第4頁共20頁P(yáng)AGEPAGE4微波接力站電磁環(huán)境測試與干擾計(jì)算自治區(qū)無線電管理委員會(huì)辦公室楊凡微波接力站電磁環(huán)境是指微波站周圍存在的各種電磁輻射能量，即干擾源。隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電子技術(shù)和電磁能的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，形成了日益復(fù)雜的電磁環(huán)境。微波接力站周圍各種電磁場的輻射有可能對(duì)微波接力通信產(chǎn)生干擾，影響正常的通信工作。因此，微波接力站建站前的電磁環(huán)境測試和干擾計(jì)算，已經(jīng)成為無線電臺(tái)（站）審批程序中的一項(xiàng)重要的技術(shù)工作。一、微波接力站電磁環(huán)境測試測試的目的對(duì)微波接力站進(jìn)行實(shí)地測試，并對(duì)測試數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的計(jì)算會(huì)使我們得到直觀、可靠的分析結(jié)果。測試的目的就是要確定預(yù)選的站址是否符合國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，保證微波站建成后的可靠通信，并在發(fā)現(xiàn)干擾時(shí)尋求抗干擾措施。最后，為頻率的指配提出科學(xué)、合理的建議。1.2測試系統(tǒng)的組成微波接力站電磁環(huán)境測試系統(tǒng)主要由高性能頻譜分析儀和各種測試天線組成。如果有相應(yīng)的控制軟件，還可以組成自動(dòng)測試系統(tǒng)。自動(dòng)測試系統(tǒng)可以在極少人工干預(yù)的情況下完成電磁環(huán)境測試任務(wù)。它的硬件部分主要由各種標(biāo)準(zhǔn)測試天線、低噪聲放大器、頻譜分析儀、微型旋轉(zhuǎn)電機(jī)、控制器、筆記本電腦等組成；軟件部分主要由控制和干擾計(jì)算軟件組成。人工測試系統(tǒng)不含微型旋轉(zhuǎn)電機(jī)和控制器，計(jì)算軟件與自動(dòng)測試系統(tǒng)是通用的。相應(yīng)的配套設(shè)備還應(yīng)有射頻限幅器、衰減器、羅盤、GPS定位儀、經(jīng)緯儀、天線三角架、低損耗饋線、及直流電源等。常用微波測試天線有對(duì)數(shù)周期天線、標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線、雙脊波導(dǎo)喇叭天線、拋物面天線等。對(duì)于微波測試，在2GHz以下的低頻段常選用200~1000MHz和1000~2000MHz兩種頻段的對(duì)數(shù)周期天線，增益范圍約5~12dB；喇叭天線攜帶方便、方向性較強(qiáng)，增益一般在18dB左右；拋物面測試天線方向性強(qiáng)、增益高，常用的有直徑1m、0.8m和0.6m，頻段范圍在700MHz~20GHz之間。常用的中、短波和超短波測試天線有有源單極電場天線，頻段范圍30Hz~50MHz；對(duì)稱偶極子天線，頻段范圍30~1000MHz；雙錐天線，頻段范圍30~300MHz；對(duì)數(shù)周期天線，頻段范圍30~1000MHz。放大器應(yīng)選用高增益低噪聲放大器，我們常用的低噪聲放大器有進(jìn)口微波低噪聲放大器，帶寬1~26.5GHz，典型增益30dB，噪聲系數(shù)7~12dB；國產(chǎn)微波低噪聲放大器，帶寬1GHz，增益大于55dB，噪聲系數(shù)≤2.5dB。1.3測試系統(tǒng)靈敏度電磁干擾測試系統(tǒng)對(duì)微弱信號(hào)的最大檢測能力稱為測試系統(tǒng)靈敏度，這個(gè)靈敏度是以與測試系統(tǒng)的等效輸入噪聲功率相等的信號(hào)功率來定義的。對(duì)測試系統(tǒng)靈敏度的要求應(yīng)根據(jù)被測信號(hào)的強(qiáng)度來選擇。它與等效噪聲帶寬有對(duì)應(yīng)關(guān)系，隨等效噪聲帶寬的增加而降低，還與天線增益、前置放大器的等效輸入噪聲溫度及被測信號(hào)的頻段有關(guān)。因此，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有儀表和測試要求對(duì)測試系統(tǒng)及各部分指標(biāo)進(jìn)行合理分配，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理又實(shí)用的目的。引起的平均誤碼率應(yīng)不超過10-6。2.2.2任意月份0.0027-0.0054%以上時(shí)間內(nèi)，任意1秒鐘射頻干擾功率引起的平均誤碼率應(yīng)不超過10-3。2.2.3任意月份由于射頻干擾功率引起的誤碼秒累積時(shí)間應(yīng)不大于0.016-0.032%。對(duì)于衛(wèi)星通信系統(tǒng)、工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療射頻設(shè)備、中波、短波廣播以及電視廣播等對(duì)地面微波通信系統(tǒng)的干擾允許值可查閱國標(biāo)GB13616-92《微波接力站電磁環(huán)境保護(hù)要求》，這里就不再贅述。三、微波接力站干擾容限的計(jì)算干擾計(jì)算首先要計(jì)算微波收信機(jī)的干擾容限，即計(jì)算微波收信機(jī)輸入端的干擾信號(hào)允許值。然后，計(jì)算微波收信機(jī)輸入端的實(shí)際干擾信號(hào)電平，與干擾容限相比較后，就可以對(duì)干擾程度作出定量的分析了。國標(biāo)GB13616-92《微波接力站電磁環(huán)境保護(hù)要求》中規(guī)定的模擬微波接力系統(tǒng)和數(shù)字微波接力系統(tǒng)對(duì)于來自衛(wèi)星通信系統(tǒng)，或其他地面微波通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、廣播和電視系統(tǒng)的干擾允許值是對(duì)2500Km假設(shè)參考電路（或數(shù)字通道）而言，實(shí)際電路并不一定能與假設(shè)參考電路（或數(shù)字通道）相一致，存在一個(gè)如何將干擾允許值的指標(biāo)分配到實(shí)際電路的問題。對(duì)于模擬微波接力通信系統(tǒng)，根據(jù)時(shí)間概率可將干擾允許值的指標(biāo)按下述方法分配到實(shí)際電路：a.對(duì)任何月份20%以上時(shí)間內(nèi)，噪聲計(jì)加權(quán)1分鐘平均功率值按距離進(jìn)行分配，即當(dāng)實(shí)際電路長度為LKm時(shí)，其干擾允許值應(yīng)為1000pW；b.對(duì)于小概率時(shí)間0.01%則應(yīng)按時(shí)間分配，干擾允許值不變，即當(dāng)實(shí)際電路長度為LKm時(shí)，其干擾允許值應(yīng)為：對(duì)任何0.01%以上時(shí)間內(nèi)噪聲計(jì)加權(quán)1分鐘平均功率應(yīng)不超過50000pW。對(duì)于實(shí)際數(shù)字微波接力通信系統(tǒng)干擾指標(biāo)的分配，則不論傳輸電路類別，也不論傳輸電路的長短，誤碼指標(biāo)只分配時(shí)間百分比，不分誤碼門限。下表給出了來自衛(wèi)星通信系統(tǒng)的干擾允許值。不同等級(jí)電路全月的時(shí)間百分?jǐn)?shù)%誤碼性能項(xiàng)目L公里高級(jí)電路L公里中級(jí)電路L公里用戶級(jí)電路BER﹥的惡化分鐘≤0.04L/2500≤0.15L/1250≤0.15L/50BER﹥的嚴(yán)重誤碼秒≤0.0054L/2500≤0.004L/1250≤0.0015L/50誤碼秒累積時(shí)間≤0.032L/2500≤0.012L/1250≤0.012L/50國標(biāo)中對(duì)于數(shù)字微波通信系統(tǒng)的干擾允許值是根據(jù)“假設(shè)參考數(shù)字通道性能指標(biāo)的惡化量，不應(yīng)超過其總指標(biāo)所述時(shí)間率的15~20%，其中來自衛(wèi)星系統(tǒng)干擾引起的惡化量應(yīng)不超過10%；來自其他地面微波、雷達(dá)、廣播、散射干擾引起的總惡化量應(yīng)不超過5~10%。”而提出的。因此，在考慮實(shí)際電路干擾允許值時(shí)，應(yīng)按上述內(nèi)容來處理。3.1模擬微波接力通信系統(tǒng)的計(jì)算方法模擬TV/FM系統(tǒng)和FDM/FM系統(tǒng)干擾容限的計(jì)算比較復(fù)雜，需要計(jì)算有用信號(hào)和干擾信號(hào)分別為低、中、高調(diào)制指數(shù)時(shí)的干擾降低因子和干擾擴(kuò)散因子，涉及到大量的積分和卷積運(yùn)算，計(jì)算過程繁瑣，需要借助計(jì)算機(jī)編程來輔助分析。下面，介紹一種較簡單的、工程上常用的計(jì)算方法：通過門限惡化量來估算干擾容限。門限電平是指恰好滿足中斷概率指標(biāo)的接收信號(hào)電平。描述門限惡化的一種方法就是給出最大允許干擾信號(hào)電平。下式可用來估算TV/FM系統(tǒng)和FDM/FM系統(tǒng)的最大允許干擾信號(hào)電平。I=Rth–10+Se式中：I—最大允許干擾信號(hào)電平，dBm；Rth—被干擾收信機(jī)門限電平，dBm；Se—被干擾收信機(jī)有效選擇性，dB。3.2數(shù)字微波接力通信系統(tǒng)的計(jì)算方法由系統(tǒng)誤碼率指標(biāo)導(dǎo)出信噪比理論值，最后得出信號(hào)干擾比允許值，這種方法用于對(duì)數(shù)字微波接力通信系統(tǒng)的計(jì)算。信號(hào)干擾比是指收信機(jī)輸入端信號(hào)載波功率與干擾功率之比。①誤碼率計(jì)算公式MPSK調(diào)制信號(hào)對(duì)于DBPSK調(diào)制信號(hào)：Pe≈0.5e-Eb/N0=0.5e-C/N對(duì)于BPSK，QPSK，OQPSK調(diào)制信號(hào)：Pe≈0.5erfc()對(duì)于其它M＞2的MPSK調(diào)制信號(hào)，如DQPSK、8PSK等： 式中：Eb/No—?dú)w一化信噪比；C/N—平均載波功率與平均噪聲功率之比，即對(duì)應(yīng)于某一誤碼率的信噪比理論值；M—調(diào)相相數(shù)，M=4,8,16,……MQAM調(diào)制信號(hào)Pe=式中：M—調(diào)制電平數(shù)；erfc(x)－補(bǔ)余誤差函數(shù)。為便于計(jì)算，當(dāng)比特差錯(cuò)率很低時(shí)（Pe﹤10-2），可用下式近似計(jì)算：例如，16QAM系統(tǒng)，Pe=10-3時(shí)，通過上述相應(yīng)的公式可求得對(duì)應(yīng)的Eb/No值為10.5dB；Pe=10-6時(shí)，對(duì)應(yīng)的Eb/No值為14.4dB。②信噪比理論值的求解對(duì)于不同的調(diào)制解調(diào)方式，誤碼率與相應(yīng)的Eb/No有不同的關(guān)系，或者說在相同誤碼率情況下，不同調(diào)制方式微波收信機(jī)的歸一化信噪比是不同的。根據(jù)①中所述誤碼率計(jì)算公式即可求出Eb/No或C/N值。在進(jìn)行系統(tǒng)性能比較和計(jì)算時(shí)使用單位比特能量與噪聲功率譜密度之比Eb/No比較方便，但實(shí)際測量和干擾計(jì)算時(shí)，使用C/N則更為方便。C/N是規(guī)定在等于碼元速率fB的雙邊奈奎斯特帶寬內(nèi)，平均載波功率與平均噪聲功率之比。Eb/No和C/N有如下關(guān)系：，對(duì)于M進(jìn)制的調(diào)制方式，碼元速率fB與信息速率（比特速率）fb有如下關(guān)系：fb=fBlog2M(bit/s)則，式中：C－收信機(jī)輸入端平均載波功率；N－收信機(jī)輸入端平均噪聲功率；Eb－單位比特的平均能量，Eb=CTb=C/fb；Tb－比特周期，即一比特持續(xù)時(shí)間，Tb=1/fb；No－噪聲功率譜密度，即1Hz帶寬的平均噪聲功率；B－收信機(jī)噪聲帶寬，B=N/N0，當(dāng)B為雙邊奈奎斯特帶寬時(shí)，B=fB。③門限信噪比的求解在調(diào)制方式確定的情況下，理想數(shù)字微波傳輸系統(tǒng)的誤碼率由收信機(jī)輸入端的理論信噪比C/N值唯一確定。要達(dá)到規(guī)定時(shí)間百分比內(nèi)的誤碼指標(biāo)，必須保證一定的信噪比，信噪比越高，誤碼率越低。實(shí)際的傳輸電路在傳輸設(shè)備和傳輸電路上都存在各種惡化和干擾，需要比C/N更大的信噪比值來保證傳輸電路的正常工作。因此，實(shí)際的門限信噪比值，還需要考慮由設(shè)備不完善引起的惡化（這種惡化和信號(hào)強(qiáng)度有關(guān)，可以等效為信號(hào)電平的降低）；系統(tǒng)內(nèi)部干擾引起的惡化和系統(tǒng)外部干擾引起的惡化（這種惡化和信號(hào)強(qiáng)度無關(guān)，干擾的影響可按噪聲功率相加的方法計(jì)算）。因此，對(duì)于同波道干擾，即干擾源的載波頻率與有用信號(hào)載波頻率相同時(shí)，實(shí)際門限信噪比可通過下式計(jì)算：(C/N)th=C/N+δ1+δ2+δ3式中：(C/N)th—對(duì)應(yīng)于某一誤碼率（如10-3或10-6）的門限信噪比值，dB；δ1—設(shè)備惡化量（設(shè)備廠家給出），dBδ2—系統(tǒng)內(nèi)部干擾的惡化量，dBδ3—系統(tǒng)外部干擾的惡化量，dB通常SDH系統(tǒng)的設(shè)備惡化量取2.5dB，其他系統(tǒng)取5dB，干擾惡化量取1dB最后，信號(hào)干擾比允許值可按下式近似估算：(C/I)0=(C/N)th+Δ(dB)式中：Δ—由于系統(tǒng)外部干擾所要求的信號(hào)干擾比增量，dB。Δ與δ3有如下關(guān)系：Δ=通常取δ3=0.04~0.4dB，則Δ=10~20dB對(duì)于相鄰波道干擾，即干擾源的載波頻率與有用信號(hào)載波頻率不完全相同時(shí)，應(yīng)計(jì)及干擾降低因子IRF：(C/I)A=(C/I)0–IRF式中：(C/I)A—相鄰波道干擾的信號(hào)干擾比允許值，dB；W(f)—有用信號(hào)歸一化功率譜密度，Hz-1；W1(f)—干擾信號(hào)歸一化功率譜密度，Hz-1；f0—有用信號(hào)與干擾信號(hào)載頻間隔，Hz；Y(f)—收信濾波器選擇性。收信濾波器選擇性，由設(shè)備廠家給出。缺省時(shí)，可用Butterworth濾波器來代替。n階Butterworth濾波器的頻率響應(yīng)由下式給出：式中：，符號(hào)周期；；M—調(diào)制電平數(shù)；fb—信號(hào)比特率。假定一調(diào)制方式為QPSK的數(shù)字微波收信機(jī)，門限接收電平-78dBm(BER=10-3)，歸一化信噪比6.7dB，設(shè)備惡化量5dB，干擾惡化量1dB。根據(jù)前述關(guān)系式，求得：信噪比理論值：C/N=9.7dB，信干比允許值：(C/I)0=(C/N)th+Δ=9.7+5+1+10=25.7dB其中，Δ值取10dB。因此，干擾信號(hào)允許值I0=-78-(C/I)0=-103.7dBm對(duì)于SDH微波傳輸系統(tǒng)，在計(jì)算信噪比理論值時(shí)應(yīng)考慮3dB的編碼增益。四、實(shí)際干擾的計(jì)算4.1微波接力站之間通信方位及路徑距離的計(jì)算a.已知A、B兩微波站經(jīng)緯度，計(jì)算A站到B站的真北方位角Α當(dāng)tan﹥0,V1﹤V2,Α=V1﹥V2,Α=π+當(dāng)tan﹤0,V1﹤V2,Α=2π||V1﹥V2,Α=π-|???|式中：φ1—A點(diǎn)經(jīng)度；φ2—B點(diǎn)經(jīng)度；V1—A點(diǎn)緯度；V2—B點(diǎn)緯度；b.已知A、B兩微波站經(jīng)緯度，采用大圓路徑計(jì)算法計(jì)算A站到B站的路徑距離(km)式中：α=π/2-V1；β=π/2-V２；θ=φ1-φ2；—地球半徑，6378Km。4.2鑒別角的計(jì)算鑒別角可通過下述公式計(jì)算：式中：B—被干擾站的通信方位：C—干擾站的通信方位：R—B點(diǎn)對(duì)C點(diǎn)的鑒別角；I—C點(diǎn)對(duì)B點(diǎn)的鑒別角。下圖中，AB為有用信號(hào)傳輸路徑，CB為干擾信號(hào)傳輸路徑。4.3天線增益的計(jì)算天線增益是通過實(shí)際天線方向圖來確定的，當(dāng)缺少天線方向圖資料時(shí)，可利用下述公式計(jì)算天線在某一方向的增益：當(dāng)D/λ>100時(shí)，(dB)當(dāng)D/λ≤100時(shí)，(dB)式中，D—天線直徑，m；λ—波長，m；Gmax—天線主瓣增益dB，Gmax=10lg[0.6(πD/λ)2]，0.6為天線效率；G１—天線第一旁瓣增益dB；G１=φ—偏離主波束中心軸的張角，度；φ１—主瓣半功率角寬度的一半；(°)φr—第一副瓣位置。φr=15.85(D/λ)-0.6(°)4.4傳輸損耗的計(jì)算4.4.1視距路徑傳輸損耗計(jì)算視距路徑傳輸損耗主要包括自由空間傳輸損耗及氧氣和水汽的吸收損耗：Ls=Lo+(0+w)dLo=92.5+20lgf+20lgd式中：Ls—視距路徑傳輸損耗，dB；Lo—自由空間傳輸損耗，dB；f—頻率，GHz；d—路徑長度，Km；0—氧氣吸收衰減系數(shù)，dB/Km；w—水汽吸收衰減系數(shù)，dB/Km。當(dāng)f﹤15GHz時(shí)，w＝０4.4.2超視距路徑傳輸損耗計(jì)算超視距傳播機(jī)制主要是繞射（包括障礙物繞射和光滑球面繞射）和對(duì)流層散射。對(duì)于距離稍超過視距的傳輸路徑，在大多數(shù)情況下繞射是主要傳播機(jī)制，散射可忽略不計(jì)；對(duì)于大大超過視距的路徑，散射是主要傳播機(jī)制，繞射可忽略不計(jì)；對(duì)于介于兩者之間的中等長度的路徑，兩種傳播機(jī)制都需要考慮。本文僅對(duì)常遇到的三種繞射損耗的計(jì)算作一介紹。在傳輸路徑上常會(huì)遇到一個(gè)或多個(gè)障礙物，當(dāng)障礙物的厚度相對(duì)較窄時(shí)，可視為刃形障礙；當(dāng)障礙物的厚度相對(duì)較寬、頂部比較平緩時(shí)，可視為圓形障礙。⑴刃形障礙物繞射損耗的近似計(jì)算－1＜≤1－3＜≤－1≤－3式中：—刃形繞射損耗，dB；—路徑余隙，m；—自由空間余隙m；式中：h1，h2—兩站天線標(biāo)高，h1≤h2，m；d1—標(biāo)高低的天線至障礙物的距離，Km；d—兩站間的距離，Km；K—等效地球半徑系數(shù)；—障礙物標(biāo)高，m；—地球半徑，6370Km；λ—波長，m；F1—第一費(fèi)涅耳區(qū)半徑，m。⑵光滑球面繞射損耗的近似計(jì)算在微波頻段，由于波長比地球半徑小得多，因而繞射損耗只決定于地形的幾何形狀，而與大地電參數(shù)和波的極化無關(guān)。與刃形繞射相比，光滑球面繞射損耗要比刃形繞射損耗大得多。例如=0時(shí)，刃形繞射損耗為6dB，而光滑球面繞射損耗高達(dá)22dB。在標(biāo)準(zhǔn)折射條件下，光滑球面繞射損耗由下式近似計(jì)算：(dB)式中，—光滑球面繞射損耗，dB；f—頻率，（GHz）。在頻率高于1GHz，兩站間的距離大于35Km時(shí)，上式與精確求解的誤差在1dB以內(nèi)。⑶單圓形障礙物繞射損耗的近似計(jì)算如果障礙物頂部較平緩，不能準(zhǔn)確判斷時(shí)，可通過計(jì)算地形參數(shù)μ來判斷是刃形，還是圓形障礙物。當(dāng)μ≥3時(shí)，可視為理想刃形；當(dāng)μ＜3時(shí)，應(yīng)按單圓形障礙物計(jì)算繞射損耗。式中：—單圓形繞射損耗，dB；—余隙為零時(shí)的繞射損耗，dB；A與μ的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表所示：μ0.6~0.790.8~1.091.1~1.91.91~2.22.21~2.9A5.53.32.01.81.6為障礙物寬度，在數(shù)值上等于在障礙物最高點(diǎn)低于自由空間余隙處作一條平行于兩天線間連線的直線，這條直線所截取的障礙物寬度即為(Km)。4.5不同類型路徑傳輸損耗Lsd的確定a.當(dāng)路徑余隙﹥，并且路徑距離不超過100Km時(shí)，Lsd按自由空間傳輸損耗計(jì)算：Lsd=Lo=92.5+20lgf+20lgdb.當(dāng)路徑余隙﹥，并且路徑距離大于100Km時(shí)，Lsd按視距路徑傳輸損耗計(jì)算：Lsd=Ls=Lo+(0+w)dc.當(dāng)路徑余隙≤，并且路徑距離不超過100Km時(shí)，Lsd按自由空間傳輸損耗計(jì)算并附加繞射傳輸損耗：Lsd=Lo+Ldd.當(dāng)路徑余隙≤，并且路徑距離大于100Km時(shí)，Lsd按視距路徑傳輸損耗計(jì)算并附加繞射傳輸損耗：Lsd=Ls+Ld4.6干擾信號(hào)電平的計(jì)算式中，—收信機(jī)輸入端干擾信號(hào)功率，dBm；—干擾發(fā)信機(jī)輸出端信號(hào)功率，dBm；—干擾站天線在被干擾站方向的天線增益，dBi；—被干擾站天線在干擾源方向的天線增益，dBi；—被干擾站接收端饋線系統(tǒng)損耗，dB；—干擾站發(fā)射端饋線系統(tǒng)損耗，dB；—交叉極化去耦，dB；—帶寬修正因子，。4.7門限電平Prth的求解Prth=(C/N)th+N式中：N=10