調頻廣播傳播預測方法分析與本地應用研究

陳 彪 王 健 楊宏民 張 繼 蘇海斌

（1.國家廣播電影電視總局五七三臺，北京102209；2.中國電波傳播研究所，山東 青島266107）

引 言

地面廣播電視業務的高速發展對地面廣播電視覆蓋網的能力分析和系統規劃提出了越來越高的要求.為更好地服務于廣播電視行業，急需開展兩類工作：一是對現有廣播電視業務傳播特性的監測，獲取測量數據，并進行分類統計分析［1-3］；二是在通用傳播預測模型的基礎上，開展廣播電視業務傳播機理研究，建立適合于我國區域的傳播預測、覆蓋特征分析和網絡規劃方法［4-6］，或是針對特定的應用提出實用性規則［7］.本文首先分析了ITU-R P.1546方法，然后對調頻廣播業務覆蓋特性進行了仿真分析，并利用采集測量結果對方法可用性進行了驗證，給合不同條件下的預測效果，最后對ITU-R P.1546方法針對廣播系統的應用提出了建議，這將對提升廣播電視系統覆蓋特性分析的準確性起到重要作用，同時為廣播電視系統系統規劃、頻率管理等方面的研究奠定基礎.

1 ITU-R P.1546模型

國際電聯（ITU）于2001年提出了ITU-R P.1546《頻率30～3 000MHz地面業務的點對面預測方法》，并于2003年、2005年、2007年和2009進行了4次修訂［8］.該模型適用于 VHF/UHF 30～3 000MHz廣播、陸地移動、海洋移動以及某些固定業務（如點對多點系統）.該方法基于典型海陸環境、標稱頻率、標稱距離、標稱發射天線高度、標稱時間概率，1kW 等效輻射功率（e.r.p）場強實驗數據的統計分析結果進行內插或外推，并通過地形和環境特性各類修正，最終得出場強和損耗［8-10］.在地形數據可用的條件下，其場強預測流程如圖1所示.

1）根據基礎路徑信息參數：發射點位置（λt，φt）、接收點位置（λr，φr）、發射/基站天線地（海）面高度ht、接收/移動天線地（海）面高度（hr）、接收環境類型（海洋、鬧市區、市區、郊區、農村）、地點概率（q，1～99%）、時間概率（p，1～50%）、信號頻率（f，30～3 000MHz），進行路徑物理參數綜合分析，確定其它相關的傳播參數：傳播距離（d，0～1 000km）、傳播路徑類型（陸路、海路、混合路徑）、發射/基站天線等效高度（h1，m）、接收/移動天線等效高度（h2，m）、發射端地面余隙角（θt，rad）、接收端地面余隙角（θr，rad）、路徑/區域的平均垂直折射率梯度（N/km）.

2）若路徑垂直折射率梯度為參考值，進行下一步；否則，根據垂直折射率梯度與參考值之間的差值調整標稱場強數據表.

3）根據輸入和分析所得的傳播參數，對時間概率、信號頻率、發射/基站天線高度、傳播距離依次確定相關標稱值；并依次對時間概率、信號頻率、發射/基站天線高度各相關標稱值，計算對應距離的場強：若預測距離與標稱距離相等，直接取列表中對應距離的場強；若預測距離與標稱距離不等，則利用標準距離進行插值.

4）依次對時間概率、信號頻率各相關標稱值，計算對應發射/基站天線高度的場強：若預測高度與標稱值相等，直接可得此高度的場強；若預測高度與標稱值不等，則利用標稱高度進行插值.

5）依次對時間概率各相關標稱值，計算對應頻率的場強：若預測頻率與標稱值相等，直接可得此頻率的場強；若預測頻率與標稱值不等，則利用標稱頻率進行插值.

6）時間概率的場強計算：若預測時間概率與標稱值相等，直接可得此時間概率的場強；若預測時間概率與標稱值不等，則利用標稱概率進行插值.

7）若路徑為混合路徑，進行場強修正；否則進行下一步.

8）若接收/移動天線鄰近陸地，進行基于地形余隙角的修正；否則進行下一步.

9）若傳播散射角大于零，進行場強修正；否則進行下一步.

10）若接收/移動天線高度為非標稱值，進行修正；否則進行下一步.

11）若滿足短市區/郊區路徑條件，進行場強修正；否則進行下一步.

12）若接收/移動天線位于陸地且地點概率不為50%，進行場強修正；否則進行下一步.

13）根據路徑特點進行最大值修正.

14）若發射天線輻射不等于1kW e.r.p.，根據實際輻射功率進行修正.

圖1 地形數據可用條件下ITU-R P.1546模型傳播預測流程

2 調頻廣播場強測量

2010年10月份至2011年3月份間，按照《GB/T 14109-93電視、調頻廣播場強測量方法》［11］和《GY/T 196-2003調頻廣播覆蓋網技術規定》［12］所述方法，在調頻廣播發射臺周邊正北、東北、正東、東南、正南、西南、正西、西北8個方向（方位角從0.93°～351.07°）、約2～120km距離范圍內100個觀測位置點上，對87.6MHz、88.7MHz、90.0MHz、90.5MHz、91.5MHz、96.6MHz、97.4MHz、101.8MHz、103.9MHz、106.1MHz、106.6MHz共11個頻率的調頻廣播信號進行了點對點的測量，對每個點連續測量后取場強中值，其中發射天線高度為340m，天線增益為7.5dB，接收天線高度等效為10m.發射臺與測量點的相對位置分布如圖2所示，其中測量點周邊盡可能保證空曠平坦，天線輻射方向前、后200m范圍內無建筑物、高壓線、遮擋物.由于外場測試環境復雜，為保證測量結果的有效性，排除偶然因素的影響，對測量數據進行如下的預處理：

1）去除受周圍建筑、樹木等環境影響大的點.

2）設定一個合理的工程閾值，城區和非城區分別取66dBμV/m和54dBμV/m［13］，剔除小于工程閾值的數據.

3）校準地理位置信息，將GPS測量得到的地理信息首先與衛星地圖參考位置進行校準.

經上述處理后，確定其中89個位置點的測量值為有效值.

圖2 發射臺與測量點的相對位置及地形剖面分布圖

3 對比分析

3.1 預測與實測結果對比分析

在此，取精度30s的地形數據，并根據ITU-R P.453建議可知測量區域年平均50%時間概率條件下65m高度的大氣折射率梯度約為-54.76［14］，同時考慮實際測量點的環境特征，以6km、12km、24km為界進行密集城區、城區、郊區、農村的區分，利用ITU-R P.1546方法所得預測結果與實測結果的對比如圖3所示，誤差特性分布如圖4所示.由圖3和圖4可以看出：

1）理論值與測量值隨位置點的變化趨勢具有較好的一致性，各頻率點間有較小差異.

2）理論值呈現略小于測量值的規律.

3）均方誤差呈現近似正態分布規律.

3.2 不同條件的預測對比分析

3.2.1 不同接收環境的預測結果分析

表1給出了不同區域均方根誤差統計特性，從表1可以看出：對于任何一個頻率，在遠離城區的地方，預測精度較高，其中郊區預測精度最高，而在密集城區內，預測精度明顯下降.城區預測精度偏低的一個主要原因是由于未精細考慮天線近區的方向性所致；此處，天線增益統一設定為7.5dB.此外，ITU-R P.1546針對不同地區接收點周圍大地被覆的代表性高度給出的參考值如下：密集城區為30 m，城區為20m，城郊為10m.但測量過程中發現：所測城區呈典型大城市特征，部分測量點的周圍大地被覆的代表性高度遠大于ITU-R P.1546所給出的參考值，最大可達參考值的2倍以上；而農村地區恰好相反，部分測量點的周圍大地被覆的代表性高度小于ITU-R P.1546所給出的參考值.綜上所述，建議根據測繪數據建立大地被覆的代表性高度的數字地圖，用以避免由此所帶來的預測偏差.

3.2.2 不同地形精度的預測結果分析

表2給出了不同地形精度下的預測誤差統計特性，從表2可以看出：對于任何一個頻率，地形精度越高，預測誤差越??；故建議在傳播分析時選用盡量精細的地形數據，且數據應可反映地形特點.

3.2.3 不同無線電氣候條件的預測結果分析

表3給出了折射率梯度ITU統計分析值［14］和中國區域統計分析值［15］兩種氣候條件下的預測誤差特性，從表3可以看出：中國折射率梯度統計分析值條件下的預測結果比ITU推薦折射率梯度統計分析值條件下的預測結果的精度略有提升，提高精度在0.01～0.02dB.因此，進行傳播特性分析時，建議使用中國區域大氣折射參數實測或統計分析數據，若能獲取實測數據，推薦優先選用，以便得到更為精確的預測結果.

表1 不同區域預測誤差統計表

表2 不同地形精度下的預測誤差統計表

表3 不同折射條件下的預測誤差統計表

3.2.4 不同修正條件的預測結果分析

如表4所示，ITU-R P.1546建議模型為適用廣播無線電業務的應用，提出標準偏差修正，該值可根據具體分析環境進行調整［8，16］，表5列出了不同修正量條件下的預測誤差.通過分析可知，在已有基礎上針對模擬廣播，將該頻段的標準偏差修正量提高4dB（額外標準偏差修正量），可以有效提高預測精度.

表4 廣播業務標準偏差修正量

表5 不同偏差修正量條件下的預測誤差統計表

4 結 論

通過對ITU-R P.1546方法的剖析，給出了該方法詳細流程；在此基礎上，利用十一套調頻廣播信號傳播特性預測和實測的對比分析結果，以提高區域性的調頻廣播系統傳播預測精度為目標，提出ITU-R P.1546方法中國區域本地化應用建議：1）充分考慮城區、郊區、農村地面覆蓋物對傳播的影響，推薦使用測繪所得地面覆蓋物高程數字地圖；2）選用精細化的地形剖面數據，推薦小于1km精度間隔高程地圖，且數據應盡可能涵蓋實際地形的顯著特點［17］；3）選用中國區域大氣折射參數的實測或統計分析值［15，18］；4）針對特定區域分析，調整標準偏差修正量.分析表明：上述建議能夠有效提高方法在測量區域的預測精度，初步實現了傳播預測模型本地化修正，為廣播業務規劃和頻率管理等方面的研究奠定了技術基礎，其適用范圍有待于通過進一步的試驗予以證實.

［1］夏治平，董 雷，胡 軍，等.移動多媒體廣播業務S波段電波傳播模型比較［J］.電波科學學報，2011，26（1）：170-174.XIA Zhiping，DONG Lei，HU Jun，et al.Comparison of S-band radio propagation models used for CMMB service［J］.Chinese Journal of Radio Science，2011，26（1）：170-174.（in Chinese）

［2］夏治平.地面數字電視電波傳播模型誤差分析報告［J］.廣播電視信息，2006，13（7）：42-44.

［3］LEE C H，JEON N R，KIM S C，et al.Comparison of measurement and prediction of ITU-R Recommendation P.1546［C］// The 4th IEEE VTS Asia Pacific Wireless Communications Symposium.Taiwan，2007.

［4］潘振中.米波/分米波電視和調頻廣播傳播預測方法［J］.電波科學學報，1993，8（3）：95-107.PAN Zhenzhong.VHF/UHF TV and FM broadcasting propagation prediction method［J］.Chinese Journal of Radio Science，2011，24（2）：341-348.（in Chinese）

［5］王仲園，金榮洪，耿軍平，等.移動數字電視覆蓋預測的射線跟蹤模型［J］.電波科學學報，2009，24（2）：341-348.WANG Zhongyuan，JIN Ronghong，GENG Junping，et al.Ray-tracing propagation prediction model for mobile digital television［J］.Chinese Journal of Radio Science，2011，24（2）：341-348.（in Chinese）

［6］PARAN K，NOORI N.Tuning of the propagation model ITU-R P.1546Recommendation［J］.Progress in electromagnetic research B，2008（8）：243-255.

［7］徐 濤.應用ITU-R P 1546建議書進行廣播電視監測時應考慮的幾個因素［J］.廣播與電視技術，2007，34（6）：121-123.

［8］International Telecommunication Union.Recommendation ITU-R P.1546-4Method for point-to-area predictions for terrestrial services in the frequency range 30MHz to 3000MHz［S］.Geneva：ITU，2009.

［9］程瑞庭.電波傳播模型ITU-R P.1546的算法及建模［J］.廣播電視信息，2006，13（10）：66-68.

［10］海 霞.ITU-R P.1546-3建議書的相關修正方法［J］.廣播與電視技術，2008，35（9）：124-126.

［11］國家質量技術監督局.GB/T 14109-93電視、調頻廣播場強測量方法［S］.北京：中國標準出版社，1993.

［12］國家廣播電視電影總局.GY/T 196-2003調頻廣播覆蓋網技術規定［S］.北京：中國標準出版社，2003.

［13］國家技術監督局.GB/T 14431-1993無線電業務要求的信號/干擾保護比和最小可用場強［S］.北京：中國標準出版社，1993.

［14］International Telecommunication Union.Recommendation ITU-R P.453-9The Radio Refractive Index：Its Formula and Refractivity Data［S］.Geneva：ITU，2003.

［15］電子工業部公司.GJB 1655-1993對流層電波折射修正大氣模式［S］.1993.

［16］International Telecommunication Union.Recommendation ITU-R P.1812-1aPath-specific Propagation Prediction Method for Point-to-area Terrestrial Services in the VHF and UHF Bands［S］.Geneva：ITU，2009.

［17］International Telecommunication Union.Recommendation ITU-R P.452-12Prediction Procedure for the Evaluation of Interference Between Stations on the Surface of the Earth at Frequencies Above About 0.1 GHz［S］.Geneva：ITU，2009.

［18］董明玉.電波傳播數據庫應用程序設計［J］.電波科學學報，1996，11（3）：89-97.Dong Mingyu.An application program design for radiowave propagation database［J］.Chinese Journal of Radio Science，1996，11（3）：89-97.（in Chinese）