調(diào)頻廣播覆蓋場強(qiáng)預(yù)測與實(shí)測分析

提文雁 段卓駿 江蘇省廣播電視總臺(tái)

調(diào)頻廣播覆蓋場強(qiáng)預(yù)測與實(shí)測分析

提文雁 段卓駿 江蘇省廣播電視總臺(tái)

隨著城市規(guī)模發(fā)展及高樓、橋梁的增多，城市地貌日新月異，這對調(diào)頻廣播覆蓋有一定的影響。定期對調(diào)頻廣播覆蓋場強(qiáng)進(jìn)行測量，及時(shí)了解覆蓋區(qū)域及收聽效果的變化情況，對廣播電臺(tái)而言意義重大。本文主要針對調(diào)頻廣播信號(hào)的特點(diǎn)，對測量場強(qiáng)的方法進(jìn)行了分析研究，從而提高調(diào)頻廣播覆蓋場強(qiáng)測量的準(zhǔn)確性和高效性。

調(diào)頻廣播 場強(qiáng) 統(tǒng)計(jì)曲線法 預(yù)測 實(shí)測

一、引言

調(diào)頻信號(hào)的輻射范圍及收聽效果是廣播電臺(tái)關(guān)注的重點(diǎn)，對此需要通過場強(qiáng)測量來實(shí)現(xiàn)。調(diào)頻廣播場強(qiáng)測量在檢驗(yàn)調(diào)頻廣播覆蓋效果，測量干擾信號(hào)，測量發(fā)射天線系統(tǒng)的輻射性能，研究該頻段的電波傳播規(guī)律等方面起著非常重要的作用，為頻率規(guī)劃和廣播電臺(tái)節(jié)目覆蓋提供了技術(shù)依據(jù)。場強(qiáng)測量是廣播監(jiān)測工作中的重要內(nèi)容,調(diào)頻廣播信號(hào)以無線電波為傳播媒介，具有較強(qiáng)的抽象性，要對它在空中某一點(diǎn)的電場強(qiáng)度進(jìn)行準(zhǔn)確測量受到地形地貌、自然環(huán)境等諸多因素的影響。所以一直以來，對空中某點(diǎn)的信號(hào)場強(qiáng)測量具有一定的復(fù)雜性，工作量大且具有重復(fù)性。

本文運(yùn)用統(tǒng)計(jì)曲線法對場強(qiáng)測量進(jìn)行理論預(yù)測，并與實(shí)地測量相結(jié)合進(jìn)行分析，從而在實(shí)際場強(qiáng)測量中提高測量值的準(zhǔn)確性及測量工作的效率。

二、場強(qiáng)預(yù)測

2.1 場強(qiáng)預(yù)測方法選擇

調(diào)頻廣播場強(qiáng)頻段（VHF）預(yù)測計(jì)算方法主要有以下兩種：

一種是 ITU-R推薦的統(tǒng)計(jì)曲線法（簡稱“崎嶇度”法），對計(jì)算點(diǎn)的場強(qiáng)加以修正求得所計(jì)算的場強(qiáng)。首先，計(jì)算得到特定方向該段距離的崎嶇度，結(jié)合由用戶提供的發(fā)射器參數(shù)，根據(jù)用戶所選用的曲線進(jìn)行計(jì)算，最后得到充分考慮地形因素的場強(qiáng)值。

一種是刃形繞射傳播模式法（簡稱“剖面圖”法），根據(jù)地形剖面圖統(tǒng)計(jì)各個(gè)繞射點(diǎn)的繞射損耗，再用自由空間場強(qiáng)與之相減即可得到該點(diǎn)的場強(qiáng)值,在地形復(fù)雜的情況下，對具體接收點(diǎn)的場強(qiáng)可以計(jì)算得比較準(zhǔn)確。

一般采用ITU-R 建議書的統(tǒng)計(jì)曲線法計(jì)算調(diào)頻和電視廣播的場強(qiáng)預(yù)測值 , 它的優(yōu)點(diǎn)是:

( 1 )引入地形崎嶇度和天線有效高度的概念，只要知道每個(gè)方向 3 至50 公里地段內(nèi), 每公里處的地形數(shù)據(jù) ，就十分容易計(jì)算出預(yù)測的場強(qiáng)值，因此使丘陵和山區(qū)的場強(qiáng)預(yù)測值的計(jì)算簡化。這種方法，雖然對于點(diǎn)對點(diǎn)的傳播場強(qiáng)預(yù)測誤差較大，需用其他方法計(jì)算，但對調(diào)頻和電視覆蓋網(wǎng)規(guī)劃大面積計(jì)算，可得到一個(gè)大致準(zhǔn)確的數(shù)值，據(jù)此編制出的覆蓋網(wǎng)的技術(shù)規(guī)劃，整體布局也大致準(zhǔn)確合理。

( 2 )視距內(nèi)的曲線部分，是按理論計(jì)算并考慮了散射的存在，再根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行修正作出的，因此視距內(nèi)的場強(qiáng)預(yù)測值比較符合實(shí)測值。

2.2 場強(qiáng)的預(yù)測數(shù)學(xué)模型

在廣播電視規(guī)劃中，我國已頒布標(biāo)準(zhǔn)，把 ITURP.370，ITU-RP.1546，ITU-RP.526 三大無線電波傳播模型作為我國廣播電視覆蓋規(guī)劃管理的基礎(chǔ)覆蓋預(yù)測模型。其中 ITU-RP.370、ITU-RP.1546 為理論公式和實(shí)測數(shù)據(jù)混合模型，ITU-RP.526為建立在抽象化理論基礎(chǔ)上的模型。ITU-RP.1546 模型是國際電聯(lián)于2001 年頒布的一個(gè)電波傳播模型，所提供的傳播模型主要適用于30-3000MHz頻率范圍內(nèi)和1-1000km距離范圍內(nèi)的廣播、陸地移動(dòng)、水上移動(dòng)以及某些固定業(yè)務(wù)（例如點(diǎn)對多點(diǎn)系統(tǒng)）中點(diǎn)對面的場強(qiáng)預(yù)測。ITU-RP.1546電波模型基于1KW發(fā)射機(jī)，提出了圍繞發(fā)射頻率、傳播路徑、實(shí)踐概率三個(gè)可變量參數(shù)下的電波傳播模型，共涵括了24類模型，并且利用內(nèi)插或者外推法，可以推導(dǎo)其他值和更大范圍內(nèi)的電波傳播預(yù)測。

2.3 理論場強(qiáng)計(jì)算

根據(jù)統(tǒng)計(jì)曲線法，離發(fā)射機(jī)距離為D（km）處的場強(qiáng)E（dBμV/m）可以由下面公式計(jì)算：

E = Pe + E1 -A dB(μV/m)

Pe: 有效輻射功率，dB (kW)。

E1: 歸一化場強(qiáng)，為光滑球面上 1kW 有效輻射功率在觀察點(diǎn)所形成的場強(qiáng)dB，(μV/m)。

A: 地形有關(guān)的衰減系數(shù)如崎嶇度Δh等，查表得出 dB 。

以江蘇省廣播電視塔發(fā)射的FM93.7MHz為例。通過資料得到FM93.7發(fā)射功率為10kW，發(fā)射機(jī)額定輸出功率P=10dB (kW)。電視塔天線高度約為293.8m，使用水平極化八層八面天線，使用饋管型號(hào)為SDY-50-80，長度約為320米。

（1）計(jì)算有效輻射功率Pe

發(fā)射機(jī)額定輸出功率P=10dB (kW)。電視塔使用水平極化八層八面天線，對照表1可查得發(fā)射天線增益G=11 dB (kW)。而電視塔使用饋管型號(hào)為SDY-50-80，長度約為320米，百米損耗為0.63 dB，可計(jì)算得饋線損耗L=0.63?3.2 ≈ 2.02dB(kW)。

計(jì)算有效輻射功率Pe：

Pe =P+G-L=7+11-2.02=18.98 dB(kW)

即江蘇廣播電視塔發(fā)射的FM93.7MHz的有效輻射功率為18.98 dB(kW)

發(fā)射天線增益G與天線層數(shù)的關(guān)系：

表1 天線增益表

圖1 100MHz場強(qiáng)曲線圖

（2）計(jì)算歸一化場強(qiáng)E1

選取采樣點(diǎn)：句容南G104和S243交匯口。

廣播電視塔地理坐標(biāo)：緯度 32.0678，經(jīng)度118.7451。由經(jīng)緯度計(jì)算或地圖比例尺測量得出采樣點(diǎn)距發(fā)射站點(diǎn)距離D=41.4km。

廣播電視塔天線高度約為293.8m，為計(jì)算方便取發(fā)射天線等效高度h1=300m，采用ITU-R P.1546建議書的100MHz和600MHz模型曲線圖，通過距離和頻率的內(nèi)插外推計(jì)算得出歸一化場強(qiáng)E1。

根據(jù)圖1計(jì)算距離函數(shù)的場強(qiáng)內(nèi)插外推：

h1=300m，距離函數(shù)的場強(qiáng)內(nèi)插：

E1 = Einf + (EsupEinf) log (d/dinf) /log (dsup/dinf) dB(V/m)

需做出場強(qiáng)預(yù)測的距離d=41.4km

表格內(nèi)小于d的最接近的距離dinf=40km

表格內(nèi)大于d的最接近的距離dsup=50km

dinf處的場強(qiáng)值Einf =55dB(V/m)

dsup處的場強(qiáng)值Esup =50dB(V/m)

E1=55 + (5055) log (41.4/40) /log (50 /40)=54.06 dB(V/m)

圖2 600MHz場強(qiáng)曲線圖

根據(jù)圖2計(jì)算距離函數(shù)的場強(qiáng)內(nèi)插外推：

h1=300m，距離函數(shù)的場強(qiáng)內(nèi)插：

E1 = Einf + (EsupEinf) log (d/dinf) /log (dsup /dinf) dB(V/m)

需做出場強(qiáng)預(yù)測的距離d=41.4km

表格內(nèi)小于d的最接近的距離dinf=40km

表格內(nèi)大于d的最接近的距離 dsup =50km

dinf處的場強(qiáng)值Einf =52dB(V/m)

dsup處的場強(qiáng)值Esup =46dB(V/m)

E1 = 52 + (4652) log (41.4/40) /log (50 /40)=50.87 dB(V/m)

計(jì)算頻率函數(shù)的場強(qiáng)內(nèi)插外推：

h1=300m，頻率函數(shù)的場強(qiáng)內(nèi)插和外推：

E1 = Einf+ (Esup Einf) log (f/finf) /log(fsup /finf) dB(V/m)

需做出場強(qiáng)預(yù)測的頻率f =93.7（MHz）

低端標(biāo)稱頻率（f ＜ 600 MHz時(shí)為100 MHz，否則為600 MHz）finf = 100 MHz

高端標(biāo)稱頻率（f ＜ 600 MHz時(shí)為600 MHz，否則為2000 MHz）fsup =600MHz

finf的場強(qiáng)值Einf = 54.06 dB(V/m)

fsup的場強(qiáng)值Esup = 50.87 dB(V/m)

E1 = 54.06+ (50.87 54.06) log (93.7/100) / log(600/100)=54.18dB(V/m)

衰減校正系數(shù) A=F(Δh)，采用ITU-RP.370-7 建議書的曲線，如圖3所示。

按 Δh ＝150m，D=41.4km時(shí)，處于在10＜ D ≤50km中，A值線性增加。

根據(jù)線性計(jì)算 A=7.6?（41.4-10）/（50-10）≈5.97dB

圖3 衰減校正系數(shù)曲線圖

根據(jù)統(tǒng)計(jì)曲線法，離發(fā)射機(jī)距離為D=41.4（km）處的場強(qiáng)E（dBμV/m）為：

E = Pe + E1 -A dB(μV/m)

有效輻射功率Pe=18.98 dB (kW)。

歸一化場強(qiáng)E1=54.18dB，(μV/m)。

地形有關(guān)的衰減系數(shù)A=5.97 dB。

E = 18.98 +54.18 -5.97=67.19 dB(μV/m)由于理論計(jì)算中均采用 10m 天線進(jìn)行測算，實(shí)際測量時(shí)采用的是車載 2m 天線，根據(jù) ITU- RP.370-7 建議書規(guī)定，相對于 10 米處的值，接收天線高度在 1.5到 40m 之間變動(dòng)會(huì)引起場強(qiáng)的變化，可表示為：

Height gain(dB) =(c/6)?2 0 lg(h2 /1 0 )

C：高度增益因子如表2所示。

表 2 高度增益因子表

因?yàn)闇y量頻率為高頻頻段，測量地點(diǎn)為城市周邊，所以高度增益因子：

c=6，且h2=2m，通過計(jì)算Height gain=(c/6)?2 0 lg(h2 /10 )

=(6/6)?2 0 lg(2 /10 ) = -13.98 dB對天線進(jìn)行修正之后，即可計(jì)算出車載天線在采樣點(diǎn)附近理論場強(qiáng)為67.19-13.98=53.21（dB）。

三、實(shí)際測量

測量設(shè)備：NATIONAL INSTRUMENTS NI-1000廣播信號(hào)綜合測試儀（美國國家儀器公司）如圖4所示。

技術(shù)指標(biāo)：

◆測量頻率范圍: 9kHz ～ 2.7GHz

◆最大實(shí)時(shí)測試帶寬: 20MHz

◆頻率分辨率: 0.5Hz～10MHz

◆解調(diào)制式：AM, FM,USB,LSB,CW,PM,Plus,IQ

◆測試功率范圍: -135dBm ～ 30dBm

◆測試精度: ±1dB

◆射頻衰減范圍: 0 ～ 50dB 之間可調(diào)

◆輸入阻抗: 50Ω

◆耦合方式: AC

圖4 NATIONAL INSTRUMENTS NI-1000

標(biāo)準(zhǔn)的覆蓋區(qū)測量方法是不等場強(qiáng)表示法，以發(fā)射臺(tái)為中心，在給定的方向上作一條射線，沿著這條射線找出符合覆蓋條件的邊界點(diǎn)，根據(jù)計(jì)算精度和計(jì)算量要求，可以每隔 n°做一條射線，共 360/ n 個(gè)方向， 在每條射線上分別找出邊界點(diǎn)， 最后把這些點(diǎn)連接起來， 形成一個(gè)封閉的多邊形，這個(gè)多邊形區(qū)域即為發(fā)射機(jī)的覆蓋區(qū)。實(shí)際測量中，一般取 8 個(gè)方向進(jìn)行覆蓋區(qū)邊界的測量。

檢查服務(wù)場強(qiáng) E 和可用場強(qiáng)值 E0之差，令ΔE=E- E0 。若 ΔE＞0,則沿同一射線行進(jìn)，尋找下一個(gè)測試點(diǎn)測量。若 ΔE＜0,則沿同一射線反方向行進(jìn)，進(jìn)行下一次測量。反復(fù)測量，直到 ΔE 小于誤差要求，則該方向的覆蓋距離就是該點(diǎn)的服務(wù)距離。最后把各個(gè)方向的覆蓋邊界點(diǎn)連接起來，即可合并為一個(gè)閉合區(qū)域，該區(qū)域即為該發(fā)射機(jī)的覆蓋區(qū)。

實(shí)際車載測量FM93.7MHz場強(qiáng)數(shù)據(jù)形成圖5所示軌跡圖。

經(jīng)過測試系統(tǒng)模擬計(jì)算產(chǎn)生如圖6所示的FM93.7MHz的場強(qiáng)圖。

定點(diǎn)測量即使用標(biāo)準(zhǔn)的不等場強(qiáng)表示法，使用車載調(diào)頻測試系統(tǒng)測量場強(qiáng)，如果測量場強(qiáng)值與邊界場強(qiáng)值的差值滿足測量要求，則通過軟件提取此測量點(diǎn)經(jīng)緯度、場強(qiáng)值等信息，否則繼續(xù)尋找下一個(gè)邊界測量點(diǎn)。FM93.7MHz定點(diǎn)測量如表3所示。

圖5 采樣點(diǎn)場強(qiáng)軌跡圖

圖6 場強(qiáng)圖

表3 定點(diǎn)測量表

四、結(jié)束語

通過以上對調(diào)頻廣播場強(qiáng)的預(yù)測和實(shí)測分析，發(fā)現(xiàn)測量結(jié)果與理論計(jì)算基本相符。但在實(shí)踐中還發(fā)現(xiàn)，復(fù)雜的地形地貌對調(diào)頻廣播覆蓋的影響也較大，在測量和分析中必須留意。

調(diào)頻廣播覆蓋區(qū)測量可以指導(dǎo)我們科學(xué)地選擇臺(tái)站位置和功率，通過統(tǒng)計(jì)曲線法場強(qiáng)預(yù)測和實(shí)地測量相結(jié)合，就能更高效、準(zhǔn)確地完成覆蓋區(qū)測量任務(wù)。