數(shù)字同頻直放站在變電站中的應用及測試

蔡勇超 余勇 呂華良

摘? 要：為解決變電站機房內信號強度弱，以及變電站內智能巡檢設備與運維人員移動作業(yè)終端經(jīng)常掉線的問題，研究了變電站內無線信號的分布情況，提出了基于數(shù)字直放站的信號延伸方案。針對直放站的性能指標要求，設計了直放站的測試方法，并進行現(xiàn)場測試和應用驗證。結果表明該方案實施簡單、成本較低、測試方法全面實用，信號覆蓋范圍滿足要求，是目前解決變電站機房信號弱問題的最佳方案之一。

關鍵詞：同頻直放站；變電站；信號測試；系統(tǒng)增益

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）01-0072-03

Application and Test of Digital Co-Frequency Repeater in Substation

CAI Yongchao， YU Yong， LYU Hualiang

（Guangdong Foshan Power Supply Bureau of China Southern Power Grid， Foshan? 528000， China）

Abstract： In order to solve the problem that the signal strength in the substation machine room is weak， the intelligent inspection equipment in the substation and the mobile operation terminal of the operation and maintenance personnel are often disconnected. The distribution of wireless signals in substations is studied， and a signal extension scheme based on digital repeaters is proposed. According to the performance index requirements of the repeater， the test method of the repeater is designed， and the field test and application verification are carried out. The results show that the scheme is simple to implement， low in cost， comprehensive and practical in testing methods， and the signal coverage meets the requirements， its one of the best solutions to solve the problem of weak signal in the substation machine room.

Keywords： co-frequency repeater; substation; signal test; system gain

0? 引? 言

隨著變電站智能化、數(shù)字化水平越來越高，大量移動智能終端如巡檢機器人、智慧安監(jiān)攝像頭等對無線通信網(wǎng)絡需求劇增，同時各種掌上辦公、掌上作業(yè)軟件也對網(wǎng)絡信號質量提出了較高要求，不僅僅滿足于語音通信，還包括高清圖片和視頻的傳輸。然而變電站一般位置較偏僻，遠離通信基站，且空間較為封閉，再加上電力設施的干擾，導致變電站機房內信號較弱，4G和5G信號更難以覆蓋。

變電站場地一般信號都比較正常，主要是機房內信號較弱，若通過增加通信基站數(shù)量和增大基站發(fā)射功率，對機房內信號會有所改善，但是成本較大，服務運營商也不一定配合實施。因此，怎樣把室外的信號引入室內是解決室內信號弱問題的另一種思路。直放站作為移動通信系統(tǒng)的中繼站，正是起到信號傳輸增強的作用，能夠在不增加基站容量和發(fā)射功率的情況下，將無線信號引入基站覆蓋不到的地方，且造價成本遠低于新建移動基站[1]。

文章以變電站內移動終端對無線網(wǎng)絡的應用需求為背景，研究變電站內無線信號的衰減情況，通過增加成本低廉的數(shù)字直放站解決變電站室內信號弱的問題，并對數(shù)字直放站的工作原理、測試方法、安裝指導等進行了闡述，為解決變電站封閉區(qū)域內信號覆蓋問題提供參考方案。

1? 直放站工作原理

直放站主要由施主天線、中頻信號放大模塊和重發(fā)天線組成。如圖1所示，施主天線一般安裝在室外有基站信號覆蓋的區(qū)域，將室外信號引入后對信號進行濾波、變頻和放大后再通過重發(fā)天線再次把信號發(fā)射出去。對用戶而言，接收到的信號是經(jīng)過直放站放大增強后的信號，從而擴大了基站信號的覆蓋范圍。

對于不同的應用場景，直放站有不同的分類，根據(jù)放大過程中頻率是否發(fā)生變化可以將直放站分為頻移直放站、同頻直放站和光纖直放站等[2]。頻移直放站對接收到的信號進行變頻放大后再發(fā)射出去，需要增加變頻模塊，成本較高。而光纖直放站一般運用在遠離基站，完全沒有信號覆蓋，或者大型停車場等用戶量大的區(qū)域[3]。從造價成本和后期運維考慮，同頻直放站不需要變頻模塊，結構更簡單，也是運用最多的類型，因此選擇同頻直放站[4]。

按照處理信號的類型，直放站又可分為模擬直放站和數(shù)字直放站。模擬直放站結構單一，使用便捷，但是抗干擾能力不強。數(shù)字直放站采用更加有效的信道濾波技術，可以減少回波和噪聲的干擾，更加適應變電站復雜的電磁環(huán)境，因此選擇數(shù)字直放站[5]。

2? 直放站設計指標

作為應用于變電站的直放站系統(tǒng)，其系統(tǒng)增益、噪音系數(shù)、傳輸時延、雜散輻射等都是在設計階段需要充分考慮和論證的指標[6]。要充分了解現(xiàn)場的使用環(huán)境和目標需求，這關系到直放站每個模塊的組成及整個系統(tǒng)的建設成本。

2.1? 系統(tǒng)增益

直放站的主要用途就是將室外信號進行放大后再發(fā)射出去，因此系統(tǒng)增益是其最重要的指標之一。直放站工作于全雙工模式，系統(tǒng)的增益包括上行鏈路和下行鏈路，即收發(fā)信號都需要放大[7]?？紤]到目前大多數(shù)人使用的手機制式為CDMA和DCS，因此選擇的直放站必須支持這兩種制式的全頻段網(wǎng)絡。

以CDMA網(wǎng)絡下行鏈路為例，鏈路的增益由低噪放大、中頻放大和功率放大三部分組成。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)節(jié)進行測試，輸入端電平低于-105 dBm時，噪聲信號明顯上升，低噪聲放大組件無法正常工作，因此系統(tǒng)的最低可放大功率選擇為-105 dBm。變電站機房內部空間一般面積不超過300 m2，配合室內重發(fā)天線，以及考慮到濾波器的插損及放大器的動態(tài)范圍，整個系統(tǒng)的增益大概在50 dB左右時，系統(tǒng)能夠達到最優(yōu)的使用效果和性價比。使用同樣方法可測試DCS制式網(wǎng)絡的最優(yōu)放大增益，具體數(shù)值如表1所示。

2.2? 系統(tǒng)噪聲系數(shù)

直放站內的有源射頻元件在工作時都會產生額外的噪聲，并影響直放站的正常運行，噪音的大小用噪聲系數(shù)來表征，具體為系統(tǒng)輸入信噪比與輸出信噪比的比值，用式（1）表示：

（1）

式中，F(xiàn)為直放站系統(tǒng)的噪聲系數(shù)，Si、So為直放站的輸入和輸出信號功率，Ni、No為直放站的輸入和輸出噪聲信號功率，S/N即為信噪比。

直放站系統(tǒng)是由多個模塊級聯(lián)組成，因此總噪聲系數(shù)與各個模塊都有關系，定義系統(tǒng)的各級模塊增益和噪聲系數(shù)分別為G1， F1， G2， F2，…，Gn， Fn，則系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)計算為：

（2）

從式（2）中可得知，直放站系統(tǒng)的噪聲系數(shù)主要由第1級模塊決定，即低噪放模塊，文中選擇的直放站在低噪放模塊的噪聲系數(shù)為2.6 dB，后面的射頻放大器噪聲系數(shù)為1.4，因此選擇的直放站系統(tǒng)噪聲系數(shù)要小于4 dB。

2.3? 傳輸時延

直放站系統(tǒng)的每個環(huán)節(jié)都會產生時延，但是射頻放大器、混頻器的時延都在納秒級別，對系統(tǒng)總時延貢獻不大。系統(tǒng)時延主要來自聲表濾波器，一般在7 μs左右，再加上其他時延，一般不會超過10 μs，再考慮5 μs的冗余，因此可選擇傳輸時延在15 μs的直放站，這樣使用人員在撥打電話和傳輸數(shù)據(jù)的時候不會感到有明顯差別。

2.4? 雜散輻射

直放站上變頻模塊的本振泄露以及混頻后的各次諧波信號都是帶外雜散發(fā)射產物，即雜散輻射。雜散輻射頻段與通信無關，必須加以抑制，主要通過射頻聲表和雙工器抑制雜散發(fā)射信號。文中選擇的直放站一級射頻聲表濾波器的帶外抑制能力有55 dB，末及雙工器的帶外抑制能力為45 dB，雜散信號的增益一般為30 dB，因此可得到帶外雜散發(fā)射功率在-70 dBm，即系統(tǒng)的雜散輻射要小于-70 dBm。

3? 直放站應用測試

變電站一般位置較為偏僻，基站信號較弱，再加上變電站內大型電力設備的阻擋和干擾，導致變電站機房內手機信號更加微弱，阻斷了運維人員和外界的正常溝通，因此在變電站機房內部署信號直放站十分有必要。

3.1? 直放站安裝

本直放站主要是為變電站機房提供信號覆蓋，安裝位置如圖2所示。直放站主機安裝在機房內有電源插座的位置，室外天線根據(jù)現(xiàn)場的信號情況來選擇，周圍最好沒有建筑物和大型設備阻擋，可以使用手機現(xiàn)場測試一下信號強度，保證室外天線安裝點位置能夠正常接打電話和上網(wǎng)。由于采用的是同頻直放站，下行方向存在直放站的發(fā)送天線到接收天線的回波干擾，因此室外天線距離主機不能太近，最小距離應在8 m以上，但是直放站功率有限，饋線長度要控制在30 m以內，這樣效果最佳。室內天線采用吸盤天線，可隨時移動，無需固定安裝，方便天線能夠隨時移動，確保現(xiàn)場移動終端始終接收到最優(yōu)信號。

3.2? 直放站基本測試

為了使直放站的運用效果達到設計目標，并盡可能地減少對其他無線網(wǎng)絡造成干擾，必須對直放站進行嚴格的測試，各項技術指標需滿足設計要求，測試要點如下：

（1）基本工作頻帶。對直放站的工作頻帶進行測試，其頻率范圍必須在表1規(guī)定的范圍內，且沒有雜散頻率信號溢出。

（2）帶內平坦度。即在輸入信號和增益維持不變，在輸出端測試工作帶寬內的不同頻率上最大和最小輸出信號的差值不超3 dB。

（3）接受和輸出信號功率。接受電平不能超過直放站允許的最大功率，輸出功率不能超過直放站的最大輸出功率，并與設計要求一致。

（4）增益。增益也是直放站的一個重要指標，反應直放站的實際放大能力，測試得到的數(shù)值和設計值誤差在10%內。

（5）收發(fā)信隔離度。因為采用是同頻直放站，發(fā)射出去的信號和輸入信號同頻，會對直放站輸入端信號造成干擾，因此直放站收發(fā)信之間要有一定的隔離度，實際應用中，隔離度需大于直放站實際增益+10 dB。

（6）駐波比。在輸入端測試其至施主天線的駐波比，要求小于1.5，同理在輸出端測試其至重發(fā)天線的駐波比，也要求小于1.5。

（7）噪聲電平。在直放站的輸入端測試上行噪聲，在輸出端測試下行噪聲，要求上行噪聲小于-35 dBm，且到達基站的噪聲不能超-120 dBm。直放站的上行噪聲應小于從基站到直放站輸入端的信號損耗-120 dBm。

（8）帶外抑制度。直放站理想的工作狀態(tài)是只放大設計需求的頻帶，對于工作帶寬以外的信號必須抑制，即為帶外抑制度。設f1、f0、f2分別為直放站的下限、中心和上限頻率，則直放站工作時的帶外抑制度需滿足如表2所示。

3.3? 直放站整體測試

直放站天線放置在機房窗戶處，通過饋線連接至主機，現(xiàn)場安裝測試如圖3所示。直放站安裝調試結束后，需要對其整體工作性能進行測試評價，以評估是否達到應用效果，否則需要重新調試。首先是測試覆蓋范圍內移動終端接收的信號強度，必須滿足信號強度不低于-85 dBm的區(qū)域占設計覆蓋范圍區(qū)域95%以上，測試時要選擇20個以上的測試點來測試信號強度。再就是測試通話質量和數(shù)據(jù)傳輸，要求在通話測試中語音清晰、無噪聲、無斷線、無串音等現(xiàn)象，在下載和上傳數(shù)據(jù)時速率穩(wěn)定、無斷流、無丟包等問題。由近到遠選取其中5個測試點數(shù)據(jù)進行分析，結果如表3所示。

從表3可知，直放站天線周圍信號強度滿足設計要求，上網(wǎng)速率和通話質量都符合預期效果。最后測試直放站安裝后對周圍其他用戶的影響，經(jīng)過長期測試表明直放站安裝后和安裝前的掉話率變化不超過0.2個百分點，對周邊用戶影響可忽略不計。

4? 結? 論

為解決變電站機房內移動信號難以覆蓋的問題，文章提出使用數(shù)字同頻直放站將室外信號引入室內，以最低的使用成本完成設計目標。通過對直放站工作原理分析，選擇數(shù)字同頻直放站作為目標產品，并對實際安裝做出指導，最后設計了直放站的測試指標和測試方法，并對測試結果做出分析，為評估直放站整體應用效果提供數(shù)據(jù)支撐。

參考文獻：

[1] 趙修旻，吳國棟.大型地下變電站無線覆蓋系統(tǒng)研究 [J].電力與能源，2017，38（5）：519-522.

[2] 崔國興.數(shù)字直放站在GSM-R系統(tǒng)應用中的技術研究 [J].鐵道工程學報，2016，33（4）：87-90.

[3] 蔣笑冰，孔進亮，郭躍林.CTCS-3線路GSM-R數(shù)字光纖直放站應用 [J].鐵路通信信號工程技術，2020，17（2）：22-27.

[4] 王飛.一種改進的數(shù)字同頻直放站自適應反饋干擾抑制算法 [J].電訊技術，2012，52（6）：928-932.

[5] 李學易，郝祿國，盧曉鋒.直放站回波消除器中數(shù)字抗混頻濾波器的設計 [J].電視技術，2010，34（2）：7-9+13.

[6] 鄒偉華，王璐，劉永方.直放站工程應用中應注意的問題 [J].數(shù)字通信世界，2019（10）：22-23.

[7] 徐福車.5G數(shù)字光纖直放站及工程設計方案的探究 [J].長江信息通信，2022，35（4）：75-77+80.

作者簡介：蔡勇超（1988—），男，漢族，湖南漢壽人，工程師，碩士研究生，研究方向：電力通信。

收稿日期：2022-09-22