内1 kW宽带发射机工作带宽为64 MHz时,同时放大5个频道的宽带信号,无论是否采用相邻频道设置,在输出口获得的单个频道输出的MER值能满足32 dB的检测要求。

此外,国产宽带发射机普遍成熟采用多个功放并联冗余设计/热插拔替换、高可靠开关电源/均流供电,新型自适应调整、告警保护、完备的数据检测、远程监控等一系列新技术、新工艺,使室内型或室外型宽带发射机(含功放机)的综合特性大幅度改善,能够满足大区域M-SFN组网的高性能需要。

早在2012年,国内某公司采用5个单一激励器经射频合成(相邻频道设置)方式,在宽带发射机的各输出口部分参数测试结果见表2

2 国产某产品的宽带发射机各输出口之部分参数测试结果

注①:测试项均在5个频道同时打开时所测,其余测试项仅打开所测试频道。

2.3.3 新型宽带发射(接收)天线系统产业化程度不断提高

大区域M-SFN组网和运营所需的发射端和接收端的宽带天线系统不同于传统定义的宽带概念,必须把同时发射(接收)状况下的每个频道的驻波比、阻抗、增益、方向图统一考量;并使每个频道的上述参数的差别控制在能容许的最小范围内。这涉及天线生产工艺、材料、设计、成本控制、检测等诸多方面因素。国内新近推出的发射(接收)天线系统除能保证其原有标称的性能指标外,对工作频宽内的每个频道的驻波比、阻抗、增益、方向图等的波动值都有大幅度改善。特别是1 kW功率等级以下高性能宽带缝隙发射天线开发,提高了小功率、多补点组网工程实现中的可实施性。

2.3.4 自主创新的组网工程技术支撑

1)省级/大区域射频(RFM-SFN组网技术:首先使得省域内每个县域M-SFN 组网(含插入当地节目的频道;它相对于省域网络而言是MFN)中的各频道,分别共用同1台(路)激励器的RF信号(无频率、相位偏差和偏移),可在该县域交叉覆盖区内比特同步和频率同步基础上,采用射频(含RF宽带)延时校正技术达到时间同步,确保该县域交叉覆盖区内的收视。由于省域内M-SFN信号一致(比特相同、相位相同),且相邻县域的M-SFN内的频率偏差都在10-9量级精度之内达到频率同步。这样只要做好RF延迟调整再达到时间同步,就能在省级/大区域M-SFN组网初期构建中,简便应对相邻县域M-SFN在交叉区的相互干扰。

一个县域内自主创新的射频宽带发射机组网与国内外传统的发射机+多工器合成发射组网的结构对比框图,见图2

2 大区域内的射频宽带发射机组网与发射机+多工器发射组网之结构对比框图

2)新型补点和深度覆盖技术:室外型(塔机)中等功率(宽带400 W)放大机的开发,有力带动了新型宽带发射覆盖方式规模应用。这既有利于满足大区域M-SFN组网中信号传输链接方式宜简易多样(光纤、微波等)的要求;也因能减少了馈接损耗而可普遍采用降低发射功率等级的新型(准蜂窝)小功率(绿色)覆盖模式。这样就能有利于系统在工程实施中的快速补点及深度覆盖,起到缩短建设工期、节约投资和降低运营成本的良好工程实施效果。

3)自主创新的射频回波消除直放技术:中等功率(宽带400 W)回波消除直放设备的开发,有力保障了复杂频道资源环境下的高质量M-SFN组网信号的中继覆盖效果,也进一步完善了大区域M-SFN组网的工程可实施性。

 

3 优势

 

3.1 显著推进大区域M-SFN组网的技术可行性

3.1.1 省略多工器

1)彻底避免多工器的温漂(其最高稳定度也只能在10-6量级精度)和频率误差(其最高也只能在10-6量级精度)在邻频设置当中不稳定因素(这种量级精度离M-SFN组网要求相差3个数量级),突破性地消除了这两种因素对处在邻频设置M-SFN交叉区的信号覆盖劣化和频道间信号干扰,在SFN工程实现技术上实现了国际领先的超越。

2)彻底消除多工器(还有链接用的RF短馈线)带来的馈接、插入损耗(合成频道越多,插入损耗越大;UHF频段,仅4路邻频设置/六腔结构时每路最大插入损耗约1.0~1.5 dB),提高了发射系统的电功率输出效率。

3)彻底消除多工器的高达300 ns以上的延迟和不同频道所具有延迟差的影响(这个延迟差处在不恒定状态),利于提高大区域M-SFN组网的可行性。

4)发射台站无需考虑多工器安装占用空间,既有利于工程实施,更有利于高效率宽带发射系统(室外塔机型)大面积使用。

3.1.2 使频率调整(优化)工程实施简便

这是适宜大区域M-SFN组网中多次的频率优化调整工程实施需要的最佳技术方式,且调整区域性频率时,可操作性强(几乎不需要专业设备人员到现场),工作时间短(一般只需在激励器上变动调整就行),对网络运营影响少。

3.1.3 有利于构建环保型覆盖网络

区域性主台加多补点的新型(准蜂窝)小功率覆盖方式相比高山大功率覆盖方式的覆盖优势:1)明显减少了全系统重叠覆盖区的面积,特别是消除了大重叠覆盖区(一个县域甚至关联几个县域)的面积;2)全系统覆盖场强均匀度大幅度改善;3)有效降低了电磁辐射污染;4)无人地区或近场却信号过强,白白浪费电能,又增加电磁污染,不符合环保要求。

特别是宽带发射(含室外塔台型)与传统的多工器合成发射相比,承担主要覆盖功能的发射机总数量并没有明显增加(频道越多相差越少)。但整个系统构建中,反而因发射机功率降低而减少了总体电能耗,还便于大量的室外塔台型宽带发射机采用低碳(光、风)能源。

3.1.4 有利于构建交互网络

采用小功率多补点的DTTB覆盖网络极容易使覆盖结构网格化。这既有利于构建广电系统的无线回传通道,更有利于联合电信网络构建回传通道。这也为开展区域性移动电视,为广电行业推进三网融合,与电信网络及其业务交融等奠定了工程基础。

 

3.2 显著提升了大区域M-SFN组网和运行的经济可行性

发射机由N+1(备份)台变成1+1(备份)台;明显减少发射机等设备数量和占用机房空间。这样在组网初期,既方便利用原有广电塔台、机房设施(包括配电不需扩容等),也有利于使用电信界的通信塔台、机房等设施(符合配电容量和干扰的要求);还方便因地制宜采用各种稍加改造的光纤、微波、直接空转等技术方式传输信号,提高系统信号链接工程可实施性。

由图2可见,如果以省域组网动用4个频道为例,归纳1个县域内、仅1个发射台的宽带发射机M-SFN组网与国内外传统的发射机+多工器组网的主要设备之构建对比,可见表3

3 1个发射台采用2种不同组网方式的主要设备构成

由图2 和表3可见,当1个县域内有多个主发射台时,仅发射台的设备数量上总体相差就非常悬殊。因为,由于减少了大量(约成倍减少)的发射机、SFN接收端适配器、GPS时钟设备和多工器等设备,在系统的发射端,除了提高可靠性以外,其设备投资额可以降低1/3以上,这既能有利于保证质量的前提下,缩短建设工期,也能有效推进有线与无线网络的共融共建;从而有利于快速形成大区域网络运营维护保障体系,在节能环保和大幅度降低运营成本的情形下,保证大系统运行性能。

 

3.3 有利于形成国际领先的完整的知识产权体系

快速实现多个省级/大区域M-SFN组网和运营,形成国际领先的具有中国创造元素的工程实现技术,既奠定了双国标升级(下一代DTMBAVS-2)的国内规模应用的基础,也有利于国内相关制造业的产品更新换代和创新发展,结合参与海外市场竞争推广应用,并由此形成具有国际先进水平的中国自主创新的双国标(含工程技术)完整的知识产权体系。

 

4 大区域M-SFN组网中的频率规划与频率优化

采用宽带发射机构建省级/大区域M-SFN组网的过程,几乎是与行政辖区内各小区域(县域)准备关闭模拟广播频率过程同步,即在行政辖区会经历由暂时短期占用UHF频段某些频率,直至分几步调整到全系统M-SFN组网所设计频道(频率)的优化过程。这也就是说:这会经历对频率占用的动态性调整优化过程。尤其是这种小功率多补点的准蜂窝发射覆盖网在构建中,既会大幅度减少原有大台(包括高山台)重复覆盖面积。此外,还会引起部分台站功能的变化(比如重要的信号中转枢纽、国家级应急广播、覆盖监测、安全监控等)。

这一系列频率占用状况明显会对传统的广电行业的频率管理产生巨大变革;即在频率管理上要经历不同于传统的频率指派的先规划、经批准再实施过程。这是广电行业在完成DTTB由模拟向数字化的技术变革中,首先要面对的在频率管理方面的一场重大创新。

一个省域/大区域M-SFN组网大体要经历3个频率规划和调整(优化)阶段:

1)起步阶段:结合(适当调整)国家频率指配的各地公益性(免费)服务频道,在UHF频段100 MHz范围内,按能选用2~3个左右的统一频道的过渡性区域(地市或跨地市县域连片),进行双国标的M-SFN所需频率进行初步频率规划。与此同时,要注意规划好:因要满足插入各地节目的所致MFN所需频道(因小功率覆盖,该频道在相隔县域情况下一般可以重复使用)。

2)第二阶段:在完成过渡性区域内第一阶段组网的条件后,推进过渡性区域内关闭大部分地面模拟电视广播,腾出的若干空白频道;然后实现第二次更大的过渡性区域内的频道优化调整。

3)第三阶段:依据国内相邻的省级/大区域的双国标M-SFN组网建设状况,推进关闭在本省级/大区域内关闭所有剩余的模拟电视广播,实现本省级/大区域内M-SFNMFN组网所需频道占用数最少(腾出空白频谱供其他省域/大区域M-SFN组网使用),并结合功率配置优化调整,达到覆盖效果最优化。

在全国范围内完成在相当数量的省级/大区域内关闭模拟电视广播条件下,规划建设全国统一的双国标M-SFN所需的频率条件就开始形成。同时,各省级/大区域的双国标M-SFN组网所占用的频率资源,可能还需要经过1~2次的调整,最终达到理想的频率调整优化分配效果。其中可参照国际无线电大会所确定的频率使用原则进行(包括规划或腾空“700 MHz频段,按照有待拟定的法规进行重新分配)。

显然,采用UHF频段的宽带发射机进行M-SFN组网技术,非常有利于实施上述多次的频率优化调整过程。这从图2下方框图中采用传统的单频道发射机+多工器方式所引起的技术复杂性进行对比,立即可以看出宽带发射机的优越性。

 

5 宽带发射机有待进一步研究的问题

相比已经有几十年历史的单频道发射机,UHF频段宽带发射机产业化程度还不够。宽带发射机目前还存在的进一步研究的问题:

1)非线性因素,多次谐波、交互调等使功放效率下降,从而会使整机的电源效率下降。特别在较大功率(1 kW/64 MHz工作带宽)的宽带发射机产品中,目前能达到整机效率约为20%。因此,要使整机电源效率达到或超过与单机-单通道发射机较为合理的差别(如1 kW宽带发射机的整机电源效率达到25%以上),同时促使单机宽带发射机输出功率增加到2 kW级以上,以适应国内外市场需要。

2)因非线性等因素和制造水平所限,频道增加会造成单频道MER值下降太快,从而限制了宽带发射机的工作带宽(目前1 kW宽带发射机能满足指标要求的在64 MHz)。而大区域M-SFN组网中,往往会遇到超过这样频段带宽的实施条件。因此,UHF频段单台发射机的工作带宽有待扩宽到100 MHz(目前八木七单元接收天线的能良好接收的工作频带约为100 MHz)。

3)对发射机器件(功放模块)和工艺要求高。这既会增加大功率宽带发射机研发和批量生产的难度,也会限制单机可合成的频道(8 MHz)数量增加的速度(目前不宜超过8个)。从狭义上说,宽带发射机模式消耗了单频道-单机发射端努力提高MER值的覆盖效果;尽管这一效果不是线性改善的,但这对于大区域M-SFN组网中改善大面积覆盖接收效果,提高运营效益的意义很大。所以,提高发射机制造技术,改善发射机功放部分非线性因素的劣化程度,依然是新一代宽带发射机的研发方向。

4)推动大区域M-SFN组网的发展,提升制造业的支撑能力,离不开国家及行业相关配套性技术标准的制定、并尽快颁布实施。更何况应立足国内自主创新的工程实现技术,以便在国际上率先拥有这一领域的自主知识产权。

 

 

该文已刊登在《电视技术》2014年第21期(NCCE2014论文集专刊)

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