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山东广播电视地球站微波线路改造

    作者:山东广播电视地球站 李鹏 魏玉雷    时间:2014年07月24日    浏览次数: 收藏
导读:我站数字微波线路是2009年建设的,为三站两跳结构。传输容量为一个STM-1,双向,可具体分解为三个DS3支路,或是两个DS3支路另加21个E1支路
我站数字微波线路是2009年建设的,为三站两跳结构。传输容量为一个STM-1,双向,可具体分解为三个DS3支路,或是两个DS3支路另加21个E1支路,各支路上下非常灵活。需要完成的传输任务为,从广电中心大楼向发射台传送六套标清电视节目,向地球站传送一套标清电视节目和六套立体声广播节目,在发射台与地球站之间相互传送一套备份电视节目。三个微波站的相对位置如图1所示。

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整个微波系统包含四套独立的收发系统,具体的配置方式为:广电中心大楼一套收发系统,对应发射台;发射台两套收发系统(两套收发系统共用一套基础电源系统和分插复用服务平台),分别对应广电中心大楼和地球站;地球站一套收发系统,对应发射台。整个微波线路使用一个标准波道(广电中心大楼和地球站工作于低站频率,发射台工作于高站频率)。系统采用1+1备份工作方式,也就是说各个站的主备设备均工作在同一个工作频率,发端单发(热备),收端并收。整个系统的设备配置如图2所示。
 
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每套收发系统主要由0.6米单极化抛物面天线、混合/分离器、室外RF处理单元(ODU)、室内IF处理单元(IDU)、分插复用服务平台、基础电源系统及室内外中频连接电缆组成。采用STM-1传输标准,128QAM调制方式,工作在8G频段,波道间隔为29.65MHz,发射功率为固定的25dBm,实际接收门限(图像上出现零星马赛克)为-51Bm。IDU与ODU之间使用中频连接方式,ODU处理后的发射信号经混合/分离器送至抛物面天线,接收信号经混合/分离器送入ODU。收发均采用垂直极化方式。由图1可以看出,发射台为中间站,所以节目的传输路由是先从广电中心大楼将信号传送至发射台,发射台进行上下支路信号处理,再传送至地球站。
由于近几年发射台与地球站之间不断出现新建高楼大厦,传输信道已被严重遮挡。由于新的广电中心大楼有较高的高度,经实际考察发现其与地球站之间可以构成传输通道,经多次技术讨论后,我们决定对原微波线路进行改造。
鉴于发射台与地球站之间的信道路由已被彻底遮挡,无法建立通信连接,只能在广电中心大楼与地球站之间建立新的通信连接,如图3所示。

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在更改信道传输路由之前,需要对新路由进行必要的链路计算,以确定线路是否可用。链路计算的目的是计算出接收端的电平值。首先计算出自由空间损耗(L0)和天线增益(G),然后再根据公式Pr=Pt+Gt+Gr-L0得出结果。其中Pr为接收电平、Pt为发射功率(单位为dBm)、Gt为发射天线增益(单位为dB)、Gr为接收天线增益(单位为dB),系统馈线损耗忽略不计,计算出接收电平值。至于菲涅尔半径,根据实地观察,能够满足要求。
    根据自由空间损耗公式L0=92.4+20lgd+20lgf (dB),其中d为传输距离(单位为km)、f为工作频率(单位为GHz)。将实际数值代入并计算,得到:
        L0=92.4+20lg8+20lg8=128.4(dB)
    天线增益G=20lg(πD/λ)+10lgη(dB)其中D为天线口面直径(单位为m)、λ为工作波长(单位为m且等于λ=C/f,C为光速m/s,当f=8GHz时,λ=/8GHz=0.0375m)、η为天线效率,取值为0.6。
根据实际情况代入数值计算,G=20lg(3.14×0.6/0.0375)+10lg0.6=31.8(dB)
    计算出自由空间损耗和天线增益后,已知ODU的发射功率为25dBm,收发天线增益相同,即可计算接收电平如下:
    Pr=25+31.8+31.8-128.4=-39.8(dBm)
经过计算后接收端理论接收电平高于接收门限11dB左右,所以可以确定现有设备能够满足要求。接下来我们将原发射台对地球站的收发设备拆卸下来,并将这些设备转移至广电中心大楼,并进行各部分的安装与连接。同时将地球站的天线朝向进行调整,使其对准广电中心大楼。广电中心大楼完成设备的安装和连接工作后,按照高低站频率规划重新确定收发工作频率并开始进行天线的调整工作。在经过细微的方位及俯仰调整后,两端均找到最佳位置,顺利建立了通信连接。地球站成功接收到所需信号节目。
但随后我们利用监控软件连接到IDU查看实际接收电平时,却发现为-47dBm,低于理论接收电平约7dB,这样一来,信号强度仅高于门限电平约4dB左右,电平余量较低。这一结果着实令我们感到疑惑。
由于最初的微波线路是由厂家负责安装调试的,且线路开通后没有留下相关资料。我们只能自己想方设法分析原因。一开始我们怀疑天线可能对到了副瓣上,又重新调整天线,但几乎没有改善,说明天线是对准了的。后来又多方查找,才发现在理论计算上,漏掉了混合/分离器的插入衰减这一项。
混合/分离器是一个不大的盒子,内部是微带结构,其工作原理可用图4来说明。

 
   

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天线接收的信号(由天线口入),对称地分配到ODU1和ODU2两个口上,从而完成信号接收。ODU1输出的信号,一半送入天线口并发射出去,另一半则消耗在匹配负载R上。同样,ODU2输出的信号,一半送入天线口,实现发射,另一半亦消耗在匹配负载R上。ODU1口和ODU2口之间则呈现隔离状态,互不影响。总之,通过混合/分离器,天线接收的信号被分配到ODU1和ODU2两个口上,这是“分离”功能;ODU1和ODU2的发射信号则一并送到天线口发射出去,这是“混合”功能。
由以上分析也可看出,在发送端,ODU发射的信号经过混合/分离器后,电平损失了一半;在接收端,接收的信号经过混合/分离器后,电平又损失了一半。两项加起来,共约7分贝。这正是理论计算值与实际接收值相差7分贝的原因。
由于接收电平余量较低,我们很是担心阴雨大风等恶劣天气情况下信号的传输质量。在经过一段时间的运行后,事实证明我们的担心并非多余的。每每遇到恶劣天气时,节目质量大大降低,轻微时信号出现马赛克,严重时可导致节目完全中断。为此不得不考虑对系统进行第二次改造。
第二次改造的主要目的是为了提高接收电平,克服恶劣天气下信号传输质量差的问题。要想提高接收电平,一般有两种方法,一是更换较大功率的ODU模块,提高发射功率,二是更换较大口面天线,从而提高天线增益。两者相比,更换大口面天线比较经济,因为大功率ODU模块价格昂贵,且更换下来的ODU模块不再有使用价值,造成设备资源浪费。因此更换大口面天线具有改造成本低,无设备资源浪费情况等优点。
经过技术讨论分析并咨询微波设备厂家后,我们决定只对广电中心大楼端的0.6米单极化天线更换为1.2米双极化天线,并将替换下来的0.6米天线安装至地球站,改为水平极化方式与广电中心大楼进行对接。改造时去除了收发两端的混合/分离器。经过这次系统改造后,原有系统分布发生改变,广电中心大楼成了中间站,且在广电中心大楼与地球站之间设置了两个波道频率,形成发端并发、收端并收的双通道工作模式,也就是将原来的1+1备份模式改为1:1备份方式。广电中心大楼与发射台之间的传输模式没有变化。新的设备配置如图5所示。

 
   
 
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改造的效果可通过计算来分析一下。
首先看一下天线口面增大后,其增益状况的改变。
根据上述的天线增益计算公式代入实际数值计算,G=20lg(3.14×1.2/0.0375)+10lg0.6=37.8(dB),由此可见,与0.6米天线相比较,1.2米天线增益增加了6dB。另外,由于收发两端均拆除了混合/分离器,减少了共约7dB的插入损耗。这样一来,接收端的电平可增加约13 dB,理论计算的接收电平由原来的-47dBm增加至-34dBm,高于接收门限约17dB左右,余量充足。
在确定了改造方案后,我们购买了1.2米天线,并按照预定的改造方案进行施工。经过一天的忙碌,顺利的将1.2米天线安装在广电中心大楼的微波塔上,并将替换下来的0.6米天线转换极化方式后重新安装在地球站的铁塔上,最后进行俯仰和方位的统调。
随后在接收端利用监控软件连接IDU查看实际接收电平,两个通道分别为-35dBm和-36dBm,低于理论接收电平1到2dB,误差在正常范围之内。其他各指标特别是误码率指标非常之好。
在经过一段时间的运行之后,事实验证即便是在暴雨等恶劣天气情况下,接收端仍能够成功的、高质量的接收到所需节目信号。说明该次改造工程成功的达到改造预期效果,传输信号质量大幅度提高,保障了播出安全。
 

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