【摘要】 四川電視塔地面數字電視系統主要包括前端信源編碼系統、無線發射系統、監播系統。結合流程圖對信源編碼部分的設計做了闡述；對發射系統進行了介紹。為當前國標地面數字無線覆蓋提供一種借鑒。
【關鍵詞】 地面數字電視 編碼器 復用器 激勵器 發射機
川臺地面數字電視機房位于成都市猛追灣電視塔。四川電視塔海拔480米，塔高339米，為成都市最高建筑，用于對成都市區、郊區、周邊市縣及邊遠山區提供廣播電視信號無線覆蓋業務。
2012年，為加快構建技術先進、傳輸快捷、覆蓋廣泛的廣播電視傳輸覆蓋新體系，整合相關資源，機房采用國標DTMB，使用2個頻點傳輸發射26套電視節目。新技術的使用，極大提升了川臺的廣播電視公共服務質量和水平，為成都周邊廣大人民群眾獲取新聞信息、享受精神文化生活提供了重要保障。
作為一個無線地面數字電視系統，遵從堅持公益性和效能兼顧的原則，我們需對信道、信源進行合理規劃。
首先是信道參數的選擇。國標系統中較多使用總局推薦的第5種模式。由于本系統每個頻點傳13套電視節目，要保證畫質清晰，在分辨率、幀率固定的情況下，采用16QAM容納不了那么多節目，我們選擇了32QAM。高階調制，雖增加了接收門限，但提高了系統凈碼率，增加了節目容量，并保證在意向覆蓋區內用戶的接收不受影響。
其次是信源編碼參數的選擇。編碼設備為湯姆遜設備，采用H.264編碼。為了充分保障畫質，我們對多種碼率編碼方案進行了認真測試比對，最終本系統選擇2Mbit/s視頻碼率。通過合理規劃，我們利用較少的頻點，傳輸了更多的節目，通道效率大大提高。
該地面數字電視系統的信源編碼參數、信道參數見下表：
表1 系統信源編碼參數、信道參數
以下從前端、發射、監播幾個環節對四川電視塔地面數字系統進行介紹。
一．地面數字電視前端系統
整個系統節目規劃為26套節目，兩個頻道，一個頻道傳輸13套節目。視頻采用H.264編碼，每套視頻編碼碼率1.95Mbit/s；音頻采用MPEG-1 LayerⅡ，碼率64kbit/s。節目及PID參數見下表。
表2 節目編碼參數
采用H.264編碼原因有兩個：一是機房現有設備為H.264編碼設備，為了節省資金的需要；另外一個原因是在目前廣電系統主流的三種編碼標準中，MPEG-2編碼效率太低，H.264、AVS+這兩種編碼效率較高，可以達到MPEG-2的2-3倍，在低傳輸速率下圖像質量有了長足進步，而AVS+在市面上機頂盒較少，普及存在一個過程，故最終我們選擇H.264的編碼方式。H.264在分辨率為720ⅹ576的標清模式下，幀率25，平均碼率在2Mbit/s就可以達到MPEG-2 的6Mbit/s以上的效果，圖像畫質可達標清模式下的廣播級圖像質量。因此系統每套節目視頻加音頻總碼率設定為2.0Mbit/s。
1．信號源
機房信號源包括省網絡公司的SDH信號、彩電中心光纖信號、衛星信號、省網光纖數字有線信號。不同路由的信號保證了節目源的穩定可靠。節目源路由信息見下表。
表3 各路節目信息
2．前端設備及信號處理流程
前端系統設備主要有光接收機、適配器、信號2切1設備、信號分配設備、衛星綜合接收機、解碼器、湯姆遜EM1000編碼器、湯姆遜N9030復用器、網管系統、BVCOM監播系統等組成。前端系統拓撲圖見下圖。
前端系統拓撲圖
信號的處理流程如下：
首先不同路徑的主備信號源經過適配、光接收、衛星接收，輸出TS流信號，TS流信號經過各二切一設備，實現了主備信號的切換，切換后的TS流信號被送到信號分配板卡；經過分配的TS流信號被送到26路解碼器進行解碼，每臺解碼器輸出兩路SDI數字視音頻信號，一路進入相應的EM1000編碼器進行信號編碼；另外一路信號被送到32×32矩陣，矩陣的作用是為備用編碼器提供信號源，當主用編碼器故障時，矩陣輸出故障編碼器的4路信號源給備用編碼器，備用編碼器自動替換故障編碼器。
一臺EM1000編碼器編碼可以編碼4套節目，輸入接口支持SDI、AV；輸出接口支持兩路ASI輸出、IP輸出。本系統每套節目視頻碼率為1.95Mbit/s，音頻為64Kbit/s，編碼器輸出兩路TS信號，分別送到兩臺主備湯姆遜N9030復用器。湯姆遜N9030復用器輸入有16路ASI接口，6路ASI輸出口，還可以自定義進行輸入輸出口。26路編碼信號進入主備復用器后，復用成兩路TS流信號，一路川臺信號包，另一路為中央臺信號包。在這個環節，需精心調整各編碼器編碼碼率，保證復用器輸出的兩路信號碼流在26.2Mbps左右，剩下的留著系統和通道保護，防止通道碼流溢出。
主備兩臺N9030復用器輸出的中央包、川臺包信號被送到2切1系統，實現主備編碼后信號的切換，輸出TS信號被送到發射機。
二．地面數字電視發射系統
1．國標地面數字電視發射系統的構成。
地面數字電視發射系統的典型拓撲圖如下：
發射系統拓撲圖
首先前端系統送來的TS流信號經過擾碼器（隨機化）、前向糾錯編碼（FEC），然后進行比特流到符號流的星座映射，再進行交織后形成基本數據塊，基本數據塊與系統信息組合（復用）后，經過幀體數據處理形成幀體，幀體與相應的幀頭（PN序列）復接成信號幀（組幀），根據幀地址組幀單元構建與絕對時間日、時、分、秒同步的復幀結構，經過基帶后處理轉換為輸出信號（8MHz帶寬內）。該信號經過上變頻轉換成指定頻率的射頻信號，經過功率放大器，帶通濾波器濾波，經天饋將射頻功率信號轉化為電磁波輻射到千家萬戶。
2．R/S NH8600發射系統
四川電視塔地面數字發射系統采用德國R/S（羅德施瓦茨）公司大功率液冷數字發射機，其中21頻道、27頻道、備機的發射機均為R/S NH8612EC系列發射機，可實現覆蓋成都市半徑80KM左右，收視效果良好。
NH8612EC發射機
每套德國R/S的NH8612EC系列發射機由兩個機架設備、散熱系統水泵、室外熱交換器構成。機架設備上包括一臺激勵器、一臺NETCCU、一臺機架控制器、12臺功放單元。另外在備機左側上端多了一臺NSU設備，用以實現N+1。
核心設備為激勵器和功放單元，用以實現國標DTMB信道調制、預校正、信號放大的相關功能。系統參數和設備工作參數可以通過NETCCU在本地或者遠程計算機上，利用圖形界面進行交互操作，如系統時間、網絡設置、發射模式、輸入輸出接口的選擇、信道參數、預校正、激勵器輸出電平，以及輸出級功率、報警門限、水泵單元冷卻液的流速設置等等。涉及內容較多，不做介紹。下圖為發射機網管系統截圖，通過它可以完成上述相關設置和系統狀態監控。
發射機網管截圖
3．發射系統備份
發射系統的備份采用4+1架構。除了現使用的21、27頻道外，還規劃了32、49頻道。機房采用了5臺R/S數字液冷發射機，四臺發射機運行在不同頻道，一臺發射機時刻處于備份狀態。當有工作發射機出現輸出功率低于設定門限功率、反射故障告警、冷卻系列故障、無輸入信號、其他硬件故障時，備份發射機立即將頻率及工作參數變化到故障頻道上進行播出。N+1系統架構的使用，減少了備機數量，降低了設備投入，保障了設備的可靠性。其拓撲圖如下圖。
4+1系統拓撲圖
4+1系統通過設備NSU進行管理，以下為網管軟件截圖，A1為21頻道、A2為27頻道、A3為32頻道、A4為49頻道、B為備機。設備故障時，系統會自動切換到備用發射機，也可通過網管手動切換。
4+1系統網管軟件
4．系統指標把控
R/S激勵器按國標要求采用了預校正技術，對進入功放的信號提前進行幅度和相位的預失真，實現了信號失真補償控制，改善了發射機的輸出信號頻譜特性，保證了發射機信號能處于高指標狀態。
在功放單元，多載波模式下很容易產生非線性失真，采用功率回退可以克服線性失真，但又會犧牲放大器的效率。R/S發射機采用大功率橫向擴散金屬氧化物半導體晶體管（LDMOS），使放大器具有較好的溫度特性、高增益和較高的過激勵，提升了整機效率；LDMOS管的增益曲線較平滑，特別適合多載波數字信號放大，失真小，而且夠覆蓋整個UHF波段，使得發射機功放通用性及指標把控大大加強。
通過R/S公司的專業測試設備ETL測試，21頻道（538MHz）、27頻道（626MHz）在7.2KW、6KW、3.6KW三個功率等級下，所有指標均滿足國標要求，實際測試參數全面優于國家標準。在運行中發射機工作在3.6KW狀態，已完全滿足對用戶端的覆蓋。
下圖為發射機檢測口，帶通濾波器之前的測試值：指標整體優異。
21頻道帶肩（-39.2dB）
21頻道傳輸性能參數
21頻道星座圖（32QAM）
三．監播系統
監播系統采用了BVCOM智能監播平臺。該平臺可以實現對主備信號源、編碼后的H.264信號、回監信號進行系統監測監視。通過信號采集板卡，多畫面服務器，把節目顯示在電視墻。還可以通過軟件實現圖像層、碼流層（TR101-290的3級）報警。具備異態錄像存儲、節目錄制、報警信息查詢等功能，有力地保障了系統的安全運行。
四．總結
四川電視塔無線地面數字電視系統，從2013年開始運行，系統運行穩定可靠，各項指標完全合格，達到預期效果，以四川電視塔為中心，覆蓋半徑達80余千米。下圖為場強覆蓋示意圖。
系統為覆蓋區域內廣大用戶，提供了穩定可靠的地面數字電視信號，提升了川臺的廣播電視公共服務質量和水平，為成都周邊廣大人民群眾獲取新聞信息、享受高質量的精神文化生活提供了重要保障。