基于卫星分发链路的数字电视单频网关键技术

张 超，李锦文，高 鹏，潘长勇,3，李薰春，戚 武，杨 昉

(1.清华大学 电子工程系 清华信息科学与技术国家实验室，北京 100084；2.国家新闻出版广电总局广播科学研究院，北京 100866；3.数字电视国家工程实验室(北京)，北京 100191)

基于卫星分发链路的数字电视单频网关键技术

张 超1，李锦文2，高 鹏2，潘长勇1,3，李薰春2，戚 武2，杨 昉1

(1.清华大学 电子工程系 清华信息科学与技术国家实验室，北京 100084；2.国家新闻出版广电总局广播科学研究院，北京 100866；3.数字电视国家工程实验室(北京)，北京 100191)

提出了基于卫星分发链路的地面数字电视单频网的组网方案。该方案利用了卫星链路的转发优势，节目分发链路不受地域差异化条件的限制，不需要单独架设专用有线分发网络，转发延时分布均匀，特别适于在复杂环境下构建大范围的单频网。详细阐述了基于卫星分发链路的地面数字电视单频网的网络结构、特点与关键技术。实验室测试和开路测试结果均表明该方案的可行性和有效性。

地面数字电视；单频网；卫星链路

为了实现大面积的无线区域覆盖，传统的地面电视覆盖网络通常采用基于多频网(Multi-Frequency Network，MFN)的组网方式，即不同发射台站采用不同中心频率的广播信道发送同样的电视节目，造成了大量宝贵的无线频谱资源的浪费。而单频网(Single Frequency Network，SFN)由于覆盖范围大、频谱资源利用率高等优点，目前在地面数字电视覆盖网中受到了高度重视并取得了广泛的应用[1]。单频网指位于不同区域的发射台站采用相同的节目码流、以相同的信道编码/调制方式、在同一时刻以同一频率进行广播电视覆盖的组网方式[2]。

2006年8月，我国颁布了具有完整自主知识产权的地面数字电视传输标准《数字电视地面广播传输系统帧结构、信道编码和调制》(Digital Terrestrial Television Multimedia Broadcast，DTMB)，并于2007年8月1日开始实施[3-4]。研究并构建基于DTMB标准的地面数字电视单频网，对我国数字电视事业和产业的发展具有非常重要的意义和实际应用价值。

SFN提高频谱效率和功率效率的代价是在网络中所有发射机必须做到严格同步，包括内容比特、时间以及频率同步。而对于比特级的同步则需要专用的节目传输流(Transport Stream，TS)分配网络，在传输TS流中插入特定的同步信息后传输到单频网中的所有发射机[5]。发射机接收到来自分配网络的节目流之后，完成延时估计与补偿，从而使各个发射机在同一时刻发送相同的节目内容。常见的节目分配网络包括光纤、SDH网络、数字微波和高速以太网等[6]。如意大利广播电视公司(RAI)采用光纤网络作为主分发网络，而卫星链路作为备份节目链路组建了DVB-T的单频网[7]。文献[8]给出了基于DVB-NGH的单频网以及本地服务的插入方法。而利用卫星直接转发地面数字电视调制信号，也可构成卫星-地面广播混合的单频网组网方式[9-11]。

图1 基于卫星分发链路的地面数字电视单频网系统架构

光纤网络虽然具备很多优点，但由于我国幅员辽阔，地理气候复杂多样，区域经济发展不平衡，各发射台站分布不均，基础配套设施和传输条件不尽相同，如果实现大面积国土区域的单频网覆盖，依靠光纤网络的节目分配链路将会受到很大的实际条件限制。而相比较光纤网络，使用同步卫星转发器作为节目分配传输链路，分发链路不受区域差异化条件的限制，节目分配转发设计规划实现简单，且同步卫星转发器技术成熟应用广泛，不需要单独架设专用的有线分配网络，更适合于大范围的地面数字电视单频网。

2014年11月，根据主管部门的安排，国家新闻出版广电总局启动了中央广播电视节目无线数字化覆盖工程项目，根据项目实施需要，在总局科技司的统一部署下，相关领域的技术人员集体攻关，制定出了基于卫星分发链路的国标地面数字电视(DTMB)系统单频组网技术方案。本文在已有DTMB单频网的基础上，研究并阐述了基于卫星分发链路的地面数字电视单频网的网络组成、关键技术与组网特点。实验室测试和开路覆盖测试表明卫星分配链路的传输延时满足地面数字单频网的组网要求，实际覆盖效果明显优于单发射站的覆盖效果。

1 基于卫星分发链路的地面数字电视单频网

基于卫星分发链路的地面数字电视单频网系统由节目内容统一集成、加扰加密卫星传输分发、地面传输网络(光缆或数字微波)清流传输分发、地面清流发射等部分组成，其覆盖网络总体架构如图1所示。

地面数字电视广播传输基于DTMB标准体系。前端系统则采用基于AVS+和DRA音视频压缩编码技术规范，实现电视节目的编码、复用，清流经加扰加密生成1路传送码流，后经单频网适配器经卫星传输转发。同时生成1路不加扰加密的传送码流，经地面传输网络(光缆或数字微波等)进行备份传输。

前端系统主要由AVS+编码器、复用器、节目监测系统和网管系统组成。待传输的多路节目流进行AVS+编码复用，加扰加密后生成1路传送码流，适配处理为DS3信号送入卫星传输链路，同时不加扰加密生成1路传送码流，经地面传输网络(光缆或数字微波等)进行备份传输。为保障前端系统的安全性，前端系统所有核心设备采用1+1备份方式。

节目分配链路包括主链路和备份链路。其中卫星分配链路为主链路。

1)卫星分配传输链路

卫星传输链路包括信号源传输引接系统、上行系统和接收系统3个部分，其中信号源传输引接系统将前端系统的输出信号引接到地球站，经过单频网适配器适配后进入上行系统，上行系统完成卫星信号调制、上变频、高功放和发射，接收系统接收卫星信号，解调、解扰还原出2路TS给地面发射系统。

信号源传输引接系统完成前端系统DS3信号到地球站上行系统的传输和基于卫星传输的单频网适配，系统由传输网络终端、数字光传输网络中心站、双路由光缆保护环网、数字微波链路(具备条件时)、传输适配器和单频网适配器组成。DS3信号通过传输网络终端进入双路由光缆保护环网，到达中心站后进行分配，然后通过双路由光缆保护环网、数字微波链路(具备条件时)送至多个地球站，经过传输网络终端、传输适配器、码流切换器和单频网适配器后输出给上行系统。

卫星上行系统完成TS流的卫星调制、上变频和信号放大，后传输到卫星转发器。同时在各个地面数字电视发射台站配置卫星接收天线、AVS+专业卫星综合接收解码器，通过卫星信号接收、解调、解扰、整形还原出2路TS送给地面发射系统。

2)地面分配传输链路

地面传输链路作为卫星分配传输链路的备份，将前端系统输出的复合TS流通过光纤网络或者数字微波链路传输至各个发射台站。发射台站将适配后输出的TS码流与卫星接收的TS码流进行主备切换后送发射系统。

3)台站备份卫星接收前端

在光纤或数字微波等地面传输网络未通达的发射台站，可考虑接收原有卫星转发的节目，实现对主用卫星传输链路的备份。台站备份前端包含卫星接收天线、卫星数字电视接收机、AVS+转码器和复用器等，生成TS流后送至地面发射系统。

地面覆盖网络完成TS码流到地面数字电视的转换。待传输的节目经过编码、复用、加扰加密后，送入单频网适配器，根据GPS/北斗双模授时器的指示信号进行秒帧初始化包(Second-frame Initialization Packet， SIP)插入，并对SIP包增加必要的校验保护。插入SIP包之后的TS流通过传输匹配网络输入到卫星调制器进行发射。

各发射站点通过卫星解调、解扰和解密后，获得节目码流，基于卫星传输的单频网地面数字电视广播激励器对节目码流进行处理后，输入到地面数字电视广播发射机，进行地面发射。地面数字电视发射机/激励器的同步系统在输入的TS中识别并解析出SIP包中的发射时刻信息，结合本地参考时钟提供的时间信息，自动计算出本地延迟，保证发射时刻同步。同时依据SIP所包含的系统信息(SI-SIP)设置其工作模式，以保证单频网中各激励器的工作模式相同。

2 系统关键技术

2.1 单频网码流适配

单频网适配器是构建单频网的重要设备，需要完成SIP包插入和码率适配两个功能，从而实现从输入TS流到单频网适配TS流的转换。单频网适配器根据GPS/北斗参考时钟提供的时钟信息(10 MHz基准频率和1pps脉冲信号)，以秒为单位在TS流中周期性地插入SIP包，之后经过卫星传输链路传送到各个发射台。由于引入了卫星分配网络和卫星调制器，要求基于卫星分配链路的单频网适配器需对码率适配填充的空包和SIP的填充空字符进行特殊标记，以区别于卫星调制器加入的空包和空字符，否则会造成各个发射台站对适配码流的处理错误，造成单频网组网失败。

为此，单频网适配器需要在满足码流适配功能的同时，对按秒插入SIP时填充的空包进行调整，以和卫星调制器的空包进行区别。同时在原SIP中定义的填充字节中增加特殊指示字节和CRC校验字节，并增加TS流PCR保护功能。

2.2 卫星传输链路

基于卫星链路地面数字电视单频网系统架构与原有的地面数字单频网区别在于引入了卫星链路。由于单频网适配器需要根据网络所选择的地面数字电视传输模式进行精确的码率适配，故传统单频网中发射机激励器无需对码流进行空包插入操作。

卫星调制器的传输码率将略高于DTMB系统各个模式的码率，因此通用的卫星调制器将再次进行码率适配插入的空包，改变单频网适配器输出的码流结构，若不进行识别与调整，激励器无法区分单频网适配器和卫星调制器分两步插入的空包，使单频网无法正常组网。同时，传统的卫星调制器会调整输入TS流中PCR的数据，若在卫星接收机或者激励器中不进行恢复，则可能会产生地面数字电视机顶盒或接收机的音视频不同步问题。同时，卫星链路传输可能带来长延时和抖动问题。

因此，利用卫星分发链路的地面数字电视单频网组网过程中需要克服两个技术难点。一是要保证对卫星传输的码流正确适配的情况下，保证单频网适配器的TS输出在卫星传输过程中不会被传输环节设备改变。二是要保证在卫星加密传输的大延时情况下，单频网适配器输出的同步基准在各个激励器能正常发挥作用。

针对上述技术难点结合实际应用需求，需要尽量保证在传输链路中不引入更多的设备延时，尽量不增加更多的单点失败点，且不改变现有节目和用户管理框架。

3 实验室验证与开路测试

为了验证基于卫星分发链路的国标地面数字电视单频网组网方案的可行性与有效性，项目组搭建了基于卫星链路单频组网的实验室验证系统。同时，为了保证方案的有效性，还开展了基于卫星链路的地面数字电视单频网开路试验。

3.1 实验室测试

码流分配链路是单频网组网中非常关键的环节，而基于卫星的码流分配链路在无线传输延时的基础上，还需要引入卫星调制器与解调器，增加额外的处理延时。因此，基于卫星分配链路的单频网首先需要验证卫星传输链路的传输特性和处理延时。卫星链路传输延时的测试原理如图2所示。

图2 卫星链路传输延时测试图

延时分析仪在TS流中插入特定的时间标签，之后通过卫星调制器上行传输到转发卫星，卫星接收机解调后将恢复出的TS流送至延时分析仪。通过比较收发2路TS流中的时间标签，即可计算出传输延时差。

测试地点为卫星地球站机房，使用央视提供的3套 AVS+ 高清节目流，通过延时分析仪后，经卫星调制器调制上星，再在地球站本地通过卫星接收机接收上星信号，将解码后的TS流送回测试仪。

图5 合成之后的射频信号特性(截图)

通过测试可得，卫星链路传输延时基本在250 ms左右(248.5～249.3 ms)，不同的卫星接收机存在较小的差异，且测试时间内卫星传输链路的抖动并不明显。即使考虑到我国各地的地理位置差异，卫星传输延时也与现有地面数字电视单频网技术要求中的1 s要求有较大差距，即通过卫星传输链路进行节目分发的方式可以满足地面数字单频网的组网要求。

实验室多台发射机组网测试是进行单频网开路覆盖测试之前非常重要的验证手段，其测试系统组成如图3所示。通过卫星传输链路将传输节目流上传至卫星并转发，通过楼顶卫星接收天线接收后，通过分配器将信号输送给2台卫星接收机。2台卫星接收机对信号进行接收解扰后，分别将其输出的TS节目流送给地面数字电视激励器进行调制，调制后的射频信号通过合成器进行合成，分别送给数字电视分析仪(ETL)和地面数字电视机顶盒，通过ETL分析单频网组网效果，通过机顶盒直观验证接收情况。

图3 实验室组网测试

部分测试现场的测试场景如图4所示。

图4 测试现场设备(照片)

实验室组网试验结果表明，基于卫星链路的节目分配网络可以有效地支持单频组网所需要的节目同步，2个激励器合成之后的射频信号频谱和时域冲激响应如图5a和图5b所示。多种不同品牌的单频网适配器和地面数字电视激励器的交叉测试也均可组建单频网，验证了基于卫星分配链路的单频网组网的可行性。

3.2 组网覆盖开路测试

为最终完成系统整体技术方案的验证，在实验室验证试验的基础上，还需进行实际的外场开路验证测试。为此，项目组协调中央广播电视发射塔以及卫星地球站、中央电视台等单位，开展了基于卫星链路地面数字电视单频网组网覆盖验证开路测试工作。

试验完全按照实际运行系统架构设计，中央电视台提供1路包含6路AVS+节目的传输流(已加扰)，码流经传输链路传至卫星地球站，在地球站经单频网适配器和卫星调制器进行码率适配，上行至卫星转发器，在发射台站使用卫星接收天线和卫星接收机接收并解扰输出TS流，送入发射机进行发射组网验证。组建单频网的2个发射点为中央广播电视发射塔和北京周边某发射台，使用32频道，频率为666 MHz，2个发射站点的发射功率均为1 kW，DTMB系统测试工作模式：PN945，C=3 780，16QAM，LDPC 0.6。

通过频率规划软件对2个发射台站的覆盖进行了测算，其覆盖交叠区主要在北京市东三环和东五环之间，故外场移动收测路线主要选取东三环和东五环的主干道进行，测试时使用路测仪进行收测。

中央电视塔和某发射台分别单独覆盖时的测试结果分别如图6a和图6b所示。通过LDPC误块率指标可以直观地反映移动接收状态下地面数字电视业务的可用度。在相同的测试区域，中央电视塔和某发射台单独覆盖时，业务均有不同程度的覆盖盲区(图6中深灰色区段)。

图6 单发射塔覆盖测试结果(截图)

图7a给出了2个发射台站同时开机，但2台发射机工作于不同步状态时的覆盖测试结果。由图7a可以看出，若2部发射机工作于单频网不同步状态，则相互造成较大的干扰，原先单独开机时能正常接收的区域大大缩小。

图7 2台发射台同时工作时的测试结果(截图)

2个发射台站发射信号同步构成单频网状态下的覆盖测试结果如图7b所示。通过测试结果可以看出，在中央电视塔和某发射台两部发射机同时开机，且2部发射机工作于单频网同步状态时，测试区域中业务可用度达到了98%以上，远超过之前单独覆盖的测试结果，证明了基于卫星分配链路的单频组网在实际应用环境中的可行性与有效性。

4 结论

本文在传统单频网架构的基础上，提出了全新的基于卫星分配链路的国标地面数字电视单频组网方案。该方案充分利用了卫星链路的转发优势，节目分发链路不受地域差异化条件的限制，分发链路设计规划简便，不需要单独架设专用有线分发网络，设备成熟度高，转发延时分布均匀，特别适合于在复杂环境下构建大范围的单频网。测试结果表明卫星分配链路的传输延时满足地面数字单频网的组网要求，实验室组网测试和组网覆盖开路测试结果均表明，该单频网组网方案的可行性和有效性，实际覆盖效果明显优于单发射站的覆盖效果。

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[11] 陈巍艺. 利用卫星转发组建地面数字电视广播单频网[J]. 电视技术，2010，34(7)：25-27.

责任编辑：闫雯雯

SFN Structure Based on Satellite Distribution Links for Digital Terrestrial Television Broadcasting Systems

ZHANG Chao1, LI Jinwen2, GAO Peng2, PAN Changyong1,3, LI Xunchun2, QI Wu2, YANG Fang1

(1.TsinghuaNationalLaboratoryofInformationScienceandTechnology,DepartmentofElectronicEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;2.AcademyofBroadcastingScience,SAPPRFT,Beijing100866,China; 3.NationalEngineeringLaboratoryforDTV(Beijing),Beijing100191,China)

In this paper, a novel SFN structure based on satellite distribution networks is proposed. The satellite link will not be restricted by different geographical conditions without dedicated wired distribution networks. The transmission delay of the satellite link is distributed uniformly for different locations which can greatly simplify the network planning. Therefore, it is suitable for constructing national wide or large area DTTB SFN under complicated environments. Laboratory tests and field trials indicate that the proposed scheme can support practical DTTB applications.

digital terrestrial television broadcasting; single frequency network; satellite distribution link

质检公益性行业科研专项经费资助项目；科技部科技伙伴计划资助项目

TN94

B

10.16280/j.videoe.2015.16.023

2015-07-14

【本文献信息】张超，李锦文，高鹏，等.基于卫星分发链路的数字电视单频网关键技术[J].电视技术,2015，39(16).