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地面广播介绍 Part 1

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用户1324186
发布2022-04-11 19:28:29
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发布2022-04-11 19:28:29
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文章被收录于专栏:媒矿工厂

来源:IET Media Network 主讲:Richard Rudd 内容整理:赵研 该视频介绍了地面电视广播的发展和传输机制,以及相关的技术内容,如覆盖率设计、通信抗干扰、信号传播模式、天线选择和设计等,并对实际应用中的一些问题进行阐述,本文概述了视频的前半部分,即最低接收场强计算、接收端位置影响以及通信干扰。

目录

  • 地面电视广播概述
  • 点对面传输设计
    • 步骤1. 计算用户所需的最低信号强度
    • 步骤2. 考虑接收端的位置变化
    • 步骤3. 考虑通信干扰(保护比)

地面电视广播概述

与依赖人造卫星或线缆的卫星电视广播、有线电视广播不同,地面电视广播利用大气电波,完全在地面收发电视讯号,因此又被称为'无线电视'。地面广播传输的发展趋势,一方面是在不断朝更高频段、更广带宽演进,从 LF/MF(0.2-1.6 MHZ),到 VHF(40-240 MHZ),再到 UHF(470-860 MHZ);另一方面也增加了许多复杂内容,如 FM 广播、彩色电视、立体声等。

虽然有很多方面与其他广播系统类似,但地面电视广播也有一些独有的特点,包括但不限于:

  • 点对面传输,且需要在大范围内中提供一致的信号覆盖;
  • 接收端与发送端相互独立,不建立连接,这意味着接收端不受电视台控制;
  • 与社会和政策联系紧密,一方面受益于此,一方面也受到许多约束。

点对面传输设计

关于如何实现大面积广播信号覆盖,最简单的方法是把发射器放置在服务区域中心,并使用全方向传输天线。不过也会有一些特殊策略,比如对于高频传输,更希望将发射器部署在地理位置较高的区域;而对于低频传输,将发射机放在导电性好的土壤环境中会更好。

在进行初步设想时,可以假定一个较为理想的接收端,认为其静止、噪声较小、接收信号阈值很低。然后在实际设计中,再考虑更多的细节,比如用户的改变,多路径干扰(通常由瑞利分布建模)、网内干扰或网间干扰,各种调制方法的信号保护带,以及各个时间段的通信波动等。

步骤1. 计算用户所需的最低信号强度

在部署地面广播系统时,我们首先要考虑用户需求的信号强度(通常用电场强度表示,dB\mu V/m)以及信号的表现形式(数字/模拟),并对接收机天线的增益和效率做出假设,然后根据信噪比的目标质量约束,进一步计算可接受的噪声上限,下面以 FM 广播为例进行说明。

示例 :FM 广播

假设接收场景对质量要求较高,用户所需的音频信噪比为 60 dB。FM 系统的信噪比公式如下式所示,其中噪声与调制比(Modulation Index, MI)有关。

\frac{S}{N}=3m^2 \frac{P_c}{2N_0 B} 式中 m 代表调制比,其计算如下式所示,多数情况下采用 +/- 75kHz 的频偏,以及 50 \mu S 的预加重。

Modulation Index = m = \frac{\Delta f}{B}

按照上述计算过程,可得所需的射频信号信噪比为 51 dB。此外,假设接收端的热噪声为 15 dB,有效带宽为 15kHz,计算可知,最低功率需求为 -71 dBm(约 100 pW),系统阻抗通常为 75 \Omega ,因此等价于 37.8 dB\mu V 的电压值。

接着考虑天线设计。假设接收端使用半波振子天线,则相比便携式鞭状天线,使用屋顶天线能带来更高增益。天线的有效长度为 20\log(\frac{\lambda}{\pi}) ,再考虑额外 6 dB\mu V 的终止电压,最终计算可知,最低场强需求为 43.8 dB\mu V。

步骤2. 考虑接收端的位置变化

步骤 1 中估计的场强,并没有结合某个接收端的具体位置进行考虑,因此我们需要进一步考虑接收端位置变化带来的影响,该影响主要是由周遭的地形和环境造成的,比如建筑物和树的存在会对信号传播造成干扰。

位置和环境会造成接收端所需的最低信号强度不同,其变化总的来说服从正态分布。此外,我们通常假设该浮动不超过 5.5 dB,因为约有 93% 的用户都落在这个区间。数字广播往往需要提供较高的服务质量,即要求超过 95% 的用户都能接收信号,这需要额外的 9.1 dB 场强;而如果只需保证 70% 的用户接收,则只需额外提供 2.9 dB 场强即可。

步骤3. 考虑通信干扰(保护比)

保护比是在特定条件下,为获得规定的接收质量,所需的有用与无用信号电平比最小值,通常以接收机输入端上的 dB 值表示。保护比与调制类型和频偏有关,干扰比表示为了盖过干扰信号,所需的最低有用信号。值得注意的是,这里的干扰与步骤 1 中的噪声不同,'无用信号'也可能是针对某特定用户而言的,因此'干扰'实际包含了通信时用户间干扰和发射机之间的干扰。

已知接收端所需信号强度和保护比,我们可以对广播服务范围进行设计。通常在进行估计时,认为有用信号传输的时间占比适中(约为总时长 50%),而干扰几乎无时不在,即占据总时间的 95% 以上。

如下图所示,TX1 和 TX2 分别代表两个地理位置不同的发射机,横轴代表地理位置('服务半径'),而纵轴代表某位置的场强。由两个发射机的信号辐射曲线可知,随着与发射机距离增大,信号强度会降低。步骤 1 中分析得到了噪声限定下的接收端最低场强:'E_{NL} ',其对应位置与 T1 发射机之间的距离 'd_{NL} ' 代表了最大服务范围半径,而保护比('PR')也规范了某点抗干扰的最低场强('E_{PROT} ')。从图中可以看出,干扰('PR')限定下的服务半径要小于噪声限定下的服务半径。通过改变频率设定,可以使二者尽可能接近。

如果只有两台发射机,则在二者中间的位置,对两方的信号接收效果都较差,可以用更多的发射机来弥补。传统网络中,要求某频段信号络覆盖大面积连续区域,这会导致持续的信号干扰(可能来自几公里以外的发射塔),因此保护比的设计至关重要。

图1. 广播服务范围设计

在传统数字信号系统中,干扰也同样存在。如果同一信号多径传播,并因此有时间延迟,则会造成符号间干扰(ISI),如下图所示。

图2. 多径传播造成的 ISI

而在正交频分复用(COFDM)系统中,通过引入'保护间隔'和'循环前缀',可以缓解由于多径或环境影响带来的信号不同步和延迟,如下图所示。

图3. COFDM 系统(1)

图4. COFDM 系统(2)

然而该方法也有一定缺陷:

  • 保护间隔以外的信号仍可能造成干扰;
  • 保护间隔对带宽提出了额外需求;
  • 很难找到一个覆盖全国的信道,限制了单频网络的服务规模。

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原始发表:2022-03-31,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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