DTMB接收机对单频网覆盖地点概率估计的影响研究

李彩伟，张晓林，张 展，李 铀，李 辰，于志坚

(1.北京航空航天大学 电子信息工程学院 国家数字电视工程重点实验室，北京 100191；2.北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094)

DTMB接收机对单频网覆盖地点概率估计的影响研究

李彩伟1，张晓林1，张 展1，李 铀1，李 辰1，于志坚2

(1.北京航空航天大学 电子信息工程学院 国家数字电视工程重点实验室，北京 100191；2.北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094)

提出一种DTMB接收机抗单频网回波干扰性能实验室测试方法。首先，测量系统工作模式下的射频保护率PR、0 dB回波最大延时dmax以及延时超过dmax时回波幅度最小衰减量Dmin，然后根据射频保护率PR定义计算出延时超过dmax时有用信号功率所占回波总功率的百分比。并基于理论六边形单频网模型研究了固定接收和移动接收下DTMB接收机抗单频网回波干扰性能在不同FFT窗口同步方法下对单频网覆盖地点概率估计的影响，仿真结果表明接收机特性对单频网覆盖率有重要影响。

DTMB；单频网；网络规划；地点概率

University,Beijing100191,China;2.BeijingInstituteofTrackingandTelecommunicationTechnology,Beijing100094,China)

在单频网中，接收机同时接收来自SFN中不同发射机的多个信号，当接收信号达到时间相对于FFT窗口同步时间的时延大于保护间隔GI时，将产生同频干扰，干扰功率占接收功率的百分比取决于接收机抗SFN回波干扰性能，因此，在地面数字电视单频网规划中，接收机抗单频网回波干扰性能是SFN覆盖地点概率估计的一个重要的方面。文献[1]和[2]中给出了DAB-T、DVB-T以及DVB-T2接收机理论干扰模型，这些干扰模型都是在假设理想的信道估计和均衡下的推导式，在我国地面数字电视相关规划标准中没有给出DTMB接收机干扰模型[3-4]，本文基于国家数字电视工程重点实验室测试平台通过DTMB单频网实验室测试研究DTMB接收机抗单频网回波干扰性能。另一方面，接收机FFT窗口同步方法决定了单频网中各发射机在接收地点处的时延差，文献[5]基于理论六边形模型研究了DTMB单频网频率分配规划方法，本文基于理论六边形模型研究了不同FFT窗口同步方法对SFN覆盖率的影响。

1 DTMB接收机抗单频网回波干扰性能测试

1.1 系统测试框图

对于地面数字电视系统而言，目前国际上衡量系统可靠性可以采用两种评价方法：主观评价方法和客观评价方法[6]。本文采用客观评价方法：在1 min之内，统计总的误码率高于3×10-6，即为接收失败，反之则为正常接收。系统测试框图如图1所示。测试设备如表1所示。测试变量为系统工作模式下的射频保护率PR、0 dB回波最大延时dmax以及延时超过dmax时回波幅度最小衰减量为Dmin。

图1 系统测试框图

表1 测试仪器列表

1.2 测试方法

设备连接如图1a所示，射频保护率PR测试步骤为：

1) 将数字电视调制器2输出信号设置在与被测数字电视传输系统相同的频道。

2) 将数字电视调制器2的衰减器衰减值设定为最大，调整被测调制器的衰减器衰减值，使频谱仪上测得数字电视传输信号功率为-60 dBm，记为信号功率C。

3) 减小数字电视调制器2的衰减器衰减值直至接收失败。

4) 以0.1 dB为步进增加数字电视调制器2的衰减器衰减值，直到系统传输优于失败判据，记录此时的误比特率BER。

5) 将被测调制器的衰减器衰减值设定为最大，使用频谱仪测量此时数字电视调制器2信号在其所在频道内的功率，记为功率I。

6) 计算C/I，记录为同频数字干扰数字信号的C/I门限。

设备连接如图1b所示，0 dB回波最大延时dmax以及延时超过dmax时回波幅度最小衰减量Dmin测试步骤为：

1) 将多径信道仿真器的信道模型设置为2径模型，回波衰减为0 dB，回波时延为1 μs，调整传输信号衰减器的衰减量，使频谱仪上测量信号功率为-53 dBm。

2) 调整多径仿真器的信道模型，回波衰减保持原值，增大回波延时直到接收机不能正常接收。

3) 以1 μs为步进逐步减小多径时延的长度，直至系统传输优于失败判据，记录此时的BER；记录此时的回波时延，作为0 dB回波最大时延dmax。

4) 将多径信道仿真器的信道模型设置为单径模型，调整传输信号衰减器的衰减量，使频谱仪上测量信号功率为-53 dBm。

5) 将多径信道仿真器的信道模型设置为两径模型，设置回波时延大于最大0 dB回波延时dmax，以0.1 dB为步进，逐步增加回波衰减直至系统传输优于失败判据，记录此时的BER。

6) 记录此时的回波衰减值，作为延时超过dmax时回波幅度最小衰减量为Dmin。

设主径信号的功率为P，当回波延时Δτ大于dmax时，回波的有用信号功率占总功率的百分比为w(Δτ)，由保护率PR的定义可得

(1)

因此得

(2)

部分工作模式下的抗回波性能测试结果如图2所示。

由图2可见，DTMB接收机抗0 dB回波的最大延时dmax近似于保护间隔GI，当回波延时Δτ大于dmax时，有用信号功率占总功率的百分比不足10%，随着延时的逐渐增大，该信号功率全部变为干扰功率。

2 DTMB接收机对单频网覆盖地点概率估计的影响

除接收机抗SFN回波干扰性能外，接收机FFT窗口同步方法也是单频网规划中考虑的重要因素。本节基于理论六边形SFN模型研究了式(3)和式(4)所表示的DTMB接收机抗回波干扰模型在不同FFT窗口同步方法下对SFN覆盖地点概率估计的影响,即

(3)

(4)

图2 DTMB接收机抗SFN回波干扰性能模型

当Δτ大于GI时，式(3)将信号功率全部视为干扰功率，式(4)将有用功率占总功率的百分比视为10%。

2.1 理论六边形单频网模型

众所周知，我国南海海域辽阔，岛屿众多。但是，目前修建有可供大型飞机起降的机场的海岛不过寥寥数个。更让人头疼的是，大多数岛屿还并不具备修建机场的条件。一旦遇到特殊情况，如何将人员、物资、装备等快速投送到事发地，一直困扰着我们。

如图3所示，理论六边形SFN由位于六边形中心和顶点的7个发射机组成，所有的发射机使用相同有效天线高度以及有效辐射功率，发射机之间的距离为ISD(Inter Site Distance)，服务区半径为D。根据规划策略和规划目的的不同，服务区域可以是由外围6个发射机组成的六边形区域，称为封闭单频网(Closed SFN)，也可以是边长比ISD大15%的六边形区域，这种网络称为开放单频网(Open SFN)。在封闭单频网中，中心发射机使用全向天线，外围发射机使用指向覆盖区域内的定向天线以减少对外部的干扰。在开放单频网中，所有发射机使用全向天线。本文中使用开放单频网模型。

图3 理论六边形SFN模型

2.2 仿真场景和参数

DTMB主要用于固定接收和移动接收，各规划场景下的参考网络和参考规划配置参数如表2所示[3-4]。

表2 参考网络和参考规划配置参数

在单频网中，产生覆盖盲区的原因主要有两个，第一个为接收机的本地噪声，第二个为单频网自干扰。为分析一些覆盖预算算法在存在自干扰下对覆盖效果的影响，发射机的有效辐射功率为不存在自干扰情况下使整个服务区满足接收模式覆盖要求的最小辐射功率(固定接收下覆盖地点概率为95%，移动接收下覆盖地点概率为99%)。

2.3 覆盖地点概率计算方法

在SFN中，接收机同时接收到来自不同发射机的多个信号，文献[1]中给出了5种不同发射机FFT窗口同步方法，本文中使用两种FFT同步方法，分别为某门限以上最先到达信号(TL)和最强场强信号(SS)。假设SFN中第i个发射机在接收地点处的场强为Pi，传播时间为ti，FFT窗口同步时间为to，则第i个发射机相对于to的延时差为Δτi=ti-t0，根据接收机抗SFN回波干扰模型，第i个信号在接收地点处产生的有用信号功率Ui和干扰信号功率Ii为

(5)

因为Pi为对数正态分布变量，Ui和Ii也可以视为对数正态变量，其对数的均值和标准方差分别为

(6)

(7)

接收地点处的有用信号功率U和干扰信号功率I是SFN中各个发射机在接收地点处产生的各有用信号功率分量Ui和各干扰信号功率分量Ii的合成，即

(8)

U和I是对数正态变量的和，可以近似为对数正态变量[9]，在对数正态信号合成方法中，t-LNM算法准确率较高，本文使用t-LNM进行信号合成[10]。

接收地点的覆盖质量取决于接收地点处的载噪干比CINR，用γ表示，定义为

(9)

式中：N0为接收机本底噪声。

覆盖小区的覆盖地点概率定义为CINR大于PR的概率，

Pc=P{γ>PR}=P{γdB>(PR)dB}

(10)

忽略阴影衰落以及自干扰引起的相关性，假设U、I独立，则U/I对数正态分布的均值mU/I和方差σU/I分别为

(11)

因为N0和I相互独立，则有

(12)

式中：Q(·)为标准正态分布的互补累积分布函数，表示为

(13)

2.4 仿真结果

固定接收和移动接收下不同的接收机FFT窗口同步方法对SFN覆盖率的影响分别如图4和图5所示。同时也给出了不同的接收抗回波干扰性能对SFN覆盖率的影响。为了使对比更鲜明，表3给出了各覆盖地点概率区间内接收地点的百分比。

由图4和图5可以看出，接收机FFT窗口同步算法对单频网覆盖率有很大影响，在固定接收和移动接收下，TL同步算法具有比SS同步算法较高的覆盖率。同步算法决定了各发射机在接收地点的延时差，TL同步算法将FFT窗口末端与门限(低于最强场强6 dB)以上最先到达信号的第N个符号的末端对齐，SS同步算法将FFT窗口的中心位置同步到第N个符号的中心，在该理论单频网模型中最先到达信号具有最强场强，因此相对于TL而言，SS的FFT窗口同步时间提前GI/2，各回波延时增大GI/2，因此干扰较大，覆盖率较低。当接收机处理时延大于GI的回波性能稍有提高，覆盖率将有所提高。

图4 固定接收下覆盖地点概率分布图

图5 移动接收下覆盖地点概率分布图

表3 固定接收和移动接收下各覆盖地点概率区间内接收地点的百分比 %

3 小结

本文通过DTMB单频网实验室测试研究了DTMB接收机抗单频网回波干扰性能，并基于理论六边形单频网模型研究了该性能在不同FFT窗口同步方法下对SFN覆盖地点概率的影响，仿真结果表明在固定接收和移动接收下TL同步算法具有比SS同步算法较高的覆盖率，但是本文研究基于均匀地形，SFN中没有前回波，SS同步算法在移动接收信道下的可用性有待进一步研究。接收机处理长时延回波性能的提高将进一步提高SFN覆盖率。

[1] HEMINGWAY D，BRUGGER R. OFDM receivers-Impact on coverage of inter-symbol interference and FFT window positioning[R]. [S.l.]：EBU，2003.

[2] EBU. Tech. 3348 frequency and network planning aspects of DVB-T2[R]. Geneva：[s.n.]，2012.

[3] GB/T 26666—2011,地面数字电视广播传输系统实施指南[S].2011.

[4] GB/T 26252—2010,VHF/UHF频段地面数字电视广播频率规划准则[S].2010.

[5] 岳巧丽，何剑辉，门爱东.DTMB单频网频率分配规划方法研究[J].广播与电视技术，2010(9)：34-38.

[6] 张晓林.数字电视设计原理[M].北京：高等教育出版社，2008.

[7] International Telecommunications Union. Rec. P.1546.4-method for point-to-area predictions for terrestrial services in the frequency range 30 MHz to 3 000 MHz[R]. Geneva：ITU Publications Office，2009.

[8] International Telecommunications Union. Rec.BT.419.3-Directivity and polarization discrimination of antennas in the reception of television broadcasting[R]. Geneva：ITU Publications Office，2002.

[9] BEAULIEU N C，ABU-DAYYA A A，MCLANE P J. Estimating the distribution of a sum of independent lognormal random variables[J]. IEEE Trans. Communications，1995，43(12)：2869-2873.

[10] EBU. Tech report 24-planning and implementation for T-DAB and DVB-T[R]. Geneva：[s.n.]，2013.

张晓林(1951— )，博士生导师，主研方向为地面数字电视标准与系统、集成电路、飞行器遥控遥测、卫星导航系统；

张 展(1981— )，博士后，主研地面数字电视传输系统研制、集成电路SoC设计、航空电子系统与飞行器测控通信；

李 铀(1981— )，博士后，主研OFDM通信系统峰均比抑制及功放线性化、地面数字电视传输系统测试方法；

李 辰(1983— )，博士生，主研地面数字电视接收机设计与实现；

于志坚(1960— )，博士生导师，主研方向为航天测控系统工程、通信、信息系统。

责任编辑：许 盈

Research on Impact of DTMB Receiver Characteristics on SFN Coverage Location Probability

LI Caiwei1, ZHANG Xiaolin1, ZHANG Zhan1, LI You1, LI Chen1, YU Zhijian2

(1.KeyLaboratoryonStateDigitalTelevisionEngineering,SchoolofElectronicandInformationEngineering,Beihang

A method based on laboratory SFN simulation tests for DTMB receiver performance measurement with SFN echo is proposed. Firstly, protection ratio (PR), the maximum delaydmaxfor 0 dB echo and the minimum amplitude attenuationDminfor echo with delay larger thandmaxare measured for a given transmission mode. Secondly, the ratio between the useful contribution and the total power is calculated according to the formula ofPRdefinition. The effects of DTMB receiver characteristics, including the interfering model and FFT window synchronization methods, on coverage location probability are studied based on the theoretical hexagon model for mobile and fixed reception. The results show that the receiver characteristics have a relevant impact on the final coverage percents within the service area.

DTMB; SFN; network planning; location probability

【本文献信息】李彩伟，张晓林，张展,等.DTMB接收机对单频网覆盖地点概率估计的影响研究[J].电视技术,2015，39(11).

北京市重点学科基金项目(XK100070525)

TN949.197

A

10.16280/j.videoe.2015.11.020

李彩伟(1984— )，女，博士生，主研地面数字电视单频网网络规划及测试技术；

2014-12-26