陳小珊

（湖南廣播電視臺，湖南 長沙 410005）

1 接收場強(qiáng)的計(jì)算

弗林斯傳輸公式[1]，也稱為功率傳輸方程，是最重要的天線理論公式，利用發(fā)射功率、天線增益、距離、波長等參數(shù)來計(jì)算從發(fā)射天線到接收天線的接收功率。無線發(fā)射傳輸示意如圖1所示。

圖1 無線發(fā)射傳輸示意

假設(shè)發(fā)射天線的功率為Pt，增益為Gt，接收天線增益為Gr，工作波長為λ，兩天線相距為R，則接收天線處的接收功率Pr如式（1）：

這是電磁波在自由空間的傳輸公式，但由于受地形、路徑、氣候、日照等條件影響，無線電傳播實(shí)際是一種較為復(fù)雜的傳輸，使用弗林斯傳輸公式預(yù)測非常粗略。

國際上通常的做法是采用ITU-R P.370（早期）與ITU-R P.1546建議書的傳播曲線和方法，來計(jì)算場強(qiáng)預(yù)測值，P.1546在頻率范圍、發(fā)射天線高度、距離范圍、地形崎嶇度、時(shí)間概率、接收天線、地形遮蔽角等方面都比P.370更全面，P.370模型存在諸多局限性，如：未提供10 km以內(nèi)的場強(qiáng)數(shù)值、未考慮水陸混合路徑條件、可用頻率不連續(xù)等，于2001年10月22日停止發(fā)行[2]。我國的彩色電視和調(diào)頻頻率規(guī)劃仍在采用ITU-R P.370建議書（最新版為第7版）。

P.1546模型是P.370的繼承和發(fā)展，在30～3 000 MHz頻率范圍內(nèi)，地面業(yè)務(wù)點(diǎn)對面的預(yù)測方法，給定曲線的頻率有100 MHz，600 MHz，2 000 MHz，功率采用1 kW+10lgP，使用內(nèi)插或外推的方法，來計(jì)算關(guān)聯(lián)于距離、頻率、天線高度、時(shí)間百分比等參數(shù)的場強(qiáng)，并使用修正值，納入了地形凈空和地物遮擋對終端的影響來校正，使場強(qiáng)值更加準(zhǔn)確，而且有量化的計(jì)算方法，可自動(dòng)計(jì)算[2]。

2 接收門限和高程數(shù)據(jù)

2.1 接收門限的選取

覆蓋預(yù)測要先明確什么條件才算良好接收。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GY／T196－2003《調(diào)頻廣播覆蓋網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》[3]可知，最低可用場強(qiáng)在農(nóng)村為54 dBuV/m，在城市為66 dBuV/m。這是立足于調(diào)頻發(fā)射和接收來定的標(biāo)準(zhǔn)，參數(shù)是“場強(qiáng)E”，單位是“dBuV/m”（注：場強(qiáng)E以相對于1 μV/m的dB數(shù)表示，即20lgE（μV/m），而不是20（lgE（μV））/m，二者的區(qū)別需關(guān)注）。

如果跳出“調(diào)頻電視”的廣電范疇，單純從無線接收終端的角度來看，則參數(shù)變?yōu)榻邮侦`敏度，單位常用“μV”或“dBm”，是接收終端輸入端口上的天線電壓或功率，也稱為噪限靈敏度，即當(dāng)輸出信噪比和輸出功率達(dá)到額定值時(shí)，天線上感應(yīng)的最小信號電平或功率，適合于廣義的無線電傳播。

以聲音廣播接收機(jī)為例：根據(jù)GB/T 9374－2012《聲音廣播接收機(jī)基本參數(shù)》[4]，調(diào)頻廣播接收機(jī)，信噪比取30 dB（測試方法為去調(diào)制法），噪限靈敏度分別應(yīng)該達(dá)到：極限指標(biāo)A類10 μV，B類20 μV，C類40 μV；調(diào)幅收音機(jī)，信噪比取26 dB，噪限靈敏度分別應(yīng)該達(dá)到：極限指標(biāo)A類100 μV，B類300 μV，C類600 μV。

由此可見，同樣是描述無線電信號的強(qiáng)弱，一個(gè)是場強(qiáng)，單位是dBuV/m，一個(gè)是電平，單位是uV。換算如式（2）：

其中，Ui是天線上感應(yīng)的信號電平，[20LgF(MHz)-Gr-29.8]統(tǒng)稱為天線系數(shù)AF，Gr是接收天線增益。如果將式（2）中Ui(dBuV)的電壓單位轉(zhuǎn)換為功率，阻抗按50 Ω算，則式（2）變?yōu)椋?/p>

可見，式（2）可解決場強(qiáng)與電平之間的換算，式（3）可解決場強(qiáng)與功率之間的換算。

在實(shí)際工作中，同樣是收測射頻信號的大小，場強(qiáng)儀測出來的單位是dBμV/m，頻譜儀測出來的單位是dBm，也可以用式（3）來換算。有些高檔的頻譜儀已經(jīng)內(nèi)置了天線系數(shù)AF，使用時(shí)可直接顯示場強(qiáng)數(shù)值。頻譜儀接上標(biāo)準(zhǔn)天線也可作為場強(qiáng)儀。

《調(diào)頻廣播覆蓋網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》中最低可用場強(qiáng)“農(nóng)村為54 dBuV/m、城市為66 dBuV/m”，調(diào)頻取中頻98 MHz、接收天線增益忽略不計(jì)，換算成電平分別約628 μV和158 μV，而《聲音廣播接收機(jī)的基本參數(shù)》中的C類調(diào)頻收音機(jī)，噪限靈敏度是40 μV。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的電平值似乎相差較遠(yuǎn)，但是在《調(diào)頻廣播覆蓋網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》中還考慮了50%時(shí)間概率、50%地點(diǎn)概率、10 m高天線接收條件，因而不能直接比較。由于本文介紹的軟件模型中有考慮時(shí)間概率因素，并且預(yù)測覆蓋范圍會(huì)大于城區(qū)的范圍，所以在覆蓋預(yù)測分析中，取接收門限158 μV。

2.2 高程數(shù)據(jù)

在測量學(xué)中，高程的定義是某地表點(diǎn)在地球引力方向上的高度。目前，比較常用的高程數(shù)據(jù)有航天飛機(jī)雷達(dá)地形測繪使命（Shuttle Radar Topography Mission，SRTM）、ASTER GDEM，GMTED2010等。本文所介紹的預(yù)測軟件可使用任一種高程數(shù)據(jù)。

（1）SRTM，是由美國航空航天局（NASA）和國防部國家測繪局（NIMA）聯(lián)合測量的、用得最多的高程數(shù)據(jù)，用16位的數(shù)值表示，種類有SRTM1和SRTM3兩種，分別具1角秒30米的精度和3角秒90米的精度，谷歌地球使用的就是SRTM3。目前，公開出來的覆蓋中國區(qū)域的數(shù)據(jù)SRTM3，其免費(fèi)下載地址為https://dds.cr.usgs.gov/srtm/version2_1/SRTM3。

（2）ASTER GDEM，是根據(jù)NASA的新一代對地觀測衛(wèi)星Terra的觀測結(jié)果制作完成的，其數(shù)據(jù)覆蓋范圍為北緯83°到南緯83°之間的所有陸地區(qū)域，達(dá)到了地球陸地表面的99%，其全球空間分辨率為30 m，是目前覆蓋最廣的高精度全球高程數(shù)據(jù)。

（3）GMTED2010，是美國地質(zhì)勘探局USGS和美國國家地理空間情報(bào)局NGA測出來的，是對USGS的GTOPO30的進(jìn)一步優(yōu)化和發(fā)展，但精度一般。

3 計(jì)算機(jī)仿真

各行各業(yè)都在大力發(fā)展計(jì)算機(jī)仿真，在天線設(shè)計(jì)等領(lǐng)域就如大名鼎鼎的HFSS，提供了從系統(tǒng)到電路直至部件級的快速而精確的設(shè)計(jì)手段，覆蓋了高頻設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)，是付費(fèi)軟件。

在通信工程領(lǐng)域，Atoll也享譽(yù)盛名，是法國FORSK公司開發(fā)的一個(gè)全面的、基于Windows的、支持2G，3G，4G多種技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃仿真軟件，是付費(fèi)軟件。

廣電行業(yè)內(nèi)，也多選用德國LS提供的CHIR-plus BC專業(yè)頻率規(guī)劃軟件。

軟件Radio Mobile是由加拿大無線電業(yè)余愛好者VE2DBE開發(fā)出來的免費(fèi)軟件，從1988年發(fā)布至今，歷經(jīng)無數(shù)次更新，現(xiàn)最新的版本是11.6.6。其官網(wǎng)可提供下載：http://www.ve2dbe.com。該軟件是一個(gè)用來預(yù)測無線電系統(tǒng)性能的工具，使用地形高程數(shù)據(jù)來展現(xiàn)發(fā)射塔和接收機(jī)之間的路徑剖面，將數(shù)據(jù)加入到系統(tǒng)、環(huán)境和統(tǒng)計(jì)參數(shù)中，形成不規(guī)則地形模型（ITS Irregular Terrain Model），使用雙線性內(nèi)插法，利用無線傳播模型、高程數(shù)據(jù)等生成虛擬覆蓋圖。適用的頻率范圍為20～20 000 MHz，因而，是通信領(lǐng)域的有力分析工具，能適用的高程數(shù)據(jù)不僅有上述的SRTM 1/3，DTED 0/1/2等，還適用GTOPO30，GLOBE，BIL等。同時(shí)，還能提供3D視圖、立體視圖和動(dòng)畫，背景圖片可以與掃描地圖、衛(wèi)星照片或ADRG合并。具備的實(shí)用功能包括：可完成各種環(huán)境下的電磁波仿真，并分析干擾和傳輸信號強(qiáng)弱，獲得電波傳播詳細(xì)參數(shù)；可以進(jìn)行單點(diǎn)發(fā)射覆蓋模擬、無線電中繼覆蓋預(yù)測、單頻網(wǎng)的覆蓋預(yù)測等。單頻網(wǎng)中每個(gè)發(fā)射站點(diǎn)可看作一個(gè)單元，多個(gè)單元可以連接成一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)絡(luò)，既可以全網(wǎng)分析，也可以點(diǎn)對點(diǎn)分析。本文僅討論其單點(diǎn)覆蓋分析功能。

4 Radio Mobile軟件的使用方法

Radio Mobile是一個(gè)免安裝的綠色軟件，在官網(wǎng)下載通用主文件rmwcore.zip后，下載漢語程序包rmw1166chi，兩個(gè)文件解壓縮后必須放進(jìn)同一文件夾，主運(yùn)行程序是rmwchi.exe；高程文件解壓縮后放入另一文件夾（注：軟件只識別英文路徑，不識別漢字，所以凡涉及文件名或路徑的都須用英文）[4]。打開主程序，依次進(jìn)行如下設(shè)置：

（1）地圖屬性設(shè)置。首先，輸入發(fā)射站的經(jīng)緯度，確定地圖的中心位置；其次，選定地圖的面積大小、地圖的分辨率等指標(biāo)，還須選定所選取的高程文件路徑，另外勾選“忽視丟失的文件”，因?yàn)橄窈Ｑ蟮鹊赜锌赡軟]有高程數(shù)據(jù)，然后點(diǎn)擊“提取”，便從高程文件夾中提取所需要的高程數(shù)據(jù)，模擬出一張有清晰海拔高度顯示的地圖，按圖例，海拔越高，顏色越深，如圖2所示。

圖2 高程示意

（2）單元屬性設(shè)置。進(jìn)行每一個(gè)單元點(diǎn)的地理位置，多點(diǎn)發(fā)射網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)定每一個(gè)發(fā)射點(diǎn)的位置；單點(diǎn)發(fā)射中，設(shè)定發(fā)射和接收點(diǎn)的位置。具體操作：點(diǎn)擊“輸入LAT LON或QRA”按鈕，輸入每個(gè)點(diǎn)的經(jīng)緯度，界面會(huì)自動(dòng)顯示海拔高度，如果高度數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，可以手動(dòng)更正。

（3）設(shè)置網(wǎng)絡(luò)屬性。第一，“參數(shù)”選項(xiàng)卡?？稍O(shè)置多種網(wǎng)絡(luò)。給網(wǎng)絡(luò)命名后，選定頻率范圍，如調(diào)頻是87～108 MHz、天線的極化方式、當(dāng)?shù)氐臍夂蝾愋偷龋渌哪J(rèn)即可。第二，“系統(tǒng)”選項(xiàng)卡。以單點(diǎn)發(fā)射來說，設(shè)置兩個(gè)系統(tǒng)，一個(gè)是發(fā)射系統(tǒng)，設(shè)定發(fā)射點(diǎn)的發(fā)射功率、天線增益、天線型式、饋線損耗等；另一個(gè)是接收系統(tǒng)，設(shè)定接收點(diǎn)的接收門限、天線增益、饋線損耗等。一般參數(shù)大都很容易獲得，重點(diǎn)是接收機(jī)的接收門限問題，按照上述分析，根據(jù)《調(diào)頻廣播覆蓋網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》的規(guī)定，農(nóng)村最低可用場強(qiáng)54 dBuV/m，換算成接收靈敏度是158 μV。第三，“會(huì)員”選項(xiàng)卡。通過勾選，將“單元”與“系統(tǒng)”關(guān)聯(lián)起來。

設(shè)置好以后，具體進(jìn)入仿真操作：點(diǎn)擊菜單中的“工具”/“無線電覆蓋”/“單極”，出現(xiàn)新界面后，出現(xiàn)“中心單位”選發(fā)射點(diǎn)、“移動(dòng)單位”選接收點(diǎn)、“網(wǎng)絡(luò)”選預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)名、“鏈路方向”選中心發(fā)射機(jī)-移動(dòng)接收機(jī)，還有一些繪圖參數(shù)，勾選“彩虹”就會(huì)繪制出類似彩虹效果的圖，以不同的顏色代表不同的場強(qiáng)強(qiáng)度；“徑向距離”選要繪制的覆蓋半徑；“門限”選自己熟悉的單位，比如，以《調(diào)頻廣播覆蓋網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》來展開探討，選擇dBuV/m為單位，輸入從30～120 dBuV/m，因?yàn)樵摲秶膱鰪?qiáng)值貼合平時(shí)收測的要求。最后，點(diǎn)擊“畫”，覆蓋預(yù)測圖就完成了。

覆蓋預(yù)測圖完成后，可疊加在GoogleEarth上，結(jié)合具體的地圖行政信息查看覆蓋范圍。保存覆蓋預(yù)測圖生成JPEG文件，包含對應(yīng)的經(jīng)緯度信息，能夠在更為強(qiáng)大的地圖處理軟件中進(jìn)行疊層處理。在保存JPEG文件的同時(shí)，軟件還自動(dòng)保存了geo，kml，inf等格式的數(shù)據(jù)文件，可以給用戶做進(jìn)一步操作，其中，kml文件可以疊加在GoogleEarth地圖上。在實(shí)際操作中，打開該kml文件，GoogleEarth報(bào)錯(cuò)，可能是軟件的Bug，用記事本將kml文件打開，去掉第一行前面的3個(gè)問號就可以。再次，用GoogleEarth打開修改之后的kml文件，通過信號強(qiáng)度的圖例就可以看到覆蓋效果，利用Google Earth的標(biāo)尺功能，可以大致測出覆蓋半徑，如圖3所示。

圖3 覆蓋場強(qiáng)示意

5 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了用一款免費(fèi)軟件來對調(diào)頻發(fā)射等無線電傳播進(jìn)行覆蓋預(yù)測，可用于建設(shè)臺站時(shí)對待初期選址的分析。但對于更具體更詳盡的頻率規(guī)劃、臺站的新建和遷移、調(diào)頻及電視的覆蓋分析等，僅預(yù)測場強(qiáng)是不夠的，還要考慮各種干擾因素，需要遵守一系列的頻率制約關(guān)系，具體可參考《調(diào)頻廣播覆蓋網(wǎng)技術(shù)規(guī)劃》的相關(guān)論述。此外，該軟件的很多其他應(yīng)用功能都沒有進(jìn)行討論，無線電愛好者可深入研究，挖掘其在傳播工程學(xué)領(lǐng)域的實(shí)用價(jià)值。