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摘 要：为了更好地推动我国各大城郊地区的信息化建设，丰富广大人民群众的文化生活，根据目前我国广播电视系统的发展状况，国家对此制定出一套基于单频网地面数字电视系统的建设方案。该文将简要概述地面数字电视单频网的建设构建原理，并对其构建组成部分进行分别介绍，通过对地面数字电视单频网的优势分析，找出实际建设中存在的信号覆盖问题并对其做出针对性的优化，以期为推动我国地面数字电视单频网的建设提供一些有价值的参考意见。
关键词：SFN 单频网 建设原理 地面数字电视
中图分类号：TN949.197 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）06（b）-0070-02
1 地面数字电视单频网的概念
地面数字电视单频网（SFN：Single Frequency Network）技术指的是分布在不同区域相邻的多个发射机以同样的发射频率工作运转，并且保证相同的码流在同一时间播出的工作方式，真正做到了在极大区域范围内数字电视广播的有效无线覆盖传播。
和传统的模拟电视多频网（MFN： Multi-Frequency Network）相比，地面数字电视单频网具有下列明显优势。
（1）相较于传统模拟无线电视传输上存在的诸多问题，地面数字电视都取得了长足的进步，其抗干扰能力更强，播放画质更加清晰，音频效果更佳，安全可靠性显著提高。
（2）相较于传统模拟无线电视传输，地面数字电视单频网的传输能力更强、频道利用率更高。单个标准的PAL频道（8 M）就可传送8～10套标清画质的数字电视节目。
（3）相较于传统模拟无线电视传输，地面数字单频网的建设成本更低：通过对单频网发射网络（基站数量、分布方式、天线方位与高度、发射功率等）的不断优化与调整，利用多个较小功率的发射机同时工作，将以往传统的超大功率发射机取而代之。有效地降低了信号辐射、减轻了电磁波污染、覆盖区域更加均匀。
（4）相较于传统模拟无线电视传输，地面数字电视单频网的业务开展灵活性更强，覆盖效率更高。因此，地面数字电视单频网不仅嫩能够改善目前农村广播电视公共服务的覆盖体系，还有效地提高了城市的覆盖密度，真正实现了数字电视无线覆盖的全面性。
2 地面数字电视单频网建设构建原理
在地面数字电视单频网系统中，要事先对节目信号的传输，首先要对原始的TS码流进行编码复用处理，然后再将其接入单频网适配器当中完成适配，同时将GPS信号引入单频网适配器当中，完成码率适配以及秒帧初始化，再将其插入形成包含秒帧的SIP的TS码流，经过不同的传输分配网络，将已经打包好的TS码流信号传送到各个发射基站的发射机适配器中，经过发射机适配器和激励器完成时钟同步处理、信道编码、调至输出放大然后进行信号发射。
实际的地面数字电视单频网建设过程中，需要借助GPS全球定位系统来辅助网络发射频率与TS码流的同步工作。GPS信号中包含时钟10 MHz和秒脉冲1PPS信号，单频网适配器可利用其中的10 MHz时钟对TS码流速率进行调整，还可选择1PPS作为时间基准信号，定时性地在TS码流中加入秒帧初始化包SIP。接受设备中的时间同步处理单元可根据传送码流中的SIP，分析出TS码流中的时延信息，再根据该发射站点的即时1PPS信号与TS码流信号进行同步，调至激励器进行发射，实现在不同站点，能够同步发射信号的目的。
3 地面数字电视单频网的构建组成部分
3.1 节目信号集成前端
地面数字电视单频网的节目信号集成系统主要是将不同电视广播节目信号源进行编码、处理与复用处理，再利用单频网适配器将码流与GPS等信息进行同步，最后也就形成了可分配的、带有单频网节目信号的传送码流。
节目信号集成前端平台通常都设在中央或省级单位的有线电视播放控制总机房中，所采集的节目一般为央视以及省级卫视节目。依据单频网的组网频点以及输送节目码流的压缩方式，对输送节目的套数进行合理选取，通常单个频点可以输送8～10套标清节目。此外，节目信号集成平台会设置主用和备用两条线路的信号，如遇突发情况，则立即启用备用节目信号，确保输送节目的安全性。
3.2 节目信号传输分配网
为了确保分配至各个站点需要发射的TS码流信号完全一致，则需保证数字电视单频网节目分配网络的传送保持透明。按照网络传送媒介进行划分，数字电视单频网节目的分配传输网络可分为光纤直传传输、加扰卫星传送、SDH干线网络传输、微波传送等4种方式。这4种传输形式各有不同，但近年来光纤网络与SDH网络逐步完善，现阶段的信号传输分配网络多数采取SDH+光纤直传的分配形式，不但节省成本，还保证了码流传输的质量和安全。卫星与微波信号的传输方式操作简单、码流传输质量较好，但是极易受到天气等自然因素的干扰，安全可靠性大打折扣。
因此，在建设地面数字电视单频网的过程中，要将建设成本、后续维护成本、安全可靠性等一系列因素考虑其中，再结合实际情况，选择最适合当地的单频网传输分配网络进行建设。
3.3 无线发射系统
整个单频网节目传输分配网络中，主要是通过含有秒帧初始化包的TS码流，经过各个发射台的激励器实现时间同步，再完成信道编码转化为射频信号对外发射。依据规划的基站单频网覆盖区域面积的大小，对建设方案进行合理设计，控制好发射机的输出功率以及发射天线的方位等参数。
对激励器进行同步调整主要是控制其发射时延，从接收到的MPEG TS中的SIP包信息分析出有效的时间信息，通过计算可得出码流从主信号台到发射台的输送时间，再根据计算的时间对激励器进行时延调整，保证了信号传送的时间一致。在实际的店面数字电视单频网的建设过程中，可以借助全球定位系统GPS来辅助信号同步的工作，也可利用其他时间同步系统进行时钟同步。 3.4 系统监测保障
地面数字电视单频网的监测保障系统主要包含：对整个系统中的设备进行实时监测与报警，利用远程实时检查不同设备的运转情况，当设备运转出现异常时，立即发出警示并可通过远程进行问题处理；对地面数字电视单频网每个基站所覆盖区域的信号强度进行实时监测和分析；对所有覆盖区域基站的监测数据进行收集汇总，建立庞大且完善的数据库，方便查阅、调度以及管理，安全可靠地传送地面数字电视单频网信号。
4 地面数字电视单频网的应用
地面数字电视单频网的建设，主要内容有合理分布限定区域内的每个基层站点、各个站点之间的相隔距离、发射功率的大小、合理选取发射接收方式等，更要对邻近站点之间的信号重叠覆盖导致相互干扰的区域进行调整优化。
4.1 实际应用中的信号覆盖问题
在地面数字电视单频网覆盖重合的区域，如果不同的发射机发出的信号强度不在一个量级之上，也就是相差过大时，则可以对其中较弱的信号忽略不计，因为接收机只会识别和接收更为强烈的信号，因此这类信号之间不会存在相互干扰。然而，当不同发射机发出的信号强度相差较小时，接收机则无法对弱信号的存在选择忽视，这时候接收机就要在同一时间处理两个甚至更多的信号，这一信号覆盖重合、相互干扰的区域叫作“相干区”。
4.2 针对信号干扰问题的应用优化
处于地面数字电视单频网的“相干区”，会出现信号相互干扰的现象，导致用户无法有效接收到信号。到底要如何才能控制从不同发射站发出的电波同时间到达“相干区”中点0dB接收场强差，有如下两项工作要做好。第一，信号覆盖的场形一定要控制好，选择科学合理的设计记忆有效的天线调整。其中科学合理的设计内容主要为详细了解覆盖区域的地貌、合理选择站点、确定发射功率、配置天线以及对场形的控制等。第二，激励器除了能够实现网络系统的时间同步，也具备独立时延调整功能。利用独立时延调整功能可以依据实验监测的结果，在激励器上的时延参数进行人工设置，使其在相干区域内与空间参数完成匹配（即“二次同步”）。
4.3 信号盲区的应用优化
在地面数字点数单频网的服务区中，有时会因为遮蔽物的阻隔，导致单频网信号无法抵达，这一部分服务区就叫作单频网信号盲区。比如山峰或较高的建筑群阻挡区域、隧道、城市地铁等场地，单频网信号无法到达，这时候可利用单频网转发器（Gap Filler）对信号进行重新覆盖。根据传输方式进行划分，转发器一般可分为同频转发器、移频转发器以及光纤转发器。此外，转发器还可对建筑物室内环境进行信号的补充覆盖，正因为数字电视的转发器体积较小，所以在有限的覆盖范围内不会干扰到单频网系统。转发器可不需要借助GPS等专业设备，只需要用定向天线就可实现一定区域内的定向覆盖，由于其设备成本低、安装场所不受过多限制、安装便捷效果明显等特点，使其成为地面数字电视单频网建设优化中的重要手段。
5 结语
综上所述，文章主要概述了地面数字电视单频网的概念、构建原理以及构建组成部分，并对地面数字电视单频网建设中遇到的实际问题提出了几点优化意见。通过研究可以发现，在目前频率资源紧缺的严峻形势下，地面数字电视单频网的使用极大地节约了频率资源，提高了频率的利用率，将地面数字电视单频网的优势发挥得淋漓尽致，对我国的地面数字电视单频网建设工程起到了良好的推动作用。
参考文献
[1] 周丽霞，谢奉军.基于单频网的江西农村地面数字电视系统建设[J].农业工程学报，2015（S1）：247-253.
[2] 邓国华.国标地面数字电视广播单频网技术的研究与应用[D].南昌大学，2012.
[3] 伍得兵.地面数字电视单频网建设与应用[J].有线电视技术，2016（2）：37-39.
[4] 张玺，孙焱，丁玉红.江苏地面数字电视单频网建设方案[J].视听界（广播电视技术），2014（5）：78-83.
关键词：SFN 单频网 建设原理 地面数字电视
中图分类号：TN949.197 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）06（b）-0070-02
1 地面数字电视单频网的概念
地面数字电视单频网（SFN：Single Frequency Network）技术指的是分布在不同区域相邻的多个发射机以同样的发射频率工作运转，并且保证相同的码流在同一时间播出的工作方式，真正做到了在极大区域范围内数字电视广播的有效无线覆盖传播。
和传统的模拟电视多频网（MFN： Multi-Frequency Network）相比，地面数字电视单频网具有下列明显优势。
（1）相较于传统模拟无线电视传输上存在的诸多问题，地面数字电视都取得了长足的进步，其抗干扰能力更强，播放画质更加清晰，音频效果更佳，安全可靠性显著提高。
（2）相较于传统模拟无线电视传输，地面数字电视单频网的传输能力更强、频道利用率更高。单个标准的PAL频道（8 M）就可传送8～10套标清画质的数字电视节目。
（3）相较于传统模拟无线电视传输，地面数字单频网的建设成本更低：通过对单频网发射网络（基站数量、分布方式、天线方位与高度、发射功率等）的不断优化与调整，利用多个较小功率的发射机同时工作，将以往传统的超大功率发射机取而代之。有效地降低了信号辐射、减轻了电磁波污染、覆盖区域更加均匀。
（4）相较于传统模拟无线电视传输，地面数字电视单频网的业务开展灵活性更强，覆盖效率更高。因此，地面数字电视单频网不仅嫩能够改善目前农村广播电视公共服务的覆盖体系，还有效地提高了城市的覆盖密度，真正实现了数字电视无线覆盖的全面性。
2 地面数字电视单频网建设构建原理
在地面数字电视单频网系统中，要事先对节目信号的传输，首先要对原始的TS码流进行编码复用处理，然后再将其接入单频网适配器当中完成适配，同时将GPS信号引入单频网适配器当中，完成码率适配以及秒帧初始化，再将其插入形成包含秒帧的SIP的TS码流，经过不同的传输分配网络，将已经打包好的TS码流信号传送到各个发射基站的发射机适配器中，经过发射机适配器和激励器完成时钟同步处理、信道编码、调至输出放大然后进行信号发射。
实际的地面数字电视单频网建设过程中，需要借助GPS全球定位系统来辅助网络发射频率与TS码流的同步工作。GPS信号中包含时钟10 MHz和秒脉冲1PPS信号，单频网适配器可利用其中的10 MHz时钟对TS码流速率进行调整，还可选择1PPS作为时间基准信号，定时性地在TS码流中加入秒帧初始化包SIP。接受设备中的时间同步处理单元可根据传送码流中的SIP，分析出TS码流中的时延信息，再根据该发射站点的即时1PPS信号与TS码流信号进行同步，调至激励器进行发射，实现在不同站点，能够同步发射信号的目的。
3 地面数字电视单频网的构建组成部分
3.1 节目信号集成前端
地面数字电视单频网的节目信号集成系统主要是将不同电视广播节目信号源进行编码、处理与复用处理，再利用单频网适配器将码流与GPS等信息进行同步，最后也就形成了可分配的、带有单频网节目信号的传送码流。
节目信号集成前端平台通常都设在中央或省级单位的有线电视播放控制总机房中，所采集的节目一般为央视以及省级卫视节目。依据单频网的组网频点以及输送节目码流的压缩方式，对输送节目的套数进行合理选取，通常单个频点可以输送8～10套标清节目。此外，节目信号集成平台会设置主用和备用两条线路的信号，如遇突发情况，则立即启用备用节目信号，确保输送节目的安全性。
3.2 节目信号传输分配网
为了确保分配至各个站点需要发射的TS码流信号完全一致，则需保证数字电视单频网节目分配网络的传送保持透明。按照网络传送媒介进行划分，数字电视单频网节目的分配传输网络可分为光纤直传传输、加扰卫星传送、SDH干线网络传输、微波传送等4种方式。这4种传输形式各有不同，但近年来光纤网络与SDH网络逐步完善，现阶段的信号传输分配网络多数采取SDH+光纤直传的分配形式，不但节省成本，还保证了码流传输的质量和安全。卫星与微波信号的传输方式操作简单、码流传输质量较好，但是极易受到天气等自然因素的干扰，安全可靠性大打折扣。
因此，在建设地面数字电视单频网的过程中，要将建设成本、后续维护成本、安全可靠性等一系列因素考虑其中，再结合实际情况，选择最适合当地的单频网传输分配网络进行建设。
3.3 无线发射系统
整个单频网节目传输分配网络中，主要是通过含有秒帧初始化包的TS码流，经过各个发射台的激励器实现时间同步，再完成信道编码转化为射频信号对外发射。依据规划的基站单频网覆盖区域面积的大小，对建设方案进行合理设计，控制好发射机的输出功率以及发射天线的方位等参数。
对激励器进行同步调整主要是控制其发射时延，从接收到的MPEG TS中的SIP包信息分析出有效的时间信息，通过计算可得出码流从主信号台到发射台的输送时间，再根据计算的时间对激励器进行时延调整，保证了信号传送的时间一致。在实际的店面数字电视单频网的建设过程中，可以借助全球定位系统GPS来辅助信号同步的工作，也可利用其他时间同步系统进行时钟同步。 3.4 系统监测保障
地面数字电视单频网的监测保障系统主要包含：对整个系统中的设备进行实时监测与报警，利用远程实时检查不同设备的运转情况，当设备运转出现异常时，立即发出警示并可通过远程进行问题处理；对地面数字电视单频网每个基站所覆盖区域的信号强度进行实时监测和分析；对所有覆盖区域基站的监测数据进行收集汇总，建立庞大且完善的数据库，方便查阅、调度以及管理，安全可靠地传送地面数字电视单频网信号。
4 地面数字电视单频网的应用
地面数字电视单频网的建设，主要内容有合理分布限定区域内的每个基层站点、各个站点之间的相隔距离、发射功率的大小、合理选取发射接收方式等，更要对邻近站点之间的信号重叠覆盖导致相互干扰的区域进行调整优化。
4.1 实际应用中的信号覆盖问题
在地面数字电视单频网覆盖重合的区域，如果不同的发射机发出的信号强度不在一个量级之上，也就是相差过大时，则可以对其中较弱的信号忽略不计，因为接收机只会识别和接收更为强烈的信号，因此这类信号之间不会存在相互干扰。然而，当不同发射机发出的信号强度相差较小时，接收机则无法对弱信号的存在选择忽视，这时候接收机就要在同一时间处理两个甚至更多的信号，这一信号覆盖重合、相互干扰的区域叫作“相干区”。
4.2 针对信号干扰问题的应用优化
处于地面数字电视单频网的“相干区”，会出现信号相互干扰的现象，导致用户无法有效接收到信号。到底要如何才能控制从不同发射站发出的电波同时间到达“相干区”中点0dB接收场强差，有如下两项工作要做好。第一，信号覆盖的场形一定要控制好，选择科学合理的设计记忆有效的天线调整。其中科学合理的设计内容主要为详细了解覆盖区域的地貌、合理选择站点、确定发射功率、配置天线以及对场形的控制等。第二，激励器除了能够实现网络系统的时间同步，也具备独立时延调整功能。利用独立时延调整功能可以依据实验监测的结果，在激励器上的时延参数进行人工设置，使其在相干区域内与空间参数完成匹配（即“二次同步”）。
4.3 信号盲区的应用优化
在地面数字点数单频网的服务区中，有时会因为遮蔽物的阻隔，导致单频网信号无法抵达，这一部分服务区就叫作单频网信号盲区。比如山峰或较高的建筑群阻挡区域、隧道、城市地铁等场地，单频网信号无法到达，这时候可利用单频网转发器（Gap Filler）对信号进行重新覆盖。根据传输方式进行划分，转发器一般可分为同频转发器、移频转发器以及光纤转发器。此外，转发器还可对建筑物室内环境进行信号的补充覆盖，正因为数字电视的转发器体积较小，所以在有限的覆盖范围内不会干扰到单频网系统。转发器可不需要借助GPS等专业设备，只需要用定向天线就可实现一定区域内的定向覆盖，由于其设备成本低、安装场所不受过多限制、安装便捷效果明显等特点，使其成为地面数字电视单频网建设优化中的重要手段。
5 结语
综上所述，文章主要概述了地面数字电视单频网的概念、构建原理以及构建组成部分，并对地面数字电视单频网建设中遇到的实际问题提出了几点优化意见。通过研究可以发现，在目前频率资源紧缺的严峻形势下，地面数字电视单频网的使用极大地节约了频率资源，提高了频率的利用率，将地面数字电视单频网的优势发挥得淋漓尽致，对我国的地面数字电视单频网建设工程起到了良好的推动作用。
参考文献
[1] 周丽霞，谢奉军.基于单频网的江西农村地面数字电视系统建设[J].农业工程学报，2015（S1）：247-253.
[2] 邓国华.国标地面数字电视广播单频网技术的研究与应用[D].南昌大学，2012.
[3] 伍得兵.地面数字电视单频网建设与应用[J].有线电视技术，2016（2）：37-39.
[4] 张玺，孙焱，丁玉红.江苏地面数字电视单频网建设方案[J].视听界（广播电视技术），2014（5）：78-83.