浅谈地面数字电视单频网(SFN)

浅谈地面数字电视单频网（SFN）

作者：潘辉何梅

来源：《科技信息·上旬刊》2018年第03期

摘要：无线数字地面电视发射系统（DTMB）采用单频网具有很多优势，可以提高抗干扰能力，实现较低功率水平下的高覆盖，节约了很多频道，提高了频谱使用效率。

关键词：SFN；均衡器；延时和定时错误；自干扰

SFN（地面数字电视单频网）是将一定覆盖区域内的不同地点，采用多套同步状态的发射机来发射相同的信号节目，组成地面数字电视网络覆盖系统。

一、优势

单频网区域内的发射机必须同频，在同一时刻发射相同的节目。传统发射机系统为了提高有效覆盖面积，需要将发射天线提高，增加发射功率，或更换天线模式来实现。为了使特定区域的场强达到最大，需要付出很高的成本，还不一定能够实现。无线数字电视采用单频网技术，在一定覆盖范围内使用小功率发射机来实现有效的覆盖。提高了抗干扰行，降低了配置费用，提高了容错性。同时无线数字电视发射系统单频网技术克服了传统发射机故障，天线故障和电力故障对整个覆盖的影响。在单频网系统中的部分发射机存在故障时，重叠覆盖区域内不会丢失覆盖信号，非重叠覆盖范围也只是损失部分覆盖区域，因此单频网系统可以不必将天线架设很高，系统内部分发射机故障不会丧失全部覆盖。

二、均衡器

在一个单频网系统中，多部发射机以同一个频率同时传播相同的信号，覆盖区域内的接收机接收来自不同发射机的相同信号，这会导致“马赛克”现象。采用单频网工作方式，接收机必须克服多径传播带来的干扰，DTMB采用均衡器技术后克服了这个缺点。

1、均衡器性能。处于单频网覆盖系统内的接收机系统受到3个重要的参数影响，均衡器能够处理的最大延时，均衡器随变化脉冲的反应速度，延时信号的强度。一般情况下，这三个参数是互相影响的。当前的均衡器最大延迟可以承受40μs，多普勒频移小于1Hz，多路信号实现了10dB以上的分离。DTMB的调制方案中充分考虑了多径传播，在延时低于保护间隔的条件小，就可以避免码间干扰。子载波在码间处于固定的位置上决定了保护间隔的反应速度，它取决于频率的响应。可以在码间引入用于接收机的判断和纠正频响的标识符，当两台发射机的延时差超过了保护间隔，同样也会导致码间干扰。不同子载波之间的保护间隔可以有效的避免多普勒频移带来的码间干扰，因此选择合适的保护间隔大于多普勒频移即可避免由此带来的码间干扰。子载波的数目，码率周期和保护间隔决定了DTMB的模式，同时也决定了单频网的

组成标准。接收端的均衡器改善了DTMB的接受性能，因此单频网采用的保护间隔可以尽量的减小。

2、接收天线。当信号的延时超过了均衡器的承受范围，可以通过采用定向天线接收的办法来克服，天线衰减延时信号在10～15dB就可解决问题，如果达到这种条件就需要信号来自多个方向，用户采用全向天线，一般情况下是不可能存在这样的条件，单频网用户中多数采用定向接收天线。采用智能接收天线可将接收的干扰方向增益置零，信号方向增益最大，这样将极大的改善均衡器的负担，提高单频网的接收质量。

三、当前存在的问题

设计单频网时必须考虑到潜在的问题，简单的将相同的MPEG＼或SMPTE数据类型输入至两台发射机是不能实现单频网的。相同的信号源在传输时间同步或处于一个合理的时间范围内才能保证单频网的正常实施。延时和定时误差，频率误差和错误数据是导致单频网系统崩溃的主要原因。在单频网系统中，多数用户接收的基本是一台发射机的输出信号。当一台接收机收到来自多个方向的信号都在10～15dB时，这台接收机才会同时接收多个信号，其他信号可以被认为是噪声，此时接收机的均衡器将开始工作（在均衡器可以调节的范围内），可以将接收的多个信号调节，确保不出现“马赛克”现象。

1、延时和定时错误。当系统工作于单频网时，接收端的时间误差需要符合均衡器的限制范围。不同发射机的时间延时由两个因素导致：发射机之间时间误差和接收机相对于发射机的位置。当延时超出了均衡器的处理范围，必然会出现问题。如果用户收到了来自一台发射机的延时信号，如果改变延时可能将导致其他接收机引起微小的延时，累计最终导致超出均衡器的处理能力范围。因此单频网引入的延时是有限的，由两台发射机的距离和额外延时决定，最大延迟处于两台发射机或其中一台发射机的正后方。它不同于其他的多径传播，一是单频网的延时有个极限值；二是他的延迟线不是在以发射机和接收机为焦点的椭圆的曲线上，而是位于以两台发射机为焦点并以接收机为中心的双曲线上。所以单频网的延时与发射机天线模式无关，与地理形态也无关。

2、频率误差。两台发射机之间存在任何频率偏差将在接收端产生多普勒频移现象，多普勒频移由均衡器和接收系统决定。借助GPS接收机系统提供时间和频率参考是当下普遍采用的方法。

3、数据错误。在前端信号与发射机之间一般不会出现较多的数据错误，一旦发生数据错误，只能尽快的解决掉，输入信号中的一个独立字符号出现错误，采用多余的错误矫正会导致整个编码字符改变，甚至产生一个不同的射频信号。天线，滤波器及放大器会带来不同的非线性失真，均衡器将会在合理地范围内自动矫正。

4、自干扰。以单频网中心发射机为基础，发射机数目的不断增加，这些发射机输出地信号将导致超出均衡器的调节范围引起自干扰。数目较多的单频网中，采用较低的天线可以降低自干扰的影响。

四、天线模式

采用合理的天线模式可以有效的降低多径带来的干扰。若远离单频网中心的发射机相互间采用相差30dB的定向天线可以实现消除有害的多径，同时减少需要均衡的覆盖区域，提高发射机之间的距离。

五、其他值得注意的潜在优势

信噪比的提升和分集。两个完全相同的信号相比一个独立的噪声理论上会产生 3dB 信噪比增益，实际应用中，由于均衡器可能在信号较弱的频段带来更大的增益，导致实际情况与此不同，反而可能会提高噪声部分的增益。第二个优势是多径信号会产生分集。如果存在两个独立衰落的信号，那么两个信号都被噪声淹没，要比一个信号的情形低得多。例如，

假设一个信号低于噪声的概率是 5%，那么两个信号都低于噪声的概率可能就只有 0.25%了。

六、单频网和中继器

通道中继器可以用来产生一个单频网系统。中继器的主要限制在于它不能和主发射机同时发射。由于传播延迟不能控制在同一量级，这限制了系统筹划时的种种操作。中继器的输出功率常常受限于天线隔离和稳定性的考虑——这是一个潜在的约束。如果中继器已接收到含有多径的信号，那么额外的多径会给中继器自身带来延迟。这是一个潜在的问题，除非中继器在转发信号之前解调并重构一个“干净”的信号。

结束语：

无线地面数字电视发射系统采用单频网具有一定的优势，有效的降低了干扰，覆盖区域可以灵活调整，但在设计也要充分考虑到潜在的问题，实现最有效合理地覆盖。