淺談場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量中的不確定度

　　場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量是無線電監(jiān)測(cè)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(zhǔn)確的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量可了解電磁環(huán)境的真實(shí)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(zhǎng)期的測(cè)量和數(shù)據(jù)分析比較，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和反映電磁環(huán)境的異常變化，改變?cè)瓉碇挥型ㄟ^用戶申訴才能發(fā)現(xiàn)無線電干擾的被動(dòng)局面，變被動(dòng)監(jiān)測(cè)為主動(dòng)監(jiān)測(cè)，適應(yīng)保障安全生產(chǎn)的需要。

　　場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量的四種模式

　�。�1）使用便攜式或移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，在一點(diǎn)或多點(diǎn)獲取相關(guān)的瞬時(shí)數(shù)據(jù)或短時(shí)數(shù)據(jù)。如用便攜式接收機(jī)利用比較場(chǎng)強(qiáng)大小的方式來查找干擾源。

　�。�2）使用移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，獲取移動(dòng)無線電覆蓋區(qū)域的統(tǒng)計(jì)參數(shù)。如運(yùn)營(yíng)商對(duì)GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況的測(cè)量。

　　（3）在固定點(diǎn)進(jìn)行的短期測(cè)量，一般用于支持其他監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)。如用固定站對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)向時(shí)讀出信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)值。

　�。�4）長(zhǎng)期測(cè)量，包括場(chǎng)強(qiáng)記錄和曲線記錄分析，用計(jì)算機(jī)分別存儲(chǔ)和分析所測(cè)得的數(shù)據(jù)。如在固定監(jiān)測(cè)站長(zhǎng)期對(duì)某頻點(diǎn)或頻段的場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量。

　　場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量目的不同，對(duì)場(chǎng)強(qiáng)值準(zhǔn)確度的要求也不同。在場(chǎng)強(qiáng)值接近標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，要判斷場(chǎng)強(qiáng)值是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，就要求較高的準(zhǔn)確度。一般可用測(cè)量不確定度表示測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度，雖然測(cè)量不確定度與準(zhǔn)確度之間的關(guān)系難以量化，但可以肯定的是，測(cè)量不確定度越小，準(zhǔn)確度就越高。所以，在某些情況下，測(cè)量結(jié)果除了要給出場(chǎng)強(qiáng)值外，還要給出其測(cè)量的不確定度。

　　要詳細(xì)了解測(cè)量不確定度，可參考JJF1059《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》，這里只簡(jiǎn)單介紹“誤差”、“準(zhǔn)確度”和“測(cè)量不確定度”的基本概念。每次測(cè)量都會(huì)得出一個(gè)測(cè)量值，這個(gè)測(cè)量值往往與被測(cè)量的真值不同，誤差就等于測(cè)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(cè)量不確定度表示測(cè)量值的可靠程度。在JJF1059中，測(cè)量不確定度被定義為“表征合理地賦予被測(cè)量之值的分散性，與測(cè)量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)”。

　　根據(jù)測(cè)量不確定度判定場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量值 Vmeas是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求的兩種途徑

　　（1）測(cè)量不確定度Ums盡可能小

　　對(duì)通信用戶來說，如果Vmeas+Ums小于等于標(biāo)準(zhǔn)值，可判定信號(hào)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。如用戶測(cè)量某頻點(diǎn)信號(hào)電平，看在該地點(diǎn)建接收站是否會(huì)受到干擾。

　　對(duì)管理部門來說，如果Vmeas-Ums大于標(biāo)準(zhǔn)值，可判定信號(hào)不符合標(biāo)準(zhǔn)。如管理部門測(cè)量某頻點(diǎn)信號(hào)電平，看某發(fā)射機(jī)信號(hào)是否會(huì)干擾其它接收機(jī)。

　　（2）測(cè)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(cè)量值均小于等于標(biāo)準(zhǔn)值，可判定信號(hào)符合標(biāo)準(zhǔn);

　　如果任一測(cè)量值大于標(biāo)準(zhǔn)值，則判定信號(hào)不符合標(biāo)準(zhǔn)。

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

　　對(duì)通信用戶來說，當(dāng)Ums大于URec時(shí):如果所有測(cè)量值加上(Ums-URec)均小于等于標(biāo)準(zhǔn)值，可判定信號(hào)符合標(biāo)準(zhǔn)；如果任一測(cè)量值加上(Ums-URec)大于標(biāo)準(zhǔn)值，則判定信號(hào)不符合標(biāo)準(zhǔn)。

　　對(duì)管理部門來說，當(dāng)Ums大于URec時(shí):如果所有測(cè)量值減去(Ums-URec)均小于等于標(biāo)準(zhǔn)值，可判定信號(hào)符合標(biāo)準(zhǔn)；如果任一測(cè)量值減去(Ums-URec)大于標(biāo)準(zhǔn)值，則判定信號(hào)不符合標(biāo)準(zhǔn)。

　　如何合理地評(píng)定場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量的不確定度

　　場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量需要使用經(jīng)校準(zhǔn)的天線、耦合網(wǎng)絡(luò)和/或傳輸線、測(cè)試接收機(jī)或頻譜分析儀，為了提高靈敏度，還可加上低噪聲放大器（LNA）。可見，場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量與發(fā)射設(shè)備傳導(dǎo)測(cè)量最大的不同之處是使用了經(jīng)校準(zhǔn)的天線，天線的特性是在評(píng)定場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量的不確定度中特別需要注意的因素。

　　場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量中影響不確定度的分量如下:

·接收機(jī)讀數(shù)

·天線與接收機(jī)間的衰減

·天線因子

·接收機(jī)正弦波電壓準(zhǔn)確度

·相對(duì)于信號(hào)占用帶寬的接收機(jī)選擇性

·接收機(jī)底部噪聲

·天線接口與接收機(jī)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(yīng)(也叫慢速衰落)和反射

　　下面給出一個(gè)計(jì)算場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量不確定度的例子，該例子適合于在固定站或移動(dòng)站測(cè)量30 MHz～3000 MHz之間頻率的場(chǎng)強(qiáng)值。

場(chǎng)強(qiáng)值E=Vr+Lc+AF+δVsw+δVsel+δVnf+δM+δAFf

+δAFh+δAdir+δAcp+δAbal+δSR

　　具體到某個(gè)特定的監(jiān)測(cè)站，輸入量的不確定度可能與表中的不同。評(píng)定場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量值的擴(kuò)展不確定度Ums時(shí)，必須考慮其測(cè)量系統(tǒng)中的所有已知因素，包括設(shè)備特性、校準(zhǔn)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(cè)量過程等。當(dāng)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度中的主要輸入量隨頻率而顯著變化時(shí)，應(yīng)該為不同的頻段計(jì)算不確定度。

[備注]欄說明:

(1) 接收機(jī)讀數(shù)會(huì)由于測(cè)量系統(tǒng)的不穩(wěn)定、接收機(jī)噪聲而變化。測(cè)量值Vr由接收機(jī)多次讀數(shù)的平均值得到，標(biāo)準(zhǔn)不確定度是平均值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差。

(2)、（3）中接收機(jī)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(kuò)展不確定度和包含因子的校準(zhǔn)報(bào)告得出。

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

(5) 當(dāng)接收機(jī)或頻譜儀的分辨率帶寬小于信號(hào)占用帶寬而需要修正時(shí)，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(dāng)RMS檢波器的分辨率帶寬只有被測(cè)CDMA信號(hào)占用帶寬的10%時(shí)，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(cè)天線距離發(fā)射天線較近，測(cè)試接收機(jī)的底部噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于信號(hào)電平，那么就可忽略底部噪聲的影響，否則就要考慮對(duì)測(cè)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(zhǔn)報(bào)告只給出若干參考頻率點(diǎn)上的天線因子，那么就要使用插值法得出其余頻率點(diǎn)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(diǎn)的間隔、天線因子隨頻率變化的特性有關(guān)。若校準(zhǔn)報(bào)告給出“天線因子-頻率”曲線圖，則可直觀讀出各頻率點(diǎn)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(zhǔn)報(bào)告直接給出測(cè)量頻率點(diǎn)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(fù)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(fù)合天線的天線因子高度偏差修正值δAFh應(yīng)為零，具有矩形分布，半寬可由雙錐形天線和對(duì)數(shù)周期天線的特性得出。

(10) 校準(zhǔn)報(bào)告一般只給出天線在主方向上的天線因子，對(duì)復(fù)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(duì)值。方向性偏差修正值δAdir應(yīng)為零，具有矩形分布。

若已知測(cè)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(yīng)通常可忽略，而對(duì)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(dāng)同軸電纜與平行的天線振子連接時(shí)，天線的非平衡響應(yīng)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(cè)時(shí)，應(yīng)考慮陰影效應(yīng)的影響。陰影效應(yīng)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(yīng)對(duì)場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量的影響是很難估算的。

(14) 利用移動(dòng)監(jiān)測(cè)站測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，可在不同的天線高度和位置上測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)，并把多個(gè)測(cè)量值進(jìn)行平均，從而減少信號(hào)反射對(duì)測(cè)量的影響。

參考資料

[1] ITU手冊(cè)《頻譜監(jiān)測(cè)手冊(cè)》

[2] ITU建議ITU-R SM.378《監(jiān)測(cè)站中的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量》

[3] 中華人民共和國(guó)國(guó)家計(jì)量技術(shù)規(guī)范JJF1059《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》