调频电视场强测量应注意的问题

       电视发射台要了解发射的电磁波在空中某点的信号强度、电波场强覆盖的范围,广播电视管理部门、无线电管理部门等要了解本辖区的调频、电视信号频率占用情况,是否有未经批准的电台,都需要进行场强测量。调频、电视广播场强测量任务主要有:

      ①检验电视和调频广播覆盖效果;

      ②测量电视和调频广播干扰信号;

      ③测量发射天线系统的辐射性能;

      ④用于研究该频段的电波传播规律;

      ⑤为电视、调频广播网规划,频道分配和频率管理提供技术依据。

       调频、电视广播场强测量是广播电视监测基础性工作,是广播电视监测技术人员应该具有的基本技能。但是,用无线电波作为传播媒介的调频、电视信号,要对它在空中某一点的电场强度进行准确测量会受到诸多因素的影响。为此,本文就调频、电视信号场强测量中应注意的问题进行综合总结。

       1、场强与电压、电平概念区别在广播电视监测的场强测量中,不时会有将场强测量与电平测量甚至电压测量混淆,实际上场强与电压、电平的概念有根本的区别。

    （1）电压表征电信号能量的三个基本参数是电压、电流和功率。从测量的观点来看,测量的主要参数是电压,因为在标准电阻的两端若测出电压值,那么就可以计算求得电流或功率。电压的定义是电场将单位正电荷从高电位移至低电位所作的功,也即两点之间的电位差,即Uab=Ua-Ub;单位是伏特(V),如kV、V、mV、μV用电压表测量。

      （2）电平要知道电子线路中某一点功率或电压、电流时,可以用电平来表示。某一点的电平是指该点的功率(或电压、电流)对某一基准功率(或电压、电流)的分贝比。10lg P P 0=20lg UU 0=20lg II0显然,基准功率P0的电平为零分贝,对同一功率,选不同的基准功率P0(U0或I0)所得电平数值不同,后面加上不同的单位,电平用电平表测量。电平表是以分贝(dB)作单位,如dBμV、dBmV、dBm。其实电平、电压是同一个物理量,在很多场合这两种单位在一个仪器中同时标出,从某种意义上来说,电压表也是电平表,电平表也是电平压表,只是习惯上把它分开称呼而已。

     （3）场强是电场强度的简称,它是单位长度的天线在空中某点处感应电信号的大小,以表征该点的电场强度。单位是微伏/米(μV/m),用场强仪测量。场强的单位μV/m里面有一个长度单位m,从原理上来说,电平表(或电压表)量度的电压值是在仪表的输入端口,而场强仪所量度的电压(或叫电势)是天线在空中某一点感应的电压,即感应电动势,或者说是天线的输出端口电压。电平表(或电压表)和场强仪也有很大区别,严格来说,2012年第7期广播与电视技术133134广播与电视技术2012年第7期场强仪是由电平表和天线组成,电平表(或电压表)不需要天线。电平(或电压)和场强,前者是指电子线路中某点的电平或某两点之间的电位差,后者有场的概念,是空中某一点的电场强度。场是在场源的作用下,在一定空域中某种形态特征量的分布。每个电荷在其周围空间中伴随着电场,但另一个电荷处在该场中时,就受到场的作用力,实际上它是两个电荷各自电场之间的相互作用,这就是电场的特征性质。电荷间相互作用力的存在,揭示了电场的存在。电流间的相互作用也是通过场(称为磁场)来实现的,每个电流都处在另外电流激发的磁场之中。电流间相互作用力的存在,揭示了磁场的存在。因此,调频、电视场强测量一定是指无线调频、电视在空中某点电磁波强度的测量。在有线电视传输中的调频、电视电平信号强度测量只能是电平值测量,而不能称为场强测量。

        2、无线调频电视频段电波传播特点无线电波传播的实际环境总是涉及各种各样的媒质,在一般情况下,电波传播的过程就是电磁波与媒质相互作用的物理过程。电波传播特性既与媒质特性参数(介电常数ε,磁导率μ和电导率σ及其时空变化)有关,又与电波特性参数(最关键的是频率和极化)有关,后者可使同样的媒质表现出不同的特性和边界条件。无线电波传播的途径主要有三种方式:天波、地波和空间波。

      （1）无线调频电视工作在超短波频段我国的调频广播工作频段范围是87MHz~108MHz,属于甚高频VHF(30MHz~300MHz)频段。地面电视广播工作频段是甚高频VHF频段、特高频UHF(300MHz~3000MHz)频段中频率范围为48.5MHz~84MHz,167MHz~223MHz,470MHz~566MHz,606MHz~958MHz四个频段。电视频道选在米波及分米波的超短波波段上,主要原因是因为电视需要较宽的频带(8MHz),如果载频选得较低,例如选在短波波段,设中心频率f0=20MHz,则相对带宽fΔ0f=2 8 0=40%,这么宽的相对带宽会给传输带来困难,在超短波波段上,提高载波频率以减小相对带宽。

      （2）无线调频电视信号不用天波传播电离层对低于30MHz的电波产生强烈反射,而对于甚高频段以上电波则是透明的,其电波穿入电离层很深乃至穿出电离层而不能反射回来,所以,调频电视信号不能用天波传播。

      （3）无线调频电视信号不用地波传播中波广播的波长(186m-570m)较长,波长比地面粗糙度大得多,可将地面近视为平滑地面,对电波反射和阻挡作用小,电波的绕射能力强,表面波衰减小,所以,中波广播用地波传播。调频电视VHF频段的波长为1m~10m,UHF频段的波长为0.1m~1m,波长短而将地面视为粗糙的实际地面,对电波有反射和阻挡作用,电波的绕射能力差,表面波衰减很大。若用地面视距传播,电波经大气层的底部,折射指数变化激烈,对超短波会引起折射和吸收衰减,因此不能用地表面传播。

    （4）无线调频电视信号用空间波传播

       1)VHF、UHF频段的无线电波靠空间波直线传播。服务区域为视线所及地方电波才能到达,覆盖半径只有几十 公 里。

       2)超高频以上频段的地波衰减严重,为了扩大服务区总是采用高架发射天线,发射天线一般架设在城市中心的广播 电 视塔上。

       3)发射天线多采用水平极化天线以减小干扰。因为工业干扰(如电焊、汽车的点火干扰)多为垂直极化。

       4)天线水平架设容易。从地面波的影响来说,水平极化天线离地面只要一个波长以上,垂直极化天线离地面高度必须 在五个波长以上。

       5)当地面近似良导电地面时,地面对垂直电偶极子的影响好比是产生一个正镜像,而对水平电偶极子,好比产生一个方向相反镜像。因此,若水平发射天线离地面高度比波长小得多时,辐射效率将比垂直天线大为降低。所以用水平极化天线,天线架设高度不能太小。

       3、调频电视场强测量应注意的问题

    （1）注意测量场地选择1.固定测量站的测量场地要求

        1)周围场地应空旷平坦,半径400m范围内无建筑物、大批树林等障碍物,没有反射杂波到达测量点。

        2)应离主要公路、高压线、变电所、工厂等较远,保证没有来自上述设施的明显干扰(或背景噪声比欲测试讯号电平低20dB以上)。

        3)能提供全天候收测。2.移动测量点的测量场地要求1)当测量发射天线馈线系统的效果时,测量点周围应比较空旷平坦,在前方200m内,两侧及后方100m内无建筑物、树林及高压线等。如果不能满足上述要求时,应说明测量点的环境条件。2012年第7期广播与电视技术1352)当测量特定环境下的信号场强时,只要求详细说明测量点的环境状况、接收天线具体位置以及传播途径上的特点。

        3.2注意测量天线的正确使用

        1.极化方式:除特殊测量外,接收天线的极化必须与发射天线一致。

        2.架设高度:标准架设高度为离地面10m,若移动测量有困难时,也可以改为4m,但需加高度校正,校正因子据实测结果求得,若因测量点环境限制或者测量内容的特殊要求,天线的架设高度为非标准值时,须说明接收天线离地高度和当地海拔高度。

        3.方向性天线的指向:转动天线使场强读数达最大时为准。

        4.接收天线和联接馈线

        1)天线和馈线最好是与场强仪配套的附件。

        2)天线馈线与场强仪间应有良好的阻抗匹配;馈线电缆不宜过长,若电缆过长时,必须在仪表的读数上加上电缆的损耗,尤其是高频段。

        3)如需另行配用其他接收天线时,对其形式不限,但必须与所用联接馈线一起进 行预校正,得出各个频率天线校正因子后方可与场强仪配合使用。

        5.天线升降与转动装置,能自动架设天 线桅杆,调节天线架设高度和其指向。

        3.3注意场强仪的性能选择及正确使用

        3.3.1场强仪主要性能要求

        1.频率范围:米波段为30MHz~300MHz;分米波段为300MHz~960MHz。

        2.场强量程:米波段(低频道电视、调频)为10~120dB(μV/m);米波段(高频道电视)为20dB~120dB(μV/m);分米波段为30dB~120dB(μV/m)。                  

        3.测量精度:米波段为±2dB(μV/m),分米波段为±3dB(μV/m)。

        4.镜像抑制:大于35dB。

        5.标准带宽:80kHz~200kHz,宜有数档可供选择使用。

        6.检波方式:应有峰值及平均值二档可供选择。

        3.3.2注意场强仪测量参数设置

        1.场强仪检波方式与频带宽度

        1)调频广播信号场强测量时:采用平均值检波方式,频带宽度应选用宽的一档,如120kHz或200kHz,带宽过窄,测量结果偏小。

        2)电视广播信号场强测量时:包括图像场强与伴音场强,图像场强是指同步脉冲调制的图像载波已调波场强。测量电视图像场强时应读取峰值(调幅状况),场强仪调谐到电视图像载波频率,采用峰值检波方式,频带宽度选用宽的一档,如120kHz或200kHz,若频带较窄测量结果偏小。如果场强仪没有峰值检波器,只能读出图像信号平均值场强时,所测结果比峰值检波为小,且检波输出电压将随图像信号平均电平而变化,在测量工作开始前应进行校正,得出峰值场强与平均值场强的差值,然后换算到峰值场强。为简便也可将平均值加上6dB近似为峰值场强。测量电视伴音信号场强与调频广播信号场强一样,读取平均值场强,带宽≥120kHz,若带宽不够时,读取声音间隙时数值为准。

       2.测试记录要求

        1)测量日期、时间、气候。

        2)讯号类别、工作频道或频率。

        3)发射台位置、经纬度、当地海拔高度。

        4)发射功率、天线型式、增益、高度、极化方式、天线馈电损耗。

        5)场强测量频率,场强仪带宽和检波方式。

        6)测量仪器的型号、编号及计量日期。

        7)测量及记录人员名单。

        8)测量点序号、所在地区、地图上正确位置、经纬度、距离、方位、环境条件和海拔高度等。

        9)接收天线型式、架设高度和指向。

        10)时间概率和地点概率及相应的场强统计值。原始记录数据。

       3.场强仪应定期计量,并在每次使用时按操作规程进行校正。场强仪一定要进行周期计量或与经过专门计量过的场强仪进行对比校验,以免仪器不准确得出误判。

      4.注意使用环境温度。场强仪使用时要按照说明书要求的环境条件工作,冬季要注意保温,盛夏要避免直接烈日强晒。

       3.4要注意测量出时间-概率场强时间-概率是当信号随时间变化时,在任一测量位置上,场强达到或超过某给定值的时间相对于观测时间的百分率,称为相应于该给定值的时间概率。

       1.有自动记录仪时,测量欲收讯号场强的时间-概率用50%、90%,测量干扰信号场强的时间-概率用10%、1%。当场强有衰落变化时,应长期测量记录,基本统计时段一般取60min,特殊情况也可用较短或较长时段(如1min、10min或整小时)。欲收信号场强的时间-概率取为50%。视距内的干扰场强的时间-概率取为50%,视距外的干扰场强136广播与电视技术2012年第7期的时间-概率取为10%。

        2.没有自动记录仪时,对欲收信号场强以观测期间较稳定达到的数值作为信号场强实测值,对干扰信号场强则以观测期间能达到的最大值作为干扰信号场强实测值。每次观测时间应不短于1min。

         3.5要注意测量出地点-概率场强场强的地点-概率,指超过某一特定地点-概率的场强值。视距内米波、分米波场强逐点变化,场强的地点-概率用以表征某一小区内信号场强的地点分布状况。“视距”是指在发收天线间的路径完全没有阻挡,从而使地面绕射现象可以忽略不计的距离。50%地点-概率场强是指在某一小区内测量地点总数中,有50%以上测量地点数可达到的场强值。我国调频、电视广播网技术标准规定,信号场强与干扰场强地点-概率均取50%。测点50%地点-概率场强可采用多点测量或监测车测量。在视距内,某测量点上所测米波、分米波场强,为直接波与从地面及地面附近靠近建筑物等或其他物体反射过来的反射波的合成场强。由于测量点邻近区环境影响以及各种障碍物的存在,使测量点附近场强分布较复杂。直接波和反射波之间的相位差,常随不同的测量地点而异。因为米波、分米波波长甚短,如测量位置前后左右稍作移动都会引起读数差异,所测场强就有变化。为能较客观地反映某测量小区的实际场强,可在选定的测量点的小区周围选定若干个测量地点(10~20个),各点之间的距离均匀间隔为5m~10m,然后进行逐个测量,并统计出该测量点50%的地点-概率场强值。

        3.6要注意接收天线架设高度对测量结果的影响目前,国际国内标准都规定,VHF和UHF传播曲线都是以接收天线离地10m高度计算的。所以在测量场强时,最好采用10m高的接收天线测量。但是,用监测车移动测量时,用10m高天线不方便,往往采用较低天线测量,比如4m。在米波段,用高度为10m与用较低天线测量,所测场强值大小与天线高度之间有近乎线性关系,即天线高场强大,天线低场强小。在分米波段,用不同高度天线测量,所测场强大小虽亦随天线高度增加而增加,但一般不成线性关系。

       3.7要注意组合式场强仪读数值要增加6dB问题。随着频谱分析仪、测试接收机等的广泛应用,单一功能的场强仪越来越少,特别是近年来,广播电视移动监测技术的发展,车载式场强测量系统或自行组装场强测量系统,由测量天线与测试接收机或频谱分析仪组成的组合式场强仪得到广泛应用。测试接收机是一种测量级接收机,除高级接收机所具有的一般电路外,还包含校准信号发生器、测量衰减器与输出指示电表等电路。测试天线的测量精度有要求,有严格技术指标,如频率范围,天线增益以及阻抗、驻波比、前后比等等。一副形状简单的接收天线放置在电场分量为E的电磁场内,由电场感应到天线上产生感应电动势,感应电流经馈线电缆送到接收机或频谱仪进行选频测量。在阻抗匹配条件下,接收机或频谱仪读取的电平值是其输入端口(一般50Ω或75Ω)电压Ui(dBμv)。Ui可表示为:E=Ui-Ga-20lgle-Lr+6(2)式(2)中,Ui为接收机输入口的电平值(dBμV);E为电场强度;Ga为接收天线增益(dB),若用半波长偶极子天线则Ga=0dB。le为接收天线有效长度,它是衡量接收天线接收电波能量的能力,对于半波偶极子接收天线Le=λπ。Lr为接收馈线损耗(dB);6(dB)为Ui换算天线输出端开路电压值(dB)。电场强度E(dBμV/m)则可求出:E=Ui-Ga-20lgle+Lr+6举例:设测试频率为471.25MHz(λ=0.64m),接收天线为半波长偶极子天线,Ga=0dB则20lgλπ=20lg 0.6π4=-5.8dB设Lr选用衰减10dB/100m型电缆,实用长度10m时衰减为1dB;若仪表指示电平为40dBμV,则:E=Ui-Ga-20lgle+Lr+6=40-0-(-5.8)+1+6=52.8dB(μV/m)下面分析在天线、馈线和仪器输入阻抗匹配条件下,接收机输入口的电平值Ui比电场强度E值小6dB问题。天线上感应的电动势Ee,内阻为r,当接收机输入阻抗即为天线的负载阻抗R=r时:URi=12 Ee=21 E20lg UE R i=6(dB)电动势Ee的无负载(开路)的输出电压就是E,是天线的输出端的开路电压。接收机或频谱仪电平表读数比场强值低6dB。所以,场强值要在设备读数基础上加6dB,否则,其读数结果比真正的场强值要小6dB。这个结论,不仅适合阻抗匹配的组合式调频电视场强仪,对中、短波组合场强仪同样适用。这种组合式场强仪,最好在系统操作软件中将这6dB固定存进去,以简化操作计算。

        4、结束语：调频电视场强测量是广播电视技术监测经常性的、基础性的工作,是监测技术人员必须掌握的基本技能。为了能准确地测量空中某点无线电波的场强值,须要正确选择和使用标准的测量设备、正确选择测试环境、正确掌握测试方法、不同接收天线高度的高度增益计算方法、组合式场强仪读数的正确把握等,以保证场强测量的科学性、准确性。