地面数字电视国家标准中的单频网同步机制

2011年12月，我国地面数字电视DTMB标准正式成为继美、欧、日之后的第四个数字电视国际标准。南京熊猫电子多年来一直紧随DTMB标准的发展和推广应用，开发出了全系列的DTMB发端产品，目前已成功地应用到多个省市的数字地面电视建设中。本文针对工程中用户比较关注的单频网（SFN）以及单频网的同步机制做简要的分析与介绍。

1.数字地面电视单频网简介

单频网是地面数字电视覆盖中的重要技术。通过多台工作在同一频率的发射机，可达到对特定服务区高质量的可靠覆盖，可有效提高频谱利用率，降低发射机功耗，并实现移动的不间断接收。

同步是实现单频网的关键，对于单频网中的发射机，同步的要求体现在三个方面：频率同步，时间同步，比特同步。简而言之，即要求所有发射机在同一频率、同一时间发送相同的符号。为了达到良好的效果，同一单频网中的发射机时间同步精度通常要求在5μs以内。

2.地面数字电视国家标准中的单频网同步机制

在最初公布的地面数字电视国家标准中，对于单频网的同步机制规定如下：

⑴使用GPS提供的高精度10MHz时钟参考作为单频网中所有激励器的时钟源，以实现精确频率同步。要求频率精确度在1Hz以内；

⑵使用单频网适配器（或网关）作为单频网中所有激励器的公共码流前端，在单频网适配器的输出码流中每隔一秒发送一个秒帧初始化包，给出调制编码方式，以实现比特同步；

⑶使用GPS提供的秒脉冲参考，以及秒帧初始化包中给出的最大延迟，实现时间同步。单频网中的各发射机可以根据覆盖需要调整自己的发送时间，调整范围在1s以内。

以上的同步机制可以大体满足单频网的同步要求，但存在以下问题：

⑴没有对输出符号的同步时间提出准确要求。由于标准中存在330种工作模式，且有单载波和多载波两种载波调制方法，各厂家的激励器在处理信号延迟上很难统一。如果大家都在同一参考时间开始信号处理过程，完成编码调制后的符号无法保证在同一时刻输出；

⑵使用不同的码流分配网络，对于秒帧初始化包的转发处理方法可能不同，导致各发射机接收的码流有差异，破坏了比特同步的基础。

由于以上两个原因，造成了各厂家设备、各种分配网络不能直接随意组合，对单频网建设造成了困难。

3.单频网同步机制的增补

3.1地面数字电视国家标准中的单频网同步机制增改

基于上面提出的问题，在2011年出台的新的标准中，对单频网同步机制作出了以下增改：

⑴要求激励器将秒帧初始化包置换为空包（0x47,0x1F,0xFF,0x10,0xFF......0xFF）；

⑵要求置换后空包的第一个字节所在的信号帧的第一个符号，在秒帧初始化包中给出的最大延迟时刻滤波后输出，误差在1μs以内。

3.2实现方法

对于激励器来说，空包的置换是比较简单的，输出符号的同步则比较复杂。有一种实现的思路是：将大的缓冲区放在OFDM之后（单载波可视为载波数为1的OFDM），完成了OFDM的符号进入缓冲区，当规定的发送时间来到后，开始从缓冲区中读取符号输出。但带来的问题是，OFDM后的符号字长较长（为保证处理精度，通常I部Q部都在16比特左右，即每个符号需要32比特存储字长），这样能够缓冲的信号时间较小。如果分配网络中出现较大的时间抖动，会造成缓冲区溢出，输出信号中断。

另一种思路是将缓冲区放在码流输入部分，在规定的发送时间开始从缓冲区中读取数据开始处理，由于所需字长大大减小，缓冲能力显著提高。这种思路的问题是，数据从读取到调制为符号输出中有一段处理延时，这段延时必须进行补偿。且由于各工作模式的处理延时不同，必须根据使用的工作模式决定延时补偿的大小。实现的方法是：

⑴首先在最大发送时间上附加一个负的本地延迟，考虑到各模式的最大处理时间，这个本地延迟定为-1ms;

⑵在激励器的监控软件上，加入对“首符号输出时间”的监控。当在-1ms的本地延迟下工作的时候，这个监控的时间应该是早于规定的最大发送时间的。此时，根据最大发送时间与监控时间的差值，即可判断在当前工作模式下需要加上的延迟补偿。

通过这种方法，即可保证第一个符号在规定的最大发送时刻输出。从而在一个使用不同厂家激励器的单频网系统里，确保设备相互兼容，系统稳定工作。

以上涉及到的同步机制，已在南京熊猫电子公司自主研发的DTMB激励器中得以实现，并成功地应用到相关的工程建设中。