寧海斌

國(guó)家新聞出版廣電總局無(wú)線電臺(tái)管理局　北京市　100045

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廣播電視發(fā)射機(jī)覆蓋效果分析研究

寧海斌

國(guó)家新聞出版廣電總局無(wú)線電臺(tái)管理局北京市100045

【摘要】本文主要對(duì)播出質(zhì)量監(jiān)測(cè)中在播發(fā)射機(jī)播音覆蓋效果熱圖形成技術(shù)進(jìn)行了研究，闡述了播音覆蓋效果熱圖的計(jì)算原理，播音覆蓋效果熱圖的生成過(guò)程及其重要意義，探討了播出質(zhì)量數(shù)據(jù)可視化監(jiān)測(cè)的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】播出質(zhì)量REC533太陽(yáng)黑子數(shù)覆蓋效果熱圖

1　引　言

隨著新信息技術(shù)的不斷應(yīng)用，廣播電視監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，播出運(yùn)行監(jiān)測(cè)手段不斷豐富，監(jiān)測(cè)范圍越來(lái)越廣泛和深入，已成為安全播出保障的重要支撐。發(fā)射臺(tái)站播出監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容包括節(jié)目源傳輸設(shè)備、發(fā)射設(shè)備、天饋線、電力設(shè)備、運(yùn)行環(huán)境、播出質(zhì)量效果等各個(gè)環(huán)節(jié)，覆蓋區(qū)域效果和核心元器件的監(jiān)測(cè)是廣播電視傳輸發(fā)射從業(yè)者的研究重點(diǎn)。

隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新信息技術(shù)的快速發(fā)展應(yīng)用，播出設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)測(cè)開(kāi)始從IT化向DT化轉(zhuǎn)變，其中廣播電視傳輸發(fā)射設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控主要通過(guò)對(duì)安全傳輸發(fā)射管理與自動(dòng)化控制的各獨(dú)立系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)分析，利用臺(tái)站數(shù)據(jù)采集客戶端及有效數(shù)據(jù)交換平臺(tái)，將臺(tái)站數(shù)據(jù)匯集到具有統(tǒng)一存儲(chǔ)、運(yùn)算與共享能力的數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘和可視化展示，提供傳輸發(fā)射設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和安全播出輔助決策服務(wù)，是當(dāng)前安全播出管理的重要組成部分。

覆蓋區(qū)域效果的實(shí)時(shí)反饋可以直觀地監(jiān)測(cè)和展示發(fā)射臺(tái)站的播出效果。覆蓋效果熱圖主要采用REC533程序軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出各測(cè)試點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)值等隨時(shí)間變化的信息，并直觀地用顏色區(qū)分繪制出正在播出的發(fā)射機(jī)覆蓋效果熱圖。而播出質(zhì)量監(jiān)測(cè)主要用于實(shí)現(xiàn)在集中監(jiān)控中心對(duì)所有發(fā)射機(jī)的播出運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，加快播出信息反饋速度，能夠在播出機(jī)房第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)指揮調(diào)度，進(jìn)行應(yīng)急處置。發(fā)射機(jī)播音覆蓋效果熱圖主要是將發(fā)射機(jī)實(shí)時(shí)播出質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘處理，實(shí)現(xiàn)播出覆蓋效果的可視化監(jiān)測(cè)和展示，對(duì)于增強(qiáng)應(yīng)對(duì)突發(fā)事件能力，提升安全傳輸發(fā)射保障能力有著重要意義。

2　相關(guān)原理

發(fā)射機(jī)覆蓋效果熱圖展示了當(dāng)前正在播音發(fā)射機(jī)的實(shí)時(shí)播音覆蓋范圍、信號(hào)強(qiáng)度等播出質(zhì)量信息，相關(guān)原理主要涉REC533計(jì)算機(jī)程序軟件和太陽(yáng)黑子數(shù)這一重要參數(shù)。發(fā)射機(jī)播音主要為天波傳播，REC533程序主要針對(duì)天波傳播模型，太陽(yáng)黑子數(shù)對(duì)發(fā)射機(jī)覆蓋效果及信號(hào)強(qiáng)度有著重要影響。

2.1REC533

美國(guó)電信科學(xué)研究院基于ITU-R P.533建議書(shū)編寫(xiě)了HF預(yù)測(cè)軟件包，ITS計(jì)算機(jī)程序REC533程序軟件基于ITU-RP.533建議書(shū)，并結(jié)合HF電波傳播特性對(duì)短波通信傳播進(jìn)行路徑預(yù)測(cè)和建議，包括場(chǎng)強(qiáng)覆蓋、傳播路徑、最佳頻率等。

天波信號(hào)由天線發(fā)出后，通過(guò)在電離層與地面之間的多次反射實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。電波在電離層發(fā)生全反射的條件為：

從公式（1）可以看出入射角、電子濃度和頻率的關(guān)系。電波工作頻率的選擇是影響通信質(zhì)量的關(guān)鍵性問(wèn)題，若頻率太低，則電波被電離層吸收增多，不能保證必須的信噪比；若頻率太高，電波會(huì)穿透電離層，不會(huì)發(fā)生反射。因此，選擇最佳的通信頻率對(duì)改善短波通信質(zhì)量有著重要意義。電波進(jìn)入電離層的角度稱為入射角，對(duì)通信距離有著很大的影響。入射角的選擇應(yīng)保證電波既不穿過(guò)電離層又不被電離層吸收。當(dāng)一定頻率的電波進(jìn)入電離層后，電子濃度越大則入射角越大。太陽(yáng)是電離層的主要能源，電離層的電子濃度等狀態(tài)與太陽(yáng)活動(dòng)有著密切聯(lián)系，隨日夜、季節(jié)變化和太陽(yáng)黑子的周期活動(dòng)而變化。電離層大致可分為D層、E層、F1層、F2層，因此，短波傳播通信電路存在多種傳播模式。

REC533程序首先根據(jù)已知確定的經(jīng)緯度、發(fā)射時(shí)間和相應(yīng)的太陽(yáng)黑子數(shù)計(jì)算出通信距離，再?gòu)臄?shù)據(jù)庫(kù)獲取系統(tǒng)參數(shù)（包括發(fā)射功率、天線程式等）?；趪?guó)際電聯(lián)ITU-R P.533建議書(shū)和短波傳播特性，預(yù)測(cè)整個(gè)傳播路徑、最低最高可用頻率，并根據(jù)輸入?yún)?shù)分析電波頻率傳播時(shí)的路徑模式，計(jì)算得到24小時(shí)內(nèi)（REC533程序采用UT標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間）最佳可用頻率變化圖，以及場(chǎng)強(qiáng)值隨時(shí)間不斷變化的情況。使用者可以根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)短波電臺(tái)頻率進(jìn)行選擇優(yōu)化，改善通信可靠性和質(zhì)量。

2.2太陽(yáng)黑子數(shù)

太陽(yáng)黑子活動(dòng)對(duì)于短波通信，特別是天波的通信具有重大影響。天波通信主要通過(guò)大氣電離層反射傳播。地球高層大氣的分子和原子，在太陽(yáng)紫外線、X射線和高能粒子的作用下電離，產(chǎn)生自由電子和正、負(fù)離子，形成等離子體區(qū)域即電離層。電離層從宏觀上呈現(xiàn)中性。電離層的變化，主要表現(xiàn)為電子密度隨時(shí)間的變化。而電子密度達(dá)到平衡的條件，主要取決于電子生成率和電子消失率。

電離層受很多因素影響，最主要的因素還是太陽(yáng)。而太陽(yáng)對(duì)電離層影響最大的是太陽(yáng)黑子和耀斑活動(dòng)。每當(dāng)黑子增多時(shí)，太陽(yáng)的耀斑也頻頻出現(xiàn)。耀斑會(huì)輻射出大量的高能射線。當(dāng)它到達(dá)地球的大氣層外層時(shí)，就使原來(lái)外層空間的電子數(shù)目劇增，而無(wú)線電短波通訊正是依靠大氣外層空間的電子反射電波進(jìn)行的。如果外層空間電子數(shù)目增多，無(wú)線電短波通過(guò)時(shí)，就會(huì)受到增多的電子的干擾，這就使無(wú)線電短波通訊大為減弱，以致全部中斷。其主要產(chǎn)生如下問(wèn)題：

（1）電離層突然騷擾。太陽(yáng)在黑子和耀斑活動(dòng)劇烈時(shí)產(chǎn)生大量紫外線和X射線使電離層電子密度增大，使通信中斷。

（2）電離層暴。F2層狀態(tài)異常變化。

（3）極蓋吸收。由耀斑產(chǎn)生的高能質(zhì)子由于磁力線沉降到極地，使極地大氣發(fā)生電離，電子濃度增大，吸收電磁波。

太陽(yáng)黑子的平均活動(dòng)周期為11年，在計(jì)算播出覆蓋效果時(shí)主要從官方天文網(wǎng)站獲取每月的太陽(yáng)黑子數(shù)數(shù)據(jù)，并輸入到計(jì)算程序中。

3　播音覆蓋效果熱圖

播音覆蓋效果熱圖是將發(fā)射機(jī)播音時(shí)信號(hào)覆蓋強(qiáng)度直觀地用顏色進(jìn)行區(qū)分，顏色越深表示發(fā)射機(jī)播音覆蓋效果越強(qiáng)，反之，則發(fā)射機(jī)播音覆蓋效果越弱。播音覆蓋效果熱圖的生成主要包括發(fā)射機(jī)播音信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)值計(jì)算和繪制覆蓋效果熱圖兩部分。

3.1場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算

（1）發(fā)射機(jī)播音覆蓋效果的場(chǎng)強(qiáng)主要利用REC533計(jì)算機(jī)程序軟件進(jìn)行計(jì)算，主要計(jì)算過(guò)程如下：

①生成輸入文件

輸入文件有3個(gè)：season.xmt、season.dat和cirafp.xxx。其中，season.xmt中定義了發(fā)射地點(diǎn)、經(jīng)緯度、天線程式、發(fā)射功率等參數(shù)；season.dat中定義太陽(yáng)黑子數(shù)、發(fā)射時(shí)間、發(fā)射地點(diǎn)、經(jīng)緯度、發(fā)射模式、頻段等參數(shù)；cirafp.xxx中定義了需要計(jì)算的測(cè)試點(diǎn)信息。為保證計(jì)算結(jié)果的可靠性，測(cè)試點(diǎn)的確定方法為：將東經(jīng)180°和西經(jīng)的180°之前的360°經(jīng)度每三個(gè)經(jīng)度取一個(gè)測(cè)試點(diǎn)；南緯90°與北緯90°之間的180度經(jīng)度每三個(gè)緯度取一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，共7200個(gè)測(cè)試點(diǎn)。

②計(jì)算并生成輸出文件

REC533計(jì)算模塊讀取season.xmt、season.dat 和cirafp.xxx三個(gè)輸入文件，進(jìn)行電路計(jì)算，生成輸出文件CIR_0000.out。CIR_0000.out文件中列出每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的按不同頻段劃分的場(chǎng)強(qiáng)、可靠度等值。輸出文件如圖1所示。

圖1　REC533程序輸出文件

其中測(cè)試點(diǎn)編碼中包含經(jīng)緯度等輸入?yún)?shù)信息，時(shí)間為UTC標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，F(xiàn)S表示測(cè)試點(diǎn)不同頻段的場(chǎng)強(qiáng)值，BCR表示可靠度。

（2）根據(jù)以上分析的結(jié)果，制定了ITU HFBC REC533集成封裝方案。包括如下三個(gè)模塊：

①計(jì)算輸入接口

從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取發(fā)射參數(shù)等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成season.xmt和season.dat文件，把覆蓋區(qū)域的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成cirafp.xxx文件。計(jì)算輸入接口代碼示意如下：

Void makeInputData（InputData data）

在c：ituhfbc un目錄下創(chuàng)建season.xmt、season.dat、cirafp.xxx文件；

從data從提取相應(yīng)的數(shù)據(jù)寫(xiě)到season.xmt、season.dat、cirafp.xxx文件中；

②調(diào)用計(jì)算模塊

調(diào)用rec533b.exe程序進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算模塊調(diào)用代碼示意如下：rec533b.exe調(diào)用方式：

Void calculate

調(diào)用c：ituhfbcin_win目錄下的rec533b.exe程序，生成輸出文件CIR_0000.out。調(diào)用方式：c：ituhfbcin_win ec533b.exe C：ITUHFBC；

③計(jì)算輸出接口

從輸出文件CIR_0000.out中按照測(cè)試點(diǎn)取值，得出每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)、可靠度預(yù)測(cè)值，并將計(jì)算得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)需要的格式。計(jì)算輸出接口代碼示意如下：

OutputData getOutputData

從c：ituhfbc un中讀取CIR_0000.out文件，獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)；

每調(diào)用一次計(jì)算模塊最多可計(jì)算911個(gè)測(cè)試點(diǎn)，所以計(jì)算過(guò)程中采取并行計(jì)算的方式進(jìn)行計(jì)算。

3.2生成熱圖

發(fā)射機(jī)播出覆蓋效果熱圖繪制時(shí)，采用矢量世界地圖，矢量圖的尺寸應(yīng)設(shè)置成1440px* 720px。矢量圖按像素進(jìn)行坐標(biāo)劃分，將REC533程序計(jì)算出的輸出文件中測(cè)試點(diǎn)的經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換為矢量圖中的坐標(biāo)點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)即為該坐標(biāo)點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)。利用不同顏色區(qū)分場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)弱，顏色越深表示場(chǎng)強(qiáng)越強(qiáng)，反之，則場(chǎng)強(qiáng)越弱。以測(cè)試點(diǎn)為圓心，20像素為半徑畫(huà)圓。每個(gè)圓的透明度隨著距圓心的距離發(fā)生漸變，距圓心的距離越遠(yuǎn)透明度越高，各測(cè)試點(diǎn)圓的顏色進(jìn)行效果疊加。由于有效播音覆蓋的場(chǎng)強(qiáng)不低于，所以最終熱圖中只取REC533程序計(jì)算出的7200個(gè)測(cè)試點(diǎn)中場(chǎng)強(qiáng)不低于的點(diǎn)繪制播音覆蓋效果熱圖。最終生成的播音覆蓋效果熱圖如圖2所示。

圖2　播音覆蓋效果熱圖

4　結(jié)　論

廣播電視節(jié)目的覆蓋效果監(jiān)測(cè)分析需要綜合多方面因素。進(jìn)行覆蓋效果熱圖分析時(shí)，除需要分析發(fā)射機(jī)功率、天線等數(shù)據(jù)外，需對(duì)傳輸發(fā)射設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)施信息進(jìn)行數(shù)據(jù)化，利用大數(shù)據(jù)建模，將業(yè)務(wù)流程、經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)模型化，將經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)模型。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和實(shí)踐相結(jié)合的思路，建立起維護(hù)業(yè)務(wù)的智能模型，做到維護(hù)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的沉淀及傳承。這樣，我們的維護(hù)能力將越來(lái)越強(qiáng)，更好地使廣播電視傳輸?shù)牟コ鲂Ч麑?shí)現(xiàn)最大化。

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審稿人：嚴(yán)志剛內(nèi)蒙古新聞出版廣電局包頭廣播發(fā)射中心臺(tái)正高級(jí)工程師

責(zé)任編輯：王學(xué)敏

【中圖分類號(hào)】TN932

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】2096-0751（2016）05-0022-04

作者簡(jiǎn)介：寧海斌國(guó)家新聞出版廣電總局無(wú)線電臺(tái)管理局高級(jí)工程師