山区建设MMDS系统的几点见解

山区建设MMDS系统的几点见解
何万福
(甘肃省天祝藏族自治县广播电视局 733200)
　　摘 要:本文通过对地貌地形复杂的山区实施MMDS系统工程的调查和分析,提出了在这些地区实施这项工程建设应考虑而且必须要解决的问题和办法。
　　关键词:多频道多点分配系统 菲涅尔区传播 同频干扰 ?C／Ｎ?
　　
　　广电总局提出我国要在本世纪末基本实现村村通广播电视,这是广播电视事业发展中最具有现实意义的任务。实现"村村通"也是解决老少边贫地区广播电视覆盖的唯一途径。并提出"实现'村村通'要从实际出发,采取多种手段,什么方式均可,能用哪个用哪个,要多管齐下"的方针。
　　具有投资低、建网快、图像质量好、可靠性高等优点的MMDS系统是解决农村收看多套高质量电视节目最有效、最实惠的一项技术手段。但MMDS的服务效果,受自然环境的影响较大,如起伏的地形、潮湿的地面、浓密的树叶等等,都会对它的传播带来衰减。高层建筑和山丘则会阻挡它的信号传播而造成阴影,尤其是给一些峰恋叠障、沟壑纵横,地势地貌复杂的山区实施MMDS系统工程带来一定的负面影响。我们实施过程中,总结了建设MMDS系统的一些成功和失败的经验。下面结合实际,谈谈有关这方面的几个问题。
　　1 发射台址和天线高度的估算
　　对于山区选择适宜的台址和天线高度比增加发射功率效果更为明显。一般来说,MMDS发射台应选择在CATV前端所在地,若能利用现有铁塔应尽量使用,以降低建设费用。天线所挂高度只要满足第一菲涅尔半径要求即可。再高也不会改善接收效果,但要注意微波能量进入邻市县,干扰别人接收。
发射天线有效高度的计算公式给出了服务区半径的极限值和必须的有效高度:如式(1)
?D＝3.55?Ｈ?（１）?
　　式中:?D?-服务区半径(km),?H?-发射天线有效高度(m)。
　　根据上面公式可以算出不同发射天线高度时的服务区半径的极限值(表1),它是经过实践验证的数据。
　　实际上,由于菲涅尔区的影响,在达到表1所示距离之前,已经开始出现附加衰减,对于不同的发射天线来说,开始出现附加衰减的距离各不相同,天线有效高度愈低愈不利，如表2所示。
3GHz的微波的折射效率远不如VHF／ＵＨＦ频段明显,做方案时,不宜计入折射能增加的服务区半径,在系统建成之后,可在表1给出的距离之外进行实地接收实验,若达不到标准,但当居民对其接收效果还能接受时,也可发展入网。
　　2 发射机输出功率的计算
　　为保证接收信噪比,高频头入口电平应≥－60?9dBm,按计算公式(2)
P?ｔ＝Ｐ?ｒ－Ｇ?ｔ－Ｇ?ｒ＋Ｂ?ｔ＋Ｍ＋Ｌ?ｄ (2)?
　　式中:P?t为发射机功率(dBm);P?r为接收功率(dBm);G?t为发射天线增(dB);
G?r为接收天线增益(dB);B?t为合路器、波导损耗(dB);M为衰落储备(dB);
L?d自由空间损耗(dB),其值由公式(3)计算
L?d＝92.4＋201gd＋201gf?(3)
　　其中d为收发之间距离(km);f为工作频率(GHz),MMDS频率范围为2.5～2.7GHz,取
ｆ＝2.7GHz,计算结果如表3
　　笔者所在县MMDS考虑覆盖40km,G?t=20dB,在40km处接收天线增益用24dB,衰落储备4dB,合路损耗3dB,70m波导损耗1?4dB,分配器损耗4dB,则发信机输出功率为:P ｔ＝－60.9－２０－２４＋３＋４＋１.4＋４＋１３３.1＝４０.6dBm。现选用30W／路功率放大器回退至10W／路(即40dBm)输出。大于40km时通过增大接收天线口径来接收。
　　国内在确定发射机功率时,都按自由空间的传播条件来计算,而没考虑环境将会造成的附加损耗。如果天线高度不富余,所需的发射功率又没有考虑附加损耗,则投入运行后,在服务区边缘时指标会相当紧张。国外的经验是,在计算载噪比时应留出6dB的余量。但当用山顶上的发射天线时,若其有效高度远高于需要值时,可以不考虑留此余量。
　　但应说明,不能盲目加高天线高度,过高的发射天线高度会使本节目过多地进入邻市,同时也浪费了自己的发射功率。此外还会造成天线附近大片盲区,同时馈线的投资也将大大增加。
　　3 天线增益与方向图选择
　　首先要考虑天线增益。当铁塔在高山上,附近居民很少时,为了照顾距铁塔较远的一个或几个地方,此时可选用较高增益的发射天线。但铁搭附近会出现零点区,选择天线增益必须根据实际情况确定。
其次要考虑天线方向图。选择适当的方向图,可以充分利用发射功率,又避免了本市、县节目过多地深入到邻市、县去。当服务区有特殊情况时,应该与生产天线的厂家协商,就其现有的特殊方向图中选用。
天祝县MMDS台址设在乌鞘岭电视调频转播台,利用现有70m铁塔。由于服务区为狭长形,且东南向跨距较大,为平衡西北方与东南方接收用户的场强,选用55°宽角天线覆盖东南区域,其天线增益为20dB;用180°扇形天线覆盖西北区域,其天线增益15dB,并考虑该区域高度落差过大,其主瓣水平方向指向下俯,以减少覆盖范围内的阴影区。
　　4 接收端下变频器的选用
　　由于下变频器是对多路信号进行群变频,必然会产生大量的2、3次谐波及和差频率。若对下变频器的输出频率选择不当,将出现严重的谐波干扰,而且难解决。基本原则是,若下变频器的频率低端为F?１,高端为F?２,则必须满足F?２＜2F?１,这样2次及3次以上的谐波都落在带外。因此,特别要注意的是VHF频段的使用。若在VHF频段中放进十几个通道,则必然造成F ２＞2Ｆ １。下变频器输出的RF信号,在国外通常使用的频段有222～４０8ＭＨz,662～８４８ＭＨz;也有更高的频段783～９６９ＭＨz,更低的频段150～288MHz。对于一个实际的MMDS系统,选择何频段要根据当地开路频率的使用情况来确定,对应222～４０８ＭＨz,我国电视频道划分为增补频道的Z8～Ｚ３５(频段为223～４４７MHz),避开了由开路电视广播占据的VHF、UHF频段,应当优先选用。但实际上,由于机上变换器尚未普通使用,特别在农村,为避免加入MMDS网支付建设初装费,同时还要购买机上变换器,以利于尽快吸收用户入网。目前建设的MMDS系统很少选用这一频段,而大多数是在DS13～DS24(470MHz～566MHz)之间选择,也还可以在Z6、Z7、DS6～DS12、Z8(151～231MHz)之间选择Z6、Z7、Z8 3个增补频道对绝大多数彩色电视接收机来说,在不使用机上变换器情况下都能接收。
　　5 相邻地区间的同频干扰问题
　　这是我们共同面临的问题,特别是我国目前开放2535～2599MHz这8个频道,大家都用它。在两个地区间距离较近时就出现同频干扰,做规划设计时应当考虑到这个问题。解决同频干扰主要采用以下措施:
　　(1)发射天线高度以满足本市(县)城乡覆盖为原则,不应过高。
　　(2)发射功率以满足本市(县)城乡覆盖为原则,不应过大。
　　(3)天线方向图应力求接近本市(县)城乡行政区地图形状。
　　(4)相邻两个地区间有相当于2／３行频(对PAL制式约10400Hz)的偏移时,可降低对保护度的要求。
　　(5)使发射机的载频稳定度达±１Ｈｚ或3Hz,可进一步降低对保护度的要求。
　　(6) 利用不同极化方式。
　　(7)利用接收天线前后比和旁瓣衰减的保护度。
　　通过国外实践经验来看,在采取上述措施后,同频干扰是完全可以避免的。
　　如天祝县与古浪县相邻,两县分别采用水平和垂直极化后,不存在同频干扰现象。
　　6 MMDS的频率配置
　　国际上的MMDS频段一般是2500～2686MHz,其带宽为186MHz,对NTSC制可容纳31套节目,而在我国MMDS系统的使用频段为2535～2599MHz,带宽为64MHz,可容纳8套PAL－Ｄ节目,如需再增加节目套数,则应按无线电管理规定扩频或采用数字视频压缩技术。
　　7 覆盖半径的计算
　　对于MMDS系统,它的覆盖范围决定于发射机的辐射功率、收发天线的不同增益和馈线的损耗,以及空间传输损耗等。覆盖半径的大小归纳起来就是要保证系统的载噪比≥44dB(国标规定43dB),因此,求覆盖半径又变成求微波传输系统的载噪比Ｃ／Ｎ。
　　(1)MMDS传输系统的载噪比(?C／Ｎ?)的计算:
　　MMDS发射机指标均符合或优于CCIR或美国FCC规定的指标。与传输过程有关的主要是视频信噪比。在可视距离无阻挡的情况下,其S／N的计算可分二步。
　　①下变频器输入端的接收功率电平,如公式(4)
P?c＝Ｐ?ｒ＝Ｐ?ｔ＋Ｇ?ｔ－Ｂ?ｔ－Ｌ?ｄ＋Ｇ?ｒ－?Ｍ?（４）
　　式中:B?t为发射端天馈系统损耗(合路器、馈线、连接线损耗),一般取4～5.7dB,具体设计时应代入实际损耗值;P?c为载波电平;M为传输特性中的衰落储备。M取6dB。
　　②调幅系统由C／Ｎ＝Ｐ?r-N?F-N。 (5)
　　则由发射设备至接收设备的未加权信噪比为:
Ｓ／Ｎ=P?t-B?t+G?t-L?d+G?r-N?F-N?。(dB) (6)
　　式中:N?F为接收端下变频器声系数(dB);N。为背景噪声dBW(又称基准噪声、无源
　　回路噪声功率)其值由式(7)计算
Ｎ?０＝?ＫＴＢ? （７）
　　式中：Ｋ为波尔兹曼常数1.38×１０ －２３?（Ｊ／?）；T为绝对温度，常温时取293；B为视频带宽5.75×１０?－６ Ｈｚ（ＰＡＬ－Ｄ）则Ｎ?０＝－１３６?３８ｄＢW。
　　(2)覆盖半径的计算(视距内)
　　这里主要考虑的是MMDS代替超干线,进入小区CATV系统的情况,我们知道,在CATV设计中系统载噪比的设计值一般取44dB,那么若将该指标作如下分配,如表4。
　　表中C／Ｎ?值由公式(8)计算
C／Ｎ＝Ｃ／Ｎ?′－１０ｌｇ?ｑ?(8)
　　式中:?Ｃ／Ｎ?′-系统设计值44dB;q-分配系数。
　　即希望系统?Ｃ／Ｎ?不小于44dB,则MMDS系统的载噪比(?C／Ｎ?)必须不小于48.6dB,所以这里讨论的覆盖半径主要寻找满足(C／Ｎ)?ＭＭＤＳ＝48.6dB的传输距离,而不去考虑其它因素的一种估算。将48?6dB代入公式(9)
G?r=C/N-P?。-7?25+N?F?+20lg?d?(km) (9)?
式中:辐射功率?P?。(ExRp)等于发射功率及发射天线增益G?t之和(传输线上的损耗忽略不计),即:P?０=P?t+G?t然后求出d,然后再求出LNC的输入电平P?ｉ（ＬＮＣ）,它因Ｋ２〗在LNC的接收电平范围内。这样在选定发射机功率之后,在使用不同型号收发天线情况下满足收转条件:Ｃ／Ｎ＝48.6dB的视距内的覆盖距离。
　　8 接收点的选择
　　由于MMDS的覆盖效果受自然环境的影响较大,尤其是山区,如起伏的地形,潮湿的地面,浓密的树叶等,都会带来衰减。所以选择接收点必须考虑到这方面的因素。如在有树林的地方,接收电平受季节性的树叶的影响,冬天安装天线时要特别注意;有的村庄被山阻挡,但山不太高时,可在山顶选接收点引入村庄,距离较短时直接用－９或－１２电缆引入;距离在一二百米以上,向接收点接通电源,将接收信号经放大器放大后再引入,以保证接收信号的载噪比。若有大量的潜在用户被山阻挡,可考虑安装"中继器"来弥补这些阴影区(这里不再详细讨论)。
　　为保证可靠性和图像质量,在可能的情况下,增加接收点,力求减小有线分配网的规模。在农村,一般的村庄,大多百来户,设置一个接收单元较合适;较大的乡村应考虑分块设置多个接收单元,以保证用户接收图像质量。
　　综上所述,在MMDS系统建设中,只要因地制宜,综合考虑,山区建设MMDS也能收到较理想的覆盖效果。
参考文献