蔡勇超 余勇 吕华良

摘  要：为解决变电站机房内信号强度弱，以及变电站内智能巡检设备与运维人员移动作业终端经常掉线的问题，研究了变电站内无线信号的分布情况，提出了基于数字直放站的信号延伸方案。针对直放站的性能指标要求，设计了直放站的测试方法，并进行现场测试和应用验证。结果表明该方案实施简单、成本较低、测试方法全面实用，信号覆盖范围满足要求，是目前解决变电站机房信号弱问题的最佳方案之一。

关键词：同频直放站；变电站；信号测试；系统增益

中图分类号：TN929.5 文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）01-0072-03

Application and Test of Digital Co-Frequency Repeater in Substation

CAI Yongchao， YU Yong， LYU Hualiang

（Guangdong Foshan Power Supply Bureau of China Southern Power Grid， Foshan  528000， China）

Abstract： In order to solve the problem that the signal strength in the substation machine room is weak， the intelligent inspection equipment in the substation and the mobile operation terminal of the operation and maintenance personnel are often disconnected. The distribution of wireless signals in substations is studied， and a signal extension scheme based on digital repeaters is proposed. According to the performance index requirements of the repeater， the test method of the repeater is designed， and the field test and application verification are carried out. The results show that the scheme is simple to implement， low in cost， comprehensive and practical in testing methods， and the signal coverage meets the requirements， its one of the best solutions to solve the problem of weak signal in the substation machine room.

Keywords： co-frequency repeater; substation; signal test; system gain

0  引  言

隨着变电站智能化、数字化水平越来越高，大量移动智能终端如巡检机器人、智慧安监摄像头等对无线通信网络需求剧增，同时各种掌上办公、掌上作业软件也对网络信号质量提出了较高要求，不仅仅满足于语音通信，还包括高清图片和视频的传输。然而变电站一般位置较偏僻，远离通信基站，且空间较为封闭，再加上电力设施的干扰，导致变电站机房内信号较弱，4G和5G信号更难以覆盖。

变电站场地一般信号都比较正常，主要是机房内信号较弱，若通过增加通信基站数量和增大基站发射功率，对机房内信号会有所改善，但是成本较大，服务运营商也不一定配合实施。因此，怎样把室外的信号引入室内是解决室内信号弱问题的另一种思路。直放站作为移动通信系统的中继站，正是起到信号传输增强的作用，能够在不增加基站容量和发射功率的情况下，将无线信号引入基站覆盖不到的地方，且造价成本远低于新建移动基站[1]。

文章以变电站内移动终端对无线网络的应用需求为背景，研究变电站内无线信号的衰减情况，通过增加成本低廉的数字直放站解决变电站室内信号弱的问题，并对数字直放站的工作原理、测试方法、安装指导等进行了阐述，为解决变电站封闭区域内信号覆盖问题提供参考方案。

1  直放站工作原理

直放站主要由施主天线、中频信号放大模块和重发天线组成。如图1所示，施主天线一般安装在室外有基站信号覆盖的区域，将室外信号引入后对信号进行滤波、变频和放大后再通过重发天线再次把信号发射出去。对用户而言，接收到的信号是经过直放站放大增强后的信号，从而扩大了基站信号的覆盖范围。

对于不同的应用场景，直放站有不同的分类，根据放大过程中频率是否发生变化可以将直放站分为频移直放站、同频直放站和光纤直放站等[2]。频移直放站对接收到的信号进行变频放大后再发射出去，需要增加变频模块，成本较高。而光纤直放站一般运用在远离基站，完全没有信号覆盖，或者大型停车场等用户量大的区域[3]。从造价成本和后期运维考虑，同频直放站不需要变频模块，结构更简单，也是运用最多的类型，因此选择同频直放站[4]。

按照处理信号的类型，直放站又可分为模拟直放站和数字直放站。模拟直放站结构单一，使用便捷，但是抗干扰能力不强。数字直放站采用更加有效的信道滤波技术，可以减少回波和噪声的干扰，更加适应变电站复杂的电磁环境，因此选择数字直放站[5]。

2  直放站设计指标

作为应用于变电站的直放站系统，其系统增益、噪音系数、传输时延、杂散辐射等都是在设计阶段需要充分考虑和论证的指标[6]。要充分了解现场的使用环境和目标需求，这关系到直放站每个模块的组成及整个系统的建设成本。

2.1  系统增益

直放站的主要用途就是将室外信号进行放大后再发射出去，因此系统增益是其最重要的指标之一。直放站工作于全双工模式，系统的增益包括上行链路和下行链路，即收发信号都需要放大[7]。考虑到目前大多数人使用的手机制式为CDMA和DCS，因此选择的直放站必须支持这两种制式的全频段网络。

以CDMA网络下行链路为例，链路的增益由低噪放大、中频放大和功率放大三部分组成。根据现场环节进行测试，输入端电平低于-105 dBm时，噪声信号明显上升，低噪声放大组件无法正常工作，因此系统的最低可放大功率选择为-105 dBm。变电站机房内部空间一般面积不超过300 m2，配合室内重发天线，以及考虑到滤波器的插损及放大器的动态范围，整个系统的增益大概在50 dB左右时，系统能够达到最优的使用效果和性价比。使用同样方法可测试DCS制式网络的最优放大增益，具体数值如表1所示。

2.2  系统噪声系数

直放站内的有源射频元件在工作时都会产生额外的噪声，并影响直放站的正常运行，噪音的大小用噪声系数来表征，具体为系统输入信噪比与输出信噪比的比值，用式（1）表示：

（1）

式中，F为直放站系统的噪声系数，Si、So为直放站的输入和输出信号功率，Ni、No为直放站的输入和输出噪声信号功率，S/N即为信噪比。

直放站系统是由多个模块级联组成，因此总噪声系数与各个模块都有关系，定义系统的各级模块增益和噪声系数分别为G1， F1， G2， F2，…，Gn， Fn，则系统的总噪声系数计算为：

（2）

从式（2）中可得知，直放站系统的噪声系数主要由第1级模块决定，即低噪放模块，文中选择的直放站在低噪放模块的噪声系数为2.6 dB，后面的射频放大器噪声系数为1.4，因此选择的直放站系统噪声系数要小于4 dB。

2.3  传输时延

直放站系统的每个环节都会产生时延，但是射频放大器、混频器的时延都在纳秒级别，对系统总时延贡献不大。系统时延主要来自声表滤波器，一般在7 μs左右，再加上其他时延，一般不会超过10 μs，再考虑5 μs的冗余，因此可选择传输时延在15 μs的直放站，这样使用人员在拨打电话和传输数据的时候不会感到有明显差别。

2.4  杂散辐射

直放站上变频模块的本振泄露以及混频后的各次谐波信号都是带外杂散发射产物，即杂散辐射。杂散辐射频段与通信无关，必须加以抑制，主要通过射频声表和双工器抑制杂散发射信号。文中選择的直放站一级射频声表滤波器的带外抑制能力有55 dB，末及双工器的带外抑制能力为45 dB，杂散信号的增益一般为30 dB，因此可得到带外杂散发射功率在-70 dBm，即系统的杂散辐射要小于-70 dBm。

3  直放站应用测试

变电站一般位置较为偏僻，基站信号较弱，再加上变电站内大型电力设备的阻挡和干扰，导致变电站机房内手机信号更加微弱，阻断了运维人员和外界的正常沟通，因此在变电站机房内部署信号直放站十分有必要。

3.1  直放站安装

本直放站主要是为变电站机房提供信号覆盖，安装位置如图2所示。直放站主机安装在机房内有电源插座的位置，室外天线根据现场的信号情况来选择，周围最好没有建筑物和大型设备阻挡，可以使用手机现场测试一下信号强度，保证室外天线安装点位置能够正常接打电话和上网。由于采用的是同频直放站，下行方向存在直放站的发送天线到接收天线的回波干扰，因此室外天线距离主机不能太近，最小距离应在8 m以上，但是直放站功率有限，馈线长度要控制在30 m以内，这样效果最佳。室内天线采用吸盘天线，可随时移动，无需固定安装，方便天线能够随时移动，确保现场移动终端始终接收到最优信号。

3.2  直放站基本测试

为了使直放站的运用效果达到设计目标，并尽可能地减少对其他无线网络造成干扰，必须对直放站进行严格的测试，各项技术指标需满足设计要求，测试要点如下：

（1）基本工作频带。对直放站的工作频带进行测试，其频率范围必须在表1规定的范围内，且没有杂散频率信号溢出。

（2）带内平坦度。即在输入信号和增益维持不变，在输出端测试工作带宽内的不同频率上最大和最小输出信号的差值不超3 dB。

（3）接受和输出信号功率。接受电平不能超过直放站允许的最大功率，输出功率不能超过直放站的最大输出功率，并与设计要求一致。

（4）增益。增益也是直放站的一个重要指标，反应直放站的实际放大能力，测试得到的数值和设计值误差在10%内。

（5）收发信隔离度。因为采用是同频直放站，发射出去的信号和输入信号同频，会对直放站输入端信号造成干扰，因此直放站收发信之间要有一定的隔离度，实际应用中，隔离度需大于直放站实际增益+10 dB。

（6）驻波比。在输入端测试其至施主天线的驻波比，要求小于1.5，同理在输出端测试其至重发天线的驻波比，也要求小于1.5。

（7）噪声电平。在直放站的输入端测试上行噪声，在输出端测试下行噪声，要求上行噪声小于-35 dBm，且到达基站的噪声不能超-120 dBm。直放站的上行噪声应小于从基站到直放站输入端的信号损耗-120 dBm。

（8）带外抑制度。直放站理想的工作状态是只放大设计需求的频带，对于工作带宽以外的信号必须抑制，即为带外抑制度。设f1、f0、f2分别为直放站的下限、中心和上限频率，则直放站工作时的带外抑制度需满足如表2所示。

3.3  直放站整体测试

直放站天线放置在机房窗户处，通过馈线连接至主机，现场安装测试如图3所示。直放站安装调试结束后，需要对其整体工作性能进行测试评价，以评估是否达到应用效果，否则需要重新调试。首先是测试覆盖范围内移动终端接收的信号强度，必须满足信号强度不低于-85 dBm的区域占设计覆盖范围区域95%以上，测试时要选择20个以上的测试点来测试信号强度。再就是测试通话质量和数据传输，要求在通话测试中语音清晰、无噪声、无断线、无串音等现象，在下载和上传数据时速率稳定、无断流、无丢包等问题。由近到远选取其中5个测试点数据进行分析，结果如表3所示。

从表3可知，直放站天线周围信号强度满足设计要求，上网速率和通话质量都符合预期效果。最后测试直放站安装后对周围其他用户的影响，经过长期测试表明直放站安装后和安装前的掉话率变化不超过0.2个百分点，对周边用户影响可忽略不计。

4  结  论

为解决变电站机房内移动信号难以覆盖的问题，文章提出使用数字同频直放站将室外信号引入室内，以最低的使用成本完成设计目标。通过对直放站工作原理分析，选择数字同频直放站作为目标产品，并对实际安装做出指导，最后设计了直放站的测试指标和测试方法，并对测试结果做出分析，为评估直放站整体应用效果提供数据支撑。

参考文献：

[1] 赵修旻，吴国栋.大型地下变电站无线覆盖系统研究 [J].电力与能源，2017，38（5）：519-522.

[2] 崔国兴.数字直放站在GSM-R系统应用中的技术研究 [J].铁道工程学报，2016，33（4）：87-90.

[3] 蒋笑冰，孔进亮，郭跃林.CTCS-3线路GSM-R数字光纤直放站应用 [J].铁路通信信号工程技术，2020，17（2）：22-27.

[4] 王飞.一种改进的数字同频直放站自适应反馈干扰抑制算法 [J].电讯技术，2012，52（6）：928-932.

[5] 李学易，郝禄国，卢晓锋.直放站回波消除器中数字抗混频滤波器的设计 [J].电视技术，2010，34（2）：7-9+13.

[6] 邹伟华，王璐，刘永方.直放站工程应用中应注意的問题 [J].数字通信世界，2019（10）：22-23.

[7] 徐福车.5G数字光纤直放站及工程设计方案的探究 [J].长江信息通信，2022，35（4）：75-77+80.

作者简介：蔡勇超（1988—），男，汉族，湖南汉寿人，工程师，硕士研究生，研究方向：电力通信。

收稿日期：2022-09-22