马文峰 ，陆靖侃，2

（1.上海交通大学 上海 200233；2.上海数字电视国家工程研究中心有限公司，上海 200125）

0 引言

从2006年起，上海交通大学和上海铁路通信公司开始推进对中国高速铁路电视（HSRT）系统设计的研究和测试。该测试工程采用了ADTB-R（railway）系统[1]作为关键技术。

由于铁路电视系统的线性和单频网特征，相应的线性SFN覆盖设计引入了相当复杂的信道模型[2-4]。我们在设计系统时提出了一种信道模型的简化方法[3-4]来简化信道模型，以降低接收机的信噪比门限。通过采用高前后比定向天线和相应的分集接收结构，将具有2条强多径和相反多普勒频移的铁路电视单频网信道模型简化，从而大大降低对接收机的要求。

为验证上述设计[1]的有效性，在上海和无锡间的城际铁路线上建设了一条近100 km的试验段进行测试和验证。最近2年多时间里，在试验网络中一共进行过11次试验，采集了大量现场实验数据。本文将对试验段的实测数据进行详细分析，并证明结论的正确性。

1 铁路电视单频网沪锡试验段简介

试验段选择了上海到无锡间的一段城际铁路线，共设9个基站（陆家浜—昆山—正仪—唯亭—外跨塘—苏州—苏州西—浒墅关—望亭），全长95 km，用来完成铁路电视单频网相关测试和演示。该段地理位置、基站设置和信号覆盖形式如图1。铁路线每隔10 km左右架设一个等高的基站，每个基站的传输条件相同（如发射功率、基站天线增益），具体传输条件参见文献[1]中的表1。

铁路电视是一个涉及全国范围的单频网系统，在试验系统中，采用卫星通信网作为分发网络。系统在物理层分3个部分：卫星中继适配发射单元、基站同步发射单元和车载移动接收单元。如图2所示，卫星中继适配发射单元位于铁路沿线的其中一个基站里，而不是每个基站都需要。每个基站中都有一个卫星接收机和基站同步发射机。在地面网络中发送和接收信号的同步传输单元分别对应相应的设备，各部分具体连接关系参见图3～5。

1.1 卫星中继适配发射单元

如图3所示，将DVD输出的视频信号编码后，进行插入全局时间标志的适配处理[5]，适配后的信号通过DVB-S卫星中继，向MDS-T（T）基站传送同步信号。需要设备：DVD，MDS-T（S）适配器，DVB-S调制器，上变频器，功率放大器和 发射天线。

1.2 基站同步发射单元

试验中的基站同步单元组成如图4所示。此次测试在前述9个基站分别部署同步发射单元，每个基站都需要一套设备，包括卫星接收天线、卫星接收机、GPS天线、MDS-T（T）发射机和角形发射天线。

1.3 车载接收单元

如图5所示，车载接收单元安装于列车车厢里，设备包括分集接收天线、MDS-T（R）分集接收机、全向天线、频谱分析仪Agilent E4402B和监视器。

图3～5所示的3个单元构成了铁路单频网系统。文献[1]阐明了可以简化铁路单频网系统信道模型的定向覆盖构架。在特定区域内，分集接收机[6]能在2根天线中转换。由于分集接收机可以计算实时均衡器的输出信噪比，这样根据输出信噪比就有如下两种转换构架：

1）比较两根天线的输出信噪比，并且总是转换到信噪比更高的天线上；

2）当其中一根天线的输出信噪比高于某数值而另一根天线输出信噪比低于某数值时，转换进行。

第一种构架总是能确保最大分集增益，而第二种构架能降低转换频率。

2 定向覆盖工程化性能提升

由于基站设备的特殊设计，系统得益于两个方面：首先，定向天线的高增益提高了接收机等效输入信噪比；同时，定向天线的前后高抑制比降低了接收机在面临简化信道模型后的等效接收机SNR门限。

2.1 定向天线的高增益提高了接收机等效输入信噪比

选择比全向天线增益高的定向天线，在获得更高增益同时，可减少方向性干扰的影响。因此，采取上述前后定向天线的方式之后，输入信号的场强增大，在周围环境噪声（白噪声）基本保持不变的情况下，相当于提高了接收机等效的输入信噪比。全向天线和定向天线信噪比可由公式（1）～（3）描述

式中：K为定向天线增益；J为前向天线的前后抑制比。一般J远大于K。

从实际测试的情况来看，噪声功率基本维持在-90 dBm。所以，当N=-90 dBm，K=6 dB，J=16 dB时，根据电波传播特性[4，7-8]，可计算得的相应的全向、前向和后向信噪比，如表1所示。路径A增益为6 dB，路径B增益为-10 dB。

表1 通过公式理论计算得到的信噪比

将表1转换成图6，则从图6中可明显看到定向天线带来的接收机等效输入信噪比（无论是前向或后向）都会提升，且比全向天线在部分区域的信噪比更高。如果选择两根定向天线中更高的一根，大部分地区的输入信噪比都会得到提升，从而为工程实现提供更大的工程裕量。

2.2 定向天线的前后高抑制比降低了接收机在面临简化信道模型后等效接收机的SNR门限

根据文献[1]的结论，由于模型简化后，使接收机在全程中面临的等效信道单径莱斯化，因此获得了低得多的SNR门限值，从而满足现场信噪比的要求，如表2所示。

将得到的结果转换为图7。可以发现，接收机在面临简化信道模型后的等效接收机信噪比门限大大降低。

表2 使用定向天线接收后TOV要求的接收机SNR

2.3 高增益和前后高抑制比的定向天线分集接收方式，将大大提高工程裕量

把图6和图7结合起来，如图8所示，可以看到经过特殊设计后，接收机的等效输入信噪比获得提升，同时等效接收SNR门限却得到有效抑制，从而使得输入信噪比和等效接收门限之间的距离拉大，为工程实施留下充足的工程裕量。

3 沪锡试验段的场测

在沪锡实验段进行场测，验证第2节的设计效果。

3.1 测试方法和测试内容

1）通过频谱仪测试不同天线情况下的信号场强——得到相应的输入信噪比（SNRinput）。

2）通过测试接收机测得均衡器输出信噪比——与相应的接收信噪比门限（SNRth）存在一定关系。

测量均衡器输出信噪比（SNREO）是考虑到由于在移动过程中不能停下来测试，而难以获得对应位置的接收机SNR门限。实际上对于ADTB-T接收机来说，可以从均衡器的输出信噪比来判断是否可以正常接收（称为均衡输出信噪比门限（SNREOth）），而且因为均衡器的作用是将信道白化滤波，所以基本上不管在什么样的信道下，ADTB-T的均衡输出信噪比门限大致是固定的。因此，可以根据均衡输出信噪比门限来估计接收机的信噪比门限（SNRth）。

由式（4）可得，在输入信噪比相同的情况下，均衡器输出信噪比越高，接收机信噪比门限就越低。

3.2 测试报告

测试报告由信号强度、均衡器输出信噪比以及测试过程中的信号中断概率3部分组成。9个测试站分别记为S1～S9（从陆家浜至望亭）。

3.2.1 信号强度

图9表明测试得到的信号强度。图中，SS_OA，SS_AA，SS_BA，SS_Diversity分别表示的是全向、前向、后向和采用带有定向天线的转换构架的分集接收机信号强度；S1～S9代表9个基站。考虑到测试过程中的噪声功率维持在-90 dBm的水平，很容易推算出该情况下的输入信噪比。可见，与图6a所示的理论值相比，图9的曲线给出了相同的趋势。当使用定向天线时，等效输入信噪比因定向增益而增加。

3.2.2 均衡器的输出信噪比

均衡器输出信噪比的近似值由测试接收机接收到的训练序列的信噪比计算得到。这个参数实际上控制着分集接收机的转换，因此它是最重要的一个参数。

试验结果和相应的转换构架详见图10。图中，SNR_EQ_OA，SNR_EQ_AA，SNR_EQ_BA，SNR_EQ_Di⁃versity分别表示全向、前向、后向和采用定向天线转换构架的分集接收机均衡器的输出信噪比。如图10所示，由均衡器输出信噪比可知，分集接收机的平均增益为5 dB。并且，正如之前在式（4）中所解释的，这等效于把信噪比门限降低5 dB。

3.2.3 故障概率

故障判断主要依靠主观感受。在测试中，当无法流畅地收看电视节目时，就将其视为故障期或失败点。

如图11所示，测试过程中，使用全向天线时，总会出现某些区域无法确保收到稳定的电视信号，并且这些区域往往位于两基站的中间部分；而使用定向覆盖和分集接收器时，除两三个点会出现不到1 s的接收不流畅外，在整个测试过程中的性能都是非常出色的。

4 小结

图11 故障概率（软件截图）

笔者给出了铁路电视单频网系统的试验结果，由此证实了采用基于定向覆盖和分集接收机的网络设计来简化等效信道模型是可行的。测试结果与理论分析一致，证明了所设计的铁路电视单频网非常适于中国铁路电视的特殊应用。

[1]陆靖侃，马文峰.铁路电视单频网信道简化模型覆盖设计[J].电视技术，2011，35（8）：35-38.

[2]马文峰，归琳，金济华，等.用于轨道交通的单频网信号线型覆盖方法：中国，200710041713.2[P].2007-06-07.

[3]ZHANG Wenjun，GUI Lin，MA Wenfeng，et al.The television broadcasting network of Chinese high speed railway[C]//Proc.2008 IEEE InternationalSymposiumon BroadcastingMultimediaSystemsand Broadcasting.[S.l.]：IEEE Press，2008：1-4.

[4]GUI Lin，MA Wenfeng，LIU Bo，et al.Single frequency network coverage system design based on the simplified channel model in the Chinese high speed railway television system[Z].Shanghai：Shanghai Jiao Tong University，2010.

[5]归琳，陆靖侃，马文峰，等.铁路电视单频网中系统时钟馈送和恢复方法：中国，200710041715.1[P].2007-06-07.

[6]归琳，施洋，马文峰，等.数字电视单频网的分集接收终端及接收方法：中国，200710041714.7[P].2007-06-07.

[7]ITU-R P.1546-3，Method for point-to-area predictions for terrestrial services in the frequency range 30 MHz to 3000 MHz[S].2007.

[8]GB/T 14617.1—1993，陆地移动业务和固定业务传播特性：第一部分陆地移动业务传播特性[S].1993.