淺談場強測量中的不確定度

　　場強測量是無線電監(jiān)測工作的重要組成部分，在無線電管理工作中起著重要作用。通過準確的場強測量可了解電磁環(huán)境的真實狀況，為頻率劃分和分配提供有效的技術(shù)數(shù)據(jù)。通過長期的測量和數(shù)據(jù)分析比較，能夠及時發(fā)現(xiàn)和反映電磁環(huán)境的異常變化，改變原來只有通過用戶申訴才能發(fā)現(xiàn)無線電干擾的被動局面，變被動監(jiān)測為主動監(jiān)測，適應保障安全生產(chǎn)的需要。

　　場強測量的四種模式

　�。�1）使用便攜式或移動設備進行測量，在一點或多點獲取相關的瞬時數(shù)據(jù)或短時數(shù)據(jù)。如用便攜式接收機利用比較場強大小的方式來查找干擾源。

　�。�2）使用移動設備進行測量，獲取移動無線電覆蓋區(qū)域的統(tǒng)計參數(shù)。如運營商對GSM網(wǎng)絡覆蓋情況的測量。

　�。�3）在固定點進行的短期測量，一般用于支持其他監(jiān)測業(yè)務。如用固定站對信號進行測向時讀出信號的場強值。

　　（4）長期測量，包括場強記錄和曲線記錄分析，用計算機分別存儲和分析所測得的數(shù)據(jù)。如在固定監(jiān)測站長期對某頻點或頻段的場強進行測量。

　　場強測量目的不同，對場強值準確度的要求也不同。在場強值接近標準值時，要判斷場強值是否符合標準要求，就要求較高的準確度。一般可用測量不確定度表示測量結(jié)果的準確度，雖然測量不確定度與準確度之間的關系難以量化，但可以肯定的是，測量不確定度越小，準確度就越高。所以，在某些情況下，測量結(jié)果除了要給出場強值外，還要給出其測量的不確定度。

　　要詳細了解測量不確定度，可參考JJF1059《測量不確定度評定與表示》，這里只簡單介紹“誤差”、“準確度”和“測量不確定度”的基本概念。每次測量都會得出一個測量值，這個測量值往往與被測量的真值不同，誤差就等于測量值與真值之差。由于真值無法得到，所以誤差也就無法算出，只能用測量不確定度表示測量值的可靠程度。在JJF1059中，測量不確定度被定義為“表征合理地賦予被測量之值的分散性，與測量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)”。

　　根據(jù)測量不確定度判定場強測量值 Vmeas是否符合標準要求的兩種途徑

　　（1）測量不確定度Ums盡可能小

　　對通信用戶來說，如果Vmeas+Ums小于等于標準值，可判定信號符合標準要求。如用戶測量某頻點信號電平，看在該地點建接收站是否會受到干擾。

　　對管理部門來說，如果Vmeas-Ums大于標準值，可判定信號不符合標準。如管理部門測量某頻點信號電平，看某發(fā)射機信號是否會干擾其它接收機。

　�。�2）測量不確定度Ums小于等于建議的最大不確定度值URec

　　如果所有測量值均小于等于標準值，可判定信號符合標準;

　　如果任一測量值大于標準值，則判定信號不符合標準。

　　除非受接收機底部噪聲、大氣噪聲或者外部干擾的限制，否則URec應滿足以下要求:測量頻率小于30 MHz時，URec=2 dB;測量頻率大于30 MHz時，URec=3dB。要滿足上述要求，場強測量系統(tǒng)必須按照一定的要求進行安裝和使用，具體要求參考ITU建議ITU-R SM.378《監(jiān)測站中的場強測量》附件1。

　　對通信用戶來說，當Ums大于URec時:如果所有測量值加上(Ums-URec)均小于等于標準值，可判定信號符合標準；如果任一測量值加上(Ums-URec)大于標準值，則判定信號不符合標準。

　　對管理部門來說，當Ums大于URec時:如果所有測量值減去(Ums-URec)均小于等于標準值，可判定信號符合標準；如果任一測量值減去(Ums-URec)大于標準值，則判定信號不符合標準。

　　如何合理地評定場強測量的不確定度

　　場強測量需要使用經(jīng)校準的天線、耦合網(wǎng)絡和/或傳輸線、測試接收機或頻譜分析儀，為了提高靈敏度，還可加上低噪聲放大器（LNA）�？梢姡瑘鰪姕y量與發(fā)射設備傳導測量最大的不同之處是使用了經(jīng)校準的天線，天線的特性是在評定場強測量的不確定度中特別需要注意的因素。

　　場強測量中影響不確定度的分量如下:

·接收機讀數(shù)

·天線與接收機間的衰減

·天線因子

·接收機正弦波電壓準確度

·相對于信號占用帶寬的接收機選擇性

·接收機底部噪聲

·天線接口與接收機之間的失配

·天線因子的頻率插值偏差

·因天線離地面和其它相互耦合物的高度變化而引起的天線因子變化

·天線方向性

·天線交叉極化

·天線平衡

·障礙物引起的陰影效應(也叫慢速衰落)和反射

　　下面給出一個計算場強測量不確定度的例子，該例子適合于在固定站或移動站測量30 MHz～3000 MHz之間頻率的場強值。

場強值E=Vr+Lc+AF+δVsw+δVsel+δVnf+δM+δAFf

+δAFh+δAdir+δAcp+δAbal+δSR

　　具體到某個特定的監(jiān)測站，輸入量的不確定度可能與表中的不同。評定場強測量值的擴展不確定度Ums時，必須考慮其測量系統(tǒng)中的所有已知因素，包括設備特性、校準數(shù)據(jù)的質(zhì)量和量值傳遞性、已知或最接近的分布函數(shù)、測量過程等。當合成標準不確定度中的主要輸入量隨頻率而顯著變化時，應該為不同的頻段計算不確定度。

[備注]欄說明:

(1) 接收機讀數(shù)會由于測量系統(tǒng)的不穩(wěn)定、接收機噪聲而變化。測量值Vr由接收機多次讀數(shù)的平均值得到，標準不確定度是平均值的實驗標準差。

(2)、（3）中接收機與天線間的衰減值Lc、自由空間天線因子AF的不確定度，可由給出擴展不確定度和包含因子的校準報告得出。

(4) 接收機正弦波電壓準確度修正值δVsw的不確定度，可由給出擴展不確定度和包含因子的校準報告得出。[注:如果校準報告給出接收機正弦波電壓準確度在一定的限值范圍內(nèi)(2 dB），那么修正值δVsw應為0，具有矩形分布，半寬為2 dB。]

(5) 當接收機或頻譜儀的分辨率帶寬小于信號占用帶寬而需要修正時，就需要使用帶寬修正因子，這也引入了不確定度分量δVsel。例如，當RMS檢波器的分辨率帶寬只有被測CDMA信號占用帶寬的10%時，修正因子為10 dB，若分辨率帶寬的最大允許誤差為10%，則修正因子的不確定度為0.5 dB。

(6) 如果監(jiān)測天線距離發(fā)射天線較近，測試接收機的底部噪聲遠遠低于信號電平，那么就可忽略底部噪聲的影響，否則就要考慮對測量結(jié)果的影響。

(7) 失配：具體可參考ETSI TR 100028。

(8) 假如天線校準報告只給出若干參考頻率點上的天線因子，那么就要使用插值法得出其余頻率點上的天線因子。由此算出的天線因子不確定度與參考頻率點的間隔、天線因子隨頻率變化的特性有關。若校準報告給出“天線因子-頻率”曲線圖，則可直觀讀出各頻率點上的天線因子。

天線因子頻率插值誤差的修正值為零，具有矩形分布，半寬為0.3 dB。若校準報告直接給出測量頻率點的天線因子，則無須考慮天線因子的不確定度。

(9) 單偶極天線的天線因子高度偏差與復合天線是不一樣的。單偶極天線的天線因子不確定度中已包含了高度的影響;復合天線的天線因子高度偏差修正值δAFh應為零，具有矩形分布，半寬可由雙錐形天線和對數(shù)周期天線的特性得出。

(10) 校準報告一般只給出天線在主方向上的天線因子，對復合天線來說，還需考慮其它方向上的天線因子與主方向上的相對值。方向性偏差修正值δAdir應為零，具有矩形分布。

若已知測量天線的類型，并根據(jù)工作頻率和入射角算出方向性偏差修正值，可減少天線方向性不確定度。

(11) 單偶極天線的交叉極化響應通常可忽略，而對數(shù)周期天線的交叉極化修正值δAcp為零，具有矩形分布，半寬為0.9 dB。

(12) 當同軸電纜與平行的天線振子連接時，天線的非平衡響應特性最顯著。天線非平衡修正值δAbal為零，具有矩形分布，半寬可參考已有的天線。

(13) 在固定站監(jiān)測時，應考慮陰影效應的影響。陰影效應修正值δSR1為零，具有矩形分布，例子中的半寬為1 dB。建筑等障礙物的陰影效應對場強測量的影響是很難估算的。

(14) 利用移動監(jiān)測站測量場強時，可在不同的天線高度和位置上測量場強，并把多個測量值進行平均，從而減少信號反射對測量的影響。

參考資料

[1] ITU手冊《頻譜監(jiān)測手冊》

[2] ITU建議ITU-R SM.378《監(jiān)測站中的場強測量》

[3] 中華人民共和國國家計量技術(shù)規(guī)范JJF1059《測量不確定度評定與表示》