短波通信背景噪聲的時間與頻率預測模型研究

摘要：短波通信是利用短波（HF）頻段（2MHz至30MHz）進行的無線電通信。這種通信方式能夠在全球范圍內進行遠距離傳輸，主要得益于短波信號能夠在電離層中進行反射。短波通信的特點包括長距離覆蓋、成本相對較低，以及在特定條件下能夠實現全球通信。短波通信背景噪聲對于通信質量和效率有著直接的影響。在進行遠距離通信時，背景噪聲可能會嚴重干擾對信號的接收，從而影響信息的準確傳輸。本研究將對影響短波通信背景噪聲的時間與頻率進行建模，來預測短波通信的背景噪聲。

關鍵詞：短波通信；背景噪聲；時間模型；頻率模型

一、引言

短波通信是指利用高頻（HF）頻段（2MHz至30MHz）進行的無線電通信方式，具有一系列獨特的優勢和應用場景[1]。這種通信方式能夠在全球范圍內實現遠距離無線通信，為人們的生活和工作帶來極大的便利。短波通信能夠實現遠距離傳輸，主要歸功于短波信號在電離層中的反射特性，這使得短波通信成為一種高效的通信手段。短波通信的特點十分明顯且多樣化。首先，它能夠實現長距離覆蓋，使得不同地區的通信成為可能；其次，短波通信的成本相對較低，對于經濟條件有限的地區或組織來說，這無疑是一個巨大的優勢；最后，在特定條件下，短波通信甚至能夠實現全球通信，能夠為國際交流與合作提供有力的支持。然而，短波通信也面臨著一些挑戰。其中，背景噪聲[2]是一個不可忽視的問題。背景噪聲對于短波通信的質量和效率有著直接的影響。在進行遠距離通信時，背景噪聲可能會嚴重干擾信號的接收，導致信息無法準確傳輸。這不僅會影響通信的可靠性，還可能給使用者帶來不便。為了克服這些困難，研究人員一直在努力改進短波通信技術。例如，他們正在開發更先進的信號處理算法，以降低背景噪聲對通信的影響。此外，他們還在研究如何提高短波通信的天線性能，以便更好地接收和發送信號。

為了深入理解和有效解決短波通信中的背景噪聲問題，本研究將對影響短波通信背景噪聲的關鍵因素——時間和頻率進行精細建模[3]。通過對背景噪聲變化規律的深入分析，能夠預測短波通信在不同時間和頻率條件下的背景噪聲水平。這種預測能力為采取針對性的措施以降低噪聲干擾、提升通信質量提供了科學依據。具體而言，通過對背景噪聲的建模，可以在通信系統設計階段就考慮到噪聲的影響，從而為提前采取相應的措施來降低噪聲干擾、提高通信質量打下基礎，也可為電磁環境仿真[4]平臺構建模擬背景噪聲提供理論支撐，推動短波通信技術的應用。

二、研究方法

背景噪聲的產生和演變機理極其復雜，受眾多因素交互作用的影響，其中，最關鍵的影響因子包括時間、頻率和地理位置。這些因素的綜合作用塑造了背景噪聲的獨特屬性，從而對無線電通信、聲學探測等眾多技術領域的運行效能產生顯著影響。為了深化對背景噪聲特性的理解，本研究采用實際測量數據，對背景噪聲的關鍵特征進行了詳盡分析，并據此進行了時間和頻率的建模及驗證。

（一）監測數據分析

背景噪聲的水平在一天中的不同時間段內會有顯著的變化。例如，自然噪聲，如雷電活動，在夏季更為頻繁，而人為噪聲則在白天比夜間更加顯著。這種時間上的變化對于理解和預測背景噪聲具有重要意義。為了深入地理解和預測背景噪聲，需要對其時間變化規律進行詳細的分析。在時間域上，本研究選取某城市站作為觀察點，對其連續7天的監測數據進行了深入分析。通過分析歷史數據與平均值的關系，發現背景噪聲的強度在一天中會呈現出明顯的變化規律。為了進一步研究背景噪聲在頻率域上的特性，本研究選取了某城市連續7天的監測數據進行了詳細分析。選取5、6.5、8、9.5、11、12.5、14、15.5、17、18.5、20 （MHz）等11個頻點。數據分析結果如下：

圖1（a） 表示5MHz～20MHz的頻段，每天8點、10點、12點、14點共7天的平均功率值，從中可以看出，頻率9.5MHz附近有很明顯的凸起，信號的過渡很突兀，可區分出信號及其鄰近的背景噪聲。這種人為干擾或人為噪聲，有很強的隨機性，很難描述其規律。圖1（b）表示5MHz、9.5MHz、11MHz、14MHz連續7天每天上午10點的平均噪聲功率值，介于-40dB和-30dB之間，噪聲功率雖然大小不一，起伏不定，但是總體上是連續的，相鄰噪聲功率變化較為平滑。基于這些特點，可以根據歷史數據將其處理為一個固定值（如歷史數據均值或前一時刻值）。其他頻率沒有明顯的凸起，可以近似看成多個周期性函數的疊加。以f=15.5MHz連續7天的監測數據進行數據擬合，其表達式為：

根據上述函數計算得出的估計值與真實值對比可知，背景噪聲數據大致呈現出一種與時間相關的周期性變化。盡管在某些頻點上，真實值曲線并沒有完全貼合估計值曲線，顯示出背景噪聲的不穩定性和隨機性，使得周期性表現得并不十分明顯。

（二）時間模型建模

（三）時間模型驗證

紫色離散點代表了連續7天的監測數據，直觀地展示了背景噪聲的變化情況。紅色曲線則是根據公式（2）擬合得出的結果，均方根誤差僅為7.34，顯示了擬合的準確度相當高。這條曲線幾乎能夠覆蓋大部分的紫色離散點，說明采用周期函數來描述背景噪聲與時間的關系是較為恰當的。要進一步優化這一模型，關鍵在于確定合適的N值。

（四）頻率模型建模

背景噪聲的特性不僅隨時間變化而變化，在不同頻率范圍內也表現出顯著的差異性。在低頻段，噪聲通常與自然現象如雷電活動密切相關，這是因為自然現象產生的電磁干擾往往集中在較低的頻率范圍內。而在高頻段，噪聲則可能更多地受到人為活動的影響，如無線電廣播、電視傳輸、雷達發射，以及其他電子設備的操作，這些活動產生的電磁輻射通常覆蓋較高的頻率區間。在研究和評估背景噪聲時，必須考慮噪聲的頻率特性，以便更準確地預測和減輕噪聲對無線電通信和聲學探測等技術的干擾。

本研究同樣分析與上述時間一致的某城市連續7天的監測數據，并對這些數據進行精細化的處理。首先，將連續7天的數據逐日進行分析，并詳細記錄每個時間段的背景噪聲情況。為了更準確地把握背景噪聲的整體趨勢，本研究進一步對這些數據進行平均處理。在此基礎上，特別選取了5個具有代表性的時間段，深入分析了2MHz～30MHz頻段內的背景噪聲特性，如圖2（b）所示。在圖中觀察到了5個不同時間點在2MHz～30MHz頻段內的背景噪聲趨勢。這些趨勢表現出高度的相似性，都呈現出隨著頻率值的增大，功率值逐漸減小的規律。然而，在這個平滑的下降趨勢中，一些頻點也出現了尖銳的凸起，這些異常點很可能源于人為噪聲或其他形式的干擾。為了更準確地描述和分析這些噪聲特性，本研究決定采用最常見的多項式來進行處理，形式如下：

（五）頻率模型驗證

根據公式（3）擬合一下離散的監測數據。當然，在一般情況下，多項式的階數越高，擬合越準確，但由于數據過于分散，需要階數比較大（超過10）才能比較貼合曲線。通過比較發現，一階的誤差并不大于10階以內的誤差，而且本研究需要的是一個通用的模型，形式越簡單越好，超過10階的多項式并非本研究所需。所以，找這些離散點的折中點的模型比較合適。本研究選擇最簡單的一階的效果，也就是關于時間的線性關系。

三、結束語

短波通信作為一種無線通信技術，在現代通信領域的重要性不言而喻。盡管它時常面臨著信號傳播受天氣影響、傳輸距離有限等挑戰和限制，但其同時在設備設計、網絡建設，以及抗毀能力等方面也展現出了獨特的優勢。短波通信設備簡單、建網靈活的特性，使得其在應對緊急通信需求時具有得天獨厚的優勢。同時，其強大的抗毀能力也使其在復雜多變的通信環境中能夠保持穩定的通信質量。因此，盡管面臨諸多挑戰，短波通信依然展現出不容忽視的應用價值和發展潛力。

為了提升短波通信噪聲預測的通用性和實用性，本研究通過對歷史短波通信監測數據分析其分布規律和特性，提出背景噪聲預測關于時間和頻率的通用模型。為了模擬電磁混進背景噪聲，特別是為電磁頻譜作戰基礎仿真系統提供綜合仿真訓練數據提供一種思路，為通信系統設計平臺提供支撐，后續需要進一步考慮數據的質量和多樣性，通過仿真多方面驗證，對模型進行改進和升級，優化模型參數，提高預測性能和準確性。

作者單位：卓海燕 中國電子科技集團公司第七研究所

參考文獻

[1] 王朝亮， 朱興云. 淺析短波通信[J]. 中國新通信， 2019， 21（04）：14.

[2] 李思靜， 王心塵. 短波頻段電磁環境測試淺析[J]. 中國無線電， 2013，（07）：56-59.

[3] 胡凌肇. 裝甲裝備體系對抗中衛星通信的應用與建模[J]. 中國新通信. 2017，19（17）：90.

[4] 謝林， 黃沖， 李德金. 復雜電磁環境仿真在射頻輻射特性評估中的應用[J]. 數字通信世界. 2023，（06）：134-136.