基于地形因素的无线调频覆盖预测分析

陈小珊

（湖南广播电视台，湖南 长沙 410005）

1 接收场强的计算

弗林斯传输公式[1]，也称为功率传输方程，是最重要的天线理论公式，利用发射功率、天线增益、距离、波长等参数来计算从发射天线到接收天线的接收功率。无线发射传输示意如图1所示。

图1 无线发射传输示意

假设发射天线的功率为Pt，增益为Gt，接收天线增益为Gr，工作波长为λ，两天线相距为R，则接收天线处的接收功率Pr如式（1）：

这是电磁波在自由空间的传输公式，但由于受地形、路径、气候、日照等条件影响，无线电传播实际是一种较为复杂的传输，使用弗林斯传输公式预测非常粗略。

国际上通常的做法是采用ITU-R P.370（早期）与ITU-R P.1546建议书的传播曲线和方法，来计算场强预测值，P.1546在频率范围、发射天线高度、距离范围、地形崎岖度、时间概率、接收天线、地形遮蔽角等方面都比P.370更全面，P.370模型存在诸多局限性，如：未提供10 km以内的场强数值、未考虑水陆混合路径条件、可用频率不连续等，于2001年10月22日停止发行[2]。我国的彩色电视和调频频率规划仍在采用ITU-R P.370建议书（最新版为第7版）。

P.1546模型是P.370的继承和发展，在30～3 000 MHz频率范围内，地面业务点对面的预测方法，给定曲线的频率有100 MHz，600 MHz，2 000 MHz，功率采用1 kW+10lgP，使用内插或外推的方法，来计算关联于距离、频率、天线高度、时间百分比等参数的场强，并使用修正值，纳入了地形净空和地物遮挡对终端的影响来校正，使场强值更加准确，而且有量化的计算方法，可自动计算[2]。

2 接收门限和高程数据

2.1 接收门限的选取

覆盖预测要先明确什么条件才算良好接收。根据行业标准GY／T196－2003《调频广播覆盖网技术规定》[3]可知，最低可用场强在农村为54 dBuV/m，在城市为66 dBuV/m。这是立足于调频发射和接收来定的标准，参数是“场强E”，单位是“dBuV/m”（注：场强E以相对于1 μV/m的dB数表示，即20lgE（μV/m），而不是20（lgE（μV））/m，二者的区别需关注）。

如果跳出“调频电视”的广电范畴，单纯从无线接收终端的角度来看，则参数变为接收灵敏度，单位常用“μV”或“dBm”，是接收终端输入端口上的天线电压或功率，也称为噪限灵敏度，即当输出信噪比和输出功率达到额定值时，天线上感应的最小信号电平或功率，适合于广义的无线电传播。

以声音广播接收机为例：根据GB/T 9374－2012《声音广播接收机基本参数》[4]，调频广播接收机，信噪比取30 dB（测试方法为去调制法），噪限灵敏度分别应该达到：极限指标A类10 μV，B类20 μV，C类40 μV；调幅收音机，信噪比取26 dB，噪限灵敏度分别应该达到：极限指标A类100 μV，B类300 μV，C类600 μV。

由此可见，同样是描述无线电信号的强弱，一个是场强，单位是dBuV/m，一个是电平，单位是uV。换算如式（2）：

其中，Ui是天线上感应的信号电平，[20LgF(MHz)-Gr-29.8]统称为天线系数AF，Gr是接收天线增益。如果将式（2）中Ui(dBuV)的电压单位转换为功率，阻抗按50 Ω算，则式（2）变为：

可见，式（2）可解决场强与电平之间的换算，式（3）可解决场强与功率之间的换算。

在实际工作中，同样是收测射频信号的大小，场强仪测出来的单位是dBμV/m，频谱仪测出来的单位是dBm，也可以用式（3）来换算。有些高档的频谱仪已经内置了天线系数AF，使用时可直接显示场强数值。频谱仪接上标准天线也可作为场强仪。

《调频广播覆盖网技术规定》中最低可用场强“农村为54 dBuV/m、城市为66 dBuV/m”，调频取中频98 MHz、接收天线增益忽略不计，换算成电平分别约628 μV和158 μV，而《声音广播接收机的基本参数》中的C类调频收音机，噪限灵敏度是40 μV。两个标准中的电平值似乎相差较远，但是在《调频广播覆盖网技术规定》中还考虑了50%时间概率、50%地点概率、10 m高天线接收条件，因而不能直接比较。由于本文介绍的软件模型中有考虑时间概率因素，并且预测覆盖范围会大于城区的范围，所以在覆盖预测分析中，取接收门限158 μV。

2.2 高程数据

在测量学中，高程的定义是某地表点在地球引力方向上的高度。目前，比较常用的高程数据有航天飞机雷达地形测绘使命（Shuttle Radar Topography Mission，SRTM）、ASTER GDEM，GMTED2010等。本文所介绍的预测软件可使用任一种高程数据。

（1）SRTM，是由美国航空航天局（NASA）和国防部国家测绘局（NIMA）联合测量的、用得最多的高程数据，用16位的数值表示，种类有SRTM1和SRTM3两种，分别具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，公开出来的覆盖中国区域的数据SRTM3，其免费下载地址为https://dds.cr.usgs.gov/srtm/version2_1/SRTM3。

（2）ASTER GDEM，是根据NASA的新一代对地观测卫星Terra的观测结果制作完成的，其数据覆盖范围为北纬83°到南纬83°之间的所有陆地区域，达到了地球陆地表面的99%，其全球空间分辨率为30 m，是目前覆盖最广的高精度全球高程数据。

（3）GMTED2010，是美国地质勘探局USGS和美国国家地理空间情报局NGA测出来的，是对USGS的GTOPO30的进一步优化和发展，但精度一般。

3 计算机仿真

各行各业都在大力发展计算机仿真，在天线设计等领域就如大名鼎鼎的HFSS，提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节，是付费软件。

在通信工程领域，Atoll也享誉盛名，是法国FORSK公司开发的一个全面的、基于Windows的、支持2G，3G，4G多种技术的无线网络规划仿真软件，是付费软件。

广电行业内，也多选用德国LS提供的CHIR-plus BC专业频率规划软件。

软件Radio Mobile是由加拿大无线电业余爱好者VE2DBE开发出来的免费软件，从1988年发布至今，历经无数次更新，现最新的版本是11.6.6。其官网可提供下载：http://www.ve2dbe.com。该软件是一个用来预测无线电系统性能的工具，使用地形高程数据来展现发射塔和接收机之间的路径剖面，将数据加入到系统、环境和统计参数中，形成不规则地形模型（ITS Irregular Terrain Model），使用双线性内插法，利用无线传播模型、高程数据等生成虚拟覆盖图。适用的频率范围为20～20 000 MHz，因而，是通信领域的有力分析工具，能适用的高程数据不仅有上述的SRTM 1/3，DTED 0/1/2等，还适用GTOPO30，GLOBE，BIL等。同时，还能提供3D视图、立体视图和动画，背景图片可以与扫描地图、卫星照片或ADRG合并。具备的实用功能包括：可完成各种环境下的电磁波仿真，并分析干扰和传输信号强弱，获得电波传播详细参数；可以进行单点发射覆盖模拟、无线电中继覆盖预测、单频网的覆盖预测等。单频网中每个发射站点可看作一个单元，多个单元可以连接成一个或多个网络，既可以全网分析，也可以点对点分析。本文仅讨论其单点覆盖分析功能。

4 Radio Mobile软件的使用方法

Radio Mobile是一个免安装的绿色软件，在官网下载通用主文件rmwcore.zip后，下载汉语程序包rmw1166chi，两个文件解压缩后必须放进同一文件夹，主运行程序是rmwchi.exe；高程文件解压缩后放入另一文件夹（注：软件只识别英文路径，不识别汉字，所以凡涉及文件名或路径的都须用英文）[4]。打开主程序，依次进行如下设置：

（1）地图属性设置。首先，输入发射站的经纬度，确定地图的中心位置；其次，选定地图的面积大小、地图的分辨率等指标，还须选定所选取的高程文件路径，另外勾选“忽视丢失的文件”，因为像海洋等地有可能没有高程数据，然后点击“提取”，便从高程文件夹中提取所需要的高程数据，模拟出一张有清晰海拔高度显示的地图，按图例，海拔越高，颜色越深，如图2所示。

图2 高程示意

（2）单元属性设置。进行每一个单元点的地理位置，多点发射网络中，设定每一个发射点的位置；单点发射中，设定发射和接收点的位置。具体操作：点击“输入LAT LON或QRA”按钮，输入每个点的经纬度，界面会自动显示海拔高度，如果高度数据不准确，可以手动更正。

（3）设置网络属性。第一，“参数”选项卡。可设置多种网络。给网络命名后，选定频率范围，如调频是87～108 MHz、天线的极化方式、当地的气候类型等，其他的默认即可。第二，“系统”选项卡。以单点发射来说，设置两个系统，一个是发射系统，设定发射点的发射功率、天线增益、天线型式、馈线损耗等；另一个是接收系统，设定接收点的接收门限、天线增益、馈线损耗等。一般参数大都很容易获得，重点是接收机的接收门限问题，按照上述分析，根据《调频广播覆盖网技术规定》的规定，农村最低可用场强54 dBuV/m，换算成接收灵敏度是158 μV。第三，“会员”选项卡。通过勾选，将“单元”与“系统”关联起来。

设置好以后，具体进入仿真操作：点击菜单中的“工具”/“无线电覆盖”/“单极”，出现新界面后，出现“中心单位”选发射点、“移动单位”选接收点、“网络”选预设的网络名、“链路方向”选中心发射机-移动接收机，还有一些绘图参数，勾选“彩虹”就会绘制出类似彩虹效果的图，以不同的颜色代表不同的场强强度；“径向距离”选要绘制的覆盖半径；“门限”选自己熟悉的单位，比如，以《调频广播覆盖网技术规定》来展开探讨，选择dBuV/m为单位，输入从30～120 dBuV/m，因为该范围的场强值贴合平时收测的要求。最后，点击“画”，覆盖预测图就完成了。

覆盖预测图完成后，可叠加在GoogleEarth上，结合具体的地图行政信息查看覆盖范围。保存覆盖预测图生成JPEG文件，包含对应的经纬度信息，能够在更为强大的地图处理软件中进行叠层处理。在保存JPEG文件的同时，软件还自动保存了geo，kml，inf等格式的数据文件，可以给用户做进一步操作，其中，kml文件可以叠加在GoogleEarth地图上。在实际操作中，打开该kml文件，GoogleEarth报错，可能是软件的Bug，用记事本将kml文件打开，去掉第一行前面的3个问号就可以。再次，用GoogleEarth打开修改之后的kml文件，通过信号强度的图例就可以看到覆盖效果，利用Google Earth的标尺功能，可以大致测出覆盖半径，如图3所示。

图3 覆盖场强示意

5 结语

本文详细介绍了用一款免费软件来对调频发射等无线电传播进行覆盖预测，可用于建设台站时对待初期选址的分析。但对于更具体更详尽的频率规划、台站的新建和迁移、调频及电视的覆盖分析等，仅预测场强是不够的，还要考虑各种干扰因素，需要遵守一系列的频率制约关系，具体可参考《调频广播覆盖网技术规划》的相关论述。此外，该软件的很多其他应用功能都没有进行讨论，无线电爱好者可深入研究，挖掘其在传播工程学领域的实用价值。