广播电视发射机覆盖效果分析研究

宁海斌

国家新闻出版广电总局无线电台管理局　北京市　100045



广播电视发射机覆盖效果分析研究

宁海斌

国家新闻出版广电总局无线电台管理局北京市100045

【摘要】本文主要对播出质量监测中在播发射机播音覆盖效果热图形成技术进行了研究，阐述了播音覆盖效果热图的计算原理，播音覆盖效果热图的生成过程及其重要意义，探讨了播出质量数据可视化监测的发展方向。

【关键词】播出质量REC533太阳黑子数覆盖效果热图

1　引　言

随着新信息技术的不断应用，广播电视监测技术发展迅速，播出运行监测手段不断丰富，监测范围越来越广泛和深入，已成为安全播出保障的重要支撑。发射台站播出监测的主要内容包括节目源传输设备、发射设备、天馈线、电力设备、运行环境、播出质量效果等各个环节，覆盖区域效果和核心元器件的监测是广播电视传输发射从业者的研究重点。

随着大数据、云计算等新信息技术的快速发展应用，播出设备的运行监测开始从IT化向DT化转变，其中广播电视传输发射设备运行状态的监控主要通过对安全传输发射管理与自动化控制的各独立系统的联动分析，利用台站数据采集客户端及有效数据交换平台，将台站数据汇集到具有统一存储、运算与共享能力的数据库中，实现数据挖掘和可视化展示，提供传输发射设备运行状态监测和安全播出辅助决策服务，是当前安全播出管理的重要组成部分。

覆盖区域效果的实时反馈可以直观地监测和展示发射台站的播出效果。覆盖效果热图主要采用REC533程序软件进行计算，计算出各测试点的场强值等随时间变化的信息，并直观地用颜色区分绘制出正在播出的发射机覆盖效果热图。而播出质量监测主要用于实现在集中监控中心对所有发射机的播出运行的实时监测，加快播出信息反馈速度，能够在播出机房第一时间发现问题，及时指挥调度，进行应急处置。发射机播音覆盖效果热图主要是将发射机实时播出质量数据进行挖掘处理，实现播出覆盖效果的可视化监测和展示，对于增强应对突发事件能力，提升安全传输发射保障能力有着重要意义。

2　相关原理

发射机覆盖效果热图展示了当前正在播音发射机的实时播音覆盖范围、信号强度等播出质量信息，相关原理主要涉REC533计算机程序软件和太阳黑子数这一重要参数。发射机播音主要为天波传播，REC533程序主要针对天波传播模型，太阳黑子数对发射机覆盖效果及信号强度有着重要影响。

2.1REC533

美国电信科学研究院基于ITU-R P.533建议书编写了HF预测软件包，ITS计算机程序REC533程序软件基于ITU-RP.533建议书，并结合HF电波传播特性对短波通信传播进行路径预测和建议，包括场强覆盖、传播路径、最佳频率等。

天波信号由天线发出后，通过在电离层与地面之间的多次反射实现远距离传输。电波在电离层发生全反射的条件为：

从公式（1）可以看出入射角、电子浓度和频率的关系。电波工作频率的选择是影响通信质量的关键性问题，若频率太低，则电波被电离层吸收增多，不能保证必须的信噪比；若频率太高，电波会穿透电离层，不会发生反射。因此，选择最佳的通信频率对改善短波通信质量有着重要意义。电波进入电离层的角度称为入射角，对通信距离有着很大的影响。入射角的选择应保证电波既不穿过电离层又不被电离层吸收。当一定频率的电波进入电离层后，电子浓度越大则入射角越大。太阳是电离层的主要能源，电离层的电子浓度等状态与太阳活动有着密切联系，随日夜、季节变化和太阳黑子的周期活动而变化。电离层大致可分为D层、E层、F1层、F2层，因此，短波传播通信电路存在多种传播模式。

REC533程序首先根据已知确定的经纬度、发射时间和相应的太阳黑子数计算出通信距离，再从数据库获取系统参数（包括发射功率、天线程式等）。基于国际电联ITU-R P.533建议书和短波传播特性，预测整个传播路径、最低最高可用频率，并根据输入参数分析电波频率传播时的路径模式，计算得到24小时内（REC533程序采用UT标准时间）最佳可用频率变化图，以及场强值随时间不断变化的情况。使用者可以根据预测结果对短波电台频率进行选择优化，改善通信可靠性和质量。

2.2太阳黑子数

太阳黑子活动对于短波通信，特别是天波的通信具有重大影响。天波通信主要通过大气电离层反射传播。地球高层大气的分子和原子，在太阳紫外线、X射线和高能粒子的作用下电离，产生自由电子和正、负离子，形成等离子体区域即电离层。电离层从宏观上呈现中性。电离层的变化，主要表现为电子密度随时间的变化。而电子密度达到平衡的条件，主要取决于电子生成率和电子消失率。

电离层受很多因素影响，最主要的因素还是太阳。而太阳对电离层影响最大的是太阳黑子和耀斑活动。每当黑子增多时，太阳的耀斑也频频出现。耀斑会辐射出大量的高能射线。当它到达地球的大气层外层时，就使原来外层空间的电子数目剧增，而无线电短波通讯正是依靠大气外层空间的电子反射电波进行的。如果外层空间电子数目增多，无线电短波通过时，就会受到增多的电子的干扰，这就使无线电短波通讯大为减弱，以致全部中断。其主要产生如下问题：

（1）电离层突然骚扰。太阳在黑子和耀斑活动剧烈时产生大量紫外线和X射线使电离层电子密度增大，使通信中断。

（2）电离层暴。F2层状态异常变化。

（3）极盖吸收。由耀斑产生的高能质子由于磁力线沉降到极地，使极地大气发生电离，电子浓度增大，吸收电磁波。

太阳黑子的平均活动周期为11年，在计算播出覆盖效果时主要从官方天文网站获取每月的太阳黑子数数据，并输入到计算程序中。

3　播音覆盖效果热图

播音覆盖效果热图是将发射机播音时信号覆盖强度直观地用颜色进行区分，颜色越深表示发射机播音覆盖效果越强，反之，则发射机播音覆盖效果越弱。播音覆盖效果热图的生成主要包括发射机播音信号场强值计算和绘制覆盖效果热图两部分。

3.1场强计算

（1）发射机播音覆盖效果的场强主要利用REC533计算机程序软件进行计算，主要计算过程如下：

①生成输入文件

输入文件有3个：season.xmt、season.dat和cirafp.xxx。其中，season.xmt中定义了发射地点、经纬度、天线程式、发射功率等参数；season.dat中定义太阳黑子数、发射时间、发射地点、经纬度、发射模式、频段等参数；cirafp.xxx中定义了需要计算的测试点信息。为保证计算结果的可靠性，测试点的确定方法为：将东经180°和西经的180°之前的360°经度每三个经度取一个测试点；南纬90°与北纬90°之间的180度经度每三个纬度取一个测试点，共7200个测试点。

②计算并生成输出文件

REC533计算模块读取season.xmt、season.dat 和cirafp.xxx三个输入文件，进行电路计算，生成输出文件CIR_0000.out。CIR_0000.out文件中列出每个测试点的按不同频段划分的场强、可靠度等值。输出文件如图1所示。

图1　REC533程序输出文件

其中测试点编码中包含经纬度等输入参数信息，时间为UTC标准时间，FS表示测试点不同频段的场强值，BCR表示可靠度。

（2）根据以上分析的结果，制定了ITU HFBC REC533集成封装方案。包括如下三个模块：

①计算输入接口

从数据库中读取发射参数等数据转化成season.xmt和season.dat文件，把覆盖区域的数据转化成cirafp.xxx文件。计算输入接口代码示意如下：

Void makeInputData（InputData data）

在c：ituhfbc un目录下创建season.xmt、season.dat、cirafp.xxx文件；

从data从提取相应的数据写到season.xmt、season.dat、cirafp.xxx文件中；

②调用计算模块

调用rec533b.exe程序进行计算。计算模块调用代码示意如下：rec533b.exe调用方式：

Void calculate

调用c：ituhfbcin_win目录下的rec533b.exe程序，生成输出文件CIR_0000.out。调用方式：c：ituhfbcin_win ec533b.exe C：ITUHFBC；

③计算输出接口

从输出文件CIR_0000.out中按照测试点取值，得出每个测试点的场强、可靠度预测值，并将计算得到的数据转化成系统需要的格式。计算输出接口代码示意如下：

OutputData getOutputData

从c：ituhfbc un中读取CIR_0000.out文件，获取相应数据；

每调用一次计算模块最多可计算911个测试点，所以计算过程中采取并行计算的方式进行计算。

3.2生成热图

发射机播出覆盖效果热图绘制时，采用矢量世界地图，矢量图的尺寸应设置成1440px* 720px。矢量图按像素进行坐标划分，将REC533程序计算出的输出文件中测试点的经纬度转换为矢量图中的坐标点，测试点的场强即为该坐标点的场强。利用不同颜色区分场强强弱，颜色越深表示场强越强，反之，则场强越弱。以测试点为圆心，20像素为半径画圆。每个圆的透明度随着距圆心的距离发生渐变，距圆心的距离越远透明度越高，各测试点圆的颜色进行效果叠加。由于有效播音覆盖的场强不低于，所以最终热图中只取REC533程序计算出的7200个测试点中场强不低于的点绘制播音覆盖效果热图。最终生成的播音覆盖效果热图如图2所示。

图2　播音覆盖效果热图

4　结　论

广播电视节目的覆盖效果监测分析需要综合多方面因素。进行覆盖效果热图分析时，除需要分析发射机功率、天线等数据外，需对传输发射设备基础设施信息进行数据化，利用大数据建模，将业务流程、经验、知识模型化，将经验、知识转换为数学模型。通过机器学习和实践相结合的思路，建立起维护业务的智能模型，做到维护经验和知识的沉淀及传承。这样，我们的维护能力将越来越强，更好地使广播电视传输的播出效果实现最大化。

参考文献

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审稿人：严志刚内蒙古新闻出版广电局包头广播发射中心台正高级工程师

责任编辑：王学敏

【中图分类号】TN932

【文献标识码】A

【文章编号】2096-0751（2016）05-0022-04

作者简介：宁海斌国家新闻出版广电总局无线电台管理局高级工程师