一种广播电视信号功率低空辐射测试系统

孙天娇，周 霞，石庆琳，董思乔，通讯作者

（1.国家无线电监测中心上海监测站，上海 201419；2.国家无线电监测中心，北京 100037）

0 引言

广播电视在用设备检测是我国无线电管理的重要手段之一，现已取得了长足的发展和显著的成绩，通过对在用设备的检测，可以及时发现并妥善处理设备因长时间使用导致性能恶化而对其他设备产生的有害干扰，维护空中电波秩序[1]。

我国广电台站在用设备的检测工作长期使用耦合口传导测试[2-3]，即通过频谱仪连接广电发射机耦合口，读取频谱仪测得的功率数据，再通过与耦合口的耦合组相加得出发射机功率，该方法应用广泛，但在实际检测工作中存在一些难题。一是检测工作的协调难度大，目前的技术手段决定了相关检测人员必须在广电台站现场才能开展检测工作，与广电部门协调检测时间、场地和人员的问题存在诸多不便。二是检测工作的效率有待提高，我国县级以上地区均有各自的广播电视台站，数量庞大，分布广泛，有些更是地处偏远，交通不便，而基层检测人员数量有限，装备匮乏，导致检测效率不高。三是部分被测设备关键参数失实，在实际工作中发现，部分被测设备耦合口无耦合系数，甚至无耦合口，导致测试精度大大降低，结果的可信度受到挑战。四是检测结果不能反映系统的真实性能。台站发射系统的性能由发射机、天馈共同决定，以往仅仅采用传导方式测量发射机功率，无法客观反映其发射功率对空间产生的影响。近年来，随着无人机小型化、智能化的发展，使用无人机搭载测试设备升空进行辐射测试得以实现，无人机材质多为碳纤维材料，可以极大地避免金属材质对接收设备性能产生的不良影响[4]。因此，本文设计了一种借助无人机运载平台在低空开展辐射测试的系统能够有效解决上述问题。

该系统通过在空间接收发射信号，利用空间损耗模型计算并修正周围环境产生的干扰，得到广电发射天线端的EIRP。与传导测试方法相比，辐射测试方法能够有效解决因耦合度缺失、耦合口缺损导致测试无法进行的情况，使测试工作能够正常开展。借助无人机搭载检测设备做平台，与地面架设设备检测相比，具有场地局限小、电磁环境好的优点。

1 辐射测试基本原理

接收天线收到被测台站发射信号功率为Pr，则电视信号台站的等效全向辐射功率（EIRP）为[5]：

式中，Lr为接收馈线及连接器的传输系数；A为传播路径损耗修正公式，其中包含天线增益、空间损耗、反射、散射等因素。在自由空间中，接收天线最大方向对准直射波信号，则：

式中，fMHz为电磁波信号的中心频率（单位：MHz）；dkm为发射信号到接收天线所经历的路程（单位：km）；Gmax为天线最大方向上的增益（单位：dB）。由此可知，当测得空间中任意一点的发射信号功率值，就可以通过公式计算电视信号台站的等效全向辐射功率。

在实际低空测试中，接收端不但接收到发射信号的直射波，同时也接收到不同方向的反射波和散射波。这些信号会与直射波进行叠加，从而使接收到的信号数值产生偏离，导致误差[6-7]，如图1所示。本系统通过多次测量采集数据，再根据不同信号类型的数据采取不同的取值方法，最后使用可以减小误差的修正算法进行计算，得出发射端的EIRP。

图1 实际台站测试面临的复杂电磁环境

2 系统设计及实现

基于无人机平台的广播电视信号辐射测试系统包括无人机子系统、机载测试子系统、地面控制子系统。

2.1 无人机子系统

无人机子系统主要由自动驾驶仪、磁罗盘、GPS接收机、陀螺仪、动力装置和通信装置组成，如图2所示。无人机子系统凭借动力装置将测试设备运送到指定测试地点，机上磁罗盘提供机头方向信息，GPS接收机提供无人机空间位置信息，陀螺仪提供飞行姿态信息。自动驾驶仪通过这些信息判断无人机的飞行状态，并产生相应的指令调节动力装置的输出功率进行调整，完成飞行状态的变更和保持。同时，自动驾驶仪通过通信装置接收飞行人员的遥控信号，并将搜集的位置、姿态和方向信息传递给飞行人员及机载测试设备，为飞行人员操纵无人机和电视信号测试结果的计算提供数据依据。

2.2 机载测试子系统

图2 无人机子系统结构图

机载测试子系统主要由电源、计算机、测量接收机、接收天线和通信装置组成，如图3所示。接收天线接收被测信号的电磁波，并将其转换为电信号传输到测量接收机中。测量接收机在计算机的控制下对接收天线接收的测试信号进行分析和处理，并向处理后的结果传输到计算机中。计算机一方面通过通信装置接收地面测试人员的指令，实现对测量接收机的控制；另一方面接收无人机的定位信息，再结合由测量接收机输入的原始测试数据对进行测量结果的计算、存储和显示。电源为计算机和测量接收机供电。

图3 机载测试子系统结构图

2.3 地面控制子系统

地面控制子系统由飞行遥控器、地面战、测试控制计算机和通信装置组成，如图4所示。无人机驾驶员使用飞行遥控器对无人机进行控制。地面站连接通信装置接收无人机的飞行状态信息供无人机人员监测飞行状态，同时无人机驾驶员可通过地面站导航功能对无人机的飞行路线，姿态进行预先设置，实现无人机的自动导航飞行。测试控制计算机连接通信装置，通过远程桌面的方式控制机载检测系统中的计算机，从而实现对机载测试子系统的远程控制。

图4 地面控制子系统

2.4 系统测试软件

测试软件主要对测量数据进行处理、分析、计算，最终得到发射端电视信号EIRP。电视信号传播路径损耗修正公式是软件的核心算法，通过输入天线方向图及增益、接收点距发射端的水平距离和相对高度、接收信号频率、接收信号功率等参数，测试软件将自动计算出发射端电视信号的EIRP。

2.5 系统实现

无人机总重量越小，滞空时间越长，测试工作的持续性越好。机载测试子系统的轻量化有助于提高整个系统的工作时长，因此，系统各单元在满足各自的性能要求下，重量要足够轻，系统各单元性能要求及选型如下：机载计算机采用同时重量轻、独立供电、具备USB3.0接口、带有独立显示功能及独立输入设备的平板计算机；机载测量接收机采用的是重量轻且体积小的手持或微型接收机；机载接收天线选用重量轻、方向性强、工作频带宽、增益高的对数周期天线[8]。综合考虑后，最终选择八旋翼无人机及其配套设备作为无人机子系统，如图5所示。

图5 八旋翼无人机

3 实际测试与分析

为验证测试系统的稳定性和测试精度，测试实验分别选取了河南某实际台站广播电视信号进行测试。

3.1 实际测试过程简述

电视信号低空辐射测试过程示意图如图6所示，接收天线接收到电视信号台站发射的电视信号电磁波信号转换为电信号传送到测量接收机，测量接收机对信号进行采样、分析，得出功率参数后传送至测试软件，测试软件对数据进行计算，得出台站发射天线端口的发射功率，并将结果存储在机载计算机中。

图6 电视信号功率辐射测试过程示意图

3.2 实际测试步骤

本文提出的广播电视辐射系统测试步骤如图7所示。首先，测试前要选取能够直视被测台站发射天线的开阔场地架设设备，测量接收天线与发射天线的距离；然后调整接收天线极化方式使其与发射天线极化匹配，并将被测台站业务类型、中心频率、距离等数据输入系统，系统将自动进行数据采集、取值计算、误差修正计算，并显示及存储测试结果。

图7 广播电视辐射系统测试步骤图

3.3 实际测试实验

在郑州广电发射塔的测试过程中，选择了1个接收点进行测试，具体信息见表1。

表1 测试基本信息

被测台站EIRP、实测EIRP及误差参数见表2，其中，EIRP标称值=传导测试发射机功率-馈线损耗-分配损耗+发射天线增益。

表2 郑州广播电视发射塔部分电视信号实测功率

运用研究过程中得出的测试系统、方法和算法进行实际台站测试验证后发现，在功率测试验证中，18组功率测试结果中有17组误差范围控制在3 dB及以内，有1组数据误差范围在略高于3 dB。较好的满足功率测试精度要求。

4 结束语

本文设计了一套广播电视信号功率低空辐射测试系统，解决了地面架设测试天线进行辐射测试时选址困难，测量误差较大的问题。该系统利用无人机携带测试设备在远离地面复杂环境的低空开展测试，降低了反射和散射信号的干扰。实际台站测试验证表明，其稳定性、测试精度均满足要求。与传统的地面辐射测试系统相比，基于无人机的电视信号功率测试系统选址范围广，测试误差低，测试效率高，对丰富广播电视台站测试手段，提升无线电管理水平有着重要意义。