一種廣播電視信號功率低空輻射測試系統(tǒng)

孫天嬌，周 霞，石慶琳，董思喬，通訊作者

（1.國家無線電監(jiān)測中心上海監(jiān)測站，上海 201419；2.國家無線電監(jiān)測中心，北京 100037）

0 引言

廣播電視在用設(shè)備檢測是我國無線電管理的重要手段之一，現(xiàn)已取得了長足的發(fā)展和顯著的成績，通過對在用設(shè)備的檢測，可以及時發(fā)現(xiàn)并妥善處理設(shè)備因長時間使用導(dǎo)致性能惡化而對其他設(shè)備產(chǎn)生的有害干擾，維護空中電波秩序[1]。

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

該系統(tǒng)通過在空間接收發(fā)射信號，利用空間損耗模型計算并修正周圍環(huán)境產(chǎn)生的干擾，得到廣電發(fā)射天線端的EIRP。與傳導(dǎo)測試方法相比，輻射測試方法能夠有效解決因耦合度缺失、耦合口缺損導(dǎo)致測試無法進行的情況，使測試工作能夠正常開展。借助無人機搭載檢測設(shè)備做平臺，與地面架設(shè)設(shè)備檢測相比，具有場地局限小、電磁環(huán)境好的優(yōu)點。

1 輻射測試基本原理

接收天線收到被測臺站發(fā)射信號功率為Pr，則電視信號臺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)手鄙洳ㄐ盘枺瑒t：

式中，fMHz為電磁波信號的中心頻率（單位：MHz）；dkm為發(fā)射信號到接收天線所經(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)測得空間中任意一點的發(fā)射信號功率值，就可以通過公式計算電視信號臺站的等效全向輻射功率。

在實際低空測試中，接收端不但接收到發(fā)射信號的直射波，同時也接收到不同方向的反射波和散射波。這些信號會與直射波進行疊加，從而使接收到的信號數(shù)值產(chǎn)生偏離，導(dǎo)致誤差[6-7]，如圖1所示。本系統(tǒng)通過多次測量采集數(shù)據(jù)，再根據(jù)不同信號類型的數(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行計算，得出發(fā)射端的EIRP。

圖1 實際臺站測試面臨的復(fù)雜電磁環(huán)境

2 系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

基于無人機平臺的廣播電視信號輻射測試系統(tǒng)包括無人機子系統(tǒng)、機載測試子系統(tǒng)、地面控制子系統(tǒng)。

2.1 無人機子系統(tǒng)

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

2.2 機載測試子系統(tǒng)

圖2 無人機子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

機載測試子系統(tǒng)主要由電源、計算機、測量接收機、接收天線和通信裝置組成，如圖3所示。接收天線接收被測信號的電磁波，并將其轉(zhuǎn)換為電信號傳輸?shù)綔y量接收機中。測量接收機在計算機的控制下對接收天線接收的測試信號進行分析和處理，并向處理后的結(jié)果傳輸?shù)接嬎銠C中。計算機一方面通過通信裝置接收地面測試人員的指令，實現(xiàn)對測量接收機的控制；另一方面接收無人機的定位信息，再結(jié)合由測量接收機輸入的原始測試數(shù)據(jù)對進行測量結(jié)果的計算、存儲和顯示。電源為計算機和測量接收機供電。

圖3 機載測試子系統(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)、測試控制計算機和通信裝置組成，如圖4所示。無人機駕駛員使用飛行遙控器對無人機進行控制。地面站連接通信裝置接收無人機的飛行狀態(tài)信息供無人機人員監(jiān)測飛行狀態(tài)，同時無人機駕駛員可通過地面站導(dǎo)航功能對無人機的飛行路線，姿態(tài)進行預(yù)先設(shè)置，實現(xiàn)無人機的自動導(dǎo)航飛行。測試控制計算機連接通信裝置，通過遠程桌面的方式控制機載檢測系統(tǒng)中的計算機，從而實現(xiàn)對機載測試子系統(tǒng)的遠程控制。

圖4 地面控制子系統(tǒng)

2.4 系統(tǒng)測試軟件

測試軟件主要對測量數(shù)據(jù)進行處理、分析、計算，最終得到發(fā)射端電視信號EIRP。電視信號傳播路徑損耗修正公式是軟件的核心算法，通過輸入天線方向圖及增益、接收點距發(fā)射端的水平距離和相對高度、接收信號頻率、接收信號功率等參數(shù)，測試軟件將自動計算出發(fā)射端電視信號的EIRP。

2.5 系統(tǒng)實現(xiàn)

無人機總重量越小，滯空時間越長，測試工作的持續(xù)性越好。機載測試子系統(tǒng)的輕量化有助于提高整個系統(tǒng)的工作時長，因此，系統(tǒng)各單元在滿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：機載計算機采用同時重量輕、獨立供電、具備USB3.0接口、帶有獨立顯示功能及獨立輸入設(shè)備的平板計算機；機載測量接收機采用的是重量輕且體積小的手持或微型接收機；機載接收天線選用重量輕、方向性強、工作頻帶寬、增益高的對數(shù)周期天線[8]。綜合考慮后，最終選擇八旋翼無人機及其配套設(shè)備作為無人機子系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 八旋翼無人機

3 實際測試與分析

為驗證測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測試精度，測試實驗分別選取了河南某實際臺站廣播電視信號進行測試。

3.1 實際測試過程簡述

電視信號低空輻射測試過程示意圖如圖6所示，接收天線接收到電視信號臺站發(fā)射的電視信號電磁波信號轉(zhuǎn)換為電信號傳送到測量接收機，測量接收機對信號進行采樣、分析，得出功率參數(shù)后傳送至測試軟件，測試軟件對數(shù)據(jù)進行計算，得出臺站發(fā)射天線端口的發(fā)射功率，并將結(jié)果存儲在機載計算機中。

圖6 電視信號功率輻射測試過程示意圖

3.2 實際測試步驟

本文提出的廣播電視輻射系統(tǒng)測試步驟如圖7所示。首先，測試前要選取能夠直視被測臺站發(fā)射天線的開闊場地架設(shè)設(shè)備，測量接收天線與發(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，并將被測臺站業(yè)務(wù)類型、中心頻率、距離等數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)將自動進行數(shù)據(jù)采集、取值計算、誤差修正計算，并顯示及存儲測試結(jié)果。

圖7 廣播電視輻射系統(tǒng)測試步驟圖

3.3 實際測試實驗

在鄭州廣電發(fā)射塔的測試過程中，選擇了1個接收點進行測試，具體信息見表1。

表1 測試基本信息

被測臺站EIRP、實測EIRP及誤差參數(shù)見表2，其中，EIRP標(biāo)稱值=傳導(dǎo)測試發(fā)射機功率-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)射塔部分電視信號實測功率

運用研究過程中得出的測試系統(tǒng)、方法和算法進行實際臺站測試驗證后發(fā)現(xiàn)，在功率測試驗證中，18組功率測試結(jié)果中有17組誤差范圍控制在3 dB及以內(nèi)，有1組數(shù)據(jù)誤差范圍在略高于3 dB。較好的滿足功率測試精度要求。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一套廣播電視信號功率低空輻射測試系統(tǒng)，解決了地面架設(shè)測試天線進行輻射測試時選址困難，測量誤差較大的問題。該系統(tǒng)利用無人機攜帶測試設(shè)備在遠離地面復(fù)雜環(huán)境的低空開展測試，降低了反射和散射信號的干擾。實際臺站測試驗證表明，其穩(wěn)定性、測試精度均滿足要求。與傳統(tǒng)的地面輻射測試系統(tǒng)相比，基于無人機的電視信號功率測試系統(tǒng)選址范圍廣，測試誤差低，測試效率高，對豐富廣播電視臺站測試手段，提升無線電管理水平有著重要意義。