预测场强

预测场强（共5篇）

预测场强 篇1

摘要：广播电视台站数的增加给无线频谱资源管理带来了新的调整, 本文利用GIS技术和无线覆盖场强数学计算模型进行广播电视无线覆盖场强预测研究。

关键词：广播电视,无线技术,信号覆盖场强,GIS技术

广播电视信号容易受到外部环境因素的影响而变化, 导致接收端接收信号经常出现延迟、相位差和信号强度中值变化, 给广播电视无线发射覆盖强场预测带来了难度, 因此在传统广播电视无线覆盖场强预测中可引入GIS技术和场强数据计算模型改善覆盖强场预测准确性。

1 广播电视无线覆盖技术

广播电视系统一般由信号源端模块、传输系统、接收端模块组成, 信号源端模块就是广播电视节目制作中心;传输系统就是基于电缆、光缆、无线电波等媒介的广播电视数据传输通道;接收模块是广播电视接收设备, 无线电视发射系统通过调幅和调频方式将电视信号转换为载波, 以电磁波方式发送出去, 并接收设备接收广播电视电磁波信息。

2 GIS技术

地理信息系统 (GIS) 的发展为广播电视信息化建设提供的一种手段, 利用GIS技术中的地理数据信息可以准确表达影响广播电视无线信号覆盖的外部因素;GIS技术中的地物等高线、DEM值等与电波强度计算数学模型结合可以提升电场强度计算的准确度;将电波强度计算结果以牌面、立体方式呈现在虚拟环境中, 可以进行可视化管理与电磁环境的模拟与仿真, 并将相关数值输入到计算机系统中改进计算精度和推进数字的电视的发展。

3 无线覆盖场强预测计算

3.1 场强计算数据准备

广播电视覆盖管理与空间数据和属性数据有关, 空间数据包括广播电视台台站地方、分布、覆盖范围等信息, 属性数据包括台站具体经纬度信息、区域人口数量、谜底信息、各区域广播电视场强强弱等信息, 在具体场强计算前需要在GIS中输入该空间数据和属性数据信息。

3.2 场强数学计算

本文中场强计算主要考虑远场区公式推导与计算, 不考虑近场区的影响, 以T7天线作为频道发射天线, 采用56.5MHz-64MHz发射频率范围, 其发射点到检测点间的初始辐射电场计算方法为:

进行归一化处理后, 其发射天线方向图函数效果如图1所示:

根据T7天线水平角度为36度, 垂直方向要求28度, 设检测点与发射塔距离为330米, 则此处的直射波强公式为:

考虑地面反射波影响, 其该点接收的最大强场

经过采集频道反功率为PT (kW) =4KW, PT (kW) =4, 天线高度为292米, 测量的点位置与发射点距离为330米, 天线夹角为40度, F (θ) =0.22, 其此点的辐射强度为:

3.3 场强理论计算与实际测量分析

根据3.2中的场强理论计算结果和实际测量结果, 其两者对照表如表1所示。

根据理论计算结果其强场为837m V/m, 但实际仪器检测结果为527m V/m, 两者存在一定的差距, 其差产生的原因主要有:

(1) 根据理论计算频道发射功率为4KW, 而实际发送功率只有2KW, 导致理论值偏大。

(2) 在理论中地面发射系统为0.8, 但实际地面发射系数若更小, 则会影响反射波场强大小, 也因此造成了理论计算值也实际检测结果有差异。

4 结束语

由此可以看出通过GIS中的地型数据与无线覆盖强场数学预测模型结合可以有效的预测强场覆盖强度。

预测场强 篇2

文中是在C++ Builder6环境下基于MapObject组件来进行仿真,并建立了一个基于GIS的丘陵地区场强预测系统,包括通视分析和场强预测等功能。

1 基于地图的剖面生成原理

移动通信中不同的地形环境有不同的信道模型适用,所以根据剖面判断地形是十分重要的,下面介绍其实现原理。

根据任意两点确定一条直线的原理,在地图上可以得到过任意两点的直线,那么这条直线与等高线便有若干个交点,将这些交点记录下来,再经过插值就能得出两点之间的剖面。剖面线的纵坐标是高程值,横坐标是和第一个点的距离长度。GIS中除了考虑平面坐标两点间的距离外还要考虑球面上两点间距离,即大圆距离。设地球上两点的经纬坐标为A(a1,b1),B(a2,b2)(其中a1、a2为经度,b1、b2为纬度,纬度北正南负,经度东正西负),R为地球半径,那么A、B两点之间的距离为[1]

d=R·arccos[cosb1·cosb2·cos(a1-a2)+sinb1·sinb2] (1)

2 移动通信传播损耗预测模型介绍

文中所用到的统计模型是Okumura-Hata模型和ITU-R REC.P.370模型;确定性模型是绕射损耗预测模型以及多线反射模型。

2.1 统计预测模型

(1) Okumura-Hata模型。

Okumura-Hata模型[2]是预测数据统计分析得出的经验公式,应用频率在150～1 500 MHz之间,适用于小区半径>1 km的宏蜂窝系统,基站有效天线高度为30～200 m之间,移动台有效天线高度在1～10 m之间。Okumura-Hata模型路径损耗计算的经验公式为

Lp(dB)=69.55+26.16lgfc-13.82lghte-α(hre)+(44.9-6.55lghte)lgd+Ccell+Cterrain (2)

式中,fc为工作频率,单位为:MHz;hte为基站天线高度,单位为m,定义为基站天线实际海拔高度与基站沿传播方向实际距离内的平均地面海拔高度之差,即hte=hBS-hga;hre为移动台有效天线高度,单位为m,定义为移动天线高出地表的高度;d为基站天线和移动台天线之间的水平距离,单位为km;α(hre)为高效天线修正因子,是覆盖区大小的函数

$\alpha (h{}_{\text{r}\text{e}})=\{\begin{array}{l}\text{中}\text{小}\text{城}\text{市}(1.1\text{l}\text{g}f{}_{\text{c}}-0.7)h{}_{\text{r}\text{e}}-(1.56\text{l}\text{g}f{}_{\text{c}}-0.8)\\ \text{大}\text{城}\text{市}、\text{郊}\text{区}、\text{乡}\text{村}\{\begin{array}{l}8.29(\lg 1.54h{}_{\text{r}\text{e}}){}^2-1.1f{}_{\text{c}}＜300\text{Μ}\text{Η}\text{z}\\ 3.2(\lg 11.75h{}_{\text{r}\text{e}}){}^2-4.97f{}_{\text{c}}\ge 300\text{Μ}\text{Η}\text{z}\end{array}\end{array}(3)$

Ccell为小区类型修正因子

$C{}_{\text{c}\text{e}\text{l}\text{l}}\{\begin{array}{l}0\text{城}\text{市}\\ -2[\lg (f{}_c/28)]{}^2-5.4\text{郊}\text{区}\\ -4.78(\text{l}\text{g}f{}_c){}^2-18.33\text{l}\text{g}f{}_c-40.98\text{乡}\text{村}\end{array}(4)$

Cterrain为地形校正因子。

(2)ITU-R REC.P.370模型。

ITU-R P.370[1]即《频率范围在30～1 000 MHz米波和分米波传播曲线》是国际电联推荐的电波传播预测建议书。ITU-R P.370 建议书在30～250 MHz、450～1 000 MHz 两个频段范围内,分别提供功率为1 kW 发射机在不同频率、不同路径、时间和地点概率和地形崎岖度时的场强-距离曲线图,预报的距离范围为10～1 000 km。式(5)是对移动天线高度为1.5 m的情况进行的拟合。经拟合,Rec.P.370建议的中值场强曲线可以表示为

Lb=106.7+7.9lgf-26.24lghb+(22.45+9.37lgf+2.13lghb)lgd (5)

式中,Lb为基本传输损耗中值,单位为dB;f为频率,单位为MHz;hb为基站等效天线高度,单位为m;d为距离,单位为km。

2.2 确定性预测模型

根据前面所得出的基站与移动台之间的剖面信息,就可以确定出基站与移动台之间是否有障碍物阻挡,从而可以确定场强的计算方法[3]。

2.2.1 传播模型的确定

下面给出在不同的地形下接收场强由哪些电波组成:(1)没有障碍物阻挡:传播的衰减中值除了自由空间传播外,主要考虑地面反射波的干涉衰减;(2)有障碍物阻挡这时传播的衰减中值主要是绕射衰减。

2.2.2 各种情况下场强的计算

(1)自由空间传播损耗。

自由空间传播是指移动台与基站之间完全无阻挡的视距传播,是电波传播中最简单的情况,如式(6)所示

L0=32.44+20lgf+20lgd (6)

(2)反射损耗。

在丘陵地形下的反射比较复杂,移动台的场强是由不同路径的反射信号迭加而成的。假设在平地面上,移动台接受信号主要由地面反射信号和直射波组成,设到达移动台接收天线的直接射线场强为E1,那么移动台接受到的场强为

$\mathit{E}=\mathit{E}{}_1+\mathit{E}{}_2=\mathit{E}{}_1[1+\left|R\right|\text{e}{}^{-\text{j}(\beta \text{Δ}r+\text{ϕ})}](7)$

式中,Δr=r2-r1,r1和r2分别是直射波和反射波的路径长度。Δr为它们的路径差;$\beta =\frac{2\text{π}}{\lambda }$是自由空间的相移系数;$\left|R\right|$和ϕ分别是地面反射点处反射系数的模值和相角,其中εr为大地的相对介电系数,σ为大地的电导率。垂直极化波的反射系数为

$R{}_v=r{}_h\text{e}{}^{-\text{j}\text{ϕ}{}_h}=\frac{\stackrel{\rightharpoonup }{\mathit{\epsilon }}{}_r\sin \theta -\sqrt{\stackrel{\rightharpoonup }{\mathit{\epsilon }}{}_r-\cos {}^2\theta }}{\stackrel{\rightharpoonup }{\mathit{\epsilon }}{}_r\sin \theta +\sqrt{\stackrel{\rightharpoonup }{\mathit{\epsilon }}{}_r-\cos {}^2\theta }}(8)$

而水平极化波的反射系数为

$R{}_h=r{}_v\text{e}{}^{-\text{j}\text{ϕ}{}_v}=\frac{\sin \theta -\sqrt{\stackrel{\rightharpoonup }{\mathit{\epsilon }}{}_r-\cos {}^2\theta }}{\sin \theta +\sqrt{\stackrel{\rightharpoonup }{\mathit{\epsilon }}{}_r-\cos {}^2\theta }}(9)$

式中,rh、rv和ϕh、ϕv分别为平行极化和垂直极化反射系数的幅度和相位,θ为入射角,而$\stackrel{\rightharpoonup }{\mathit{\epsilon }}{}_r$为反射点平面的复相对介电常数,表示为

$\stackrel{\rightharpoonup }{\mathit{\epsilon }}{}_r=\epsilon {}_r-\text{j}60\sigma \lambda (10)$

式中εr为反射点平面的相对介电常数,σ为电导率,λ为波长。

(3)绕射损耗。

在预测绕射损耗的影响时,必须考虑两种可能的情况:第一种是当电波不受阻碍时;第二种是当电波受刃形障碍而绕射时。图1(b)表示出第一种情况,是电波不受刃形障碍阻挡,因而hp是负值,v变成正值;在第二种情况下,当电波刃形障碍而绕射时,hp是正值。

绕射损耗可以用式(11)求得,v是一个无量纲参数,定义为

$v=-h{}_p\sqrt{\frac{2}{\lambda }\left(\frac{1}{r{}_1}+\frac{1}{r{}_2}\right)}(11)$

式中,r1和r2是不同的距离,hp表示刃形与移动台与基站收发天线连线之间的距离。

绕射公式的简化形式为

$\begin{array}{l}{}_{0}L{}_r=0\text{d}\text{B}1\le v\\ {}_{1}L{}_r=20\log (0.5+0.62v)0\le v\le 1\\ {}_{2}L{}_r=20\log (0.5\text{e}{}^{0.95v})\\ {}_{3}L{}_r=20\log (0.4-\sqrt{0.1184-(0.1v+0.38){}^2})\\ -2.4\le v\le -1\\ {}_{4}L{}_r=20\log \left(-\frac{0.225}{v}\right)v＜-2.4\end{array}(12)$

在双刃形绕射中,使用Picquenard模型,如图2所示。可以先得到hp1的障碍物高度,而不用考虑第二个障碍。第二个障碍物的高度hp2可以通过从第一个障碍物的顶端到移动台画一条线的方法测得。

同理,在多刃形绕射中也是按照这样的方法来求各个山峰的绕射损耗,然后进行迭加。

3 确定性模型计算损耗的编程实现及算法

使用确定性模型,首先就要根据剖面分析地形,进而判断是否存在反射损耗或绕射损耗。

3.1 判断基站与移动台是否视通

要判断基站与移动台是否视通[4,5,6],也就是要判断两者之间否有障碍物阻挡。假设基站的坐标为(x0,y0),移动台的坐标为(x1,y1),横坐标表示地面距离,纵坐标表示海拔高度,由解析几何得基站与移动台的连线的方程为

$y=\left(\frac{y{}_0-y{}_1}{x{}_0-x{}_1}\right)(x-x{}_1)+y{}_1(13)$

对于基站与移动台之间的任意一点(xi,yi),那么

$\text{Δ}=y{}_i-\left(\frac{y{}_0-y{}_1}{x{}_0-x{}_1}\right)(x{}_i-x{}_1)-y{}_1(14)$

式中,Δ为任一点的地形高度与对应连线上的高度的插值。

若Δ>0,则基站与移动台之间不视通,有阻挡物;否则,两者视通。

3.2 判断绕射山峰是否存在及位置

判断绕射山峰是否存在,首先要寻找基站与移动台之间的山峰。

在前面求得剖面的过程中也求出任意一点的一阶导数和二阶导数,判断山峰存在的原则是:如果某点的一阶导数为0并且二阶导数<0,那么该点是山峰的峰点。但是在实际的编程中,由于这些点是通过插值得到的,因此这些点的一阶导数未必完全严格为0,所以,判断准则应该改为:如果某点的一阶导数与下一点的一阶导数的乘积<0,并且二阶导数<0,那么该点是山峰的峰点。

3.3 计算损耗的流程图

计算损耗的流程图,如图3所示,其具体过程如下:

(1) 记录地图剖面图的原始数据:距离LX[i],高度DY[i];

(2) 利用3次样条曲线插值法对原始数据插值,从而得到新的数据:Result_LX[i],Result_DY[i],将新的数据输入到Tchart中,得出剖面图;

(3) 确定基站与移动台的有效高度,以及频率。计算自由空间损耗Loss_free;

(4) 判断基站与移动台是否通视;

(5) 通视情况下判断是否有绕射山峰存在,若无,则计算反射损耗;若有,则计算绕射损耗;

(6) 在非通视情况下,计算绕射损耗;

(7) 得出最终结果。

4 仿真结果

4.1地形剖面的算法实现及仿真图

该算法的核心程序是记录集的读取,其实现程序如下[5]:

根据以上算法得到的仿真图,如图4所示。

图4就是根据前面的地形剖面算法得到的地形剖面,两点之间的距离为距离为11.55 km。

4.2 各模型下仿真结果及精度比较

文中结合电子地图对一些点进行损耗预测,如表1所示。在确定基站与移动台之后,分别求出在奥村-Hata模型、ITU-R模型以及确定性模型下的损耗值。由于ITU-R.P.370是国际电联推荐的建议书,那么就以它为基准,由表1中的损耗值可以看出,对于采用刃形山峰绕射和反射的确定性模型来说是比较准确的,比采用经验公式更接近实际情况。

5 结束语

文中阐述了在丘陵地形下进行点到点的场强预测方法,重点描述了刃形山峰绕射计算损耗的方法,并且比较了经验模型和确定性模型在丘陵地形下的准确性。通过比较,得出结论:在获得比较详细的地形信息的情况下,确定性模型比经验模型更加准确。

参考文献

[1]谢益溪.无线电波传播-原理与应用[M].北京:人民邮电出版社,2008.

[2]张业荣,竺南直,程勇.蜂窝移动通信网络规划与优化[M].北京:电子工业出版社,2003.

[3]Willianm C Y Lee.移动通信工程理论与应用[M].宋维模,姜焕成,李明,等,译.2版.北京:人民邮电出版社,2002.

[4]陈占荣.山区超短波无线电通信链路的设计[J].电讯技术,1998(5):56-60.

[5]徐士良.数值方法与计算机实现[M].北京:清华大学出版社,2006.

预测场强 篇3

1.1常用室外传播模型

COST231-Hata模型:

L(d B)=46.3+33.9lgfc-13.82lghte-a(hre)+(44.9-15.5lghte)lgd+CCELL+Cterrain+CM(2-4)

该模型适用范围:频率1500M-2000Mhz发射有效天线在30m-200m间,接收有效天线高度在1m-10m间。在站间距超过1km时精度较高,更适合预测乡镇、农村等空旷场景的室外场强。

1)COST-231-walfisch-ikegami模型

视距传播情况:L(d B)=42.6+26lgd+20lgfc

非视距传播情况:

L=L0+L1+L2

L0:自由空间损耗即

L0=32.45+20lgfc+20lgd

L1:离屋顶下沿最近的衍射引起的衰落

L2:屋顶多重衍射引起的衰落

该模型适用范围:频率150M-2000Mhz,发射有效天线在4m-50m间,接收有效天线高度在1m-10m间。适用于基站位于建筑物内部的链路预算。

1.2深度覆盖模型

上述两个模型,都只预测室外场强,且由于接收天线高度一般不超过3m,一般适合预测室外地面道路场强。深度覆盖模型更多需要预测室内场强,暂无经验模型可以借鉴,其主要困难为:室内穿透损耗难以预测,高层覆盖受限天馈特性;本文通过引入简单的建筑模型、穿损模型、天馈特性,结合两个经验模型,可以有效的预估深度覆盖效果。

1.3建筑物穿透损耗模型

1)F与D频段覆盖差异

F频段与D频段室内覆盖的差异,不仅仅取决于穿透损耗,还取决于传播损耗。理论上,根据两个模型,单站F与D频段室外覆盖差异分为以下几种情况:

视距(LOS):2.7db

非视距(NLOS):密集城区6.2db;其它4.7db

为简化运算,链路预算时可取8db(密集城区)、6.5db(一般城区)预留。

2)高中低层穿透损耗分析

在实际测试过程,中低层建筑信号最强,天线挂高大多分布在20m-30m,下倾角基本大于6度,室内信号最强楼层一般在4F-10F之间。

以城区为例,小区楼层一般高于6F(18m),小区间距一般不超过50m,3F以下均存在一定程度的阻挡,按照前期站点主要靠道路的特点,可以粗略按照临街单元为视距,其它单元为非视距进行预估。

3)简单的穿透损耗模型

由于室内穿透损耗与建筑物的材料、形状、室内结构,天馈的高度、位置、角度,UE的高度、方向等一系列的因素有关,想要得到一个公式准确的预估穿透损耗是非常困难的。

下面给出一个简单的小区穿透损耗模型:

1、经验数据:

联通设计院在西安进行了住宅穿透损耗测试,通过分析大量测试数据,在2.4Ghz的频段(与E频段接近),小区室内穿透损耗均值20db,穿透损耗在24db以上仅10%。这里提供了建筑物穿透损耗的一个经验值。

2、穿损模型

火车穿损模型有个典型特点,垂直入射角一致,水平入射角属于变量,故以火车穿损模型为例,修正后的损耗可近似为以下公式:

一般而言,不同场景,A的取值一般不同,参考上文经验数据,在进行室内深覆盖预估时,A可以取值为F:15 E:17 D:18左右

最终得到室内覆盖场强预测值为:

室内信号强度=发射端信号强度+天馈增益-路损-穿透损耗=经验校准值

摘要：随着TD-LTE网络的大规模部署,如何在解决室内深度覆盖的同时兼顾网络质量,是现阶段亟需讨论的议题。本文分三个段落分别讨论基于天馈特性的站高与下倾角的配置算法、TD-LTE深度覆盖模型、建筑物穿透损耗模型,最后给出可对室内深度覆盖场强预测的方法建议。

关键词：深度覆盖,MR,场强预测

参考文献

[1]李通;程日涛;王潜渊;张新程:《TD-LTE深度覆盖方案》

预测场强 篇4

随着广播电视事业的飞速发展, 广播电视无线发射台站数量不断增加, 频谱需求也不断增长, 导致频率资源日益紧张。如何做好电磁兼容的分析工作、合理指配频率变得越来越重要, 而该工作最重要的是依赖准确的覆盖场强预测。场强预测能帮助我们进行设台规划, 评估现有发射频率的覆盖效果, 帮助分析发射天线的覆盖问题等。因此对广电部门来说, 积极研究场强预测方法并能快速实现计算显得非常必要。

本文结合正在完成的软件系统, 介绍了基于ITU-R P.1546传播模型、在GIS (地理信息系统) 平台上实现本地化广播电视信号场强预测的软件编程实现方案, 重点介绍了软件设计思路和一些关键算法。

1 ITU-R P.1546模型

1.1模型数据

P.1546-3建议书[1]克服了R.370-7建议书在距离和频率上的预测局限, 在大量的实测数据的统计分析基础上, 以1kW有效发射功率 (e.r.p.) 为基准, 拟合出了路径长度在1km～1000 km, 标称频率在100MHz、600MHz和2000MHz频点, 8种标称天线高度, 几种路径类型 (陆路、海路/冷海/暖海) , 三种时间概率 (50%、10%、1%) 下的电波传播曲线图共24张。为方便计算机查询计算, 国际电联还提供了对应24张曲线图的按距离离散化的场强数据表, 离散后的距离标称值均取整数, 间隔规律见建议书表1。

1.2模型计算

由于在实际计算过程中, d (距离) 、h1 (有效天线高度) 、f (频率) 等参量不可能都为标称值, 因而几乎不可能通过直接查曲线图或数据表得出准确预测场强值。为此模型提供了内插和外推计算公式以及逐步式计算程序进行相应计算, 从而得出场强预测值。

为使预测值更加准确, 模型提供了各种校正项计算方法, 其中主要有:接收天线高度校正, 地形净空角校正, 对流层散射校正等。

该模型在计算时都要求提供传播路径上的地形剖面数据, 以便计算发射天线高度h1和地形净空角θtca等, 提供接收天线处大地被覆类型及被覆高度以便计算接收天线高度校正。

2软件系统设计

由于采用P.1546-3模型进行场强预测计算时每个测点都与地理空间位置有关且需要考虑地形因素、路径类型、大地被覆类型、时间概率等因素, 其中计算过程复杂且计算量较大, 所以软件设计作如下考虑:

1.构造GIS (地理信息系统) 平台, 利用GIS在空间数据管理、位置计算和分析、数据显示等方面的优势;

2.限于庞大的地形和地图数据, 软件设计成只针对本地区的场强预测服务, 当然可通过变更地形和地图数据将服务转换到其它区域;

3.作为初步的软件实现, 为减小编程难度, 结合我市的地理状况, 只考虑陆地路径的预测计算。以后逐步完善软件的预测计算功能。

2.1编程组件和数据

Windows XP下使用以下工具或组件构成编程系统:

1.VB6.0:Windows系统下一种标准的、可视化的、面向对象的开发工具;

2.MapX5.0:基于Map Info Professional地图化技术的方便快捷、功能强大的Active X控件;

3.MS Access:微软的关系型桌面数据库。

需要准备以下系统数据:

1.USGS DEM文件:USGS格式的数字高程模型数据, 可访问http://srtm.csi.cgiar.org网页免费获得V4.0版本SRTM-DEM数据, 再用Global Mapper软件进行裁切并转换成目标区域的USGS DEM格式文件;

2.地图或卫星图片:通过网上下载或其它渠道获得, 且需要配准并生成Tab文件;

3.离散化的场强数据表:从网络或其它渠道获得以Excel格式保存的场强数据表, 然后将其转换为Access数据库表。

2.2软件功能和界面

软件主要完成如下功能:

1.数据管理:系统数据管理, 发射台站及发射机数据管理, 测量数据管理;

2.场强计算:单点计算, 射线法计算, 栅格图形法计算等;

3.结果显示:以不同颜色的图标或以彩色栅格图来表示测点场强值或一个区域的场强变化情况;

4.数据输入输出:可输入以文件保存的实测或预测的场强数据并进行显示, 可将预测结果输出为图形、数据文件保存, 或输出为kml文件并在Google earth上显示。

3关键算法

3.1地形相关计算

3.1.1任意位置点高程

由于USGS DEM是规则的网格数据, 是对地形起伏的离散化表达, 要获取任意坐标点的高程, 需使用插值计算得出, 权衡速度和性能后采用双线性插值法 (Bilinear) 计算, 其原理如图1所示。P为待计算目标点, Q11、Q12、Q21、Q22为P点四周邻近的4个特征坐标点, 其对应的高程值分别为:Z (Q11) 、Z (Q12) 、Z (Q21) 、Z (Q22) , 则X方向的线性插值:

同样方法可求出Z (R2) , 最后按Y方向进行线性插值, 计算出P点高程:

3.1.2路径剖面数据提取

在计算天线有效高度h1和地形净空角、以及显示地形剖面图时, 都需要首先获得传播路径上的地形剖面数据, 计算流程如图2。

3.2场强值相关计算

3.2.1场强值的逐步计算

参照P.1546-3建议书附件6给出的逐步式程序, 当只考虑陆地路径、标称时间概率时, 设计了清晰的计算流程, 该流程简化了繁杂的判断过程, 增加了查询量和计算量, 便于编程计算, 实测速度较快, 如图3、4所示, 下标inf、sup分别代表下、上标称值。当h1<0时, 先按图4计算h1=0时场强, 再加上校正项Ch1。

3.2.2最终场强预测值

对于特定发射机和天线, 最终场强预测值Ep为:

Ep=E1k W+10lg Pt+G-Lc+Cf (dBμV/m)

式中E1kw (dBμV/m) 为模型计算出的已进行了必要校正的场强值, Pt (kW) 为发射功率, G (dBd) 为天线标称增益, Lc (d B) 为馈线及联接损耗, Cf (dB) 为天线方向校正项且Cf=20log F (θ, ) , 其中F (θ, ) 为天线归一化方向图函数, θ, 是测量点相对天线最大方向的水平和垂直方向角。在得不到F (θ, ) 时, Cf可估算或省略, 但会影响预测值的准确性。

3.2.3栅格法预测

栅格法预测将待测区域以网格划分, 依次计算每个网格的中点位置场强并以此代表该网格范围内的场强, 最后得到一张表示场强分布的彩色位图。处理流程如图5所示。

4软件运行效果

软件运行时, 背景地图可在地形图和卫星图之间切换, 左窗格完成发射台站的管理和显示, 三种基本预测如图6、图7、图8所示, 可显示任意测点与发射台之间径线的剖面图如图6, 每种预测法都有详细的参数设定。射线法预测由于每条射线上的测点共享该射线的剖面数据, 所以计算速度很快。栅格法预测由于计算量非常大, 所以处理速度较慢, 但显示效果非常好, 通过设置半透明, 可方便地观察场强分布及场强变化与地形的关系。

5预测误差简析

使用该软件和场强测量仪器在多山环境下, 对高山调频发射台 (功率3k W, 天线4层单偶垂直极化) 周围50km内代表性位置点 (共100个) 的预测值Ep与实测值Er进行了对比, 统计结果为:ΔE (=Ep-Er) 平均值为2.43d B, 其标准偏差为5.6d B, 最大正误差为22d B, 最大负误差为-10d B, 误差分布如图9所示。

上述预测计算时均作了净空角校正和接收天线高度校正。若不作该两项校正, 则预测值一般高于实测值, 加该两项校正能使预测值更接近于实测值;净空角的计算精度和接收天线处大地被覆类型及R值的选取对预测值的影响很大;相对来说, 平缓地形及非阴影区下的预测值很接近于实测值, 对于起伏较大的山区环境, 在阴影区及低凹区域, 预测值明显大于实测值。

总结影响预测准确性的几个因素如下:

1.地形数据精度。它直接影响地形净空角和发射天线高度h1等的计算精度, 因而影响计算值;

2.接收天线处大地被覆类型及R值的选取。影响接收天线高度校正值;

3.发射天线场型分布。很难获得真实的天线方向图函数, 一般使用理论方向图函数进行校正或估算甚至忽略该校正, 这将与实际的测量值存在误差;

4.场强实测时信号将会受到多径传输、各种干扰、天气变化等诸多影响, 而预测计算时难于具体考虑这些影响, 所以会加大预测值与实测值之间的误差。

尽管预测结果与实际测量存在误差且有时误差还较大, 但P.1546模型仍不失为广播电视行业目前最实用且相对更精确的预测模型。不断进行研究并改进各种校正方法, 进一步提高预测准确性是我们应该努力的方向。

6结束语

笔者设计并实现了基于ITU-R P.1546传播模型、在GIS平台上进行广播电视信号场强预测的软件, 通过使用测试, 软件能方便、快速计算场强值并直观显示, 具有很好的实用价值。该软件现只适用于陆地路径, 具有局限性, 不过在此基础上, 通过不断开发和完善, 软件将能适应各种路径类型的场强预测计算。

参考文献

[1]ITU-R P.1546-3, Method for point-to-area predictions for terrestrial services in the frequency range 30 MHz to 3 000MHz[S], Nov.2007.

[2]Microsoft Corporation.Visual Basic6.0中文版程序员指南[M].北京:北京希望电子出版社, 1994-4.

[3]齐锐、屈韶琳、阳琳.用MapX开发地理信息系统[M], 北京:清华大学出版社, 2003-11.

[4]海霞.ITU-R P.1546-3建议书的相关修正方法[J].广播与电视技术.2008, (9) :124-126.

预测场强 篇5

1 NI-1000介绍

NI-1000是一款符合ITU规范建议的高性能广播测量监测模块组合, 适用于频谱监测和无线电信号分析等应用。NI-1000广播测量监测模块组由嵌入式控制器、射频下变频器和高速中频采集器等三个主要模块和一个工业标准PXI机箱组成, NI-1000可以工作在扫频模式和解调模式。扫频模式适用于频谱监测和信号检测, 在这种模式下可以进行宽带监测, 并找出感兴趣的信号。解调模式适用于信号分析和识别, 在这种模式下可以解调监听信号、分析调制参数和确认信号调制方式。解调模式又分为模拟解调和数字解调两种子模式。

1.1 NI-1000原理

射频下变频模块将从天线接受到的射频信号下变频至中频信号, 然后高速中频采集模块对中频信号进行数字化采集。并对采集到的数据进行处理。控制器中有测量监测软件, 用户既可通过外部设备控制测量监测模块, 也可通过以太网连接对模块进行远程控制和数据传输。射频下变频模块将任一带宽为20MHz的信号中心频率变频至15MHz。硬件总是对20MHz的频段进行下变频处理, 得到的中频频段输送至高速中频采集模块进行数字化采集和进一步处理 (如图1) 。

高速中频采集模块采用模数转换器和板载内存, 支持1k S/s~64MS/s的采样率范围, 具有低失真特性。数字下变频器的数字调谐分辨率达到0.015Hz, 充分满足ITU频率测量的精度要求。该系统可以进行大频谱范围多信号同步比对, 方便多站联合监测和查找多个被测信号间的关系, 在干扰排查等应用中提供独特的测量监测手段。

1.2 NI-1000的扫频模式

扫频模式适用于频谱监测和信号检测, 在这种模式下可以进行宽带监测, 并找出感兴趣的信号。

NI-1000启动之后自动进入扫频模式。在此模式下, NI-1000测量监测软件根据设置的起始频率, 终止频率和频率步进等参数来进行连续频谱扫描, 在测量监测软件面板上实时显示频谱数据, 并根据您设定的信号门限来自动搜索信号。在扫频模式下, NI-1000的测量监测软件面板主要显示频谱瀑布图和实时频谱。频谱瀑布图显示的是频谱扫描的历史数据, 其Y轴表示时间, 是将最近一段时间内的频谱扫描数据按照时间顺序排列起来, 并以颜色来表示信号的强弱形成的图形, 在瀑布图上可以直观的观察不同频率的信号随时间的变化规律。除了实时频谱图、频谱瀑布图, NI-1000还提供了荧光频谱图方式来显示频谱扫描的历史数据。

荧光频谱图显示的是频谱扫描的历史数据, 其Y轴表示功率, 是将最近一段时间内的频谱扫描数据重叠起来, 并以颜色来表示信号出现的次数形成的图形。

1.3 NI-1000的解调模式

NI-1000场强仪具有模拟解调模式, 数字解调模式, 在实际测量中波频率时我们常用模拟解调模式。

点击测量监测模式切换按钮将N I-1000测量监测模块切换为模拟解调模式, 在此模式下可以设定所需要的中心频率和信号带宽, 并依据ITU-R标准和频谱监测手册对CW, AM, FM等信号进行解调和测量。

在模拟解调模式下, NI-1000在进行信号分析时, 将信号和需要图形显示的分析结果, 数字或文本格式的分析结果, 测量相关的参数设置分别在测量监测面板上显示。设定解调制式之后, 解调的音频信号在测量监测面板的中部左侧的实时音频波形图上显示, 对于调幅 (AM) 信号, 相应的是对其幅度调制深度 (AM) 进行统计。

1.4 频率调制度统计分析

在调制度统计分布图的右侧, 显示的是一段时间之内信号功率和调制度随时间变化的历史曲线图, 在不同的解调制式下, 测量的参数也有所差别, 但对于AM解调, 测量以下参数:载波频率偏差、信号功率、信号占用带宽、载噪比、幅度调制深度、幅度正调制深度、幅度负调制深度。

2 NI-1000测量中波场强

2.1 硬件连接

将中波测试天线和GPS天线放置于车顶吸盘处。将测试天线另一端接到场强仪上, 用网线将场强仪与便携式电脑连接。将GPS天线另一端与便携式电脑USB口连接。用逆变器将汽车电源引出, 接上电源插线板, 将场强仪、笔记本电脑、测试天线电源适配器都接到接线板上, 测试过程中不允许断电。

测试系统链路连接好后, 在笔记本电脑上单击“开始”菜单, 选择“运行”, 输入“MSTSC”, 单击“确定”, 进入“远程桌面连接”, 输入场强测试仪IP地址“10.10.10.10”, 点击“连接”, 等候几分钟, 系统进入NI-1000场强仪系统, 输入用户名及密码;待出现场强测试界面后, 启动成功。

在笔记本电脑桌面上双击Gpsinfo图标, 进入Gps。设置面板, 点击“Scan Com Port”, 待扫描端口号完成后, 将相应的端口名称选填在“Com Port:”一栏, “Baud Ra te”一栏选择“48 00”, 设置好后, 点击“Start GPS”, 待下面空框中有实时数据显示后, 关闭此设置面板。

2.2 数据采集

NI-1000广播信号综合测试系统会自动将所有测试数据输入计算机, 制成Excel表格。测量值包括时间、频率、场强值、经纬度、海拔高度、行驶速度等, 测量数据Excel表见表1。

为了便于测量数据比较和分析, 在测试时会不定时不定点的手动记录实测数据, 并进行声音的主观评价见表2。

2.3 数据处理

利用NI-1000场强仪自带的数据处理功能, 可以轻松的绘制出测试的路线图、场强图、场强图等值面、场强图覆盖面积量算等, 并可直接将图形输出。

2.4 场强值

场强测试采用多点测试, 其信号强度的主观评分与场强值的关系见表3。

3 结语

利用NI-100 0场强测试数据, 简单方便, 工作效率得到显著提高, 在预期的服务对象地区内, 可以清楚分析出收测信号场强可达到或超过可用场强的区域。通过客观测量和主观评价, 如实地反映广播效果和频谱状况。

参考文献

[1]NI-1000嵌入式广播测量监测模块及系统用户手册[S].

[2]GY/T.176-2001.中华人民共和国广播电影电视行业标准[S].

[3]金涛.基于Virgine G2的电视信号场强测量的研究与实现[D].天津:天津大学, 2004.

[4]陈朝辉, 曲振峰.电视信号场强仪设计[J].数字技术与应用, 2009 (7) .