地面數字電視廣播工程實踐中的幾個問題

    數字電視是電視技術發展的趨勢。一些國家已經開始從模擬電視轉向數字電視廣播，并將逐步停止播出模擬電視節目。美國已經在多個電視臺進行了高清晰度電視地面廣播；英國已經在多個地區開展了無線數字電視廣播業務；在德國柏林，部分無線模擬電視頻道已經關閉并轉向數字播出。在我國，目前已經有10多個省市在進行地面數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。

發射天線

    發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成。為了方便分析，工程上通常規定：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場強分布，在同樣的發射功率下可以覆蓋更大的范圍，所以發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場強分布劣于垂直極化，特別是在潮濕、多水、多樹林等環境條件下，由于水平極化天線極化偏轉的原因，垂直極化天線的近地接收效果優勢明顯；另外，由于垂直極化接收天線很容易實現水平面內360°接收，因此在移動接收時垂直極化的天線更合適。清華大學數字電視技術研究中心技術人員的實際試驗結果也表明，在發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于其它組合方式。建議各電視發射臺在安裝新的用于移動接收的天線時，盡可能優先考慮采用垂直極化。這樣在接收機端可以采用結構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，大部分電視發射天線的位置的選址有兩種情況：高山低發射塔和平地(樓房)高發射塔。在長沙市的場地實踐中，我們發現天線選址非常重要。對于UHF頻段內的無線傳輸，雨衰不是傳輸損耗中最重要的部分，當發射天線采用水平極化時，在春夏暴雨季節，部分離發射塔很近、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，我們認為與發射天線的位置有關。長沙市廣播電視發射塔位于岳麓山(295m)上海拔270m的地方，塔高88m，移動電視發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生變化，使得天線和大地之間的介電常數發生變化，電磁波的傳輸特性也隨之發生改變；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，在進行地面數字電視天線選址時盡可能避免高山低發射塔，而優先考慮高塔的模式。

    由于傳統模擬電視考慮的是大范圍覆蓋，而移動電視現階段主要考慮的是城域覆蓋，所以在移動電視發射天線的選擇上，重點要根據具體服務區的地形地貌特點，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。

發射頻率

    目前各地開展地面數字電視實驗，一般在工作頻率上選擇范圍不大。但就地面數字電視這項技術而言，對工作頻率還是有一定要求的。首先，現在地面數字電視發射機一般都采用LDMOS功放模塊，為了獲得較大的線性動態范圍，基本都選擇其工作頻率在UHF頻段內。其二，目前數字電視信道解調的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。根據國外有關專家的意見，開展以移動接收為主要業務的地面數字電視廣播，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，開展數字移動電視廣播以工作頻率偏低端為宜。

單頻網與多頻網

    單頻網(SFN)是指同一區域內的若干個發射臺同時在同一個頻段上發射同樣的無線信號，以實現對一定服務區域的可靠覆蓋。在傳統的模擬電視中，相鄰發射臺需要使用不同的頻率播放節目以避免相互干擾(差轉)，在一定距離以外才能進行頻率重用，即多頻網(MFN)方式。在MFN方式下，一套模擬電視電視節目要覆蓋較大區域，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的概念，是電視技術數字化帶來的結果，采用數字調制和數字信號處理技術，使單頻網的應用成為可能。

    相對于傳統的多頻網，單頻網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，在同一服務區一個頻道上采用數字電視技術可傳送多套電視節目，可以節省大量的頻率資源，多個發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，從而獲得更好的節目覆蓋率。此外，通過對發射網絡(如發射機的數量、分布、單個發射機的天線高度、發射功率等)的調整和優化，還可以降低總的功耗，減輕對附近其它網絡的干擾，甚至可以根據需要方便靈活地改變覆蓋區域的分布。

    長沙地面數字電視網絡覆蓋目前采用的就是單頻網形式，該網絡由3臺工作在同一頻道的德國RS公司生產的發射機組成，主發射機位于長沙市岳麓山，發射功率為1.3kW；2個子發射點分別位于長沙市南邊和東北面，發射功率均為400W。目前，在長沙市區覆蓋率在96%以上。在調試過程中我們發現：如果按照各基站嚴格同步的方式(同一時刻發射同一碼元)，當增加發射機后，雖然可以改善輔助發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現，輔助發射的引入帶來了新的問題：輔助發射機與相鄰發射機的信號在中心交界區有影響；理論上，每引入一個單頻網發射點，就等效于對原來的發射機引入一個多徑，必須采用改變各基站發射機同步時刻來優化。因此對于覆蓋半徑要求不大的地區，或者在市區地形不是非常復雜的城市，如果能用一個發射機完成覆蓋，盡可能采用適當功率的單點覆蓋，個別盲區則采用同頻轉發器(Gap Filler)加高指向性天線來完善。單頻網從某種意義上講是為了實現對環境特別惡劣的覆蓋或者超大范圍覆蓋而采取的一種辦法，技術上也還有待進一步完善，并不非常適合中小范圍內覆蓋。