广播发射和监测技术应用要点

桂林广播电视发射台：薛松

广播作为传统媒体形式，通过无线电波传播信息，成为人们获取各类新闻、音乐、文化等信息的重要途径。然而，在广播传输过程中，广播发射技术和广播信号监测技术的应用显得尤为重要。广播发射技术旨在提高广播信号的传输质量和扩大覆盖范围，以确保信息的准确传达。而广播监测技术则致力于监测和维护广播发射设备的运行状态，以保障广播信号的稳定性和可靠性。本文探讨了广播发射技术与广播监测技术的应用要点，深入研究了其在提高广播质量、解决设备故障等方面的作用和效果。通过对这些关键技术的剖析，可助推广播行业的快速发展，提升广播传输的效率和可靠性，满足人们对高质量广播信息的需求。

1. 存在的问题

1.1 广播发射技术问题

1.1.1 信号质量不稳

传统广播技术在面临干扰和衰落等因素时，信号质量往往表现出不稳定性。这种不稳定性主要是由于外界干扰、多路径传播和电磁波衰减等原因引起的。外界干扰包括来自其他广播发射站、无线电设备和自然电磁波源的干扰信号。当这些干扰信号与广播信号重叠，它们会相互干扰，导致广播信号质量下降。此外，由于多路径传播现象，广播信号在传输过程中会经历多个传播路径，导致不同部分的信号相互干扰，进一步降低了信号质量。另外，电磁波在经过传播介质时会遭遇衰减，造成信号强度下降。因此，在不同位置和条件下，接收到的广播信号强度可能存在差异。

1.1.2 覆盖范围有限

传统广播技术在覆盖范围方面存在一定的限制，难以满足人们对广播信息的广泛需求。主要原因包括传输信号的衰减、多径效应和地理阻隔等。广播信号在传输过程中会遭受衰减现象。电磁波在传播过程中会与周围环境发生相互作用，导致信号强度逐渐减弱。这种衰减对于远离发射站的地方尤为明显，使得信号难以达到远距离，从而限制了广播技术的覆盖范围。其次，多径效应也对广播信号的覆盖范围产生影响。在传播路径中，信号可能通过不同的路径到达接收点。由于路径的不同长度和传播特性的差异，这些信号可能出现相位差异或干涉现象，导致信号的变形和衰减。这种现象尤其在城市区域和山区等复杂环境中更为明显，限制了广播信号的覆盖范围。

1.2 广播监测技术问题

1.2.1 信号强度较低与频率不准

广播监测过程中可能会遇到两个主要问题，即信号强度较低和频率不准确。这些问题可能由多种因素引起，包括传输链路的质量、设备故障以及干扰源等。信号强度较低问题可能是由于信号传输链路中存在质量问题造成的。信号在传输过程中可能经历多个步骤，包括发射、传播和接收等。其中任何一个环节发生故障或存在缺陷，都有可能导致信号强度下降。例如，发射站的发射功率不足、天线损耗、传输线路的衰减以及接收设备的故障等都可能导致信号强度较低。

1.2.2 抗干扰性能处于较低水准

广播监测可能受到无线电频谱上其他无线设备发送的干扰信号的干扰。随着无线设备的普及和增多，频谱中的竞争程度也在加剧。其他无线设备可能与广播监测设备共享同样的频段，从而产生相互干扰的问题。此种干扰可能会混杂在广播信号中，导致信号质量下降，使得监测结果不准确。其次，环境干扰也是广播监测中一个显著的问题。当监测设备部署在城市等复杂电磁环境中时，周围物体、建筑物和天气等因素都可能对接收信号造成干扰。这些干扰因素会引起信号衰减和传播路径的变化，进一步影响监测设备的抗干扰性能。

2. 解决对策

2.1 广播发射技术问题的解决对策

2.1.1 加强环境分析与噪声处理技术，提高信号质量稳定性为了加强环境分析，在广播发射站周围建立合适的监测系统，对环境中的干扰源进行实时监测。这些干扰源包括其他广播发射站、无线电设备以及自然电磁波源等。监测系统可以使用广义多途径分布表现方式来评估不同频率下的多径传播特性，进而预测信号衰落和相位差异。此外，还可以利用幅度时延关系图谱（ADTF）进行环境特征分析，以更好地了解信号在不同位置和条件下的变化情况。ADTF通过观察信号在不同时延和频率上的幅度变化，反映了信号在传播路径上的衰减和传播时间的变化。其数学公式可以表示为：

式（1）中，A（t，f）为在时刻t和频率f处的信号幅度，S（t，f）为信号的时频分析结果。通过计算信号的幅度平方，可以得到ADTF图谱，用于描述信号在时延-频率空间中的幅度分布情况。ADTF图谱可以显示出主导信号（直射波）和多径传播引起的干扰信号之间的时延差异和幅度差异，以及它们在频率上的变化。当接收到的信号源或接收器本身移动时，产生的多普勒效应会导致信号频率的变化。ADTF图谱可以反映信号频率随时间变化的情况，提供关于信号传播中多普勒效应的信息。

其次，在噪声处理方面，采用合适的滤波器和降噪算法来消除外界干扰信号。传统的滤波器可以根据干扰信号的频率特征进行设计，如低通、高通、带通等滤波器，这有助于去除掉与广播信号频率不匹配的干扰。此外，自适应滤波器技术可以根据实时接收到的信号，自动调整滤波器参数，以动态地抑制干扰信号和保留广播信号。另外，引入先进的降噪算法，如小波降噪、维纳滤波等，可以有效减少噪声对广播信号的影响。

式（2）中，W为小波系数，threshold为设定的阈值，W_soft为经过软阈值处理后的小波系数。硬阈值（Hard Thresholding）则是一种将小于某个阈值的小波系数置零，而保留大于阈值的小波系数的方法。硬阈值处理公式如下：

式（3）中，W为小波系数，threshold为设定的阈值，W_hard为经过硬阈值处理后的小波系数。在小波降噪过程中，根据信号的特点进行实际应用时，需要确定合适的阈值，以实现对噪声的抑制和信号的恢复。为了提高广播发射信号质量的稳定性，还可以考虑优化发射机构和天线系统的设计。可通过提高发射功率来增加信号强度和稳定性。小波降噪和广播发射信号质量稳定性效果见表1。

表1 小波降噪和广播发射信号质量稳定性效果

如表1 所示，启发式阈值选择方法在降噪效果（PSNR）和信号质量（SSIM）方面表现最好，其PSNR达到了28.3 dB，SSIM达到了0.92。与之相比，SNR阈值和基于统计的阈值选择方法分别达到了25.6 dB和27.1dB的PSNR，以及0.89和0.90的SSIM。而无阈值选择（原始信号）情况下的PSNR和SSIM较低，分别为20.3 dB和0.79。通过对小波降噪和广播发射信号质量稳定性的数据分析，可以得出，启发式阈值选择方法在降噪效果和信号质量方面表现最佳。这涉及选用高功率和高效率的放大器设备，并对其进行合理的调整和校准。同时，通过改进天线的设计，如增加天线增益和方向性，优化天线架设的高度和角度等，更好地收集和发射广播信号，提高信号的强度和稳定性。

2.1.2 借助网络传输技术手段，弥补信号传输产生的信号衰减在解决广播发射技术中信号覆盖范围有限的问题时，借助网络传输技术手段可以弥补信号传输产生的信号衰减。通过将广播信号转换为数字信号并利用互联网进行传输，可以扩大信号的覆盖范围，同时提高信号质量和稳定性。首先，借助网络传输技术手段可以通过建立多个转播站点或中继站点来传输广播信号。这些站点位于原始信号发射站点附近，可以接收到原始信号，并将其转换成数字信号，然后利用互联网进行传输。在传输过程中，可以采用数据压缩技术和错误纠正编码技术来保证信号的完整性和稳定性。这些技术能够有效地减少数据量，提高传输效率，并且能够纠正或检测传输过程中可能引入的错误。数据压缩技术（如无损压缩和有损压缩）可以通过删除冗余信息、利用数据的统计特性等方式减小数据的体积。一种常见的数据压缩技术是哈夫曼编码，其公式如下：

式（4）中，C为平均压缩码长，P（x）为数据符号x出现的概率，len（x）表示数据符号x的编码长度。错误纠正编码技术是一种能够纠正传输过程中产生的位错误的编码方法。其中，海明编码是一种常见的错误纠正编码技术。海明编码根据所需的纠错能力，将原始数据进行编码后加入冗余信息，以便在接收端进行纠错，从而实现对错误的检测和修复。其次，利用网络传输技术可以通过构建广播网络来弥补信号传输产生的信号衰减。在网络传输过程中，可以使用适应性调制和编码技术来适应信道的变化，通过在不同地区部署边缘节点，广播信号可以通过CDN实现远距离传输。用户首先向根DNS服务器发送域名解析请求，根DNS服务器将重定向到CDN节点网络层中的智能CDN域名服务器上。CDN域名服务器通过分析各个网络线路的拥堵情况和负载情况，选择最适合的CDN节点服务器IP地址，并将其返回给根DNS服务器。CDN（内容分发网络）节点和DNS（域名系统）重定向技术应用情况见表2。

表2 CDN（内容分发网络）节点和DNS（域名系统）重定向技术应用情况

如表2所示，通过应用情况得出CDN节点和DNS重定向技术在不同场景下的应用情况，以及它们在广播信号获取和用户访问引导方面的百分比信息。这些数据有助于了解和优化CDN和DNS在内容分发网络中的应用。用户接收到CDN节点的IP地址后，直接向CDN节点服务器发送请求获取广播信号内容。CDN的访问过程依赖于DNS的重定向技术，通过将用户定向至离其最近的边缘CDN节点服务器，实现了远距离传输。这种基于地理位置的选择可以减少信号传播过程中的时延和衰减，提高传输的速度和可靠性。

2.2 广播监测技术问题的解决对策

2.2.1 定期检查和维护广播设备，提高设备信号强度

定期检查和维护广播设备是提高设备信号强度的重要措施。通过定期检查设备的工作状态、调整设备参数以及进行必要的维护保养，定期检查所有通信设备，包括连接终端、电费抄表仪、射频收发机等。应检查通信设备是否机械损伤，连接金属部件是不是松动、变形或者丢失，电缆成组是不是变熔，连接接口的锁卡是不是有松动等现象。

首先，在定期检查和维护过程中，需要检查广播设备的硬件组件是否完好，如发射机、天线等。对于发射机来说，需要检查发射功率是否符合规定，同时检查放大器和滤波器等组件的工作状态。对于天线来说，需要检查天线的连接是否良好，天线接地是否正常以及天线的方向和角度是否正确。例如，一种同步执行的有序广播，当广播发出后同一时刻会有单独的广播接收器能够收到广播，当这条广播执行完毕以后才能继续传递。所有的广播接收器都必须有先后顺序。能够同步执行的有序广播见图1。

图1 有序广播

例如，发射机A的发射功率、放大器和滤波器的工作状态都为正常，没有需要维修或更换的问题。而对于天线B，连接状态良好，接地状态正常，方向与角度也正确，无需维修或更换。在检查过程中发现任何损坏或故障，需要及时进行相应的维修或更换操作。这有助于保证广播设备的正常运行，确保信号传输的质量和稳定性。

其次，在设备的调参和校准过程中，需要定期调整发射机的工作频率和频率偏移，确保广播信号在正确的频率上运行。

最后，广播监测技术还需要建立完善的设备管理和监控系统。通过远程监控和实时数据采集，可以及时获取设备的工作状态和运行情况，包括工作功率、温度、故障报警等指标。同时，可以设置定期自动巡检和维护计划，确保设备的正常运行和及时处理潜在问题。

2.2.2 采用频谱管理与资源共享机制，减少不同设备之间的频谱冲突

采用频谱管理与资源共享机制是减少不同设备之间的频谱冲突的有效途径。频谱是有限的资源，不同设备之间的频谱使用需求可能会发生冲突，影响设备的正常工作。通过合理的频谱管理和资源共享机制，可以协调不同设备之间的频谱使用，提高频谱资源的利用效率，减少频谱冲突。

首先，频谱管理是减少频谱冲突的基础。频谱管理包括频谱监测、频谱规划和频谱分配等环节。通过频谱监测，可以实时了解当前频谱使用情况，及时发现频谱冲突的可能性。频谱规划将频谱资源进行合理地划分和分配，确保不同设备之间的频谱需求得到满足。频谱分配则根据设备的需求和优先级，将可用的频谱资源进行分配，避免频谱的重叠使用。主用户网络频谱管理与共享流程见图2。

图2 主用户网络频谱管理与共享流程

如图2所示，业务接口获取的次用户的业务信息以及自身的业务分布，确定频谱中频率资源的释放权值，并根据所述频率资源的释放权值，释放满足次所述次用户需求的频率资源。该行为提高了频谱的利用率，降低了此用户对频谱感知的额外开销，增强了次用户网络的业务提供能力。

其次，资源共享机制是减少频谱冲突的核心。资源共享机制通过协商、协议或者技术手段，实现频谱资源的共享和利用。当多个设备共同使用同一频段的频谱资源的情况下。通过合理规划和分配共享频谱，可以提高频谱利用效率，降低频谱冲突的风险，确保频谱的合理利用和公平分配。

3. 结束语

广播发射和监测技术的应用是为了实现向特定受众传输清晰、稳定的音频信号的目标。先进的调频和调幅技术、优化的天线设计和信号处理算法的引入，具有改善广播信号质量、扩大覆盖范围和提高抗干扰能力的显著效果。通过实地测试和数据分析，广播发射和监测技术的应用能够为广播电视行业提供更好的广播服务，满足人们对广播信息的需求，推动广播行业的发展与进步。