一種廣播電視信號(hào)功率低空輻射測(cè)試系統(tǒng)

孫天嬌，周 霞，石慶琳，董思喬，通訊作者

（1.國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心上海監(jiān)測(cè)站，上海 201419；2.國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心，北京 100037）

0 引言

廣播電視在用設(shè)備檢測(cè)是我國(guó)無(wú)線電管理的重要手段之一，現(xiàn)已取得了長(zhǎng)足的發(fā)展和顯著的成績(jī)，通過(guò)對(duì)在用設(shè)備的檢測(cè)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并妥善處理設(shè)備因長(zhǎng)時(shí)間使用導(dǎo)致性能惡化而對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生的有害干擾，維護(hù)空中電波秩序[1]。

我國(guó)廣電臺(tái)站在用設(shè)備的檢測(cè)工作長(zhǎng)期使用耦合口傳導(dǎo)測(cè)試[2-3]，即通過(guò)頻譜儀連接廣電發(fā)射機(jī)耦合口，讀取頻譜儀測(cè)得的功率數(shù)據(jù)，再通過(guò)與耦合口的耦合組相加得出發(fā)射機(jī)功率，該方法應(yīng)用廣泛，但在實(shí)際檢測(cè)工作中存在一些難題。一是檢測(cè)工作的協(xié)調(diào)難度大，目前的技術(shù)手段決定了相關(guān)檢測(cè)人員必須在廣電臺(tái)站現(xiàn)場(chǎng)才能開(kāi)展檢測(cè)工作，與廣電部門(mén)協(xié)調(diào)檢測(cè)時(shí)間、場(chǎng)地和人員的問(wèn)題存在諸多不便。二是檢測(cè)工作的效率有待提高，我國(guó)縣級(jí)以上地區(qū)均有各自的廣播電視臺(tái)站，數(shù)量龐大，分布廣泛，有些更是地處偏遠(yuǎn)，交通不便，而基層檢測(cè)人員數(shù)量有限，裝備匱乏，導(dǎo)致檢測(cè)效率不高。三是部分被測(cè)設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)失實(shí)，在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn)，部分被測(cè)設(shè)備耦合口無(wú)耦合系數(shù)，甚至無(wú)耦合口，導(dǎo)致測(cè)試精度大大降低，結(jié)果的可信度受到挑戰(zhàn)。四是檢測(cè)結(jié)果不能反映系統(tǒng)的真實(shí)性能。臺(tái)站發(fā)射系統(tǒng)的性能由發(fā)射機(jī)、天饋共同決定，以往僅僅采用傳導(dǎo)方式測(cè)量發(fā)射機(jī)功率，無(wú)法客觀反映其發(fā)射功率對(duì)空間產(chǎn)生的影響。近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)小型化、智能化的發(fā)展，使用無(wú)人機(jī)搭載測(cè)試設(shè)備升空進(jìn)行輻射測(cè)試得以實(shí)現(xiàn)，無(wú)人機(jī)材質(zhì)多為碳纖維材料，可以極大地避免金屬材質(zhì)對(duì)接收設(shè)備性能產(chǎn)生的不良影響[4]。因此，本文設(shè)計(jì)了一種借助無(wú)人機(jī)運(yùn)載平臺(tái)在低空開(kāi)展輻射測(cè)試的系統(tǒng)能夠有效解決上述問(wèn)題。

該系統(tǒng)通過(guò)在空間接收發(fā)射信號(hào)，利用空間損耗模型計(jì)算并修正周?chē)h(huán)境產(chǎn)生的干擾，得到廣電發(fā)射天線端的EIRP。與傳導(dǎo)測(cè)試方法相比，輻射測(cè)試方法能夠有效解決因耦合度缺失、耦合口缺損導(dǎo)致測(cè)試無(wú)法進(jìn)行的情況，使測(cè)試工作能夠正常開(kāi)展。借助無(wú)人機(jī)搭載檢測(cè)設(shè)備做平臺(tái)，與地面架設(shè)設(shè)備檢測(cè)相比，具有場(chǎng)地局限小、電磁環(huán)境好的優(yōu)點(diǎn)。

1 輻射測(cè)試基本原理

接收天線收到被測(cè)臺(tái)站發(fā)射信號(hào)功率為Pr，則電視信號(hào)臺(tái)站的等效全向輻射功率（EIRP）為[5]：

式中，Lr為接收饋線及連接器的傳輸系數(shù)；A為傳播路徑損耗修正公式，其中包含天線增益、空間損耗、反射、散射等因素。在自由空間中，接收天線最大方向?qū)?zhǔn)直射波信號(hào)，則：

式中，fMHz為電磁波信號(hào)的中心頻率（單位：MHz）；dkm為發(fā)射信號(hào)到接收天線所經(jīng)歷的路程（單位：km）；Gmax為天線最大方向上的增益（單位：dB）。由此可知，當(dāng)測(cè)得空間中任意一點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)功率值，就可以通過(guò)公式計(jì)算電視信號(hào)臺(tái)站的等效全向輻射功率。

在實(shí)際低空測(cè)試中，接收端不但接收到發(fā)射信號(hào)的直射波，同時(shí)也接收到不同方向的反射波和散射波。這些信號(hào)會(huì)與直射波進(jìn)行疊加，從而使接收到的信號(hào)數(shù)值產(chǎn)生偏離，導(dǎo)致誤差[6-7]，如圖1所示。本系統(tǒng)通過(guò)多次測(cè)量采集數(shù)據(jù)，再根據(jù)不同信號(hào)類(lèi)型的數(shù)據(jù)采取不同的取值方法，最后使用可以減小誤差的修正算法進(jìn)行計(jì)算，得出發(fā)射端的EIRP。

圖1 實(shí)際臺(tái)站測(cè)試面臨的復(fù)雜電磁環(huán)境

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的廣播電視信號(hào)輻射測(cè)試系統(tǒng)包括無(wú)人機(jī)子系統(tǒng)、機(jī)載測(cè)試子系統(tǒng)、地面控制子系統(tǒng)。

2.1 無(wú)人機(jī)子系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)子系統(tǒng)主要由自動(dòng)駕駛儀、磁羅盤(pán)、GPS接收機(jī)、陀螺儀、動(dòng)力裝置和通信裝置組成，如圖2所示。無(wú)人機(jī)子系統(tǒng)憑借動(dòng)力裝置將測(cè)試設(shè)備運(yùn)送到指定測(cè)試地點(diǎn)，機(jī)上磁羅盤(pán)提供機(jī)頭方向信息，GPS接收機(jī)提供無(wú)人機(jī)空間位置信息，陀螺儀提供飛行姿態(tài)信息。自動(dòng)駕駛儀通過(guò)這些信息判斷無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)，并產(chǎn)生相應(yīng)的指令調(diào)節(jié)動(dòng)力裝置的輸出功率進(jìn)行調(diào)整，完成飛行狀態(tài)的變更和保持。同時(shí)，自動(dòng)駕駛儀通過(guò)通信裝置接收飛行人員的遙控信號(hào)，并將搜集的位置、姿態(tài)和方向信息傳遞給飛行人員及機(jī)載測(cè)試設(shè)備，為飛行人員操縱無(wú)人機(jī)和電視信號(hào)測(cè)試結(jié)果的計(jì)算提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

2.2 機(jī)載測(cè)試子系統(tǒng)

圖2 無(wú)人機(jī)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

機(jī)載測(cè)試子系統(tǒng)主要由電源、計(jì)算機(jī)、測(cè)量接收機(jī)、接收天線和通信裝置組成，如圖3所示。接收天線接收被測(cè)信號(hào)的電磁波，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸?shù)綔y(cè)量接收機(jī)中。測(cè)量接收機(jī)在計(jì)算機(jī)的控制下對(duì)接收天線接收的測(cè)試信號(hào)進(jìn)行分析和處理，并向處理后的結(jié)果傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。計(jì)算機(jī)一方面通過(guò)通信裝置接收地面測(cè)試人員的指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量接收機(jī)的控制；另一方面接收無(wú)人機(jī)的定位信息，再結(jié)合由測(cè)量接收機(jī)輸入的原始測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)進(jìn)行測(cè)量結(jié)果的計(jì)算、存儲(chǔ)和顯示。電源為計(jì)算機(jī)和測(cè)量接收機(jī)供電。

圖3 機(jī)載測(cè)試子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 地面控制子系統(tǒng)

地面控制子系統(tǒng)由飛行遙控器、地面戰(zhàn)、測(cè)試控制計(jì)算機(jī)和通信裝置組成，如圖4所示。無(wú)人機(jī)駕駛員使用飛行遙控器對(duì)無(wú)人機(jī)進(jìn)行控制。地面站連接通信裝置接收無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)信息供無(wú)人機(jī)人員監(jiān)測(cè)飛行狀態(tài)，同時(shí)無(wú)人機(jī)駕駛員可通過(guò)地面站導(dǎo)航功能對(duì)無(wú)人機(jī)的飛行路線，姿態(tài)進(jìn)行預(yù)先設(shè)置，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航飛行。測(cè)試控制計(jì)算機(jī)連接通信裝置，通過(guò)遠(yuǎn)程桌面的方式控制機(jī)載檢測(cè)系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載測(cè)試子系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

圖4 地面控制子系統(tǒng)

2.4 系統(tǒng)測(cè)試軟件

測(cè)試軟件主要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、計(jì)算，最終得到發(fā)射端電視信號(hào)EIRP。電視信號(hào)傳播路徑損耗修正公式是軟件的核心算法，通過(guò)輸入天線方向圖及增益、接收點(diǎn)距發(fā)射端的水平距離和相對(duì)高度、接收信號(hào)頻率、接收信號(hào)功率等參數(shù)，測(cè)試軟件將自動(dòng)計(jì)算出發(fā)射端電視信號(hào)的EIRP。

2.5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

無(wú)人機(jī)總重量越小，滯空時(shí)間越長(zhǎng)，測(cè)試工作的持續(xù)性越好。機(jī)載測(cè)試子系統(tǒng)的輕量化有助于提高整個(gè)系統(tǒng)的工作時(shí)長(zhǎng)，因此，系統(tǒng)各單元在滿(mǎn)足各自的性能要求下，重量要足夠輕，系統(tǒng)各單元性能要求及選型如下：機(jī)載計(jì)算機(jī)采用同時(shí)重量輕、獨(dú)立供電、具備USB3.0接口、帶有獨(dú)立顯示功能及獨(dú)立輸入設(shè)備的平板計(jì)算機(jī)；機(jī)載測(cè)量接收機(jī)采用的是重量輕且體積小的手持或微型接收機(jī)；機(jī)載接收天線選用重量輕、方向性強(qiáng)、工作頻帶寬、增益高的對(duì)數(shù)周期天線[8]。綜合考慮后，最終選擇八旋翼無(wú)人機(jī)及其配套設(shè)備作為無(wú)人機(jī)子系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 八旋翼無(wú)人機(jī)

3 實(shí)際測(cè)試與分析

為驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測(cè)試精度，測(cè)試實(shí)驗(yàn)分別選取了河南某實(shí)際臺(tái)站廣播電視信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。

3.1 實(shí)際測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)述

電視信號(hào)低空輻射測(cè)試過(guò)程示意圖如圖6所示，接收天線接收到電視信號(hào)臺(tái)站發(fā)射的電視信號(hào)電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳送到測(cè)量接收機(jī)，測(cè)量接收機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣、分析，得出功率參數(shù)后傳送至測(cè)試軟件，測(cè)試軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得出臺(tái)站發(fā)射天線端口的發(fā)射功率，并將結(jié)果存儲(chǔ)在機(jī)載計(jì)算機(jī)中。

圖6 電視信號(hào)功率輻射測(cè)試過(guò)程示意圖

3.2 實(shí)際測(cè)試步驟

本文提出的廣播電視輻射系統(tǒng)測(cè)試步驟如圖7所示。首先，測(cè)試前要選取能夠直視被測(cè)臺(tái)站發(fā)射天線的開(kāi)闊場(chǎng)地架設(shè)設(shè)備，測(cè)量接收天線與發(fā)射天線的距離；然后調(diào)整接收天線極化方式使其與發(fā)射天線極化匹配，并將被測(cè)臺(tái)站業(yè)務(wù)類(lèi)型、中心頻率、距離等數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、取值計(jì)算、誤差修正計(jì)算，并顯示及存儲(chǔ)測(cè)試結(jié)果。

圖7 廣播電視輻射系統(tǒng)測(cè)試步驟圖

3.3 實(shí)際測(cè)試實(shí)驗(yàn)

在鄭州廣電發(fā)射塔的測(cè)試過(guò)程中，選擇了1個(gè)接收點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，具體信息見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試基本信息

被測(cè)臺(tái)站EIRP、實(shí)測(cè)EIRP及誤差參數(shù)見(jiàn)表2，其中，EIRP標(biāo)稱(chēng)值=傳導(dǎo)測(cè)試發(fā)射機(jī)功率-饋線損耗-分配損耗+發(fā)射天線增益。

表2 鄭州廣播電視發(fā)射塔部分電視信號(hào)實(shí)測(cè)功率

運(yùn)用研究過(guò)程中得出的測(cè)試系統(tǒng)、方法和算法進(jìn)行實(shí)際臺(tái)站測(cè)試驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)，在功率測(cè)試驗(yàn)證中，18組功率測(cè)試結(jié)果中有17組誤差范圍控制在3 dB及以?xún)?nèi)，有1組數(shù)據(jù)誤差范圍在略高于3 dB。較好的滿(mǎn)足功率測(cè)試精度要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套廣播電視信號(hào)功率低空輻射測(cè)試系統(tǒng)，解決了地面架設(shè)測(cè)試天線進(jìn)行輻射測(cè)試時(shí)選址困難，測(cè)量誤差較大的問(wèn)題。該系統(tǒng)利用無(wú)人機(jī)攜帶測(cè)試設(shè)備在遠(yuǎn)離地面復(fù)雜環(huán)境的低空開(kāi)展測(cè)試，降低了反射和散射信號(hào)的干擾。實(shí)際臺(tái)站測(cè)試驗(yàn)證表明，其穩(wěn)定性、測(cè)試精度均滿(mǎn)足要求。與傳統(tǒng)的地面輻射測(cè)試系統(tǒng)相比，基于無(wú)人機(jī)的電視信號(hào)功率測(cè)試系統(tǒng)選址范圍廣，測(cè)試誤差低，測(cè)試效率高，對(duì)豐富廣播電視臺(tái)站測(cè)試手段，提升無(wú)線電管理水平有著重要意義。