北斗授时系统在广电单频网中的应用

北斗授时系统在广电单频网中的应用

赵亮

天津海河传媒广播电视有限责任公司

摘要  基于北斗卫星定位系统的授时功能，利用北斗授时接收机输出稳定频率，秒脉冲和基准时间作用于单频网网络适配器，从而实现各单频网台站的时间同步，频率同步和比特同步，能够替代传统采用GPS授时系统的单频网技术，提高了我国单频网系统的可靠性。

关键词：北斗系统  授时技术  网络适配器  单频网

1北斗时间系统概述

北斗卫星系统为我国自主研发卫星定位系统于2003年12月开通运行，使我国成为世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家，其主要功能有定位，测速，单双向授时，短报文通信，其授时精度单向50ns 双向20ns ，目前北斗卫星共发射30多颗组成了完备的星座矩阵，是一个覆盖全球的定位系统。北斗卫星的时间系统基于内部比对系统和外部比对系统的测量结果，采用特定的算法得到北斗纸面的时间尺度，然后统一于协调世界时（UTC），其关系图如下。

2北斗授时接收机

北斗授时接收机主要用于接受北斗天线接收到的北斗卫星射频信号，然后解调伪码信息向基站提供1pps信号进行同步，北斗卫星接收机有两个输出接口一个用于输出1PPS时标信息，一个接口输出时钟信息，它一般是卫星上原子钟得到的高稳定度的频率信息，以及本地恢复的更平稳的时标信息。1PPS信号又叫秒脉冲，其精度优于50ns 占空比为50%，上升沿为准时点，上升时间不超过10ns，能够精准的与帧传输结构对齐。所以北斗授时系统能应用于广电系统的传输结构中用于同步其传输信号。

3单频网

所谓单频网，是指由多个位于不同地点、处于同步状态的发射机所组成的无线传输网络。网络中的各个发射机以相同的频率、在相同的时刻发射相同的节目，实现对特定服务区域的可靠覆盖。

与蜂窝网和无线局域网等其他无线网络类似，地面数字电视和多媒体广播网络也需要根据要求对某个给定区域进行准确的覆盖。这些给定的区域可能是一个国家，也可能仅仅是某个小县城。在每个网络的服务区域内，都需要确保每个角落都有足够高的信号质量。一般来讲，用单个发射机无法完成对某个较大的给定区域的完全覆盖，而需要通过使用多个发射机，并进行适当的频率和功率规划来实现。在传统的多频网（Multiple Frequency Network，MFN）中，所有的发射机使用不同的频率进行传输，各个发射机独立地工作，所以相互之间不会造成干扰。但缺点是，多频网对稀缺的频谱资源有着巨大的需求。为了解决频谱资源的利用率问题，单频网采用了严格同步的发射机在同一频率上传输相同的数据。相对于多频网，单频网可以实现同一节目只使用一个频率来完成较大范围内的覆盖，从而提高频谱的利用率。所以与多频网相比较，单频网的优势主要表现在：更全面、均匀的覆盖，更小的干扰，更高的功率利用率和可靠性，以及对频谱资源更有效的利用。单频网与多频网的比较如果需要用多个发射机来覆盖某个范围较大的区域，在传统的模拟系统中，为了避免各发射机覆盖交叠区内相同频率信号之间的干扰，这些发射机一般要使用不同的频率，这种网络被称为多频网。在多频网中，发射机需要使用不同的频率发送节目以避免相互干扰，同一频率只能在间隔一定的地理距离以外的区域才允许重复使用。在数字系统中，特别是在一些基于OFDM技术的多载波系统中，则可以很方便地实现单频网覆盖。在整个网络服务区域内，单频网仅使用相同频率传送形同节目。其中限制单频网性能的一个重要因素就是多径干扰，在单频网组网中采用OFDM技术调制调制信号加入保护间隔对抗多径干扰，而且发射机调制码流要严格同步，在发射机前端运用单频网适配器是构建单频网的重要设备。利用北斗授时同步系统可以有效同步码流（TS）。

4单频网同步：

   单频网组要求频率同步，时间同步以及码流同步，频率同步要求所有单频网台站用同一个载波频率发射调制信号，通常的做法为将所有发射机上变频本振同步到一个参考时钟，如北斗时钟或者GPS时钟，他们能够提供稳定的10Mhz本振频率。时间同步保证同证各发射机同一时间发射同样节目，不过单频网传输信号设计合理保护间隔，合理设计发射塔间的距离，采用OFDM调制可以有效抵抗多径反射，所以对于时间精度满足要求即可。但比特同步要求比较严格，因为要保证每一个码元调制在同一个载波上，尤其是采用OFDM技术，若没有严格的比特同步将导致解调信息的错乱。广电系统传输基本结构为信号帧，不同的信号帧数量组成固定时长的超帧，8个超帧组成一个秒帧，在发射系统传输流中引入秒帧初始化包SIP，将它插入到TS流中，传输入个单频网台站的网络适配器端。单频网适配器的位置在网络前端，是地面数字电视实现单频网组网的关键设备之一。其主要功能是向复用器输出的TS流中插入SIP，形成秒帧。在DVB-T中也有类似的定义，称为MIP（Mega-Frame Initialization Packet，兆帧初始化包）。SIP和MIP的作用是相似的，我们以SIP为例进行介绍。SIP包是一个MPEG-2传输流包，其中包含用于各个发射机的同步和传输信息，主要包括：①传输参数：TPS主要指调制参数设置（保护间隔、带宽、FFT模式等）数据。②同步信息：STS（Synchronization Time Stamp，同步时间标签）和时间预算，比如最大网络延时等。从单频网适配器输出的TS流经TX网络适配器及分布式信号分配网络传送到各个发射站，其中发送和接收RX网络适配器的作用是实现MPEG-2 TS流的透明传输。由于各个发射站与电视节目制作中心的距离通常是不一样的，所以该码流到达各个发射站的时间可能是不同步的。在各发射站，同步系统提取SIP中的相关信息并计算出各发射站同步发射所需的附加延迟。将码流延迟上述的附加延迟时间之后，传送给各个调制器。其中北斗接收机用来提供一个全局可用的10MHz的频率参考和1pps时间参考。单频网适配器借助北斗授时系统10MHz时钟调整TS码流速率，借助北斗系统的1pps这一时间基准，周期性地向TS码流中插入SIP，在其他位置，各台站的单频网适配器从前端缓冲区读取数据码流，如果数据不足一个TS包，则自动插入单频网适配空包完成TS流的码率适配，网络适配器输出的TS流和发射机规定要求的码流速率完全相同并锁定在来自北斗授时系统的10Mhz参考时钟上。

单频网适配空包格式

结论：

在目前中美关系不稳定的大环境下，GPS时间系统已经不能保证广电系统的安全播出需求，北斗卫星系统作为我国自主研发的卫星定位系统，能够广泛服务于我国的广播电视发射网络尤其是其稳定的本振输出信号，1PPS信号以及时间系统，能为单频网的组建提高可靠的时间保障和同步保障，通过北斗卫星接收机以及网络适配器，通过一定的技术手段合理规划台站距离与功率能够满足单频网的组网要求，满足接收拥护的使用质量，并为我国广电技术走向世界打下基础。