无线电磁环境监测与分析

无线电磁环境监测与分析

摘要

对无线电磁环境的定义和测量、分析方法进行了阐述。说明了无线电磁环境的测量方法以及测量时应注意的事项，如保证监测系统本身的准确性、监测资料正确记录等。最后介绍了在

关键词

电磁环境监测分析应用

前言

在诸多无线电管理文件和资料中，经常出现“电磁环境恶化”、“电磁环境复杂”等术语，这在某种程度上表明了电磁环境在无线电管理工作中的重要性。如何测量和判别电磁环境的优劣，对于我们维护电波秩序、主动查处有害干扰、科学规划和利用无线电频谱资源有着极为重要的作用。下面，笔者结合无线电监测实践，与大家分享一些对无线电磁环境监测和分析的认识。

电磁环境监测

1.1 电磁环境的定义

GB/T4365-1995对电磁环境有这样的描述:电磁环境是指存在于给定场所的所有电磁现象的总和。此定义包括了两层含义:第一，电磁环境是指某一给定场所，有限定的地区范围;第二，电磁环境是在给定地区范围内所有电磁现象的总和，包括自然界电磁现象、人为电磁现象。电磁噪声是一种明显不传递信息的时变电磁现象，它可能与有用信号叠加或组合。电磁环境的优劣直接影响无线电设备的工作质量，恶劣的电磁环境会导致无线电设备不能正常工作，这就是我们常说的电磁噪声干扰。

无线电环境是指无线电频率范围内的电磁环境。指在给定场所内所有处于工作状态的无线电发射机产生的电磁场总和，属于人为电磁现象（人工装置所产生的电磁现象）的范畴。

1.2 电磁环境监测设备

电磁环境的监测通常需要专用的设备来完成。电磁环境的监测设备的要求不同于通信接收机，通信接收机是用于再现一个信号,在接收这种信号中灵敏度和速度起着重要的作用。电磁环境监测设备是用来测试电磁噪声和无线电信号的电平和频率等指标,所测量的可能是干扰源,也可能是无线电信号。因此，对它的要求是测量精度。

1.2.1 监测接收机

由于在电磁环境测量中，经常出现具有不同带宽特性的信号，所以对监测接收机的互调特性也有严格的要求。为适应各种调制形式信号的测量，除可接收正弦波信号外，更常用于接收脉冲干扰信号。因此，监测接收机应具有平均值检波、峰值检波和准峰值检波功能，依据不同的测量对象，选择检波方式。

实际测量的信号基本可以分为三类:连续波、脉冲波和随机噪声。连续波干扰（如:载波、电源谐波和本振）是窄带干扰，在无调制的情况下用峰值、有效值或平均值检波器均可以检测出来，且测量的幅度相同。对于脉冲干扰信号，峰值检波器可以很好地反映脉冲的最大值，但反映不出脉冲重复频率的变化。这时，使用准峰值检波器最为合适，其加权系数随脉冲信号重复频率的变化而改变，重复频率低的脉冲信号引起的干扰小，反之加权系数大。而用平均值、有效值检波器测量脉冲信号，其读数也与脉冲重复的频率有关。随机干扰的来源有热噪声、雷达目标反射以及自然噪声等，这时，主要分析平稳随机过程干扰信号的测量，通常使用有效值和平均值检波器来测量。

利用检波器的特性，通过比较信号在不同检波方式下的响应，就可以判别所测未知信号的类型，确定干扰信号的性质。例如，用峰值检波器来测量某一干扰信号，改为平均值或有效值检波时幅度不变，则该信号是窄带信号。若幅度发生变化，则该信号可能是宽带信号（即频谱超过接收机分辩带宽的信号，如脉冲信号）。

对于电磁环境监测设备，需要注意的是:（1）防止输入端过载;（2）选用合适的检波方式;（3）测试前要进行校准;（4）选择适合的预选器。

无论是高电平的窄带信号还是具有一定频谱强度的宽带信号，都可能导致测量接收机输入端混频器过载，产生错误的测量结果。对于脉冲类的宽带信号，在混合器前进行滤波（也称为预选），可避免发生过载的现象。不经预选时，宽带信号的所有频谱分量都同时出现在混频器上，若宽带信号的时域峰值幅度超过了混频器的过载电平，便会发生过载情况。经过预选时，由于进行了跟踪滤波，故输入信号频谱只有一部份进入预选器的通带内，到达混频器的输入端，输入信号的频谱强度不会因滤波而改变。这种靠滤波而不是靠衰减来实现的幅度减小，改变了宽带信号测量的动态范围，同时又能维持接收机测量低电平信号的能力。若窄带信号（如连续波信号）处在预选滤波器的带通内，则预选的过程不会改变测量窄带信号的动态范围。

1.2.2 监测天线

各省（区、市）监测站拥有最多的是覆盖70 MHz～3000 MHz频段的监测设备，同时该频段也是关注程度最高的频段。在此频段进行监测时，要求有覆盖70 MHz ～3000 MHz频段的监测天线，监测天线应具有水平和垂直两种极化方式，无方向性，以便更为详尽地监测电磁环境。使用定向天线时，要有尽可能低的方向性，在360°不同方向的增益变化不大于6 dB。监测天线的高度以能够消除地表面反射波的影响为基本要求，一般监测天线高度距地表面（或房顶面）不低于6米。

1.2.3 系统噪声温度

监测系统的噪声温度直接影响监测的精度，因此对系统噪声温度的要求应根据监测精度要求而确定。系统的噪声温度（TR）应在天线端口测量，因而包括了低噪声放大器（LNA）、外接滤波器和电缆损耗。通常的成品接收机或频谱分析仪的噪声温度都超过2000 K。因此，监测系统中需要加装低噪声放大器（LNA）和采用低损耗连接电缆，系统内部产生的虚假信号、谐波分量等要足够低。

系统噪声温度按式①计算（见图1）:

1.2.4 监测系统的校准

为保证监测结果的准确度，监测前和监测后须进行系统校准，以便及时掌握系统的指标变化，并确定测量系统的灵敏度。天线的校准，可以利用生产厂家技术说明书提供的增益、方向性和效率值计算天线的噪声温度进行。

监测系统的校准测量可以通过观测噪声源实现，在天线所处的环境温度已知的情况下，用环境温度匹配负载替代天线，在设备安装后、采集数据前校验一次，在数据采集后重复这种校验，所需的测量最好能每24小时进行一次。值得注意的是，即使对设备进行了校准，由于来自地面和周围地形的多途径干扰、干扰方向未知的天线增益和与安装结构相互作用产生的天线增益变化等引起的误差，也仍然影响测量的精度。

我们在SKA（射电天文望远镜）台址无线电干扰监测系统中，采用了宽带噪声源，通过射频转换开关，在软件程序控制下，在测量之前和每完成一项测试任务后均进行一次系统校验。通过控制噪声源的开、关，在前端放大器输入已知的宽带噪声来对系统噪声温度进行校验，以得出系统实际噪声温度和增益，从而较准确地标定系统性能。

为计算系统噪声系数，先定义，其中:Pon和Poff为开、关噪声源时系统测量的功率电平。则

NF——以dB表示的系统噪声温度;

B——带宽，单位为Hz。

需要指出的是，在干扰测量时对系统的线性（特别是对强信号的响应）要给予关注，特别是在有强干扰信号的较低频段更需要监测系统有良好的线性特性，否则由于系统工作在非线性区产生虚假信号和造成不平坦的噪声谱基线，导致无法区别干扰信号。当监测系统处在较强的信号区时建议在系统前端加装带通滤波器。

1.3 测量方法

在进行无线电磁环境测量时，对所要监测的频段的扫描相对于一天中的时间频率覆盖应尽可能均匀。所设置的测量范围根据监测系统的扫描速率、步进、分辨率带宽以及测量的精度要求确定。为保障监测的精度要求，重要的是设备的稳定性、测量参数的正确选择和全过程监测数据(原始数据)的完整记录以及对监测数据处理方法的准确性。

无线电磁环境的监测通常采用专门的设备完成，也可以利用无线电监测与测向设备来完成，如何使处理结果贴近于定义意义上的电磁环境描述是必须要解决的问题。

以成都华日有限通信公司研制生产的HP-12监测与测向设备为例，对无线电磁环境监测的测量方法进行说明。

首先，启动新信号搜索功能模块，设置对应监测频段的设备参数和统计参数，主要是选取分辨率带宽、步进、灵敏度等参数。然后，根据所监测频段的精度要求和监测系统的噪声温度设定统计次数（或重复测量的时间）。实时记录全过程的监测数据，作为电磁环境分析的原始数据。最后，经过对原始数据的处理，得到我们所关心的电磁环境信息，如:背景噪声电平（电磁噪声）、存在的电台所使用的频率及频率占用情况、信号的场强分布情况（监测系统功能完备的可以直接转换为测定存在信号的参数、所处的方位等电台信息）等。

电磁环境分析

对监测地域电磁环境状况的分析是依据监测数据进行的，从中分析出所关心的信息，并以简洁、清晰的图表进行描述和记录。

在进行分析时，要确定设备的参数，实时进行设备稳定性的校验，以便阅读处理结果时准确把握设备的性能。下面，对一些实际测试中的相关指标进行分析。

2.1 场强及功率通量密度

电场强度是长度为１米的天线所感应的电压，简称场强，习惯上以Ｅ表示。实际测试中，场强值的描述可用50%、80%和95%等场强值方式表征电磁噪声场强的参数。其定义为:在测量时间T内，有80%（或50%、95%）的时间无线电噪声超过某一给定值E1的场强值，则有

对无线电磁环境的结果分析也可用功率通量密度来表述，其表述的意义相同，但是采用了不同的计量单位。功率通量密度是电波入射到单位面积上的辐射功率，简称功率密度，通常以Ｓ表示。平均功率密度是指电波入射到单位面积上的平均辐射功率。根据GB 12638-90，一般频率为30 MHz～300 MHz超短波波段的电磁波测量单位不使用平均功率密度，而以平均电场强度表示。常用计量单位为伏/米（V/m），按自由空间中的平面电磁波计算。电场强度与平均功率密度换算公式如下:

式中: E－平均电场强度，V/m;

Pd－平均功率密度，W/m2。

场强的线性单位通常有V/m、mV/m、μV/m,对应的电平单位分别为dBV/m、dBmV/m、dBμV/m(常记为dBμ)。

将监测到的所有数据（包括两种极化方式的测量数据）进行排序，排序最靠前的为最大值，排序最靠后的为最小值，排序中间为中值。将所有测量次数的测量数据进行求和后，除以测量次数得到均值。测量结果以图形表示，水平轴为频率范围，垂直轴是以dB(Wm-2Hz-1)为单位的功率通量密度值。不同值的功率通量密度表示在同一图形中，用不同颜色的曲线区分。

处理后的功率通量密度图如图2、图3所示（也可表示为场强值曲线）。

功率通量密度图中出现的跳跃点是由于天线、前置放大器和接收机等设备频率特性不连续，以及不同的频率范围采用不同的带宽和测量时间等因素造成的。

2.2 占用度

占用度是指在每个频段内所有信道测量的功率电平高于频段内中值功率xdB时信道数的百分比。占用度条形图所描述的是估算值（见图4）。

把每一测试任务段内的所有测试次数（两种极化方式）的所有数据进行求和，除以测量次数和测量频点数得到均值，用此值绘出占用度门限曲线图，将此值加上xdB（通常为6 dB）作为占用度的门限。当某一频率的电平超过此门限值时，将占用度计数器加1，直至统计完所有的测量次数和测量频点，再除以次数和频点数得到占用度。将该值取对数得到占用度条形图。水平轴表示频率、垂直轴为占用度。

2.3 系统指标

系统指标主要是指系统增益、噪声温度和匹配负载。这些指标均可以通过开、关噪声源的方法得到。根据开关噪声源的两组数据算出增益、噪声温度，并分别绘制成增益、噪声温度图，将关闭噪声源的数据作为匹配负载曲线。

（1）匹配负载图（见图5）。在校验系统时，关闭噪声源，接入匹配负载时得到功率通量密度图。

（2）系统噪声温度曲线图（见图6）。系统噪声温度曲图表示的是监测系统噪声温度曲线，在实际监测中用开、关噪声源校验得到。

（3）增益曲线图（见图7）。增益曲线图在实际监测中用开、关噪声源校验系统得到。

在保存测量结果时，应同时保存有关测量的其它信息。

信号特征的处理及分析手段

信号特征是指在监测过程中所发现的在用信号的信息，如频谱图、占用度、场强值、所处方位、占用带宽和调制类型等。这些信号特征的测量可通过监测系统软件完成。由系统软件自动处理，并将处理的结果记录到数据库中，作为测量时刻和测量地点的环境资料。

以台站数据库为基础，对所监测到的信号对比，完成相关信息分析和干扰分析功能。为便于野外（移动监测车）操作，信号特征处理模块应具备本机数据库，包括实际测试数据库和监测数据库。实际测试数据库中的数据从监测接收机采集获得（也可通过读取记录磁盘数据获取），监测数据库数据从已有的监测数据库中获取。数据库能够方便地进行查询、统计等操作，并能够以图形方式显示结果。理论计算值可以与实测值、监测数据库中的数据进行对比，并输出对比结果。此功能的主要作用是为频率指配、电磁兼容分析计算、核准电台工作参数提供依据。

3.1 电磁环境分析系统软件功能及要求

电磁环境分析系统软件应包括六种基本功能。

一是监测功能。如测试标准的选择、测试配置提示、测量参数的设置（测量带宽、检波方式、衰减器、扫频步进、每个测量点的驻留时间）等。

二是信号测量功能，控制监测系统以一定的步进和速度进行扫频测量，判别和读出数据。

三是数据处理功能。（1）将测量信号的电平值转换成处理结果值，并用线性或对数坐标显示出噪声背景电平和在用信号的特征，与相应标准极限进行比较，判别是否超标，并在图中表示出信号频谱与极限值的关系。（2）提供信号分析的基本功能。如仔细测量所关心点信号的幅度和频率，给出与极限的差值，在规定的范围内实时重复监测等。

四是数据的存储和输出功能。测量软件能将每次的测量数据列表存放，需要时提取。

五是提供分析工具的功能。如路径损耗模型分析、干扰分析、传输链路分析、频率指配（分配）、协调区计算和无线网络系统设计、干扰协调分析以及ITU和国家有关的标准等。

六是调用其它应用系统的功能。本功能主要是在已有应用系统的基础上，共享资源，如GIS系统、台站管理系统、无线电监测系统等。

这些功能在具体建设中，可根据具体情况进行选择。但要注意以下几点:电磁环境数据库的建立应以形式简洁、内容齐全详实和便于查询为基本要求;电磁环境资料的输出最好能支持各种格式的转换和编辑，以便编写与之相关的报告;电磁环境查询的方式应具备模糊查询的能力。

3.2 电磁环境分析系统的辅助应用

电磁环境分析系统的辅助应用大概有4项。

（1）场强预测:可采用多种传播模型，支持ITU最新标准，根据台站技术参数和传播环境，进行已设台站或拟设台站的场强覆盖计算，确定某区域的场强值;可以在电子地图上绘制场强等值线图以及场强态势图。

（2）干扰分析:根据电磁环境资料，分析同频、邻频、互调干扰等各种类型的干扰，并能够根据用户申诉或监测数据，进行干扰特性的分析。

（3）理论频谱分析:以现有台站数据库数据为基础，进行理论频谱数据的计算，与实际监测数据进行对比。

（4）路径损耗分析:通过调用GIS、台站信息以及监测信息，自动选用相适应的路径模型，完成对所选场地的路径损耗计算。

电磁环境分析系统应与无线电管理综合平台有机集成，各类应用系统的数据可以直接导入电磁环境分析系统中进行分析计算，结果数据保存到系统数据库中并能将结果在电子地图上显示，提供丰富的图表显示工具，以不同的形式展现。

结论

准确监测无线电磁环境并提供详实、准确的监测数据，是进行科学、高效无线电管理的保证。为保证测试数据的精度，必须保证监测系统本身的准确性，对监测资料进行详细记录并进行分析处理。电磁环境分析软件的基本功能可进行辅助应用，将有助于提高无线电管理的技术水平。

参考文献

[1]林京平等,电磁兼容国家标准汇编,中国标准出版社,1996年

[2] 国家无线电监测中心,频谱监测手册

[3]RFI Measurement Protool for Candidate SKA Sites

[4] GB 9175─88，环境电磁波卫生标准(中国无线电管理)