下雨天CDR接收变差，真是雨水挡住了信号吗——调频频段的数字广播一到雨天就卡顿，多半不是雨衰，而是你周围那圈反射变了

一场雨下来CDR(调频频段数字音频广播)的接收常常跟着变差。原本稳稳出声的台雨一大就开始卡顿、丢帧甚至断流。最直觉的解释是雨水把信号挡住了或者吸掉了一部分。这个解释听上去顺理成章但放到CDR工作的频段上基本站不住。雨水其实挡不住这段电波CDR工作在87108 MHz的调频(FM)频段属于甚高频(VHF)。这一档电波的波长大约3米。而一颗雨滴的直径最大也就几毫米。电磁波被水滴吸收、散射的强弱跟波长和水滴尺寸的比例直接相关。波长远大于水滴时雨滴对电波几乎不构成障碍3米的波从一串毫米级的水珠之间穿过去就像海浪不会被几粒沙子拦住。真正会被雨吃掉的是波长缩到毫米级的微波10GHz以上的Ku、Ka波段卫星通信一场暴雨能让信号直接断崖式跌下去这才是通常说的雨衰。VHF这一段雨衰小到可以忽略。所以单论电波在空气里穿过雨幕这一段路雨水基本没动它。问题出在别处。雨天真正改变的是你周围的环境雨落下来先湿的不是电波是你周围的一切墙面、地面、树冠、天线本身。水的介电常数和电导率跟干燥物体差着量级。一面干墙和一面被浇透的湿墙对VHF电波的反射、折射特性完全是两回事。一棵干燥的树和一棵挂满水的树对信号的遮挡损耗也不在一个档上。下一场雨等于把你周围所有反射面、遮挡物的电磁特性重新洗了一遍电波在空中那段路没变落地之后撞上的这间房间变了。还有两件更直接的。一是天线和馈线受潮。如果天线的匹配网络、馈线接头防水做得不到位雨水渗进去阻抗就会失配驻波比(VSWR)抬高。结果是大量射频能量损耗在馈线里真正送进接收机的有效电平大幅下降。这一条非常常见很多一下雨就不行的台毛病其实在接头上。二是本底噪声抬升。雨天常带着雷电潮湿的电力线绝缘子也会局部放电这些都在VHF频段产生宽带脉冲噪声把环境底噪整个抬高一截。信号没变噪声涨了载噪比(C/N)照样掉。这几件事叠在一起把接收端的载噪比往下压。一旦压到QPSK或16QAM解调所需的门限以下呈现出来就是卡顿、断流。看起来是雨挡住了信号实际是雨改了环境、潮了硬件、抬了噪声。一个更说明问题的现场还有一个现象能直接看见比下雨变差更说明问题。设想这样一个接收点一台MOXON天线(一种有方向性、前后比较高的定向天线)架在一个类似天井的环境底部三面是高大的建筑只有一个方向相对开阔。在频谱仪上看CDR的SM9信号会发现左边那个数字边带的矩形不完整缺了一块右边的边带却好端端的。要看懂这个缺口先得知道SM9的频谱长什么样。SM9是一种模数同播的混合模式模拟FM占着中心频点数字信号被拆成两半分别放到离中心较远的两侧。左边带(DA1)落在中心频点的-150-100kHz右边带(DA4)落在100150kHz。两个数字边带各自约50 kHz宽中间隔着200多kHz。▲图SM9的频谱本该是中心一根模拟FM载波、两侧两块对称的数字边带。左边带缺了一块、右边完好说明衰落是挑着频率下手的。在频谱仪上这两个数字边带本该是两块对称的矩形。现在左边缺一块、右边完整说明衰落不是均匀压在整个信号上而是专挑了某一段频率下手。频率选择性衰落这就是多径造成的频率选择性衰落。天井这种环境是个极端的多径场。除了开阔方向射进来的直达波另外三面高楼像镜子一样把电波来回反射。不同路径、不同时延的反射波在天线处和直达波相遇相位一对上有些频率上波峰叠波峰、信号被增强另一些频率上波峰对波谷、信号被抵消。增强和抵消沿着频率轴交替分布这就是频率选择性衰落被抵消最狠的那个点叫陷波点。▲图天井三面高楼把电波来回反射不同时延的反射波相互叠加沿频率轴交替增强与抵消。被抵消最狠的陷波点若正好砸进左边带那一块就塌了。多径时延越大(楼宇间多次反射的长回波就是)信道的相干带宽越窄陷波点就越尖、越密。所谓相干带宽就是频谱上能保持一起涨一起落的那段宽度它窄到几十kHz时完全可能一个陷波点正好砸进-150-100 kHz这段左边带里把那一片OFDM子载波压垮频谱上就缺了一块。而100150 kHz的右边带恰好落在响应平坦或被增强的区域看着就完好。左右两个边带隔着200多kHz比相干带宽宽得多所以它俩的命运可以完全不同一个掉进陷波点一个安然无事。回头看下雨那件事根子是同一个。雨水把周围反射面的电磁特性重新洗一遍等于把这个多径场重新排了一次。陷波点的位置跟着挪原本平坦的频段可能就被挪进了陷波。下雨变差和左边带缺块是同一套机制在两个场景里的两副面孔。把天线挪半米试试这套解释当场就能验把MOXON天线在天井底部平移半米到一米或者稍微动一下方位和仰角。频谱的形状大概率会跟着变可能左边带恢复、右边带反倒缺了也可能轮到模拟FM载波被削。因为陷波点在空间里是有分布的多径驻波场在不同位置疏密不同天线挪几十厘米到达的各路反射波相位差就变了陷波点在频谱上随之移动。哪个边带倒霉取决于天线此刻站在驻波场的哪个位置。知道这一点选接收点就有了方向不是一味往高处架而是在小范围里多挪几个位置找频谱最平、两个边带都完整的那个点。一侧缺块照样能解出声音边带缺一块并不等于这帧数据就废了。CDR的物理层早就把多径环境算进去了。它用OFDM调制配上LDPC前向纠错再加上频率交织和时间交织。频率交织的意思是相邻的比特被打散到相隔很远的子载波上一个陷波点砸下来受损的比特不是连成一片而是稀疏地散在整帧里正好落在纠错码最擅长收拾的形态上。这里要分清一件事SM9左右两个数字边带并不是互为备份。数据元素是从左到右、从上到下连续填充的左右边带各自承载整帧的不同部分只有系统信息(SI)在上下两个子带里是重复的主业务数据不重复。所以指望左边带塌了、右边带顶上是靠不住的真要整条边带彻底没了那部分数据也就跟着丢了。救场的不是冗余是缺口通常只啃掉边带的一小段而不是整条。一个陷波点砸下来往往只压垮某一片子载波经过频率交织一摊这点损失被稀释成整帧里零星的错误只要没超过LDPC的纠错上限软件接收机照样能纠回来、解出声音。频谱上看着缺了一角耳朵里可能一点没察觉。这也是为什么同样的多径环境数字广播往往比模拟FM更耐得住。不在天上那段路雨天CDR变差TM1(传输模式1用了最长的循环前缀约0.29毫秒、240T本就是为了扛长时延的强回波)下尤其明显但根子都不在天上那段路。87108 MHz的电波穿过雨幕几乎毫发无损真正变的是你周围这间看不见的反射室墙湿了、树湿了、接头潮了、底噪涨了多径场被重排陷波点挪了位置。下次一下雨就卡先别急着怪天去摸一摸天线接头干不干再把天线挪半米看看频谱。变差的往往不是信号是你站的这个地方。