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广播电视移动收测研究

广播电视信号的覆盖收测分为固定和移动两种[1],其中固定收测方式主要针对模拟广播电视的固定接收模式,而随着信号数字化的推进以及车载调频广播的兴起,移动收测成为现阶段广播电视信号覆盖测试的主要手段。移动收测是利用GPS和广播电视自动场强测试仪实时记录所有测试路径上的信号接收电平,获取较为全面的覆盖测试数据。在完成移动收测之后,需要根据场强仪记录的测试数据推导出根据覆盖中值场强规定的覆盖边界场形图,并在地图中获取直观的信号覆盖边界情况[2]。为了方便地实现测试数据到信号覆盖边界的转换,利用Matlab工具编写应用程序来处理测试数据,首先需要推算出不同方向上的有效辐射功率ERP(EffectiveRadiatedPower),再依据中值场强计算覆盖边界距离和经纬度,以此快速、准确地绘制出覆盖边界场形图。将Matlab程序输出的包含覆盖边界经纬度等参数值的Excel文件导入Mapinfo二维电子地图,或者生成KML文件后显示在GoogleEarth三维电子地图中,实现覆盖场形在地图中的直观显示。

1覆盖场形绘制流程

考虑到移动收测过程中,场强仪自动记录的测试数据会随着周边环境的影响出现波动,需要对几千个收测数据进行预处理,尽量确保数据的有效与准确。整个覆盖场形绘制的基本过程如下。第一步:对收测数据进行均值处理,降低测试与计算误差。第二步:根据发射点与测试点的经纬度计算两点之间的距离。第三步:根据发射天线、接收天线和测试位置属性等技术参数,采用DavidsonModel传输链路损耗模型计算测试方向上的传输损耗,推算出该方向上的有效辐射功率ERP值。第四步:根据该方向上的ERP值、覆盖中值场强和传输链路损耗模型来计算该方向上的覆盖边界距离[3]。第五步:根据覆盖边界距离、发射点经纬度以及发射点至测试点连线与正北方向的夹角,计算覆盖边界点上的经纬度。第六步:自动生成直角坐标系、极坐标系两张覆盖图,并自动生成包含覆盖点经纬度、发射点至覆盖点连线与正北方向的夹角、覆盖边界距离的“覆盖收测计算数据.xls”文件。

2覆盖场形绘制的程序实现

覆盖场形绘制的Matlab程序由主程序调用覆盖计算功能函数子程序的方式实现。2.1主程序设计。Matlab主程序的实现流程如图1所示。(1)可交互参数输入覆盖场形绘制的计算涉及到一些基本参数,主要包括发射点经纬度、发射频率、发射天线高度、发射天线类型、位置属性(例如大城市、中小城市等)、覆盖中值场强、测试天线增益、测试接收天线高度、覆盖规划接收天线高度、覆盖计算距离初值等。为了灵活设置参数,将需要输入的参数设计为对话框形式。其中发射天线类型、节目类型以及位置属性均是以选择不同代号的方式实现计算参数的确定。(2)测试数据导入采用德力DS2500场强仪移动收测得到的数据包含了测试点经纬度和信号接收电平,其格式为CSV(Comma-SeparatedValues),因此将Matlab程序设计为可直接导入CSV格式的测试数据接口,并自动统计导入数据的数量。(3)测试数据均值处理导入的测试数据利用Matlab中的Smooth函数进行均值平滑处理,输出数据为测试数据中的前5个与后5个的中值。(4)调用覆盖计算功能函数覆盖计算功能函数作为子程序提供给主程序调用,实现了循环计算出各测试点对应的覆盖边界距离、覆盖点经纬度以及发射点至覆盖点连线与正北方向的夹角。(5)输出覆盖收测计算数据文件利用Matlab中的xlswrite函数,输出包含覆盖计算功能函数结果的文件。(6)绘制覆盖图利用Matlab中的plot和polar2函数自动绘制X-Y坐标系和极坐标系的覆盖图,例如针对无锡地面数字电视DS-33频道收测结果完成的覆盖图如图2和图3所示。2.2子序设计。覆盖计算功能函数子程序的实现流程如图4所示。(1)计算测试点的场强值根据收测到的测试点接收电平,并通过测试天线增益以及测试信号频率计算出测试点场强值[4]。(2)计算发射点至测试点的距离、发射点至测试点连线与正北方向的夹角首先将发射点与测试点的经纬度转化为以弧度为单位的经纬度值,再转化为以地球球心为原点的XYZ坐标值,以此计算出发射点至测试点的距离、发射点至测试点连线与正北方向的夹角。(3)创建发射天线垂直场形计算模型由于广播电视发射天线的频段、层数以及下倾角等各技术参数均不相同,因此不同发射天线有不同的垂直波瓣场形,由各天线供应商提供。为了在Matlab程序中仿真各发射天线的垂直场形,必须采用相关函数进行拟合。经过对多种发射天线垂直场形的演算,推导出采用y=sinx/x这一基本函数来拟合,且通过代入a、b、c、d这四个参数实现对不同发射天线类型的调整,使得拟合曲线尽量与厂家提供的垂直场形保持一致。具体函数为y=abs(a(sin(b(x-c))/(b(x-c))))+d,其中参数a和d为幅度调整,且a+d=1;参数b用于调整第一零点位置;参数c为发射天线下倾角。表1为拟合的三种发射天线参数值,拟合后的天线场形如图5所示。通过主程序入口参数输入的发射天线类型的代号,选择不同的发射天线垂直场形拟合函数。(4)计算测试方向上的ERP根据发射点至测试的距离、发射天线高度、测试信号频率、测试天线高度、测试点位置属性等技术参数,采用DavidsonModel传输链路损耗模型计算测试方向上的传输损耗,再根据测试点场强值计算出测试方向上的ERP值。(5)计算测试点对发射天线的仰角根据发射天线高度和发射点至测试点距离计算测试点对发射天线的仰角值。发射天线垂直场形下的各参数示意如图6所示。(6)计算发射点与测试点射线方向上的最大ERP发射点与测试点射线方向上的最大ERP也就是在发射天线垂直波瓣上的最大ERP,由于实际收测过程中测试点距发射点的距离远近不一,测试方向上的增益与发射天线在垂直波瓣上的最大增益存在差值。因此,首先根据发射天线垂直场形和仰角计算出该差值后,再修正到测试方向上的ERP得到最大ERP值。计算测试方向上的覆盖距离、覆盖点经纬度,是根据发射点与测试点射线方向上的最大ERP和覆盖中值场强,计算出测试方向上的覆盖距离,再由覆盖距离计算出覆盖点的经纬度。考虑到VHF/UHF频段的广播电视是视距传播的,覆盖距离通常小于100km,该距离与地球半径6378.2km相比要小很多,为此可简化覆盖点的经纬度计算,以发射点的经纬度作为参考,采用差值的方式近似计算。作为通用的计算方式,假设某点所在位置的纬度为±α°,经度每相差1°时的距离相差为:6378.2×2πcosα/360≈111.32cosα(km)地球的子午线长度为40009km,纬度每相差1°时的距离相差为40009/360≈111.14km。覆盖点经纬度计算公式如图7所示。

3覆盖场形在地图上的显示

为了更加直观、清晰地掌握广播电视信号覆盖情况,可将Matlab程序自动计算生成的包含了覆盖点经纬度、发射点至覆盖点连线与正北方向的夹角、覆盖边界距离的“覆盖收测计算数据.xls”文件,通过在Mapinfo地图中创建点的方式生成二维覆盖图[5],如图8所示,可明确覆盖行政区域的情况。此外,可通过KML生成软件将收测结果转换为可直接由GoogleEarth打开KML文件,文件转换界面如图9所示,在GoogleEarth中的三维覆盖场形如图10所示。

4小结

利用Matlab开发程序方便地实现对移动收测数据进行处理,并自动计算和绘制出全向的覆盖场形图,其计算结果与实测数据息息相关,若在测试过程中经过高架、隧道等特殊路段会导致与实际情况偏差较大,因此在选择测试路径时应尽量选择平坦、开阔的道路,确保计算结果尽量符合实际覆盖状况。将计算结果导入二维或三维地图中,可更加清晰地掌握和分析覆盖状况,特别适用于发射天线改造后的覆盖测试,具有较高的应用价值。

参考文献:

[1]提文雁,段卓骏.调频广播覆盖场强预测与实测分析[J].广播电视技术,2017(2):103-110.

[2]陈德泽.调频电视场强测量应注意的问题[J].广播与电视技术,2012(7):132-137.

[3]陆建华,陈宏,张殷希,等.无锡地面数字电视覆盖测试与计算[J].电视技术,2009,33(3):9-11.

[4]GB/T14109-93,电视、调频广播场强测量方法[S].1993.

[5]雷国平,门里,戴闽鲁,等.MapInfo在CMMB路测分析中的应用研究[J].电视技术,2012,36(11):7-10.

作者:张殷希 陆建华 单位:无锡广播电视集团

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