關(guān)于科學(xué)和準(zhǔn)確采集短波頻譜數(shù)據(jù)的研究

趙　靜，趙甫胤

（1.國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心，北京　100037；2.國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心成都監(jiān)測(cè)站，成都　611136）

關(guān)于科學(xué)和準(zhǔn)確采集短波頻譜數(shù)據(jù)的研究

趙靜1，趙甫胤2

（1.國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心，北京100037；2.國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心成都監(jiān)測(cè)站，成都611136）

在短波頻段，如何能夠采集到全面有效準(zhǔn)確的頻譜數(shù)據(jù)，分析出頻譜占用度等無(wú)線電管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，形成直觀的有價(jià)值的信息是我們面臨的問(wèn)題。本文從時(shí)間域、空間域和頻率域等方面研究了影響數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性的因素，并分析了短波頻段背景噪聲的特點(diǎn)，研究了在占用度統(tǒng)計(jì)分析中根據(jù)背景噪聲設(shè)置動(dòng)態(tài)門(mén)限的重要性。

短波；監(jiān)測(cè)頻譜采集；占用度動(dòng)態(tài)門(mén)限

1　引言

無(wú)線電頻譜是國(guó)家寶貴的自然資源，充分、合理地使用這一資源對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展均具有重要的意義。短波由于其傳播距離遠(yuǎn)、抗毀壞能力強(qiáng)等特點(diǎn)，具有不可替代的地位。目前，短波頻段存在水上移動(dòng)、航空移動(dòng)、廣播、標(biāo)準(zhǔn)頻率和時(shí)間、氣象輔助和固定業(yè)務(wù)等大量的業(yè)務(wù)類型。全面地監(jiān)測(cè)各業(yè)務(wù)類型信號(hào)的占用情況，掌握短波頻譜資源使用情況和發(fā)展趨勢(shì)，更好地支撐短波頻段的劃分和分配；在短波干擾出現(xiàn)時(shí)，能及時(shí)準(zhǔn)確地了解過(guò)去一段時(shí)間內(nèi)某個(gè)干擾信號(hào)的發(fā)射規(guī)律，輔助監(jiān)測(cè)人員對(duì)非法發(fā)射信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控和查找。上述工作的開(kāi)展都將依賴于對(duì)短波頻段頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的采集存儲(chǔ)以及有效的分析利用。而只有在空間域、時(shí)間域以及頻率域進(jìn)行科學(xué)、全面、長(zhǎng)時(shí)的數(shù)據(jù)采集積累，才能得到具有分析利用價(jià)值的頻譜數(shù)據(jù)資源。本文結(jié)合實(shí)際工作中短波電平數(shù)據(jù)采集軟件的使用，對(duì)影響短波頻譜數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性以及有效性的幾個(gè)重要因素進(jìn)行了研究，并分析了短波頻段背景噪聲的特點(diǎn)和動(dòng)態(tài)門(mén)限在占用度統(tǒng)計(jì)中的重要作用。

2　短波頻譜數(shù)據(jù)采集的重要因素

2.1數(shù)據(jù)采集地點(diǎn)的選擇

短波是通過(guò)地波傳播和電離層反射的天波傳播，覆蓋范圍較大，但也存在著寂靜區(qū)，同時(shí)，由于多跳反射以及經(jīng)過(guò)不同電離層反射的原因，處于不同地點(diǎn)的監(jiān)測(cè)站接收到的短波信號(hào)也有很大的差別。例如，哈爾濱監(jiān)測(cè)站可以更好地接收到來(lái)自領(lǐng)國(guó)俄羅斯的部分信號(hào)，位于其他更遠(yuǎn)位置的監(jiān)測(cè)站的接收效果可能就不好；同樣，福建監(jiān)測(cè)站能夠監(jiān)測(cè)接收到很多來(lái)自水上的通信信號(hào)，而其他內(nèi)陸監(jiān)測(cè)站則很可能接收不到。因此，利用某一個(gè)監(jiān)測(cè)站接收采集的短波頻譜數(shù)據(jù)是無(wú)法完全反映整個(gè)空間域的頻譜使用情況的，這就需要利用現(xiàn)有的位于全國(guó)各個(gè)區(qū)域的短波監(jiān)測(cè)站同時(shí)進(jìn)行頻譜數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)。如圖1所示，為全國(guó)九個(gè)短波監(jiān)測(cè)站對(duì)10MHz，E.I.R.P為1kW的信號(hào)的監(jiān)測(cè)覆蓋情況，由此可以看出，利用各個(gè)區(qū)域的短波監(jiān)測(cè)站同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，就能滿足對(duì)我國(guó)及周邊區(qū)域的有效覆蓋的要求。

圖1　監(jiān)測(cè)覆蓋圖

另外，各監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)采集的標(biāo)準(zhǔn)也要應(yīng)盡可能統(tǒng)一，才能確保采集數(shù)據(jù)的一致性以及有效性。例如，各監(jiān)測(cè)站可以使用相同型號(hào)的接收機(jī)以及增益相近的全向接收天線進(jìn)行統(tǒng)一采集。

2.2數(shù)據(jù)采集時(shí)間的要求

對(duì)于頻譜數(shù)據(jù)的挖掘分析很大程度上要依賴于長(zhǎng)年累月的原始頻譜數(shù)據(jù)采集。通過(guò)分析經(jīng)過(guò)一定時(shí)期積累的頻譜數(shù)據(jù)，才能描繪出頻譜的使用趨勢(shì)以及信號(hào)發(fā)射變化的態(tài)勢(shì)等有使用價(jià)值的頻譜信息。而過(guò)去頻譜采集的工作模式多數(shù)是在遇到臨時(shí)性的頻率指配任務(wù)或測(cè)量指定頻段占用度任務(wù)時(shí)，利用接收機(jī)對(duì)指定的信道或者頻段根據(jù)ITU-R建議進(jìn)行24小時(shí)的監(jiān)測(cè)測(cè)量。采集到的頻率或者頻段的占用度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)往往是碎片式的、階段性的，只考慮到了完成一次的頻率指配任務(wù)或?qū)χ付l段進(jìn)行占用度測(cè)量任務(wù)的需求，忽視了對(duì)頻譜資源長(zhǎng)期的使用趨勢(shì)的掌握分析以及對(duì)頻譜進(jìn)行回溯再現(xiàn)的需要。同時(shí)，24小時(shí)采集的日平均頻段占用度并不能全面反映每個(gè)頻段內(nèi)的信道實(shí)際占用情況，由于很多信號(hào)具有偶發(fā)性的特點(diǎn)，例如，某些應(yīng)急頻率只在每周或者每月的固定時(shí)間進(jìn)行通聯(lián)測(cè)試。因此，每次24小時(shí)的掃描無(wú)法反映信道的實(shí)際占用情況。隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)手段的不斷革新以及存儲(chǔ)設(shè)備容積的不斷增大，對(duì)頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行不間斷的常年的采集存儲(chǔ)是十分必要的也是可行的。

目前，工作中實(shí)際應(yīng)用的短波頻段電平數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)控制專門(mén)配備的短波寬帶監(jiān)測(cè)接收機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)全天候不間斷的頻譜數(shù)據(jù)采集，滿足數(shù)據(jù)采集在時(shí)間上的要求。并可以在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)采集的大量頻譜數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，按指定的時(shí)間片統(tǒng)計(jì)采集電平的基本情況，時(shí)間片可通過(guò)選擇設(shè)置為1分鐘、2分鐘、或5分鐘。同時(shí)，為了滿足長(zhǎng)期不間斷采集所帶來(lái)的對(duì)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求，配備的統(tǒng)計(jì)服務(wù)端具有8GHz的內(nèi)存，16核的CPU以及4T的硬盤(pán)，能夠?qū)崿F(xiàn)10年的不間斷的電平數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，為后期頻譜數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析儲(chǔ)備了詳實(shí)、完整的原始頻譜數(shù)據(jù)。

2.3 采集頻段以及掃描參數(shù)的確定

對(duì)于頻譜數(shù)據(jù)的采集，ITU的建議是每天掃描200kHz頻段，每周從周一到周五，可獲得1MHz帶寬頻段內(nèi)的頻譜數(shù)據(jù)，ITU作出此建議完全是基于對(duì)設(shè)備性能的考慮。掃描一次所需的時(shí)間與監(jiān)測(cè)接收機(jī)的性能有很大關(guān)系，掃描步進(jìn)過(guò)小，掃描的頻段寬度過(guò)大，掃描的頻點(diǎn)就會(huì)很多，就會(huì)導(dǎo)致掃描的時(shí)間變長(zhǎng)，無(wú)法采集捕獲到短時(shí)猝發(fā)的信號(hào)，影響到頻譜采集的準(zhǔn)確性。然而，目前的數(shù)字寬帶接收機(jī)頻率存儲(chǔ)掃描速度已經(jīng)達(dá)到了1500信道/s。這就使得當(dāng)接收機(jī)掃描步進(jìn)設(shè)置為500Hz時(shí)，對(duì)3-30MHz的全頻段進(jìn)行掃描，大約30s可掃描1次，如果采用全景掃描模式，掃描速度則更快。在接收機(jī)具有較好性能的前提下，不再需要通過(guò)提高掃描步進(jìn)來(lái)獲取較小的回掃時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)論是固定頻率的發(fā)射信號(hào)，調(diào)頻信號(hào)，周期或非周期性的脈沖發(fā)射，都能夠被監(jiān)測(cè)采集。

3　占用度分析的重要因素

3.1短波頻段背景噪聲的特點(diǎn)

在接收設(shè)備性能以及存儲(chǔ)設(shè)備的容量均能滿足全頻段以及全時(shí)段的監(jiān)測(cè)要求時(shí)，對(duì)3-30MHz進(jìn)行不間斷的自動(dòng)化的電磁頻譜接收采集是最理想的情況。但是，對(duì)于短波頻段，實(shí)際情況則是由于空中各種信號(hào)的疊加導(dǎo)致不同頻段的噪聲電平不是惟一的，而且差別很大。在一個(gè)頻段內(nèi)的不同部分，背景噪聲值存在差異，背景噪聲曲線呈現(xiàn)起伏特性，如圖2所示。可以看出，在同一時(shí)間段，10MHz以下的頻段噪聲電平要明顯高于10MHz以上的噪聲電平。另外，在不同的時(shí)間段，噪聲電平的差別也很大，白天的噪聲電平明顯高于夜晚的噪聲電平。雖然背景噪聲大小不一、起伏不定，但是總體上是連續(xù)的，而且信號(hào)與相鄰背景噪聲之間的過(guò)渡一般比較突兀，一般可以區(qū)分出信號(hào)及其鄰近的背景噪聲。

圖2　短波頻段背景噪聲趨勢(shì)圖

3.2占用度動(dòng)態(tài)門(mén)限

由于短波頻段背景噪聲的起伏特性和晝夜差異大的特點(diǎn)，如果仍然按照全頻段全時(shí)段的統(tǒng)一設(shè)置占用度門(mén)限將會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的測(cè)試結(jié)果。例如，某個(gè)信道經(jīng)過(guò)多次測(cè)試沒(méi)有信號(hào)，而占用度頻譜圖則顯示較高的占用，表明門(mén)限電平的設(shè)置明顯是不合適的，因此必須考慮動(dòng)態(tài)設(shè)置噪聲電平門(mén)限的方法。

在短波頻段電平數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，背景噪聲通過(guò)實(shí)時(shí)自動(dòng)計(jì)算獲得，并在計(jì)算出的背景噪聲基礎(chǔ)上增加一個(gè)浮動(dòng)的偏移量形成門(mén)限。而背景噪聲的計(jì)算與百分比和計(jì)算寬度這兩個(gè)參數(shù)相關(guān)。百分比表示計(jì)算頻率背景噪聲使用電平個(gè)數(shù)從低到高占總的電平數(shù)的比值，百分比越高計(jì)算出的背景噪聲電平值也就越高。計(jì)算寬度表示參與計(jì)算頻率背景噪聲時(shí)所使用的總得關(guān)聯(lián)頻率的數(shù)量，其值在10到500之間。動(dòng)態(tài)門(mén)限還與偏移量這個(gè)參數(shù)相關(guān)，偏移量表示計(jì)算出的背景噪聲抬高的dB數(shù)，其值在0到40之間。合理設(shè)置這三個(gè)參數(shù)就能保證了電平門(mén)限是隨不同頻段不同時(shí)間進(jìn)行動(dòng)態(tài)變化的，保證了占用度等統(tǒng)計(jì)分析的準(zhǔn)確性。如圖3所示為計(jì)算寬度為100個(gè)、百分比為30%，偏移量為10dB參數(shù)下的動(dòng)態(tài)門(mén)限；圖4所示為該門(mén)限下14MHz的信號(hào)一周的信道占用度統(tǒng)計(jì)情況。

圖3　基于背景噪聲的動(dòng)態(tài)門(mén)限圖

圖4　信號(hào)信道占用度圖

4　結(jié)束語(yǔ)

短波信號(hào)通過(guò)電離層反射能全球傳播，頻段雖然窄但業(yè)務(wù)多信號(hào)種類更是繁多。為了確保能夠科學(xué)有效的采集短波頻譜數(shù)據(jù)，本文從數(shù)據(jù)采集地點(diǎn)的選擇、數(shù)據(jù)采集時(shí)間的要求、采集頻段以及參數(shù)的確定幾個(gè)方面進(jìn)行了研究。同時(shí)，根據(jù)短波頻段內(nèi)背景噪聲的變化起伏較大等特征，研究了基于背景噪聲的動(dòng)態(tài)門(mén)限的設(shè)置方法。結(jié)合實(shí)際工作，給出了相關(guān)參數(shù)選擇的建議，為科學(xué)采集數(shù)據(jù)和占用度統(tǒng)計(jì)等分析利用提供了技術(shù)參考。

［1］沈琪琪，朱德生.短波通信［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2001

［2］中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部.中國(guó)人民共和國(guó)無(wú)線電頻率劃分規(guī)定（2010）.北京：人民郵電出版社，2010

［3］李世成，也談?lì)l譜占用度測(cè)量中門(mén)限電平的設(shè)置［J］.中國(guó)無(wú)線電，2010.06

［4］朱斌，短波頻譜數(shù)據(jù)的有效采集和利用，中國(guó)無(wú)線電，2012.09

Research on Scientific and Accurate Acquisition Shortwave Spectrum Data

Zhao Jing1， Zhao Fuyin2
（1.State Radio Monitoring Center of China， Beijing， 100037； The State Radio Monitoring Center Chengdu Station， Chengdu， 611136）

In HF band， how to form valuable information form the radio monitoring is a problem that we have been studying. This requires to collect comprehensive， effective and accurate spectrum data， and use the correct method to analyze the basic data of radio management， such as spectrum occupation and so on. In this paper，the factors which affect the accuracy of data collection are researched from the time domain， space domain and frequency domain， and then the method of setting the dynamic threshold for the statistical analysis of occupancy is studied based on the analysis of the characteristics of the background noise in HF band.

short-wave； spectrum data collection； occupancy dynamic threshold

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2016.10.017

TN92文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2016）10-0061-04

趙靜，工程師，現(xiàn)在國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心監(jiān)測(cè)處工作，主要從事無(wú)線電監(jiān)測(cè)工作，參與完成了短波大功率自動(dòng)交匯定位軟件以及短波采集分析系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)建設(shè)，探索制定了TDOA網(wǎng)格化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試方法，研究方向?yàn)闊o(wú)線電電波傳播以及無(wú)線電業(yè)務(wù)理論研究與應(yīng)用。

趙甫胤，助理工程師，現(xiàn)在國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心成都監(jiān)測(cè)站工作，主要研究超短波數(shù)據(jù)采集，無(wú)線電波傳播技術(shù)等。