西藏自治區(qū)阿里地區(qū)無線電噪聲測量與分析

弓勇義+王聚杰+張連迎

摘 要： 針對西藏自治區(qū)阿里地區(qū)夏季高頻無線電噪聲情況進(jìn)行了為期一個(gè)月的測量。將實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，并與ITU?R P.372?10建議書的預(yù)測值進(jìn)行了比較和分析。結(jié)果表明，該地區(qū)的無線電噪聲水平在2～8 MHz上晝夜變化較為明顯，在8～30 MHz上晝夜變化不大，在白天大部分頻段接近于ITU?R P.372?10建議書中農(nóng)村級預(yù)測值。

關(guān)鍵詞： 無線電噪聲； ITU?R P.372?10建議書； 噪聲測量； 農(nóng)村級預(yù)測值

中圖分類號： TN911.3?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）20?0141?04

Measurement and analysis of radio noise in Ngari Prefecture of Tibet Autonomous Region

GONG Yong?yi， WANG Ju?jie， ZHANG Lian?ying

（China Research Institute of Radio Wave Propagation， Qingdao 266107， China）

Abstract： HF radio noise in Ngari Prefecture of Tibet Autonomous Region was measured in a month in summer. The measured data was processed and compared with the predicted value in Recommendation ITU?R P.372?10. The results show that the diurnal change of the radio noise in this area is obvious between 2 MHz and 8 MHz， but is not obvious between 8 MHz and 30 MHz， and the radio noise in the most HF bands during daytime is close to the rural predicted value in Recommendation ITU?R P.372?10.

Keywords： radio noise； Recommendation ITU?R P.372?10； noise measurement； rural predicated value

0 引 言

在設(shè)計(jì)短波通信線路方案、評估短波通信質(zhì)量或分析短波超視距雷達(dá)的噪聲環(huán)境時(shí)，外部噪聲是計(jì)算接收信噪比和評估通信質(zhì)量時(shí)必須考慮的因素[1]。

短波段的無線電噪聲主要由大氣無線電噪聲、人為噪聲、銀河系噪聲等各類噪聲組成。大氣噪聲的傳播受電離層影響很大，其強(qiáng)度隨頻率、時(shí)間、季節(jié)、地理位置及氣候的改變而變化。因此，在工程應(yīng)用中通常都是以統(tǒng)計(jì)形式取其季時(shí)段中值來進(jìn)行計(jì)算。工程上一般依據(jù)CCIR322報(bào)告和ITU?R P.372建議書提供的一套全球大氣噪聲分布圖和人為噪聲的一組計(jì)算公式進(jìn)行估算所需地區(qū)的無線電噪聲[2]。但是ITU?R P.372建議書所提供的一套全球大氣噪聲分布數(shù)據(jù)是基于1957—1961年在全球16個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行的無線電噪聲測量，人為噪聲則基于1966—1971年美國在其境內(nèi)103個(gè)地區(qū)進(jìn)行的測量[3] ，并沒有中國地區(qū)的實(shí)測數(shù)據(jù)。

因此，有必要獲得中國典型地區(qū)的實(shí)測數(shù)據(jù)，得到國內(nèi)的實(shí)際無線電噪聲水平和分布情況。特別是環(huán)境較為惡劣、系統(tǒng)前期設(shè)計(jì)中無法輕易進(jìn)行開展臨時(shí)測量的地方。鑒于此，2013年7—8月在西藏自治區(qū)阿里地區(qū)進(jìn)行了為期一月的無線電噪聲測量，獲得了國內(nèi)資料極難查閱到的國內(nèi)高原地區(qū)的實(shí)測無線電噪聲水平。

1 測量原理

短波段的無線電噪聲是大氣無線電噪聲、人為噪聲、銀河系噪聲等各類噪聲的合成[4]。在實(shí)際測量中，一般情況下測量得到的也是測量點(diǎn)的綜合噪聲。可以根據(jù)測量點(diǎn)周圍的人為活動(dòng)情況等來估計(jì)綜合噪聲中占主導(dǎo)地位的噪聲來源。

國際慣例中，外部無線電噪聲測量結(jié)果通常以外部無線電噪聲系數(shù)Fa的形式給出。在使用無損耗垂直單極子短天線時(shí)，接收點(diǎn)噪聲場強(qiáng)與外部無線電噪聲系數(shù)Fa的換算公式如下[4]：

[Fa=E+95.5-20lg f-10lgB] （1）

式中：Fa為外部無線電噪聲系數(shù)，單位為dB；E為噪聲場強(qiáng)的均方根值，單位為dBμV/m；f為測量頻率，單位為MHz；B為測量帶寬，單位為Hz。

根據(jù)公式（1）可以通過測量噪聲場強(qiáng)的方法得到外部無線電噪聲系數(shù)。

2 測量方法

2.1 測量設(shè)備

本次測量使用的測量接收機(jī)型號為ESCI，生產(chǎn)公司為德國R&S公司；測量天線為配套的1 m垂直桿天線，型號為HFH2?Z6，天線系數(shù)K為10 dB/m。為了在測量時(shí)間內(nèi)獲取大量的實(shí)測數(shù)據(jù)，測量過程中利用計(jì)算機(jī)通過GPIB通信控制卡控制接收機(jī)實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)測量并自動(dòng)存儲(chǔ)測量數(shù)據(jù)。

2.2 測量方法

本次測量頻率范圍為2～30 MHz。從2.5～29.5 MHz以1 MHz為間隔選擇了28個(gè)頻率作為測量的標(biāo)稱頻率；在測量時(shí)為了避開人為發(fā)射信號及其他大功率干擾，對每個(gè)標(biāo)稱頻率在測量前進(jìn)行一組預(yù)掃頻測量，掃描范圍為標(biāo)稱頻率±0.5 MHz，從掃描數(shù)據(jù)中選擇一個(gè)安靜頻率作為實(shí)際測量頻率開展定頻測量。

測量時(shí)接收機(jī)采用有效值檢波，測量帶寬為200 Hz，每個(gè)頻率單次總測量時(shí)間為3 min。全頻段單次測量時(shí)間約1 h，每天24 h循環(huán)測量[5]。

2.3 測量系統(tǒng)誤差

由ESCI型接收機(jī)和HFH2?Z6型天線組成的測量系統(tǒng)測量誤差最大為1 dB。按2.2節(jié)所述，實(shí)際測量時(shí)的測量頻率通常與標(biāo)稱頻率不一致，由于這種頻率偏移引起的測量誤差最大為[20lg5.55]dB，約0.8 dB。

綜合考慮，整個(gè)測量系統(tǒng)的總測量誤差最大為[6][1×1+0.8×0.8]dB，約1.3 dB。

2.4 測量點(diǎn)簡介

測量點(diǎn)選在距離阿里地區(qū)獅泉河鎮(zhèn)4 km的地點(diǎn)。測試點(diǎn)四周方圓4 km內(nèi)地勢較為平坦、開闊且極少有人為活動(dòng)，沒有樹木、房屋等電磁障礙遮擋物，大約4 km處有山嶺圍繞。測量點(diǎn)的噪聲環(huán)境特征介于ITU?R SM.1753?2（09/2012）中規(guī)定的偏遠(yuǎn)農(nóng)村和農(nóng)村之間[7]。

3 測量數(shù)據(jù)處理

3.1 處理方法

根據(jù)ITU?R P.372建議書中的預(yù)測數(shù)據(jù)的給出方法，將實(shí)測數(shù)據(jù)按照當(dāng)?shù)貢r(shí)間分為6個(gè)時(shí)段，分別為：00：00—04：00，04：00—08：00，08：00—12：00，12：00—16：00，16：00—20：00， 20：00—24：00，統(tǒng)計(jì)每個(gè)頻率在每個(gè)時(shí)段的所有定頻測量數(shù)據(jù)的中值。

3.2 處理結(jié)果

00：00—04：00，04：00—08：00，08：00—12：00三個(gè)時(shí)段的處理結(jié)果見圖1，12：00—16：00，16：00—20：00，20：00—24：00三個(gè)時(shí)段的處理結(jié)果見圖2。

圖1 00：00—04：00，04：00—08：00，08：00—12：00

三個(gè)時(shí)段處理結(jié)果

圖2 12：00—16：00，16：00—20：00，20：00—24：00

三個(gè)時(shí)段處理結(jié)果

為了更能直觀地看出無線電噪聲隨時(shí)間的變化，選取2.5 MHz，8.5 MHz，15.5 MHz，29.5 MHz四個(gè)頻率的所有時(shí)段的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行隨時(shí)段處理，結(jié)果見圖3。

圖3 典型頻率的處理結(jié)果

3.3 初步分析

（1） 測試點(diǎn)外部噪聲系數(shù)在頻段2～8 MHz內(nèi)有明顯的晝夜變化。一般在12：00—16：00時(shí)段外部噪聲強(qiáng)度最低；在00：00—04：00時(shí)段內(nèi)外部噪聲強(qiáng)度達(dá)到最高，晝夜變化最大可達(dá)24 dB。頻率越低，外部噪聲強(qiáng)度日變化越明顯。

（2） 測試點(diǎn)低頻段外部噪聲強(qiáng)度的晝夜變化符合大氣無線電噪聲的逐時(shí)變化特征。

（3） 在8～30 MHz頻段，外部噪聲系數(shù)也呈現(xiàn)出晝夜變化，但變化趨勢與低頻段正好相反。通常在白天時(shí)段高，夜間時(shí)段低，但晝夜變化幅度較小。

4 與預(yù)測數(shù)據(jù)的比較

4.1 各類噪聲預(yù)測值的合成

ITU?R P.372建議書給出了短波段大氣噪聲、人為噪聲和銀河噪聲的預(yù)測值。大氣噪聲預(yù)測數(shù)據(jù)可從ITU?R P.372建議書的大氣噪聲分布圖讀??；人為噪聲和銀河噪聲的預(yù)測數(shù)據(jù)可由該建議書給出的公式計(jì)算得到。

由于本次實(shí)測過程中并未區(qū)分這三類噪聲，因此需要獲取三類噪聲預(yù)測值的合成作為該地區(qū)外部無線電噪聲的預(yù)測值。

用于合成三類噪聲的計(jì)算公式如下[6]：

[FamT=cln（αT）-σ2T2c2] （2）

[σT=cln1+βTα2T] （3）

[c=10/ln 10=4.343] （4）

[αT=i=1nexpFamic+σ2i2c2] （5）

[βT=i=1nα2iexpσ2ic2-1] （6）

式中：[FamT]為合成噪聲的中值；[σT]為合成噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差；[Fami]為每個(gè)噪聲源的中值；[σi]為每個(gè)噪聲源的標(biāo)準(zhǔn)差。人為噪聲預(yù)測值取農(nóng)村級別。

4.2 預(yù)測值與實(shí)測值的比較

選取2.5 MHz，8.5 MHz，15.5 MHz，29.5 MHz四個(gè)頻率作為典型頻率的實(shí)測處理結(jié)果與預(yù)測值的綜合噪聲比較見圖4～圖7。其余頻點(diǎn)實(shí)測值可從圖1和圖2中獲得。

圖4 2.5 MHz實(shí)測數(shù)據(jù)與預(yù)測值比較

圖5 8.5 MHz實(shí)測數(shù)據(jù)與預(yù)測值比較

圖6 15.5 MHz實(shí)測數(shù)據(jù)與預(yù)測值比較

圖7 29.5 MHz實(shí)測數(shù)據(jù)與預(yù)測值比較

4.3 實(shí)測值與預(yù)測值比較分析

總的看來，阿里測量點(diǎn)在白天時(shí)段實(shí)測外部噪聲強(qiáng)度非常接近于農(nóng)村預(yù)測值，但在夜間時(shí)段頻率低端實(shí)測外部噪聲強(qiáng)度同預(yù)測值相比顯得較高。

4.4 進(jìn)一步分析

為了進(jìn)一步分析阿里地區(qū)的無線電噪聲與預(yù)測值具有偏差的原因，選取了距離阿里地區(qū)較近的印度實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。印度在1957—1961年由全印度無線電All India Radio（AIR）負(fù)責(zé)組織在德里進(jìn)行了大氣無線電噪聲測量。德里測量點(diǎn)距離阿里測試點(diǎn)距離為500 km左右。我們獲得了印度德里測量點(diǎn)在2.5 MHz，5.5 MHz，10 MHz上，08：00—12：00，12：00—16：00，16：00—20：00，20：00—24：00四個(gè)時(shí)段的測量結(jié)果，與阿里實(shí)測結(jié)果對比圖見圖8～圖10。

圖8 2.5 MHz阿里與德里實(shí)測數(shù)據(jù)比較

圖9 5.5 MHz阿里與德里實(shí)測數(shù)據(jù)比較

圖10 10 MHz阿里與德里實(shí)測數(shù)據(jù)比較

由圖8～圖10可知德里夏季短波波段的外部噪聲強(qiáng)度日變化較小，夜晚時(shí)段的實(shí)測外部噪聲數(shù)據(jù)也是比較高的。阿里測試點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)在夜晚時(shí)段的短波頻段低端與德里實(shí)測結(jié)果相差不大。在短波中段阿里實(shí)測數(shù)據(jù)明顯低于德里數(shù)據(jù)。

導(dǎo)致阿里地區(qū)白天背景噪聲較低的原因可能與這一地區(qū)的獨(dú)特氣候特征有關(guān)，也與本地極低的人口密度有關(guān)。原則上，短波低端白天的環(huán)境無線電噪聲主要是由本地雷電和人為噪聲產(chǎn)生的；而夜間，不同地區(qū)的雷電脈沖能夠四面八方地傳播，阿里和德里地面距離較近，它們在夜間的大氣無線電噪聲強(qiáng)度相當(dāng)是很自然的。

5 結(jié) 論

（1） 阿里測量點(diǎn)實(shí)測外部噪聲數(shù)據(jù)頻率地段晝夜變化明顯，外部噪聲強(qiáng)度與該地區(qū)自然噪聲和人為噪聲的一般變化規(guī)律相符合；

（2） 阿里實(shí)測數(shù)據(jù)與附近地區(qū)國際測量站測量數(shù)據(jù)對比分析表明：阿里測量點(diǎn)背景噪聲環(huán)境優(yōu)良，特別是在白天時(shí)段優(yōu)勢明顯。

通過此次測量，可以看出實(shí)測數(shù)據(jù)與預(yù)測值有些時(shí)段會(huì)有較大偏差，因此在短波通信工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量對站點(diǎn)的外部無線電噪聲進(jìn)行實(shí)地測量，以更準(zhǔn)確地估計(jì)接收信噪比和評估通信質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡繪斌，陳建忠.短波大氣噪聲的數(shù)值計(jì)算方法[J].通信技術(shù)，2010（7）：31?35.

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[4] 焦培南，張忠治.雷達(dá)環(huán)境與電播傳播特性[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

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[7] Department of Commerce Office of Telecommunications. NTIA Report 85?173： atmospheric radio noise： world levels and other characteristics [R]. Washington： Department of Commerce Office of Telecommunications， 1985.

圖8 2.5 MHz阿里與德里實(shí)測數(shù)據(jù)比較

圖9 5.5 MHz阿里與德里實(shí)測數(shù)據(jù)比較

圖10 10 MHz阿里與德里實(shí)測數(shù)據(jù)比較

由圖8～圖10可知德里夏季短波波段的外部噪聲強(qiáng)度日變化較小，夜晚時(shí)段的實(shí)測外部噪聲數(shù)據(jù)也是比較高的。阿里測試點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)在夜晚時(shí)段的短波頻段低端與德里實(shí)測結(jié)果相差不大。在短波中段阿里實(shí)測數(shù)據(jù)明顯低于德里數(shù)據(jù)。

導(dǎo)致阿里地區(qū)白天背景噪聲較低的原因可能與這一地區(qū)的獨(dú)特氣候特征有關(guān)，也與本地極低的人口密度有關(guān)。原則上，短波低端白天的環(huán)境無線電噪聲主要是由本地雷電和人為噪聲產(chǎn)生的；而夜間，不同地區(qū)的雷電脈沖能夠四面八方地傳播，阿里和德里地面距離較近，它們在夜間的大氣無線電噪聲強(qiáng)度相當(dāng)是很自然的。

5 結(jié) 論

（1） 阿里測量點(diǎn)實(shí)測外部噪聲數(shù)據(jù)頻率地段晝夜變化明顯，外部噪聲強(qiáng)度與該地區(qū)自然噪聲和人為噪聲的一般變化規(guī)律相符合；

（2） 阿里實(shí)測數(shù)據(jù)與附近地區(qū)國際測量站測量數(shù)據(jù)對比分析表明：阿里測量點(diǎn)背景噪聲環(huán)境優(yōu)良，特別是在白天時(shí)段優(yōu)勢明顯。

通過此次測量，可以看出實(shí)測數(shù)據(jù)與預(yù)測值有些時(shí)段會(huì)有較大偏差，因此在短波通信工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量對站點(diǎn)的外部無線電噪聲進(jìn)行實(shí)地測量，以更準(zhǔn)確地估計(jì)接收信噪比和評估通信質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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[7] Department of Commerce Office of Telecommunications. NTIA Report 85?173： atmospheric radio noise： world levels and other characteristics [R]. Washington： Department of Commerce Office of Telecommunications， 1985.

圖8 2.5 MHz阿里與德里實(shí)測數(shù)據(jù)比較

圖9 5.5 MHz阿里與德里實(shí)測數(shù)據(jù)比較

圖10 10 MHz阿里與德里實(shí)測數(shù)據(jù)比較

由圖8～圖10可知德里夏季短波波段的外部噪聲強(qiáng)度日變化較小，夜晚時(shí)段的實(shí)測外部噪聲數(shù)據(jù)也是比較高的。阿里測試點(diǎn)實(shí)測數(shù)據(jù)在夜晚時(shí)段的短波頻段低端與德里實(shí)測結(jié)果相差不大。在短波中段阿里實(shí)測數(shù)據(jù)明顯低于德里數(shù)據(jù)。

導(dǎo)致阿里地區(qū)白天背景噪聲較低的原因可能與這一地區(qū)的獨(dú)特氣候特征有關(guān)，也與本地極低的人口密度有關(guān)。原則上，短波低端白天的環(huán)境無線電噪聲主要是由本地雷電和人為噪聲產(chǎn)生的；而夜間，不同地區(qū)的雷電脈沖能夠四面八方地傳播，阿里和德里地面距離較近，它們在夜間的大氣無線電噪聲強(qiáng)度相當(dāng)是很自然的。

5 結(jié) 論

（1） 阿里測量點(diǎn)實(shí)測外部噪聲數(shù)據(jù)頻率地段晝夜變化明顯，外部噪聲強(qiáng)度與該地區(qū)自然噪聲和人為噪聲的一般變化規(guī)律相符合；

（2） 阿里實(shí)測數(shù)據(jù)與附近地區(qū)國際測量站測量數(shù)據(jù)對比分析表明：阿里測量點(diǎn)背景噪聲環(huán)境優(yōu)良，特別是在白天時(shí)段優(yōu)勢明顯。

通過此次測量，可以看出實(shí)測數(shù)據(jù)與預(yù)測值有些時(shí)段會(huì)有較大偏差，因此在短波通信工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量對站點(diǎn)的外部無線電噪聲進(jìn)行實(shí)地測量，以更準(zhǔn)確地估計(jì)接收信噪比和評估通信質(zhì)量。

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