淺談場強(qiáng)測量中的不確定度

場強(qiáng)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(zhǔn)確的場強(qiáng)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(yīng)保障安全生產(chǎn)的需要。

　　場強(qiáng)測量的四種模式

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

　　（2）使用移動設(shè)備進(jìn)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(luò)覆蓋情況的測量。

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

　　（4）長期測量，包括場強(qiáng)記錄和曲線記錄分析，用計算機(jī)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(qiáng)進(jìn)行測量。

　　場強(qiáng)測量目的不同，對場強(qiáng)值準(zhǔn)確度的要求也不同。在場強(qiáng)值接近標(biāo)準(zhǔn)值時，要判斷場強(qiáng)值是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，就要求較高的準(zhǔn)確度。一般可用測量不確定度表示測量結(jié)果的準(zhǔn)確度，雖然測量不確定度與準(zhǔn)確度之間的關(guān)系難以量化，但可以肯定的是，測量不確定度越小，準(zhǔn)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(qiáng)值外，還要給出其測量的不確定度。

　　要詳細(xì)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(zhǔn)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(qiáng)測量值Vmeas是否符合標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)值，可判定信號符合標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)值，可判定信號不符合標(biāo)準(zhǔn)。如管理部門測量某頻點信號電平，看某發(fā)射機(jī)信號是否會干擾其它接收機(jī)。

　　（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(biāo)準(zhǔn)值，可判定信號符合標(biāo)準(zhǔn);

　　如果任一測量值大于標(biāo)準(zhǔn)值，則判定信號不符合標(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(qiáng)測量系統(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)測站中的場強(qiáng)測量》附件1。

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

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

　　如何合理地評定場強(qiáng)測量的不確定度

　　場強(qiáng)測量需要使用經(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，場強(qiáng)測量與發(fā)射設(shè)備傳導(dǎo)測量最大的不同之處是使用了經(jīng)校準(zhǔn)的天線，天線的特性是在評定場強(qiáng)測量的不確定度中特別需要注意的因素。

　　場強(qiáng)測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

　　?相對于信號占用帶寬的接收機(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

　　下面給出一個計算場強(qiáng)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(qiáng)值。

　　場強(qiáng)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(qiáng)測量值的擴(kuò)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(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，應(yīng)該為不同的頻段計算不確定度。

　　[備注]欄說明:

　　(1)接收機(jī)讀數(shù)會由于測量系統(tǒng)的不穩(wěn)定、接收機(jī)噪聲而變化。測量值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驗標(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)報告得出。[注:如果校準(zhǔn)報告給出接收機(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(dāng)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(jī)的底部噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(zhǔn)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(guān)。若校準(zhǔn)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(zhǔn)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(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數(shù)周期天線的特性得出。

　　(10)校準(zhǔn)報告一般只給出天線在主方向上的天線因子，對復(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值。方向性偏差修正值δAdir應(yīng)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(yīng)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(dāng)同軸電纜與平行的天線振子連接時，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)測時，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)對場強(qiáng)測量的影響是很難估算的。

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