地面数字电视广播单频网的原理与故障案例分析

【摘要】本文基于地面数字电视广播单频网的原理及其运行的“三同”基本原则，对XG300UT-300D发射机的主要组成部分（激励器、功率放大器、监控部分）进行了详述。并基于此，对发射机输出功率下降及反射功率过大导致的驻波比告警保护故障进行了理论分析，最后提出了相应的故障排除方法。以期望能够为地面数字电视广播发射机的高效运行提供帮助。

【关键词】地面数字电视；广播单频网；故障分析

中图分类号：TN92                            文献标识码：A                            DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2024.09.013

电视媒体作为信息传播的关键渠道，随着社会物质条件的进步，观众对电视节目的画质清晰度和内容多样性提出了更高的标准。由此，数字电视技术作为一种创新性科技被开发以满足这些要求。区别于传统电视信号，该模式易受气候、地理方位、山峦等环境因素影响，导致模拟信号质量下降，影响画面清晰度。相比之下，单频网地面数字电视广播发射设备克服了这些缺陷，并且结合了单频网技术与数字电视技术的优势。这种发射设备在信号的抗干扰能力上有显著提高，不仅提供了高清的视频画面，还实现了广泛而均匀的信号覆盖，同时，在节约能源方面也体现了高效性。鉴于此，本文基于地面数字电视广播单频网和发射机的原理展开了详细的故障分析，并提供了相应的排除方法，以期为地面数字电视广播发射机的稳定运行和故障处理提供有力支持。

1. 地面数字电视广播单频网的原理及其运行的要求

地面数字电视单频网主要由前端系统、传输系统、发射系统和接收系统组成。前端系统主要由编码器、复用器和加扰器构成，其工作流程是将不同路径传输的节目源通过编码器转换为地面数字电视适用的码流，再利用复用器将这些码流合成为一路信号，并按照DTMB标准对信号进行加扰处理，最终输出TS码流。传输系统的主要职责是将生成的TS码流传输至地面数字电视的各个发射系统。发射系统则负责将接收到的TS码流进行调制、变频、滤波、放大等处理，随后进行地面发射。而接收系统的核心任务则是通过接收天线接收高频调制信号，并进行变频、解调处理，以获取数字电视码流。之后，再经过复用、解码等操作，完成用户端数字电视节目信号的接收。

地面数字电视传输的单频网（SFN）架构遵循“三同”基本原则，即网络体系中各个发射点需在同一频率、同一时间点及相同数据比特速率上保持同步，具体如下。

1.1 频率同步

在多载波调制信号中，如我国DTMB系统中所采用的3780个并行子载波，这些子载波应具有相同的频率。若因频率偏差导致接收机端多个信号出现异步现象，OFDM系统可能遭受子载波间的相互干扰，从而严重降低整体系统性能。为确保发射系统频率保持一定精度，实际操作中通常将单频网络（SFN）中各发射机的上变频本振与某一参考时钟（如10 MHz的GPS信号）进行频率同步化。

1.2 时间同步

從理论层面来看，通过设置适当长度的保护间隔和精确设计传输塔之间的相对距离，正交频分复用（OFDM）调制能够有效抵抗多径反射引起的干扰。为实现此目标，发射机之间需进行时间同步，并在相同时间发送相同的数据流字符。同时，由于保护间隔的引入，时间同步的精度要求相对较为宽松，通常在±1微秒的范围内[1]。

1.3 比特同步

在单频网络中，比特同步的目标是确保分布在不同地点的各发射站点在同一时间点发送相同的OFDM信号帧。为实现这一目标，地面数字电视广播系统采用了第二帧初始化包（Second-frame Initialization Packet，简称SIP）。将SIP插入到传输流（Transport Stream，简称TS）中，并将其传送至各远程发射器，从而确保比特位置同步，达到时间序列的一致性[2]。

2. XG300UT-300D发射机原理

XG300UT-300D发射机为高效分米波地面数字电视广播发射机，其主要功能是处理输入的传输流（TS流）。该过程首先涉及信道编码和调制步骤，这些步骤将接收的TS流转换成模拟中频信号。随后，信号会经过上变频过程以匹配特定的传播频道，接着在功率放大器的作用下进行放大。最终阶段包括信号过滤，以便输出规定的射频（RF）信号。该发射机的构成可以划分为以下几个关键部分。

2.1 激励器

激励器作为发射机的核心部件，肩负着将输入激励器的MPEG TS传输码流转换为标准中频信号输出的重任。在此过程中，传输码流首先经过编码器进行信道编码，由数字调制器实施调制处理后，经过上变频操作，将信号转换至相应的RF载波频道。数字激励器本身由多个关键部分组成，包括负责数字TS流编码的编码器电路，负责数字基带信号预校正与数/模转换的数字均衡器电路，负责调制的调制器电路，负责生成RF载波的频率合成器电路，以及负责全局控制的控制电路[3]。这些组成部分的协同确保了数字激励器的稳定运行和信号准确输出，如图1所示。

在数字信号传输过程中，信道编码扮演着至关重要的角色，其主要功能可分为三个部分：首先，纠错编码能力，通过算法增强信息传输的可靠性；其次，信号调制过程的标准化，确保信息可在特定的通信系统中有效传输；最后，实现延迟管理，以维护系统同步。针对连续的广泛误码问题，本系统采用的交织器技术通过将编码后信号依照特定的交织规则重排序，成功分散了误码集中度，增强了纠错能力。

2.2 功率放大器

在数字电视技术领域，放大器的作用至关重要，其主要功能为增强数据信号强度，扩大传输范围，确保音视频信号的有效传输，并保持电视画面的清晰度。XG300UT-300D发射机集成XGPA10D型线性前置功率放大器与XGPA120D型高效率功率放大器，以实现优化信号放大效能。该发射机设计中，线性前置功率放大器与激励器紧密整合，形成一体化结构。RF信号由激励器提供，进一步通过XGPA10D前置放大器进行放大处理。随后，这些放大后的RF功率信号输出高达10 W，具备高线性特性，以推动后续末级功率放大过程。此外，三功分器负责将来自前置放大器的推动功率信号分成三个等分，每一分信号随后经由三个120 W的XGPA120D高效率功率放大器进行独立放大处理。三个放大后的信号通过合成器集合，形成超过360 W的RF输出功率信号[4]。其结构如图2所示。

在图2中，前置功率放大器（前置功放）采用预放大器与MRF3090功率放大模块的组合方案。通过直流电源，以直流50 V/12 V为MRF3090提供电源，使其输出可达到10 W的高线性功率。然而，在实际应用中，驱动输出被限制为3 W。预放大单元采用倍增放大器对射频（RF）信号进行初步放大处理。在终端功率放大阶段，采用MRF3090功放管，确保输出能达到10 W的高线性功率。相比之下，XGPA120D高效率功率放大单元的设计与前述前置功率放大器相似，但是其中的MRF3090功放管被MRFE6VP8600所替代。MRFE6VP8600采用了多赫蒂（Doherty）电路架构，使功率放大单元能够提供高达120 W的输出功率。

2.3 监控部分

在数字电视发射机中，监控部分能够持续追踪发射机的运行状况并实时报告任何异常情况，此举确保了信号传输的准确性。该模块构成了发射机的核心监控系统，其中包含了温度传感设备（例如温度计）、数据采集与保护单元、电流检测单元、显示与控制单元以及液晶显示屏等关键部件。为保证发射设备的可靠性与安全性，监控部分提供了一整套的检测、控制与保护机制。具体包括对供电电压与电流、环境温度、输出功率和反射功率等关键参数的实时监控。该系统还具备多种保护环节，避免因参数超标而造成的损害，如防止过压、过流、过热、输出功率过高或反射功率过高，这些机制能够在检测到故障时立即关闭功率放大模块的供电。在较为严重的场合，监控部分甚至能够切断主要的50 V电源，只保留12 V的电源以维持基本的运作，从而最大程度地减少潜在的损害，并确保系统的稳定性[5]。

3. 故障排除案例分析

3.1 故障现象：发射机输出功率下降，或不稳定，时有时无

3.1.1 故障理论分析

发射机的输出功率降低或不稳定主要可以归因于以下几个因素：

（1）功率放大器的故障：功率放大器在工作过程中如果出现故障，将导致发射机的输出功率降低或不稳定。

（2）开关电源故障：影响功放供电，影响输出功率。开关电源的稳定运行对于输出功率至关重要。开关电源实现了一系列的保护功能，例如相位缺失、防雷击以及欠压、过压、过流和过热保护等。如果开关电源发生故障，诸如输出电压过高（超过56 V）时自动切断输出（输出电压变为0 V）并触发报警；交流输入电压偏低（低于310 V）时也会自动切断，并且在输入电压恢复到一个稳定状态（超过315 V）时重新启动；或者当散热器的温度超过规定的极限（80°以上）时，电源将会关闭，并在温度下降到安全水平（70°以下）时重新启动。

尽管发射机的功率放大器设计了电源的冗余备份和均流供电机制以确保可靠性，而且开关电源也有较高的冗余度，确保了单台电源故障时发射机可以维持满功率运行。但如果发生两台或以上电源同时故障，发射机的输出功率就会受到影响。

（3）激励器功能性故障：此情况导致输入端信号功率衰减，从而影响系统的输出功率性能。

（4）功率放大器模块插件保护：此状态下功率放大器停止输出。

（5）传输线路缺陷：此问题可能导致功率放大器所接收到的输入信号产生波动。

3.1.2 故障排除方法

首先，通过监测功率放大器（PA）面板上的故障指示灯状态，以确定是否存在警报情况。若指示灯显示警报，则说明故障发生在功率放大器本身，此时应根据警报类型进行故障排除操作。若未出现指示灯警报，则应比较当前功放的运行数据与正常工作时的记录数据，仔细观察开关电源电流是否降低或功放模块中各电子管电流是否存在显著变化。

（1）当开关电源电流减少且某电子管电流显示为零时，暗示相应功放模块可能出现故障，需针对性地进行维修或更换。

（2）若开关电源电流下降，且所有相关功放模块的电子管电流均呈减少趋势，这可能意味着激励器输出电流降低。此时，建议切换至备用激励器并监测整机运行数据。若数据恢复正常，则故障可能在激励器，应进行检查。

（3）若开关电源电流和功放模块数据均无异常，但整机功率显示下降，可能是显示系统出现故障，不会影响发射机实际工作性能。

（4）当功放模块发生保护动作时，可能观察到前级电子管电流显示为零，末级电子管仅存在静态电流。此时，应打开功率放大器前面板进行检查，并根据显示的保护类型（如驻波保护、温度保护或过激励保护）进行故障处理。

（5）最后，需检查激励器输出接口与功放输入接口之间的连接电缆。若连接線存在接触不良或接头虚焊现象，应重新焊接并拧紧，以确保信号传输的完整性。

3.2 故障现象：反射功率过大，驻波比告警保护

驻波比（SWR，Standing Wave Ratio）保护是为防止发射机的天线馈线系统中反射波过强而损害功率放大器。

3.2.1 故障理论分析

造成反射功率过大的原因通常源于馈线连接接头的接触缺陷以及天线馈线系统的故障。在实际运行中，依据系统控制器的预设参数，当天线的驻波比小于或等于1.5时，发射设备将保持正常运行状态。然而，如果驻波比超过1.5，系统控制器将激活输出保护信号，从而触发停止发射或将功率降低至安全水平的保护程序，以避免对发射机的功率放大器造成损坏。

3.2.2 故障排除方法

（1）首先，将假负载（一个设计用来模拟天线阻抗属性的装置）与发射机连接，以代替实际的天馈线系统。这样做可以确定故障是否源自内部组件。如果在使用假负载时仍发现相同问题，这表明发射机内部存在故障。这时应仔细检查频率合成器、带通滤波器等内部组件是否存在损坏之处，并确保所有连接套管接头的接触是否可靠且无接触不良现象。任何发现的故障都应得到及时修复。如果在连接假负载后故障不再存在，则表明问题位于天馈线系统外部。

（2）检查天线本身及其连接是否良好，确认没有破损、腐蚀、或馈线内部积水等问题。若发现此类故障，必须立即修复。如果天线及其连接均无问题，则可能故障起因于套管接头，该接头位于发射机输出端与天线之间的连接处。

（3）仔细检查与天线相连的发射机输出口接头。确认接头的连接是否牢固，检查是否存在开路、短路或接触不良的问题。一旦发现问题，迅速进行纠正。

4. 结束语

为确保地面数字电视传播服务的优质与连续，对单频网技术的深入掌握以及对发射机设备运行维护的专业知识显得尤为重要。广播工程技术人员通过深入理解单频网的同步机制，对XG300UT-300D发射机等核心设备构造与功能的精准把握，以及系统故障排查与处理能力的熟练运用，能够有效提升广播网络的运行效率与稳定性。本文所提出的策略，旨在协助技术人员优化设备性能，保障传播信号的高品质，进而为广大观众带来更加丰富与优质的收视体验。

参考文献：

[1]李大刚.平凉市地面数字电视单频网覆盖技术方案解析[J].黑龙江广播电视技术，2022（3）：50-51，73.

[2]黄岳华.地面数字电视广播单频网组网技术及其优化调整[J].數字通信世界，2019（08）：58-59.

[3]庞宏杰.地面数字电视单频网同步研究[J].电声技术，2023，47（5）：67-70.

[4]程培刚.地面数字电视广播单频网组网关键技术及优化研究[J].中国传媒科技，2021（03）：123-125.

[5]罗辅林，曾中元，罗涓.地面数字电视广播单频网系统及传输覆盖研究[J].电视技术，2022，46（11）：106-110.

作者简介：张扬（1979—），男，河南许昌人，工程师，研究方向：广播电视、5G通讯。