DTMB系统的单频网接收性能预测

董 鑫，胡曾千，杨 昉

(1.长沙广电数字移动传媒有限公司，湖南 长沙410005;2.深圳清华大学研究院，广东 深圳5180572;3.清华大学 信息技术研究院，北京100084)

随着地面数字电视广播技术的发展，单频网(SFN)组网技术渐渐取代传统的多频网(MFN)组网技术，成为目前地面数字电视广播系统最主流的覆盖方法之一［1］。单频网是指由若干个不同位置处于同步状态的发射台站，在同一时间以同一频率发射同一信号，实现对特定服务区的可靠覆盖。在多频网方式下，相邻发射台站采用不同频率转播同一信号，因此覆盖一个区域需要占用多个频率，而单频网不需要频率重用，节省了大量的频率资源，频谱利用率的显著提高。

然而，增大覆盖区域和改善覆盖重叠区的接收性能不一定能同时满足。一方面，多个发射台站进行多点发射可以使得单个发射基站无法提供足够信号强度的覆盖盲区因为接收到其他发射点的覆盖而得到改善;另一方面，来自不同发射台站的信号会带来相互干扰，构成复杂的人工多径环境，甚至是强多径环境，难以获得接收性能增益［2］。可见在实际应用中，单频网组网技术能增大接收端的信号功率，但也可能提高信号成功接收所需的接收端最小信噪比(SNR)，使得接收裕量有损失。因此，一味增加发射台站或增大发射功率并不一定能改善接收效果。本文重点讨论单频网网络中的人工多径环境对地面数字电视广播接收性能的影响，进而提出了根据信道容量分析计算DTMB［3］单频网网络中接收信噪比门限的具体方法。

1 信噪比门限预测方法

多载波OFDM调制是单频网的关键技术之一。OFDM将传输信道分成多个正交子信道。由于每个调制符号的传输速率降低，符号周期加长，远大于多径的最大时延，因此多径的影响就大为减小。此外，还可以通过在OFDM信号帧间加入保护间隔，进一步减弱多径传播造成的符号间干扰(ISI)的影响。采用OFDM多载波调制方式可以有效地抵抗多径干扰，在实现单频网时具有先天优势。因此，本文主要讨论多载波模式下的单频网信噪比门限预测方法。

1.1 理论依据

信道容量是差错率在可接受范围内信道传输能达到的最大信息率，代表信道在特定约束下发送消息的能力。同一接收机工作在同一模式下时，由于采用了同样的编码、调制、解码、解调、量化等算法，可认为对数据传输的影响大致恒定，则接收数据的可靠性与传输信道的信道容量息息相关。由Shannon的信息理论可知，在传输参数一定时，信道容量由信噪比和传输信道决定。对于按接收错误率判定传输失败的系统，工作在同一模式下时，即使传输信道环境不同，达到成功接收临界点所需的信噪比时，信道容量大致相同，即

式中:SNRawgn和SNRh分别代表高斯信道和多径信道下成功接收所需的接收端信噪比门限值;Cawgn和Ch分别代表在高斯信道和多径信道下信噪比门限时的信道容量。因此，若测量得到接收机工作在高斯信道下的信噪比门限，在参数给定的多径信道下，可计算出使信道容量达到Cawgn(SNRawgn)的传输信噪比值，即为该多径信道下的信噪比门限预测值。

1.2 预测方法

若指定传输信道为L径信道，各径的场强分别为A1，A2，…，AL，各径的延时分别为τ1，τ2，…，τL，符号周期为Ts，则该多径信道模型可简单描述为

笔者提出了一种指定多径信道下的信噪比门限预测方法，预测步骤如下:

1)指定工作模式，测试得到接收机在高斯信道下达到成功接收临界点的接收端信噪比值SNRawgn。

2)对信噪比门限值进行必要的修正。考虑到DTMB实际带宽、帧头能量加倍等因素，需要将接收端信噪比门限值修正为OFDM块上的信噪比门限值，才能进行信道容量的计算。修正公式为

3)由待预测的工作模式约束计算系统在接收门限处的信道容量。星座图约束下的信道容量计算方法参见Caire等人的文献［4］。

4)由待预测的多径信道参数，计算出使得多径信道的信道容量达到Cth时的信噪比。由于信道容量计算公式非常复杂，很难根据Cth和多径参数直接得到闭式解SNRh，因此，可以设置信噪比为一个较低的初始值，以预设的步长缓慢增大，直到对应的多径信道容量达到Cth，此时的信噪比即为该多径信道下OFDM块的信噪比门限值。

这种基于信道容量的信噪比门限预测方式适用于各种最大传输时延不超过保护间隔的多径信道，不局限于多径信道的径数，在复杂的多径信道模型下也能直接应用。

2 实验室单频网测试

为配合DTMB多载波模式的单频网接收门限预测研究，搭建了实验室单频网测试平台进行测试。实验室测试主要有两个目的:一是为信噪比门限预测提供所需的高斯信道信噪比门限参数;二是为预测结果提供实际数据作为对比。测试框图如图1所示，使用盈电3530A信号发生器产生国标信号源，通过盈电4409A多径模拟器模拟单频网环境，采用目前市场上收集到的商用接收机金网通JC3018机顶盒接收信号，并在显示屏上播放以观察信号质量。

图1 实验室测试框图

本次研究中，笔者测试了广电总局推荐的4种DTMB多载波工作模式，表1列出了这4种模式的具体参数。在实验中，通过调整多径模拟器的各径强度和时延，模拟不同的单频网环境，测试机顶盒在不同单频网环境下的接收性能。由于商用机顶盒一般不具有TS码流接口，无法直接统计误码率(BER)以观察接收性能。因此，采用ITU-R BT.1368-2［5］中所述的主观失败判据判断信号是否成功接收:若在3个相继20 s的每个20 s内所观察到的图像损伤多于1个，则判定接收失败，否则认为接收成功。测试中，通过调节信号发生器的SNR值，找到被测机顶盒达到成功接收的临界点，并将此时的SNR值记为测试多径环境中成功接收所需的信噪比门限。除了高斯信道外，主要测试了具有2个或3个发射台站的单频网传输环境，对应2径或3径的多径信道，信道参数如表2所示。对于每种工作模式，都测试了近万种多径信道，以便于验证预测结果的准确性。

表1 测试的4种多载波工作模式参数

表2 测试的多径信道参数

3 预测结果与分析

采用金网通JC3018机顶盒作为接收机，测试得到4种DTMB多载波工作模式1～4在高斯信道下信噪比门限值分别为8.0，10.1，12.3和15.6 dB。根据以上结果，采用本文所述的信噪比门限预测方法，预测了接收机在多径信道下成功接收所需的信噪比门限值。图2～5给出了4种DTMB多载波工作模式下信噪比门限预测值与实际值的对比。对于这4种工作模式和所测试的多径信道，预测误差在1 dB内的比例分别为93%，98%，92%，92%。由此可见，本文提出的预测方法能有效地估计单频网中人工多径信道干扰的影响，在预测信噪比门限方面具有较高的准确性。

4 小结

地面数字电视单频网可以实现更大的覆盖区域，但在实际网络中，覆盖重叠区的信号干扰会严重影响信号的接收质量。本文基于信道容量的分析提出了一种单频网接收信噪比门限预测方法，以分析人工多径环境下接收机的接收性能。该预测方法可配合单频网网络规划实践，通过调整和优化单频网网络参数，改善服务区域的覆盖效果。

［1］庄谦，杨知行，潘长勇，等.单频网及其在DTTB中的应用［J］.电视技术，2003，27(10):7-8.

［2］潘长勇，冯景锋，王劲涛.地面数字电视广播单频网应用实践［J］.电视技术，2010，34(8):14-16.

［3］GB/20600—2006，数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制［S］.2006.

［4］CAIRE G，TARICCO G，BIGLIERI E.Bit-interleaved coded modulation［J］.IEEE Trans.on Inform.Theory，2010，44(3):927-946.

［5］ITU-R BT.1368-2，Planning criteria for digital terrestrial television services in the VHF/UHF bands［S］.2000.