地面广播介绍 Part 1

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。

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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