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[摘 要]随着地面数字电视广播的发展，直放站在数字电视广播无线网络覆盖系统中将越来越得到广泛的应用，本文对数字电视直放站的构成种类及应用进行了分析论述。
[关键词]直放站 无线 光纤 ICS 同频 移频 再生
中图分类号：TN949.197 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）45-0268-02
一、概述
在数字电视无线广播系统中，由于发射机覆盖范围有限或受地理环境因素制约，在服务区内出现信号传播的阴影或半阴影区域，影响无线数字电视信号的收看。为了解决这一问题，在数字电视广播覆盖系统中使用直放站可以经济、迅速、有效的填补盲区，改善网络质量，扩大覆盖范围、大大降低投资成本，是一种经济、高效的网络优化选择。
1、直放站的定义
数字电视直放站是一种数字电视无线信号射频放大设备，是指在数字电视无线信号传输过程中起到信号增强的一种无线电发射中转设备。直放站的基本功能就是一个射频信号功率增强器。由定向接收天线接收覆盖区域中发射台发射机信号，通过带通滤波器对带通外的信号进行极好的隔离，将滤波的信号经功放放大后再次发射到待覆盖区域。
2、直放站的特点
由于城市高层建筑较多， 以及地理环境上的原因， 地面数字电视信号的传输受多径干扰的影响较为严重。无论是单点发射， 还是组建单频网， 都会存在一些覆盖弱信号区和盲区。对于范围较小的区域， 可采用数字电视直放站进行补点覆盖，成本低、施工简单、安装便捷，可快速见效。
直放站结构简单、信号转发时延小， 广泛应用于道路的定向覆盖， 小区、乡镇居民区、景区、隧道和地铁的覆盖。工作在所接收的数字调制信号动态峰值范围内的数字电视直放站，， 具有良好的线性及足够的频率准确度、频率稳定度和较低的相位噪声， 使所传输的信号误码率低、信噪比高。
3、直放站的种类
——从安装场所来分有室外型机和室内型机；
——从传输带宽来分有宽带直放站和选频（选频道）直放站；
——从传输方式来分有无线直放站和光纤直放站；
——从信号处理方式来分有同频直放站、移频直放站和再生直放站等。
各种类型的直放站在应用时可根据不同的场景进行组合，以到达使用目的。
二、数字电视直放站的构成
1、宽带式同频直放站
使用定向天线接收地面数字电视广播信号，在经过滤波、直接放大后将信号（在相同频点上）发射到未覆盖区域。
应用无线直放站必须注意接收天线与发射天线之间的隔离。为防止直放站的回馈自激，直放站的增益应比收发天线间的反馈衰减量（dB）小。
2、ICS（回波消除）直放站
集成了基带处理、频率合成、自激检测、数字预校正功能，消除同频自激及干扰；在反馈干扰信号较大的情况下，ICS仍然能够保持一定的覆盖信号质量，降低系统对隔离度的要求，把施主天线和重发天线安装在同根抱杆上也不会产生自激，简化工程开通及设备安装，降低了物业协调难度。
3、多通道选频式直放站
为了选频，将接收基站频率下变频为中频，进行选频限带处理后，再上变频恢复为基站频率或其它频率（移频）。
4、再生式直放站
将接收的基站信号先解调为TS流，然后再调制，恢复信号质量后进行功率放大；调制后的频率可以为基站频率也可以为其它频率（移频）。
三、数字电视直放站的应用
1、 无线直放站应用
2、 对于无线直放站来说，信号的隔离显得尤为重要。无线直放站是从空间接收信号，势必要求空间信号尽可能纯净。
直放站应该有足够的功率，以便向未覆盖区域提供覆盖。最大可能的辐射功率取决于接收天线和发射天线之间的隔离度以及直放站功放的性能。
天线隔离度取决于：
—— 天线所处的发射塔或建筑物的高度和几何尺寸；
—— 天线在塔或建筑物上的位置；
—— 天线的方向图；
—— 覆盖区的位置与主发射机的方向关系；
—— 天线周围的环境（能产生多径反射的建筑物或其他物体）。
隔离度取决于直放站安装位置的全局设计。实验显示，用一个大的混凝土天线塔作为中继站可以得到很好的隔离度。一般来说80dB的隔离度是可实现的。如果在有多层平台的情况下（像天线安装平台），最好在不同的平层上安装天线，这样对提高收发天线隔离度是有帮助的。
（1）隔离度计算：
隔离度是由接收天线和发射天线的安装位置、方位角及天线指标所决定的， 是设置同频直放站中最重要的问题。隔离度的大小决定了直放站增益调整上限， 一般隔离度应比直放站增益大15 dB 以上， 否则就有可能产生自激， 导致直放站无法正常工作。
在实际工程施工中， 为了提高收发天线之间的隔离度， 可将收发射天线在不同高度、不同位置上进行安装， 且尽量利用建筑物进行遮挡。
水平方向隔离度Ih=22+20lg（ Dh/Lmd ） +（ 接收前后比+发射天线前后比） - （ 接收天线增益+发射天线增益） +遮挡损耗+多径损耗
垂直方向隔离度Iv=28+40lg（ Dv/Lmd） +遮挡损耗+多径损耗
式中： Dh是水平间距； Dv是垂直间距； Lmd是传输波长。
例如：所选同频直放站的最大增益为93dB， 收发天线间的隔离度应大于108dB。
如所用接收天线增益8dBi、前后比25 dB， 发射天线增益8dBi、前后比为23dB， 建筑物遮挡、多径损耗分别以15dB， 6dB计算， 则： 收发天线在水平、垂直方向上的间隔分别为20.9 m 和13.95 m。因此， 在进行天线安装时收发天线之间的水平距离应不小于21m， 垂直距离不小于14 m。 （2）设备的安装
为满足隔离度的要求， 除了选用方向性好、前后比高的收发天线外， 在安装时还应注意：
①接收天线的安装点要保证接收信号的“纯、强、稳”， 接收电平要求在50dBV 以上， 否则直放站不能稳定工作；
②发射天线的覆盖角度根据覆盖调整， 收发天线应尽量背对背， 距离尽量远；
（3）不同类型设备的选择
除了直放站自激的问题，即使在直放站增益比反馈衰减量（dB）低的情况下，系统性能也会下降。在所有的路径中，有一条决定性的反射路径，来自于天线之间的有限隔离，或者来自直放站周围的反射体的反射。通常，在补点直放站的输入和输出之间会有一定的时延，主要是由设备内部的声表面波（SAW）滤波器造成的，这将导致直放站信号的频率选择性衰落，它类似于两径或多径接收情况并导致系统性能的下降。
①ICS 直放站，适用于受地理环境限制，收发隔离度不能满足要求的场景。
ICS直放站具有很好的消除同频自激及干扰的能力，ICS对多径反馈信号的消除最高可达30dB，ICS在高增益（95dB）和高输出（20W、40W、50W、100W、200W）情况下能够满足RF指标，即使在反馈干扰信号比基站信号大的情况下，ICS仍然能够保持一定的覆盖信号质量，降低系统对隔离度的要求，把施主天线和重发天线安装在同根抱杆上也不会产生自激，简化工程开通及设备安装，降低了物业协调难度。
②移频式直放站，适用于具有同频干扰的覆盖场景。
移频直放站将接收的基站频率下变频为中频，进行选频限带处理后，再上变频到其他频率进行发射；由于移频后的频率与接收的基站频率不同，因此移频直放站可全向反射，不受隔离度的限制，在覆盖区内同时避免了同频干扰，可保证较好的覆盖质量；移频直放站使用受限于频率资源，需申请新的频点。
③再生式直放站，适用于接收基站信号较差的场景。
无线直放站要求接收天线接收的基站信号要“纯、强、稳”，保证高质量的接收信号才能保证直放站覆盖区域的信号质量。受地理环境限制，不能接收到高质量的基站信号时，可采用再生式直放站。再生式直放站将接收的基站信号先解调为TS流，然后再调制，恢复信号质量后进行功率放大发射，以保证覆盖区域信号质量。
2、光纤直放站应用
光纤直放站与无线直放站的最大区别在于施主基站信号的传输方式上，无线直放站通过接收空间传播的无线信号进行放大，从而扩大基站的覆盖范围。光纤直放站是通过光纤进行传输，采用光信号接收器和转换器连接偏远的区域。
光纤直放站通过光纤传输信号，避免了同频干扰可全向覆盖因而选址方便；光纤直放站信号传输不受地理环境、天气变化或施主基站覆盖范围调整的影响，因此工作稳定，覆盖效果好，特别适于郊区、乡村边远城镇和地形复杂的山区以及乡镇、丘陵地带的覆盖盲区等。
光纤直放站在设计时无需考虑安装地点能否接收到信号；不需考虑收发隔离问题，选址方便；覆盖天线可根据需要采用全向或定向天线。
光纤直放站使用的最大问题是需要光纤资源，在有光纤资源的情况下射频信号能够在很小的传送损失的情况下被传送到很远的距离； 光缆很细，容易铺设。因此，设计和施工的灵活性大。
3、覆盖范围的计算
数字电视接收机要正确解码，必须满足下列要求：
Pr = Pn + C/N
Ur2 = Pr * R
其中：Pr为接收机的最低输入功率，Pn为噪声功率，C/N为对应系统参数要求的信噪比，Ur为接收门限电平，R为接收机输入阻抗。
在天线端要求的最低场强为：
| Emin | = SQRT（Pr *480π2/λ2/Gr）
其中：λ为波长，Gr为接收天线增益。
根据电波传播理论，接收机接收功率与发射功率、天线增益、路径损耗之间的关系为：
Pr = ERP – Lm +Gr
ERP = Pt + Gt – Lc
其中：Pt为发射机输出功率，Gt为发射天线增益，Lm为空间中值路径损耗，Lc为天馈电缆等损耗。
Okumura- Hata地面数字电视覆盖模型链路传输损耗为：
Lb=69.55+26.16lgfc- 13.82lghte+（ 44.9- 6.55lghte） lgd- a（ hre） +B
式中： fc为发射频率；
hte为发射天线高度；
d为覆盖半径；
hre为接收天线高度；
a（ hre ） 为地形修正因子；a（ hre ） =3.2（ lg11.7hre） 2- 4.97；
B为建筑密度修正因子，B=25lgB1- 30，B1为覆盖区域内建筑密度。
接收机输入电平为 Pin=Pt+Gt- L- Lb+Gr
式中：Pt为发射功率，
Gt为发射天线增益，
L 为发射天馈总损耗，
Gr为接收天线增益。
如：当Pt为2 W（ 33 dBm） ， Pin为30dBuV 时，d 为1.13 km。
参考文献：
[1] 李建光、喻春轩，《数字电视和移动电视的原理及应用》2006.
[2] 移动通信国家工程研究中心 ，《移动通信直放站技术讲座》2000-2001.
[3] GY/T229.4-2008《地面数字电视广播发射机技术要求和测量方法》.
[4] GD/J021-2008《移动多媒体广播UHF频段直放站放大器技术要求和测量方法》.
[关键词]直放站 无线 光纤 ICS 同频 移频 再生
中图分类号：TN949.197 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）45-0268-02
一、概述
在数字电视无线广播系统中，由于发射机覆盖范围有限或受地理环境因素制约，在服务区内出现信号传播的阴影或半阴影区域，影响无线数字电视信号的收看。为了解决这一问题，在数字电视广播覆盖系统中使用直放站可以经济、迅速、有效的填补盲区，改善网络质量，扩大覆盖范围、大大降低投资成本，是一种经济、高效的网络优化选择。
1、直放站的定义
数字电视直放站是一种数字电视无线信号射频放大设备，是指在数字电视无线信号传输过程中起到信号增强的一种无线电发射中转设备。直放站的基本功能就是一个射频信号功率增强器。由定向接收天线接收覆盖区域中发射台发射机信号，通过带通滤波器对带通外的信号进行极好的隔离，将滤波的信号经功放放大后再次发射到待覆盖区域。
2、直放站的特点
由于城市高层建筑较多， 以及地理环境上的原因， 地面数字电视信号的传输受多径干扰的影响较为严重。无论是单点发射， 还是组建单频网， 都会存在一些覆盖弱信号区和盲区。对于范围较小的区域， 可采用数字电视直放站进行补点覆盖，成本低、施工简单、安装便捷，可快速见效。
直放站结构简单、信号转发时延小， 广泛应用于道路的定向覆盖， 小区、乡镇居民区、景区、隧道和地铁的覆盖。工作在所接收的数字调制信号动态峰值范围内的数字电视直放站，， 具有良好的线性及足够的频率准确度、频率稳定度和较低的相位噪声， 使所传输的信号误码率低、信噪比高。
3、直放站的种类
——从安装场所来分有室外型机和室内型机；
——从传输带宽来分有宽带直放站和选频（选频道）直放站；
——从传输方式来分有无线直放站和光纤直放站；
——从信号处理方式来分有同频直放站、移频直放站和再生直放站等。
各种类型的直放站在应用时可根据不同的场景进行组合，以到达使用目的。
二、数字电视直放站的构成
1、宽带式同频直放站
使用定向天线接收地面数字电视广播信号，在经过滤波、直接放大后将信号（在相同频点上）发射到未覆盖区域。
应用无线直放站必须注意接收天线与发射天线之间的隔离。为防止直放站的回馈自激，直放站的增益应比收发天线间的反馈衰减量（dB）小。
2、ICS（回波消除）直放站
集成了基带处理、频率合成、自激检测、数字预校正功能，消除同频自激及干扰；在反馈干扰信号较大的情况下，ICS仍然能够保持一定的覆盖信号质量，降低系统对隔离度的要求，把施主天线和重发天线安装在同根抱杆上也不会产生自激，简化工程开通及设备安装，降低了物业协调难度。
3、多通道选频式直放站
为了选频，将接收基站频率下变频为中频，进行选频限带处理后，再上变频恢复为基站频率或其它频率（移频）。
4、再生式直放站
将接收的基站信号先解调为TS流，然后再调制，恢复信号质量后进行功率放大；调制后的频率可以为基站频率也可以为其它频率（移频）。
三、数字电视直放站的应用
1、 无线直放站应用
2、 对于无线直放站来说，信号的隔离显得尤为重要。无线直放站是从空间接收信号，势必要求空间信号尽可能纯净。
直放站应该有足够的功率，以便向未覆盖区域提供覆盖。最大可能的辐射功率取决于接收天线和发射天线之间的隔离度以及直放站功放的性能。
天线隔离度取决于：
—— 天线所处的发射塔或建筑物的高度和几何尺寸；
—— 天线在塔或建筑物上的位置；
—— 天线的方向图；
—— 覆盖区的位置与主发射机的方向关系；
—— 天线周围的环境（能产生多径反射的建筑物或其他物体）。
隔离度取决于直放站安装位置的全局设计。实验显示，用一个大的混凝土天线塔作为中继站可以得到很好的隔离度。一般来说80dB的隔离度是可实现的。如果在有多层平台的情况下（像天线安装平台），最好在不同的平层上安装天线，这样对提高收发天线隔离度是有帮助的。
（1）隔离度计算：
隔离度是由接收天线和发射天线的安装位置、方位角及天线指标所决定的， 是设置同频直放站中最重要的问题。隔离度的大小决定了直放站增益调整上限， 一般隔离度应比直放站增益大15 dB 以上， 否则就有可能产生自激， 导致直放站无法正常工作。
在实际工程施工中， 为了提高收发天线之间的隔离度， 可将收发射天线在不同高度、不同位置上进行安装， 且尽量利用建筑物进行遮挡。
水平方向隔离度Ih=22+20lg（ Dh/Lmd ） +（ 接收前后比+发射天线前后比） - （ 接收天线增益+发射天线增益） +遮挡损耗+多径损耗
垂直方向隔离度Iv=28+40lg（ Dv/Lmd） +遮挡损耗+多径损耗
式中： Dh是水平间距； Dv是垂直间距； Lmd是传输波长。
例如：所选同频直放站的最大增益为93dB， 收发天线间的隔离度应大于108dB。
如所用接收天线增益8dBi、前后比25 dB， 发射天线增益8dBi、前后比为23dB， 建筑物遮挡、多径损耗分别以15dB， 6dB计算， 则： 收发天线在水平、垂直方向上的间隔分别为20.9 m 和13.95 m。因此， 在进行天线安装时收发天线之间的水平距离应不小于21m， 垂直距离不小于14 m。 （2）设备的安装
为满足隔离度的要求， 除了选用方向性好、前后比高的收发天线外， 在安装时还应注意：
①接收天线的安装点要保证接收信号的“纯、强、稳”， 接收电平要求在50dBV 以上， 否则直放站不能稳定工作；
②发射天线的覆盖角度根据覆盖调整， 收发天线应尽量背对背， 距离尽量远；
（3）不同类型设备的选择
除了直放站自激的问题，即使在直放站增益比反馈衰减量（dB）低的情况下，系统性能也会下降。在所有的路径中，有一条决定性的反射路径，来自于天线之间的有限隔离，或者来自直放站周围的反射体的反射。通常，在补点直放站的输入和输出之间会有一定的时延，主要是由设备内部的声表面波（SAW）滤波器造成的，这将导致直放站信号的频率选择性衰落，它类似于两径或多径接收情况并导致系统性能的下降。
①ICS 直放站，适用于受地理环境限制，收发隔离度不能满足要求的场景。
ICS直放站具有很好的消除同频自激及干扰的能力，ICS对多径反馈信号的消除最高可达30dB，ICS在高增益（95dB）和高输出（20W、40W、50W、100W、200W）情况下能够满足RF指标，即使在反馈干扰信号比基站信号大的情况下，ICS仍然能够保持一定的覆盖信号质量，降低系统对隔离度的要求，把施主天线和重发天线安装在同根抱杆上也不会产生自激，简化工程开通及设备安装，降低了物业协调难度。
②移频式直放站，适用于具有同频干扰的覆盖场景。
移频直放站将接收的基站频率下变频为中频，进行选频限带处理后，再上变频到其他频率进行发射；由于移频后的频率与接收的基站频率不同，因此移频直放站可全向反射，不受隔离度的限制，在覆盖区内同时避免了同频干扰，可保证较好的覆盖质量；移频直放站使用受限于频率资源，需申请新的频点。
③再生式直放站，适用于接收基站信号较差的场景。
无线直放站要求接收天线接收的基站信号要“纯、强、稳”，保证高质量的接收信号才能保证直放站覆盖区域的信号质量。受地理环境限制，不能接收到高质量的基站信号时，可采用再生式直放站。再生式直放站将接收的基站信号先解调为TS流，然后再调制，恢复信号质量后进行功率放大发射，以保证覆盖区域信号质量。
2、光纤直放站应用
光纤直放站与无线直放站的最大区别在于施主基站信号的传输方式上，无线直放站通过接收空间传播的无线信号进行放大，从而扩大基站的覆盖范围。光纤直放站是通过光纤进行传输，采用光信号接收器和转换器连接偏远的区域。
光纤直放站通过光纤传输信号，避免了同频干扰可全向覆盖因而选址方便；光纤直放站信号传输不受地理环境、天气变化或施主基站覆盖范围调整的影响，因此工作稳定，覆盖效果好，特别适于郊区、乡村边远城镇和地形复杂的山区以及乡镇、丘陵地带的覆盖盲区等。
光纤直放站在设计时无需考虑安装地点能否接收到信号；不需考虑收发隔离问题，选址方便；覆盖天线可根据需要采用全向或定向天线。
光纤直放站使用的最大问题是需要光纤资源，在有光纤资源的情况下射频信号能够在很小的传送损失的情况下被传送到很远的距离； 光缆很细，容易铺设。因此，设计和施工的灵活性大。
3、覆盖范围的计算
数字电视接收机要正确解码，必须满足下列要求：
Pr = Pn + C/N
Ur2 = Pr * R
其中：Pr为接收机的最低输入功率，Pn为噪声功率，C/N为对应系统参数要求的信噪比，Ur为接收门限电平，R为接收机输入阻抗。
在天线端要求的最低场强为：
| Emin | = SQRT（Pr *480π2/λ2/Gr）
其中：λ为波长，Gr为接收天线增益。
根据电波传播理论，接收机接收功率与发射功率、天线增益、路径损耗之间的关系为：
Pr = ERP – Lm +Gr
ERP = Pt + Gt – Lc
其中：Pt为发射机输出功率，Gt为发射天线增益，Lm为空间中值路径损耗，Lc为天馈电缆等损耗。
Okumura- Hata地面数字电视覆盖模型链路传输损耗为：
Lb=69.55+26.16lgfc- 13.82lghte+（ 44.9- 6.55lghte） lgd- a（ hre） +B
式中： fc为发射频率；
hte为发射天线高度；
d为覆盖半径；
hre为接收天线高度；
a（ hre ） 为地形修正因子；a（ hre ） =3.2（ lg11.7hre） 2- 4.97；
B为建筑密度修正因子，B=25lgB1- 30，B1为覆盖区域内建筑密度。
接收机输入电平为 Pin=Pt+Gt- L- Lb+Gr
式中：Pt为发射功率，
Gt为发射天线增益，
L 为发射天馈总损耗，
Gr为接收天线增益。
如：当Pt为2 W（ 33 dBm） ， Pin为30dBuV 时，d 为1.13 km。
参考文献：
[1] 李建光、喻春轩，《数字电视和移动电视的原理及应用》2006.
[2] 移动通信国家工程研究中心 ，《移动通信直放站技术讲座》2000-2001.
[3] GY/T229.4-2008《地面数字电视广播发射机技术要求和测量方法》.
[4] GD/J021-2008《移动多媒体广播UHF频段直放站放大器技术要求和测量方法》.