浅谈场强测量中的不确定度

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        场强测量是无线电监测工作的重要组成部分,在无线电管理工作中起着重要作用。通过准确的场强测量可了解电磁环境的真实状况,为频率划分和分配提供有效的技术数据。
  
  通过长期的测量和数据分析比较,能够及时发现和反映电磁环境的异常变化,改变原来只有通过用户申诉才能发现无线电干扰的被动局面,变被动监测为主动监测,适应保障安全生产的需要。 

  场强测量的四种模式 

  (1)使用便携式或移动设备进行测量,在一点或多点获取相关的瞬时数据或短时数据。如用便携式接收机利用比较场强大小的方式来查找干扰源。 

  (2)使用移动设备进行测量,获取移动无线电覆盖区域的统计参数。如运营商对GSM网络覆盖情况的测量。 

  (3)在固定点进行的短期测量,一般用于支持其他监测业务。如用固定站对信号进行测向时读出信号的场强值。 

  (4)长期测量,包括场强记录和曲线记录分析,用计算机分别存储和分析所测得的数据。如在固定监测站长期对某频点或频段的场强进行测量。 

  场强测量目的不同,对场强值准确度的要求也不同。在场强值接近标准值时,要判断场强值是否符合标准要求,就要求较高的准确度。一般可用测量不确定度表示测量结果的准确度,虽然测量不确定度与准确度之间的关系难以量化,但可以肯定的是,测量不确定度越小,准确度就越高。所以,在某些情况下,测量结果除了要给出场强值外,还要给出其测量的不确定度。 

  要详细了解测量不确定度,可参考JJF1059《测量不确定度评定与表示》,这里只简单介绍“误差”、“准确度”和“测量不确定度”的基本概念。每次测量都会得出一个测量值,这个测量值往往与被测量的真值不同,误差就等于测量值与真值之差。由于真值无法得到,所以误差也就无法算出,只能用测量不确定度表示测量值的可靠程度。在JJF1059中,测量不确定度被定义为“表征合理地赋予被测量之值的分散性,与测量结果相联系的参数”。 

  根据测量不确定度判定场强测量值 Vmeas是否符合标准要求的两种途径 

  (1)测量不确定度Ums尽可能小 

  对通信用户来说,如果Vmeas+Ums小于等于标准值,可判定信号符合标准要求。如用户测量某频点信号电平,看在该地点建接收站是否会受到干扰。 

  对管理部门来说,如果Vmeas-Ums大于标准值,可判定信号不符合标准。如管理部门测量某频点信号电平,看某发射机信号是否会干扰其它接收机。 

  (2)测量不确定度Ums小于等于建议的最大不确定度值URec 

  如果所有测量值均小于等于标准值,可判定信号符合标准; 

  如果任一测量值大于标准值,则判定信号不符合标准。 

  除非受接收机底部噪声、大气噪声或者外部干扰的限制,否则URec应满足以下要求:测量频率小于30 MHz时,URec=2 dB;测量频率大于30 MHz时,URec=3dB。要满足上述要求,场强测量系统必须按照一定的要求进行安装和使用,具体要求参考ITU建议ITU-R SM.378《监测站中的场强测量》附件1。 

  对通信用户来说,当Ums大于URec时:如果所有测量值加上(Ums-URec)均小于等于标准值,可判定信号符合标准;如果任一测量值加上(Ums-URec)大于标准值,则判定信号不符合标准。 

  对管理部门来说,当Ums大于URec时:如果所有测量值减去(Ums-URec)均小于等于标准值,可判定信号符合标准;如果任一测量值减去(Ums-URec)大于标准值,则判定信号不符合标准。 

  如何合理地评定场强测量的不确定度 

  场强测量需要使用经校准的天线、耦合网络和/或传输线、测试接收机或频谱分析仪,为了提高灵敏度,还可加上低噪声放大器(LNA)。可见,场强测量与发射设备传导测量最大的不同之处是使用了经校准的天线,天线的特性是在评定场强测量的不确定度中特别需要注意的因素。 

  场强测量中影响不确定度的分量如下: 

  ·接收机读数 

  ·天线与接收机间的衰减 

  ·天线因子 

  ·接收机正弦波电压准确度 

  ·相对于信号占用带宽的接收机选择性 

  ·接收机底部噪声 

  ·天线接口与接收机之间的失配 

  ·天线因子的频率插值偏差 

  ·因天线离地面和其它相互耦合物的高度变化而引起的天线因子变化 

  ·天线方向性 

  ·天线交叉极化 

  ·天线平衡 

  ·障碍物引起的阴影效应(也叫慢速衰落)和反射 

  下面给出一个计算场强测量不确定度的例子,该例子适合于在固定站或移动站测量30 MHz~3000 MHz之间频率的场强值。 

  场强值E=Vr+Lc+AF+δVsw+δVsel+δVnf+δM+δAFf 

  +δAFh+δAdir+δAcp+δAbal+δSR 

  具体到某个特定的监测站,输入量的不确定度可能与表中的不同。评定场强测量值的扩展不确定度Ums时,必须考虑其测量系统中的所有已知因素,包括设备特性、校准数据的质量和量值传递性、已知或最接近的分布函数、测量过程等。当合成标准不确定度中的主要输入量随频率而显著变化时,应该为不同的频段计算不确定度。 

  [备注]栏说明: 

  (1) 接收机读数会由于测量系统的不稳定、接收机噪声而变化。测量值Vr由接收机多次读数的平均值得到,标准不确定度是平均值的实验标准差。 

  (2)、(3)中接收机与天线间的衰减值Lc、自由空间天线因子AF的不确定度,可由给出扩展不确定度和包含因子的校准报告得出。 

  (4) 接收机正弦波电压准确度修正值δVsw的不确定度,可由给出扩展不确定度和包含因子的校准报告得出。[注:如果校准报告给出接收机正弦波电压准确度在一定的限值范围内(2 dB),那么修正值δVsw应为0,具有矩形分布,半宽为2 dB。] 

  (5) 当接收机或频谱仪的分辨率带宽小于信号占用带宽而需要修正时,就需要使用带宽修正因子,这也引入了不确定度分量δVsel。例如,当RMS检波器的分辨率带宽只有被测CDMA信号占用带宽的10%时,修正因子为10 dB,若分辨率带宽的最大允许误差为10%,则修正因子的不确定度为0.5 dB。 

  (6) 如果监测天线距离发射天线较近,测试接收机的底部噪声远远低于信号电平,那么就可忽略底部噪声的影响,否则就要考虑对测量结果的影响。 

  (7) 失配:具体可参考ETSI TR 100028。 

  (8) 假如天线校准报告只给出若干参考频率点上的天线因子,那么就要使用插值法得出其余频率点上的天线因子。由此算出的天线因子不确定度与参考频率点的间隔、天线因子随频率变化的特性有关。若校准报告给出“天线因子-频率”曲线图,则可直观读出各频率点上的天线因子。 

  天线因子频率插值误差的修正值为零,具有矩形分布,半宽为0.3 dB。若校准报告直接给出测量频率点的天线因子,则无须考虑天线因子的不确定度。 

  (9) 单偶极天线的天线因子高度偏差与复合天线是不一样的。单偶极天线的天线因子不确定度中已包含了高度的影响;复合天线的天线因子高度偏差修正值δAFh应为零,具有矩形分布,半宽可由双锥形天线和对数周期天线的特性得出。 

  (10) 校准报告一般只给出天线在主方向上的天线因子,对复合天线来说,还需考虑其它方向上的天线因子与主方向上的相对值。方向性偏差修正值δAdir应为零,具有矩形分布。 

  若已知测量天线的类型,并根据工作频率和入射角算出方向性偏差修正值,可减少天线方向性不确定度。 

  (11) 单偶极天线的交叉极化响应通常可忽略,而对数周期天线的交叉极化修正值δAcp为零,具有矩形分布,半宽为0.9 dB。 

  (12) 当同轴电缆与平行的天线振子连接时,天线的非平衡响应特性最显著。天线非平衡修正值δAbal为零,具有矩形分布,半宽可参考已有的天线。 

  (13) 在固定站监测时,应考虑阴影效应的影响。阴影效应修正值δSR1为零,具有矩形分布,例子中的半宽为1 dB。建筑等障碍物的阴影效应对场强测量的影响是很难估算的。 

  (14) 利用移动监测站测量场强时,可在不同的天线高度和位置上测量场强,并把多个测量值进行平均,从而减少信号反射对测量的影响。