摘要：為了監測廣播電視發射系統的工作情況，設計了電視發射機無線監測系統。系統中按照我國規定的監測規范和要求，搭建了系統硬件平臺，并以LabVIEW 為平臺結合SCPI 開發了系統軟件。經實地測量驗證了本監測系統的實用性和可靠性。
近些年，我國電視事業飛速發展，廣播電視發射機的數量與日俱增[1].為了保證廣播電視發送系統能夠正常高質量的播出，需要對這些發射設備進行科學有效的監測和監管[2].電視的監測主要包括調頻、電視發射運行狀況與播出質量監測、視頻信號測量等。目前對視頻信號的無線監測是采用無線監測臺站進行監測，需要投入大量的人力物力，監測成本極高。但是，如果沒有先進的無線監測系統，作為省級廣播電視管理部門又很難掌握各地市播出情況。
在這種情況下提出建立一個經濟有效的無線廣播電視自動監測系統對我省廣電局來說是十分必要的。本文結合國家相關監測規范和要求設計了一種以Agilent E4402B 為主要監測儀器的自動測量系統。系統軟件是在LabVIEW 平臺上基于SCPI語言開發的，從而將智能儀器儀表和計算機有機結合。本系統能夠提高監測工作的效率，減輕無線監測人員的工作強度。而且由于硬件和軟件的模塊化，使本系統具有較高的開放、兼容及可擴展性和應用價值。
1 系統方案設計
電視信號監測場強測量可以使用監測車或用攜帶式場強儀，在一個地點或幾十個地點作短時間的測量，如測量電視發射機的覆蓋區、測量發射天線有效發射功率等。按照我國規定的電視場強測量方法，設計硬件結構如圖1 所示。
圖1 廣播電視監測系統硬件結構圖
監測系統由接收天線、頻譜分析儀和計算機等構成。發射系統為被監測對象，接收天線在發射系統的有效覆蓋區內。頻譜分析儀通過GPIB 接口卡接收上位計算機發出的程控命令和傳送所測場強數據，在計算機中保存、處理和顯示測量結果。最終利用測得的場強數據推算出相應的發射功率。
接收天線： 本設計中接收天線選用的是對數周期天線。這種天線具有很強的方向性，其最大接收/輻射方向在錐底到錐頂的軸線方向[4].而且對數周期天線是線極化天線，因此在測量中需先調節極化方向，以接收最大的發射值。
頻譜分析儀： 在射頻電視信號實際測量中，無線發射定距離功率測量主要使用電視場強測試儀或頻譜分析儀，其中頻譜分析儀可同時進行多個頻率的測量。而對電視發射臺運行狀況（ 發射功率）的監測，需要對發射臺所發射頻率不同的各套電視節目同時進行監測，因此本系統選用的是安捷倫E4402B 頻譜分析儀，其頻率范圍9 kHz ~ 3 GHz,量程范圍（ - 150 ~ 30） dBm.
GPIB 接口卡： Agilent E4402B 帶有GPIB 接口，但由于GPIB 不是標準的PC 總線，計算機并不直接提供GPIB 接口。因此計算機到GPIB 儀器的連接需要通過一個GPIB 接口卡實現。本系統使用的是Agilent 82357A USB /GPIB 轉換接口。該轉換接口提供從筆記本或臺式PC 的USB 端口至GPIB 儀器的直接連接。在加載軟件后，計算機將自動檢測到計算機USB 端口的82357A.82357A USB /GPIB 接口是即插即用和可熱插拔的，因此能容易的連接和斷開，而無需關閉計算機也不需要外電源。使用簡單同時便于室外操作。
2 系統軟件設計
2. 1 概述
設計好測量系統的硬件之后，要充分發揮微機的技術資源和潛力，開發友好的中文操作平臺，使系統具有良好的管理與控制性能、具有良好的可用性，就需要很好的軟件設計技術和設計方法。因此需要選擇合適的軟件開發平臺，設計合適的軟件功能結構，以最終實現測量人員只要通過計算機設置測量參數，然后運行測量程序，即可以實現數據的自動采集和處理，并輸出測量結果，最后形成測量報告的設計目的。
由于LabVIEW 具有圖形化的編程方式、層次化的編程語言和開放式的開發環境，所以本系統選用了LabVIEW 8. 2 為開發平臺來設計系統軟件。采用模塊化和結構化的程序設計方法，將監測系統軟件主要分為四個功能模塊，即GPIB 接口模塊、場強補償模塊、功率計算模塊和數據存儲模塊。
2. 2 自動監測流程及軟件主界面
自動監測的流程圖見圖2.測量開始前首先要進行參數設置，主要包括： 1） 設置制式為電視或廣播； 2） 設置頻率； 3） 設置發射臺站距監測點直線距離； 4） 設置測量頻道/頻點的告警門限場強值。
圖2 自動監測流程圖
根據流程圖設計的主界面如圖3 所示。
圖3 監測程序主界面。
界面分成上下左右四個部分。其中，左上界面為設置電視頻道或調頻頻點及目標場強報警門限；左下界面是目標頻道/頻點發射設備的理論功率計算結果； 右上界面為目標頻道/頻點的場強測量值，每4 s 測量一次，并將測量結果自動存入excel 表格； 右下界面是頻譜分析儀顯示界面，2. 3 軟件模塊設計。
2. 3. 1 GPIB 接口模塊
此模塊的功能是控制頻譜分析儀并實現數據的采集。由于安捷倫公司未提供E4402B ESA-E 分析儀的驅動程序，只是明確該設備與SCPI 代碼兼容，因此本設計使用LabVIEW 的VISA 功能傳送SCPI 命令以控制頻譜分析儀。
在GPIB 接口模塊中設置采集的頻率范圍及掃描方式，并在程序執行后讀取E4402B 的數據且將其轉化成波形顯示，讀取和顯示標示頻率對應幅值。其部分程序框圖如圖4 所示，可以看出該程序大量地使用了字符串的運算操作。事實上這個程序只是以LabVIEW 為載體把SCPI 命令以樹的形式傳送給儀器。因此，用LabVIEW 編寫驅動的實質也就是使用LabVIEW 的VISA 功能來連接符合IEEE488 接口的設備，然后使用其字符串運算功能來傳輸SCPI 命令到智能儀器儀表，并最終達到控制儀器儀表的目的。
圖4 GPIB 模塊程序框圖
2. 3. 2 場強補償模塊
此模塊的功能是補償頻譜儀測量的4 個頻道/頻點相對應的數據。
對于電視，因所用頻帶較寬，所以每個頻道都有其各自對應的補償參數。在程序內部使用條件結構選擇要監測的頻道，使用對應的補償參數來補償該頻道的測量場強值。
對于廣播，本設計中所使用的天線為900E 型標準測量天線。因此對調頻段的場強補償為2 dB,可以輸入調頻段的任意頻點，進行測量。
2. 3. 3 功率計算模塊
由于河南省以平原為主，因此可利用維建斯公式和測得的場強值對服務區內發射機的功率進行預測。此模塊中，發射機的功率預測利用公式節點來完成。計算所得發射機功率從輸出端口輸出，如圖5 所示。
圖5 功率計算程序框圖
2. 3. 4 數據存儲模塊
此模塊的功能是將測量數據保存到指定位置的excel 文件中。
3 實際監測結果及分析
利用本系統，對河南省廣播電影電視局周口骨干發射臺站進行監測。考慮到廣播電視無線發射電磁波的方向性，測量點的天線應對準發射塔的位置，并選擇相對比較開闊的平整的區域，監測點到發射臺站沒有高山或大型建筑。
實測1: 2010 年3 月17 日下午3 點，對周口骨干發射臺8、12、24 和47 頻道進行監測，發射天線掛高200 m,距離發射塔約50 km.表1 為監測中的測量值與實際值的比較。其中，監測誤差百分比代表的是實際功率和監測功率的差與實際功率的比值。而實際功率百分比指的是實際功率與額定功率的比值。
表1 被測頻道測量值與實際值比較
從測量結果可以看出，8頻道與47 頻道發射功率與額定功率相差不大，而12 頻道和24 頻道的發射功率明顯低于額定功率。當晚，在周口骨干發射臺得知，12 頻道當天出現故障實際功率僅有3. 2 kW,24 頻道4 組末級功放1 組未工作。
由于監測地距離發射機約有50 km,電磁環境較為復雜，誤差在所難免。按照我局對無線發射臺站的要求，實際發射功率不得低于額定功率的30%.所以，這套無線發射監測系統，監測門限是額定功率的30%以下告警。所以在監測過程中，上述被監測的4 個頻道中，8頻道與47 頻道發射功率是符合要求的，在主界面上無告警顯示； 而12 頻道和24 頻道由于各種原因，發射功率未能符合要求，在主界面將顯示告警。
實測2: 2010 年11 月29 日下午2 點，在商丘骨干發射臺距離發射塔500 m 的位置，監測42 頻道的功率發射情況。其中，測量功率與實際發射功率，及誤差情況如表2 所示。
表2 監測設備誤差
表中最大誤差是1 kW 時功率誤差百分比為2%,符合廣電總局規定的無線監測設備的監測功率與實際功率誤差不得超過25%的要求。
4 結束語
本文所設計的廣播電視監測系統結構簡單，易于實現。利用本系統硬件平臺和基于LabVIEW 開發的系統軟件，對河南省廣電局周口骨干發射臺和商丘骨干發射臺無線發射信號進行監測，并對測量數據進行了分析和計算。從而驗證了該自動監測系統的可靠性，是一種適合現場應用的系統。
