基于地形因素的無線調頻覆蓋預測分析

陳小珊

（湖南廣播電視臺，湖南 長沙 410005）

1 接收場強的計算

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，利用發射功率、天線增益、距離、波長等參數來計算從發射天線到接收天線的接收功率。無線發射傳輸示意如圖1所示。

圖1 無線發射傳輸示意

假設發射天線的功率為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，無線電傳播實際是一種較為復雜的傳輸，使用弗林斯傳輸公式預測非常粗略。

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，來計算場強預測值，P.1546在頻率范圍、發射天線高度、距離范圍、地形崎嶇度、時間概率、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以內的場強數值、未考慮水陸混合路徑條件、可用頻率不連續等，于2001年10月22日停止發行[2]。我國的彩色電視和調頻頻率規劃仍在采用ITU-R P.370建議書（最新版為第7版）。

P.1546模型是P.370的繼承和發展，在30～3 000 MHz頻率范圍內，地面業務點對面的預測方法，給定曲線的頻率有100 MHz，600 MHz，2 000 MHz，功率采用1 kW+10lgP，使用內插或外推的方法，來計算關聯于距離、頻率、天線高度、時間百分比等參數的場強，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，使場強值更加準確，而且有量化的計算方法，可自動計算[2]。

2 接收門限和高程數據

2.1 接收門限的選取

覆蓋預測要先明確什么條件才算良好接收。根據行業標準GY／T196－2003《調頻廣播覆蓋網技術規定》[3]可知，最低可用場強在農村為54 dBuV/m，在城市為66 dBuV/m。這是立足于調頻發射和接收來定的標準，參數是“場強E”，單位是“dBuV/m”（注：場強E以相對于1 μV/m的dB數表示，即20lgE（μV/m），而不是20（lgE（μV））/m，二者的區別需關注）。

如果跳出“調頻電視”的廣電范疇，單純從無線接收終端的角度來看，則參數變為接收靈敏度，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，即當輸出信噪比和輸出功率達到額定值時，天線上感應的最小信號電平或功率，適合于廣義的無線電傳播。

以聲音廣播接收機為例：根據GB/T 9374－2012《聲音廣播接收機基本參數》[4]，調頻廣播接收機，信噪比取30 dB（測試方法為去調制法），噪限靈敏度分別應該達到：極限指標A類10 μV，B類20 μV，C類40 μV；調幅收音機，信噪比取26 dB，噪限靈敏度分別應該達到：極限指標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弱，一個是場強，單位是dBuV/m，一個是電平，單位是uV。換算如式（2）：

其中，Ui是天線上感應的信號電平，[20LgF(MHz)-Gr-29.8]統稱為天線系數AF，Gr是接收天線增益。如果將式（2）中Ui(dBuV)的電壓單位轉換為功率，阻抗按50 Ω算，則式（2）變為：

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

在實際工作中，同樣是收測射頻信號的大小，場強儀測出來的單位是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內置了天線系數AF，使用時可直接顯示場強數值。頻譜儀接上標準天線也可作為場強儀。

《調頻廣播覆蓋網技術規定》中最低可用場強“農村為54 dBuV/m、城市為66 dBuV/m”，調頻取中頻98 MHz、接收天線增益忽略不計，換算成電平分別約628 μV和158 μV，而《聲音廣播接收機的基本參數》中的C類調頻收音機，噪限靈敏度是40 μV。兩個標準中的電平值似乎相差較遠，但是在《調頻廣播覆蓋網技術規定》中還考慮了50%時間概率、50%地點概率、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間概率因素，并且預測覆蓋范圍會大于城區的范圍，所以在覆蓋預測分析中，取接收門限158 μV。

2.2 高程數據

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

（1）SRTM，是由美國航空航天局（NASA）和國防部國家測繪局（NIMA）聯合測量的、用得最多的高程數據，用16位的數值表示，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域的數據SRTM3，其免費下載地址為https://dds.cr.usgs.gov/srtm/version2_1/SRTM3。

（2）ASTER GDEM，是根據NASA的新一代對地觀測衛星Terra的觀測結果制作完成的，其數據覆蓋范圍為北緯83°到南緯83°之間的所有陸地區域，達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據。

（3）GMTED2010，是美國地質勘探局USGS和美國國家地理空間情報局NGA測出來的，是對USGS的GTOPO30的進一步優化和發展，但精度一般。

3 計算機仿真

各行各業都在大力發展計算機仿真，在天線設計等領域就如大名鼎鼎的HFSS，提供了從系統到電路直至部件級的快速而精確的設計手段，覆蓋了高頻設計的所有環節，是付費軟件。

在通信工程領域，Atoll也享譽盛名，是法國FORSK公司開發的一個全面的、基于Windows的、支持2G，3G，4G多種技術的無線網絡規劃仿真軟件，是付費軟件。

廣電行業內，也多選用德國LS提供的CHIR-plus BC專業頻率規劃軟件。

軟件Radio Mobile是由加拿大無線電業余愛好者VE2DBE開發出來的免費軟件，從1988年發布至今，歷經無數次更新，現最新的版本是11.6.6。其官網可提供下載：http://www.ve2dbe.com。該軟件是一個用來預測無線電系統性能的工具，使用地形高程數據來展現發射塔和接收機之間的路徑剖面，將數據加入到系統、環境和統計參數中，形成不規則地形模型（ITS Irregular Terrain Model），使用雙線性內插法，利用無線傳播模型、高程數據等生成虛擬覆蓋圖。適用的頻率范圍為20～20 000 MHz，因而，是通信領域的有力分析工具，能適用的高程數據不僅有上述的SRTM 1/3，DTED 0/1/2等，還適用GTOPO30，GLOBE，BIL等。同時，還能提供3D視圖、立體視圖和動畫，背景圖片可以與掃描地圖、衛星照片或ADRG合并。具備的實用功能包括：可完成各種環境下的電磁波仿真，并分析干擾和傳輸信號強弱，獲得電波傳播詳細參數；可以進行單點發射覆蓋模擬、無線電中繼覆蓋預測、單頻網的覆蓋預測等。單頻網中每個發射站點可看作一個單元，多個單元可以連接成一個或多個網絡，既可以全網分析，也可以點對點分析。本文僅討論其單點覆蓋分析功能。

4 Radio Mobile軟件的使用方法

Radio Mobile是一個免安裝的綠色軟件，在官網下載通用主文件rmwcore.zip后，下載漢語程序包rmw1166chi，兩個文件解壓縮后必須放進同一文件夾，主運行程序是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，依次進行如下設置：

（1）地圖屬性設置。首先，輸入發射站的經緯度，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，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”，因為像海洋等地有可能沒有高程數據，然后點擊“提取”，便從高程文件夾中提取所需要的高程數據，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）單元屬性設置。進行每一個單元點的地理位置，多點發射網絡中，設定每一個發射點的位置；單點發射中，設定發射和接收點的位置。具體操作：點擊“輸入LAT LON或QRA”按鈕，輸入每個點的經緯度，界面會自動顯示海拔高度，如果高度數據不準確，可以手動更正。

（3）設置網絡屬性。第一，“參數”選項卡。可設置多種網絡。給網絡命名后，選定頻率范圍，如調頻是87～108 MHz、天線的極化方式、當地的氣候類型等，其他的默認即可。第二，“系統”選項卡。以單點發射來說，設置兩個系統，一個是發射系統，設定發射點的發射功率、天線增益、天線型式、饋線損耗等；另一個是接收系統，設定接收點的接收門限、天線增益、饋線損耗等。一般參數大都很容易獲得，重點是接收機的接收門限問題，按照上述分析，根據《調頻廣播覆蓋網技術規定》的規定，農村最低可用場強54 dBuV/m，換算成接收靈敏度是158 μV。第三，“會員”選項卡。通過勾選，將“單元”與“系統”關聯起來。

設置好以后，具體進入仿真操作：點擊菜單中的“工具”/“無線電覆蓋”/“單極”，出現新界面后，出現“中心單位”選發射點、“移動單位”選接收點、“網絡”選預設的網絡名、“鏈路方向”選中心發射機-移動接收機，還有一些繪圖參數，勾選“彩虹”就會繪制出類似彩虹效果的圖，以不同的顏色代表不同的場強強度；“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《調頻廣播覆蓋網技術規定》來展開探討，選擇dBuV/m為單位，輸入從30～120 dBuV/m，因為該范圍的場強值貼合平時收測的要求。最后，點擊“畫”，覆蓋預測圖就完成了。

覆蓋預測圖完成后，可疊加在GoogleEarth上，結合具體的地圖行政信息查看覆蓋范圍。保存覆蓋預測圖生成JPEG文件，包含對應的經緯度信息，能夠在更為強大的地圖處理軟件中進行疊層處理。在保存JPEG文件的同時，軟件還自動保存了geo，kml，inf等格式的數據文件，可以給用戶做進一步操作，其中，kml文件可以疊加在GoogleEarth地圖上。在實際操作中，打開該kml文件，GoogleEarth報錯，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個問號就可以。再次，用GoogleEarth打開修改之后的kml文件，通過信號強度的圖例就可以看到覆蓋效果，利用Google Earth的標尺功能，可以大致測出覆蓋半徑，如圖3所示。

圖3 覆蓋場強示意

5 結語

本文詳細介紹了用一款免費軟件來對調頻發射等無線電傳播進行覆蓋預測，可用于建設臺站時對待初期選址的分析。但對于更具體更詳盡的頻率規劃、臺站的新建和遷移、調頻及電視的覆蓋分析等，僅預測場強是不夠的，還要考慮各種干擾因素，需要遵守一系列的頻率制約關系，具體可參考《調頻廣播覆蓋網技術規劃》的相關論述。此外，該軟件的很多其他應用功能都沒有進行討論，無線電愛好者可深入研究，挖掘其在傳播工程學領域的實用價值。