提高电台通讯距离方法探讨

2014-12-24张恒涛

石油管材与仪器 2014年5期

张恒涛

(东方地球物理公司装备服务处华北作业部河北任丘)

0 引言

随着地震勘探不断深入到复杂的山地地区，由于地表起伏较大以及高山的阻挡，营地与野外通讯距离受到严重的制约，通话距离缩短，野外施工的各小组之间通话质量下降，传输数据中断，从而无法工作。尤其是在一些没有手机信号的偏远山区，更是难于实现点对点的直接传送。因此，如何提高电台的通讯距离已经成为一个需要解决的迫切问题。

1 无线电波的传送方式［1］

无线电波通信受许多因素的影响，首先电离层和太阳活动是影响它的重要方面。太阳不但是地球上万物的能量来源，同时它也使全球范围的无线电短波通信成为可能。太阳的辐射对于地球上方的电离层起着至关重要的作用。太阳辐射使大气层中的氧原子和氮原子失去了电子，形成离子。进而这些电离化的气体在地球上空48 km ～400 km 的范围内形成了4 个不同的离子层。这些层通称为电离层。

由发射台的天线所发射的无线电波分成三部分:直射波(直接射向接收台)，大地反射波(经由地面再反射给接收台)，空间波(经由上空再折射给接收台)。直射波和大地反射波统称为“地表波”，地表波产生时，频率越高损失就越大，另外，由一部分频率的电波经由上空再折射回地面上，传给接收台的称为空间波。

地震勘探小队通常采用VHF 和UHF 信号通讯。频率从30 MHz ～300 MHz(波长从10 m ～1 m)的无线电波，称为VHF 甚高频无线电波，又称米波或超短波。除了这频段的低端还有可能被电离层反射外(在太阳活动高年及Es 层)，一般来说，它将穿透电离层而不被反射。因此这一频电波主要传播方式是视线传播以及对流层和电离层的散射传播。在一定条件下，也可采用障碍绕射传播。频率从300 MHz 到300 kHz(波长从100 cm 到1 mm)的无线电波(即分米波、厘米波及毫米波)称为UHF 微波。微波与其他频段的电波相比有如下的特点:微波天线的辐射波束可做得很窄，因而天线的增益较高，有利于定向传播。其次微波的频率很高，信道容量很大。这一波段的传播方式，主要是视线传播，低端部分也有用对流层散射传播的。

2 架设中继电台

2.1 中继台

在无线对讲系统中，中继台对于增大通讯距离，扩展覆盖范围扮演着极其重要的角色，是专业无线通讯系统不可缺少的重要设备。它是一部负责接收并转发无线电信号的电台。由于建筑物及地形等的遮挡，在地面上的两个电台之间的信号可能无法直接互相传送到，但这两个电台却都能够和这个中继台很好地通联，于是各个电台就通过中继台的转发覆盖到更广的通联范围，帮助小功率设备扩大信号的目的。中继台的接收与发射半径覆盖面大，可以将其所接收到的信号传输到它所覆盖的每一个角落，通过中继台的转发，就可以解决普通电台与电台之间因距离而不能通联的制约。

中继台由收信机和发信机等单元组成。通常工作于收发异频状态，能够将接收到的已调制的射频信号解调出音频信号传输给其它设备。同时，还能将其它设备送来的音频信号经射频调制后发射出去。上面提到的其它设备有各种系统使用的控制器，有无线接驳器等，也包括互联所需要的其它中继台。将中继台收到的信号直接通过自身的发射机转发出去，这是中继台最基本的应用。因此，中继台必须能够全双工工作，即收发同时工作，并且发射时不能影响接收机的正常工作。由于中继台工作的基本特点，再加上多台中继台组合一起使用的特点，对中继台的技术指标相对于移动台要有更高的和更特殊的要求。

中继台由一个发射机，一个接收机和一副天线构成，因此它与一般电台没什么本质区别。中继台的最大特点是接收机与发射机使用不同的频率。习惯上，把中继台的接收频率称为上行频率，发射频率称为下行频率。上行频率和下行频率的差值，叫做频差。频差的大小各地不尽相同，推荐标准是:UHF 频段5 MHz，VHF 频段0.6 MHz。通常上行频率低于下行频率。

在使用中继台之前，必须将电台的发射频率和接收频率设置为两个不同的值。

2.2 通讯距离的计算

1)无线电波传输损耗工程实用公式

式(1)中:F 为通讯工作频率(MHz)，h1为通讯对象A 点天线高度(m)，h2为通讯对象B 点天线高度(m);D 为A 点和B 点的通讯距离(m)

该公式仅限于VHF 150 MHz 和UHF 400 MHz ～470 MHz 频段，并且地形起伏高度在15 m 左右通讯距离在65 km 范围内。

2)系统无线设备通讯距离的计算(以下举例说明)

(1)假设已知条件见表1。

(2)中继台与对讲机的系统增益

表1 假设已知条件

在本例中，所谓系统增益就是对讲机发射信号给中继台接收机允许衰减的最大值，若不考虑电缆损耗和天线增益的条件下:

系统增益(dB)= 发射功率(dBm)- 接收灵敏度(dBm)，若考虑电缆损耗、天线增益的条件下，本例系统增益为:

式(2)中:Pt 为对讲机发射功率;PA 为对讲机天线增益;RA 为中继台天线增益;CL 为同轴电缆损耗;RR为中继台接收灵敏度。

(3)如果系统增益等于电波传输的损耗，则说明通讯距离的电波能量已达极限，若系统增益小于传输损耗则表明通讯可能建立不起来。

将系统增益代入电波传输损耗工程公式如下:

(4)式(3)仅计算了上行信号(对讲机发给中继台)可通讯的保守距离，而未计算下行信号(中继台发给对讲机)可覆盖的距离，通常由于中继台发射功率较大，其下行信号往往优于上行信号的通讯距离。由于系统通话是双向的，因此系统的保守通话距离往往以上行信号为准来计算。

3 规避无线电干扰

无线电干扰是指在无线电通信过程中发生的，这些干扰信号都是通过直接耦合或间接耦合方式进入无线通信设备的电磁波，它直接对有用信号的接收产生影响，使其性能下降，信号质量恶化，通信阻断，所传输的数据误差增大甚至丢失。对超短波频率的通信来讲，人为干扰中无线电设备的干扰是主要的，常见的干扰现象有同频干扰、邻频干扰、带外干扰、互调干扰等几种。更多地了解干扰知识对提出防护措施，减少干扰对通信的影响是有帮助的。

1)同频干扰

凡是有其它无线信号源发送出来的与本机有用信号的频率相同，并以同样的方式进入收信机中频通带的无线干扰都称为同频干扰。当干扰信号和有用信号都进入收信机中同样被放大、检波，当两个信号出现载频差时会成差拍干扰;当两个信号的调制度不大，会引起失真干扰;当两个信号存在相位差时会引起失真干扰。干扰信号越大，接收的噪音也就越强烈，直至无法接听。这种现象主要是由于同频中的无线通信设备在附近使用距离太近相互影响的结果，特别是架设中继台时应远离高压线，移动信号塔等干扰源。

2)邻频干扰

当无线信号在收信机射频通带内或在通带附近，经变频后进入中频通带内所造成的干扰称为邻频干扰。这种干扰当然也能使收信机信号比下降，灵敏读降低，但和同频干扰不同。邻频干扰主要是由于无线通信设备自身的技术指标不符合国家技术标准而造成的。例如:在多频道工作的对讲机通信系统中，用户A占用1 频道，用户B 占用了2 频道，1 和2 频道相隔25 KHz，A、B 用户在相邻频道工作，理论上应不存在干扰。但如果A、B 用户使用的设备中只要有一台设备性能不符合要求，其发射频率稳定度太差，调制过大，发射频谱太宽都会造成A、B 用户之间相互干扰，甚至出现“窜台”现象。如果接收机的中频滤波器性能不好也会出现邻频干扰。还有一种情况，当用户离开机站的距离相差过大，基站收到的一个频道的电波又很强，另一个频道的电波又很弱，强的频道就可能对弱的频道形成干扰。避免出现邻频干扰首先是解决对讲机本身的品质问题，劣质的通信设备会影响到别的设备的正常通信。

3)带外干扰

带外干扰是指无线通信设备的发射机的杂散辐射和接收机的杂散响应所带来的无线干扰，这也是由于无线对讲机自身的品质不好而导致影响无线通信常见的干扰问题。我们知道在超短波电台的发射机中大都采用晶体震荡器以获得较高的频率稳定度。震荡器经倍频以得到所要求的工作频率。如果发射机的倍频器的滤波特性欠佳，就会在发射机输出级产生杂散辐射波，从而干扰在该频率工作的接收机。接收机杂散响应是指接收机除接收有用信号外，还能收到其他频率的无用信号。这种对其他无用信号的“响应”能力称为接收机杂散响应。它与接收机本振的频率纯度有关。杂散辐射和杂散响应在国家相关标准中都是有严格的规定。厂家在产品设计时就应按此指标去设计，生产中也应严格控制，投放市场前应经过国家监测中心的检测。减少无线干扰应从抓产品的品质着手。

4)互调干扰

两个或多个信号在非线性传输电路中调，产生同有用信号频率相接近的组合频率从而对无线对讲机系统造成干扰称之为互调干扰。产生互调的原因有三种，发射机互调、接收机互调以及外部效应引起的互调。产生互调干扰必须同时满足三个条件:a 几个干扰频率和受干扰接收机的标称频率存在一定的间隔关系;b 干扰信号必须有足够的幅度;c 对接收机互调而言，所有干扰和被干扰的接收机必须在同时工作。发射机互调是指两部发射机相互耦合而形成干扰。接收机互调是指两个或多个强干扰信号进入接收机前端电路时由于其非线性作用，干扰信号彼此混频，产生可落入接收机通带内的互调产物。其大小取决于干扰信号的大小等因素。外部效应引起的互调是指由于发射机高频滤波器及天线馈线等接收插件紧固件的接触不良或金属构件的锈蚀而造成，在强射频电场中起检波作用产生互调，形成干扰辐射源而造成的，此种外部效应互调干扰是完全可以避免的。对于中继台除了自身的发射机和接收机有较高的技术指标外，重要在于发射机天线端口和接收机天线端口要有较高的隔离衰减。发射机和接收机天线端口之间隔离通常有2 种方法:双工器方式;收发天线同轴垂直间隔方式。

综上所述，采用合适的高增益天线，天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线最重要的参数之一。在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。

增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度。增加增益就可以在一确定方向上增大网络的覆盖距离，或者在确定范围内增大增益余量。相同的条件下，增益越高，电波传播的距离越远。高增益天线通常有两种:水平极化和垂直极化的高增益天线，通常垂直波束角小于10°，普通天线的垂直波束角大于12°。目前我们的使用的普通天线的增益是15 dbi，高增益天线的增益为18 dbi 以上。