電視發(fā)射機(jī)無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[圖]

摘要：為了監(jiān)測廣播電視發(fā)射系統(tǒng)的工作情況，設(shè)計(jì)了電視發(fā)射機(jī)無線監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)中按照我國規(guī)定的監(jiān)測規(guī)范和要求，搭建了系統(tǒng)硬件平臺，并以LabVIEW 為平臺結(jié)合SCPI 開發(fā)了系統(tǒng)軟件。經(jīng)實(shí)地測量驗(yàn)證了本監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性。

近些年，我國電視事業(yè)飛速發(fā)展，廣播電視發(fā)射機(jī)的數(shù)量與日俱增[1].為了保證廣播電視發(fā)送系統(tǒng)能夠正常高質(zhì)量的播出，需要對這些發(fā)射設(shè)備進(jìn)行科學(xué)有效的監(jiān)測和監(jiān)管[2].電視的監(jiān)測主要包括調(diào)頻、電視發(fā)射運(yùn)行狀況與播出質(zhì)量監(jiān)測、視頻信號測量等。目前對視頻信號的無線監(jiān)測是采用無線監(jiān)測臺站進(jìn)行監(jiān)測，需要投入大量的人力物力，監(jiān)測成本極高。但是，如果沒有先進(jìn)的無線監(jiān)測系統(tǒng)，作為省級廣播電視管理部門又很難掌握各地市播出情況。

在這種情況下提出建立一個(gè)經(jīng)濟(jì)有效的無線廣播電視自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)對我省廣電局來說是十分必要的。本文結(jié)合國家相關(guān)監(jiān)測規(guī)范和要求設(shè)計(jì)了一種以Agilent E4402B 為主要監(jiān)測儀器的自動(dòng)測量系統(tǒng)。系統(tǒng)軟件是在LabVIEW 平臺上基于SCPI語言開發(fā)的，從而將智能儀器儀表和計(jì)算機(jī)有機(jī)結(jié)合。本系統(tǒng)能夠提高監(jiān)測工作的效率，減輕無線監(jiān)測人員的工作強(qiáng)度。而且由于硬件和軟件的模塊化，使本系統(tǒng)具有較高的開放、兼容及可擴(kuò)展性和應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

電視信號監(jiān)測場強(qiáng)測量可以使用監(jiān)測車或用攜帶式場強(qiáng)儀，在一個(gè)地點(diǎn)或幾十個(gè)地點(diǎn)作短時(shí)間的測量，如測量電視發(fā)射機(jī)的覆蓋區(qū)、測量發(fā)射天線有效發(fā)射功率等。按照我國規(guī)定的電視場強(qiáng)測量方法，設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 廣播電視監(jiān)測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)測系統(tǒng)由接收天線、頻譜分析儀和計(jì)算機(jī)等構(gòu)成。發(fā)射系統(tǒng)為被監(jiān)測對象，接收天線在發(fā)射系統(tǒng)的有效覆蓋區(qū)內(nèi)。頻譜分析儀通過GPIB 接口卡接收上位計(jì)算機(jī)發(fā)出的程控命令和傳送所測場強(qiáng)數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)中保存、處理和顯示測量結(jié)果。最終利用測得的場強(qiáng)數(shù)據(jù)推算出相應(yīng)的發(fā)射功率。

接收天線： 本設(shè)計(jì)中接收天線選用的是對數(shù)周期天線。這種天線具有很強(qiáng)的方向性，其最大接收/輻射方向在錐底到錐頂?shù)妮S線方向[4].而且對數(shù)周期天線是線極化天線，因此在測量中需先調(diào)節(jié)極化方向，以接收最大的發(fā)射值。

頻譜分析儀： 在射頻電視信號實(shí)際測量中，無線發(fā)射定距離功率測量主要使用電視場強(qiáng)測試儀或頻譜分析儀，其中頻譜分析儀可同時(shí)進(jìn)行多個(gè)頻率的測量。而對電視發(fā)射臺運(yùn)行狀況（ 發(fā)射功率）的監(jiān)測，需要對發(fā)射臺所發(fā)射頻率不同的各套電視節(jié)目同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測，因此本系統(tǒng)選用的是安捷倫E4402B 頻譜分析儀，其頻率范圍9 kHz ~ 3 GHz,量程范圍（ - 150 ~ 30） dBm.

GPIB 接口卡： Agilent E4402B 帶有GPIB 接口，但由于GPIB 不是標(biāo)準(zhǔn)的PC 總線，計(jì)算機(jī)并不直接提供GPIB 接口。因此計(jì)算機(jī)到GPIB 儀器的連接需要通過一個(gè)GPIB 接口卡實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)使用的是Agilent 82357A USB /GPIB 轉(zhuǎn)換接口。該轉(zhuǎn)換接口提供從筆記本或臺式PC 的USB 端口至GPIB 儀器的直接連接。在加載軟件后，計(jì)算機(jī)將自動(dòng)檢測到計(jì)算機(jī)USB 端口的82357A.82357A USB /GPIB 接口是即插即用和可熱插拔的，因此能容易的連接和斷開，而無需關(guān)閉計(jì)算機(jī)也不需要外電源。使用簡單同時(shí)便于室外操作。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2. 1 概述

設(shè)計(jì)好測量系統(tǒng)的硬件之后，要充分發(fā)揮微機(jī)的技術(shù)資源和潛力，開發(fā)友好的中文操作平臺，使系統(tǒng)具有良好的管理與控制性能、具有良好的可用性，就需要很好的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)和設(shè)計(jì)方法。因此需要選擇合適的軟件開發(fā)平臺，設(shè)計(jì)合適的軟件功能結(jié)構(gòu)，以最終實(shí)現(xiàn)測量人員只要通過計(jì)算機(jī)設(shè)置測量參數(shù)，然后運(yùn)行測量程序，即可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和處理，并輸出測量結(jié)果，最后形成測量報(bào)告的設(shè)計(jì)目的。

由于LabVIEW 具有圖形化的編程方式、層次化的編程語言和開放式的開發(fā)環(huán)境，所以本系統(tǒng)選用了LabVIEW 8. 2 為開發(fā)平臺來設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件。采用模塊化和結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方法，將監(jiān)測系統(tǒng)軟件主要分為四個(gè)功能模塊，即GPIB 接口模塊、場強(qiáng)補(bǔ)償模塊、功率計(jì)算模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。

2. 2 自動(dòng)監(jiān)測流程及軟件主界面

自動(dòng)監(jiān)測的流程圖見圖2.測量開始前首先要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，主要包括： 1） 設(shè)置制式為電視或廣播； 2） 設(shè)置頻率； 3） 設(shè)置發(fā)射臺站距監(jiān)測點(diǎn)直線距離； 4） 設(shè)置測量頻道/頻點(diǎn)的告警門限場強(qiáng)值。

圖2 自動(dòng)監(jiān)測流程圖

根據(jù)流程圖設(shè)計(jì)的主界面如圖3 所示。

圖3 監(jiān)測程序主界面。

界面分成上下左右四個(gè)部分。其中，左上界面為設(shè)置電視頻道或調(diào)頻頻點(diǎn)及目標(biāo)場強(qiáng)報(bào)警門限；左下界面是目標(biāo)頻道/頻點(diǎn)發(fā)射設(shè)備的理論功率計(jì)算結(jié)果； 右上界面為目標(biāo)頻道/頻點(diǎn)的場強(qiáng)測量值，每4 s 測量一次，并將測量結(jié)果自動(dòng)存入excel 表格； 右下界面是頻譜分析儀顯示界面，2. 3 軟件模塊設(shè)計(jì)。

2. 3. 1 GPIB 接口模塊

此模塊的功能是控制頻譜分析儀并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。由于安捷倫公司未提供E4402B ESA-E 分析儀的驅(qū)動(dòng)程序，只是明確該設(shè)備與SCPI 代碼兼容，因此本設(shè)計(jì)使用LabVIEW 的VISA 功能傳送SCPI 命令以控制頻譜分析儀。

在GPIB 接口模塊中設(shè)置采集的頻率范圍及掃描方式，并在程序執(zhí)行后讀取E4402B 的數(shù)據(jù)且將其轉(zhuǎn)化成波形顯示，讀取和顯示標(biāo)示頻率對應(yīng)幅值。其部分程序框圖如圖4 所示，可以看出該程序大量地使用了字符串的運(yùn)算操作。事實(shí)上這個(gè)程序只是以LabVIEW 為載體把SCPI 命令以樹的形式傳送給儀器。因此，用LabVIEW 編寫驅(qū)動(dòng)的實(shí)質(zhì)也就是使用LabVIEW 的VISA 功能來連接符合IEEE488 接口的設(shè)備，然后使用其字符串運(yùn)算功能來傳輸SCPI 命令到智能儀器儀表，并最終達(dá)到控制儀器儀表的目的。

圖4 GPIB 模塊程序框圖

2. 3. 2 場強(qiáng)補(bǔ)償模塊

此模塊的功能是補(bǔ)償頻譜儀測量的4 個(gè)頻道/頻點(diǎn)相對應(yīng)的數(shù)據(jù)。

對于電視，因所用頻帶較寬，所以每個(gè)頻道都有其各自對應(yīng)的補(bǔ)償參數(shù)。在程序內(nèi)部使用條件結(jié)構(gòu)選擇要監(jiān)測的頻道，使用對應(yīng)的補(bǔ)償參數(shù)來補(bǔ)償該頻道的測量場強(qiáng)值。

對于廣播，本設(shè)計(jì)中所使用的天線為900E 型標(biāo)準(zhǔn)測量天線。因此對調(diào)頻段的場強(qiáng)補(bǔ)償為2 dB,可以輸入調(diào)頻段的任意頻點(diǎn)，進(jìn)行測量。

2. 3. 3 功率計(jì)算模塊

由于河南省以平原為主，因此可利用維建斯公式和測得的場強(qiáng)值對服務(wù)區(qū)內(nèi)發(fā)射機(jī)的功率進(jìn)行預(yù)測。此模塊中，發(fā)射機(jī)的功率預(yù)測利用公式節(jié)點(diǎn)來完成。計(jì)算所得發(fā)射機(jī)功率從輸出端口輸出，如圖5 所示。

圖5 功率計(jì)算程序框圖

2. 3. 4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

此模塊的功能是將測量數(shù)據(jù)保存到指定位置的excel 文件中。

3 實(shí)際監(jiān)測結(jié)果及分析

利用本系統(tǒng)，對河南省廣播電影電視局周口骨干發(fā)射臺站進(jìn)行監(jiān)測�？紤]到廣播電視無線發(fā)射電磁波的方向性，測量點(diǎn)的天線應(yīng)對準(zhǔn)發(fā)射塔的位置，并選擇相對比較開闊的平整的區(qū)域，監(jiān)測點(diǎn)到發(fā)射臺站沒有高山或大型建筑。

實(shí)測1: 2010 年3 月17 日下午3 點(diǎn)，對周口骨干發(fā)射臺8、12、24 和47 頻道進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)射天線掛高200 m,距離發(fā)射塔約50 km.表1 為監(jiān)測中的測量值與實(shí)際值的比較。其中，監(jiān)測誤差百分比代表的是實(shí)際功率和監(jiān)測功率的差與實(shí)際功率的比值。而實(shí)際功率百分比指的是實(shí)際功率與額定功率的比值。

表1 被測頻道測量值與實(shí)際值比較

從測量結(jié)果可以看出，8頻道與47 頻道發(fā)射功率與額定功率相差不大，而12 頻道和24 頻道的發(fā)射功率明顯低于額定功率。當(dāng)晚，在周口骨干發(fā)射臺得知，12 頻道當(dāng)天出現(xiàn)故障實(shí)際功率僅有3. 2 kW,24 頻道4 組末級功放1 組未工作。

由于監(jiān)測地距離發(fā)射機(jī)約有50 km,電磁環(huán)境較為復(fù)雜，誤差在所難免。按照我局對無線發(fā)射臺站的要求，實(shí)際發(fā)射功率不得低于額定功率的30%.所以，這套無線發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測門限是額定功率的30%以下告警。所以在監(jiān)測過程中，上述被監(jiān)測的4 個(gè)頻道中，8頻道與47 頻道發(fā)射功率是符合要求的，在主界面上無告警顯示； 而12 頻道和24 頻道由于各種原因，發(fā)射功率未能符合要求，在主界面將顯示告警。

實(shí)測2: 2010 年11 月29 日下午2 點(diǎn)，在商丘骨干發(fā)射臺距離發(fā)射塔500 m 的位置，監(jiān)測42 頻道的功率發(fā)射情況。其中，測量功率與實(shí)際發(fā)射功率，及誤差情況如表2 所示。

表2 監(jiān)測設(shè)備誤差

表中最大誤差是1 kW 時(shí)功率誤差百分比為2%,符合廣電總局規(guī)定的無線監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測功率與實(shí)際功率誤差不得超過25%的要求。

4 結(jié)束語

本文所設(shè)計(jì)的廣播電視監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)。利用本系統(tǒng)硬件平臺和基于LabVIEW 開發(fā)的系統(tǒng)軟件，對河南省廣電局周口骨干發(fā)射臺和商丘骨干發(fā)射臺無線發(fā)射信號進(jìn)行監(jiān)測，并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和計(jì)算。從而驗(yàn)證了該自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性，是一種適合現(xiàn)場應(yīng)用的系統(tǒng)。