关于科学和准确采集短波频谱数据的研究

赵　静，赵甫胤

（1.国家无线电监测中心，北京　100037；2.国家无线电监测中心成都监测站，成都　611136）

关于科学和准确采集短波频谱数据的研究

赵静1，赵甫胤2

（1.国家无线电监测中心，北京100037；2.国家无线电监测中心成都监测站，成都611136）

在短波频段，如何能够采集到全面有效准确的频谱数据，分析出频谱占用度等无线电管理的基础数据，形成直观的有价值的信息是我们面临的问题。本文从时间域、空间域和频率域等方面研究了影响数据采集准确性的因素，并分析了短波频段背景噪声的特点，研究了在占用度统计分析中根据背景噪声设置动态门限的重要性。

短波；监测频谱采集；占用度动态门限

1　引言

无线电频谱是国家宝贵的自然资源，充分、合理地使用这一资源对国民经济和社会发展均具有重要的意义。短波由于其传播距离远、抗毁坏能力强等特点，具有不可替代的地位。目前，短波频段存在水上移动、航空移动、广播、标准频率和时间、气象辅助和固定业务等大量的业务类型。全面地监测各业务类型信号的占用情况，掌握短波频谱资源使用情况和发展趋势，更好地支撑短波频段的划分和分配；在短波干扰出现时，能及时准确地了解过去一段时间内某个干扰信号的发射规律，辅助监测人员对非法发射信号进行监控和查找。上述工作的开展都将依赖于对短波频段频谱数据进行科学的采集存储以及有效的分析利用。而只有在空间域、时间域以及频率域进行科学、全面、长时的数据采集积累，才能得到具有分析利用价值的频谱数据资源。本文结合实际工作中短波电平数据采集软件的使用，对影响短波频谱数据采集准确性以及有效性的几个重要因素进行了研究，并分析了短波频段背景噪声的特点和动态门限在占用度统计中的重要作用。

2　短波频谱数据采集的重要因素

2.1数据采集地点的选择

短波是通过地波传播和电离层反射的天波传播，覆盖范围较大，但也存在着寂静区，同时，由于多跳反射以及经过不同电离层反射的原因，处于不同地点的监测站接收到的短波信号也有很大的差别。例如，哈尔滨监测站可以更好地接收到来自领国俄罗斯的部分信号，位于其他更远位置的监测站的接收效果可能就不好；同样，福建监测站能够监测接收到很多来自水上的通信信号，而其他内陆监测站则很可能接收不到。因此，利用某一个监测站接收采集的短波频谱数据是无法完全反映整个空间域的频谱使用情况的，这就需要利用现有的位于全国各个区域的短波监测站同时进行频谱数据的采集和存储。如图1所示，为全国九个短波监测站对10MHz，E.I.R.P为1kW的信号的监测覆盖情况，由此可以看出，利用各个区域的短波监测站同时进行数据采集，就能满足对我国及周边区域的有效覆盖的要求。

图1　监测覆盖图

另外，各监测站数据采集的标准也要应尽可能统一，才能确保采集数据的一致性以及有效性。例如，各监测站可以使用相同型号的接收机以及增益相近的全向接收天线进行统一采集。

2.2数据采集时间的要求

对于频谱数据的挖掘分析很大程度上要依赖于长年累月的原始频谱数据采集。通过分析经过一定时期积累的频谱数据，才能描绘出频谱的使用趋势以及信号发射变化的态势等有使用价值的频谱信息。而过去频谱采集的工作模式多数是在遇到临时性的频率指配任务或测量指定频段占用度任务时，利用接收机对指定的信道或者频段根据ITU-R建议进行24小时的监测测量。采集到的频率或者频段的占用度统计数据往往是碎片式的、阶段性的，只考虑到了完成一次的频率指配任务或对指定频段进行占用度测量任务的需求，忽视了对频谱资源长期的使用趋势的掌握分析以及对频谱进行回溯再现的需要。同时，24小时采集的日平均频段占用度并不能全面反映每个频段内的信道实际占用情况，由于很多信号具有偶发性的特点，例如，某些应急频率只在每周或者每月的固定时间进行通联测试。因此，每次24小时的扫描无法反映信道的实际占用情况。随着监测技术手段的不断革新以及存储设备容积的不断增大，对频谱数据进行不间断的常年的采集存储是十分必要的也是可行的。

目前，工作中实际应用的短波频段电平数据采集系统，通过控制专门配备的短波宽带监测接收机，可以实现全天候不间断的频谱数据采集，满足数据采集在时间上的要求。并可以在长时间连续采集的大量频谱数据的基础上，按指定的时间片统计采集电平的基本情况，时间片可通过选择设置为1分钟、2分钟、或5分钟。同时，为了满足长期不间断采集所带来的对大数据存储要求，配备的统计服务端具有8GHz的内存，16核的CPU以及4T的硬盘，能够实现10年的不间断的电平数据的存储，为后期频谱数据的统计分析储备了详实、完整的原始频谱数据。

2.3 采集频段以及扫描参数的确定

对于频谱数据的采集，ITU的建议是每天扫描200kHz频段，每周从周一到周五，可获得1MHz带宽频段内的频谱数据，ITU作出此建议完全是基于对设备性能的考虑。扫描一次所需的时间与监测接收机的性能有很大关系，扫描步进过小，扫描的频段宽度过大，扫描的频点就会很多，就会导致扫描的时间变长，无法采集捕获到短时猝发的信号，影响到频谱采集的准确性。然而，目前的数字宽带接收机频率存储扫描速度已经达到了1500信道/s。这就使得当接收机扫描步进设置为500Hz时，对3-30MHz的全频段进行扫描，大约30s可扫描1次，如果采用全景扫描模式，扫描速度则更快。在接收机具有较好性能的前提下，不再需要通过提高扫描步进来获取较小的回扫时间，进而实现无论是固定频率的发射信号，调频信号，周期或非周期性的脉冲发射，都能够被监测采集。

3　占用度分析的重要因素

3.1短波频段背景噪声的特点

在接收设备性能以及存储设备的容量均能满足全频段以及全时段的监测要求时，对3-30MHz进行不间断的自动化的电磁频谱接收采集是最理想的情况。但是，对于短波频段，实际情况则是由于空中各种信号的叠加导致不同频段的噪声电平不是惟一的，而且差别很大。在一个频段内的不同部分，背景噪声值存在差异，背景噪声曲线呈现起伏特性，如图2所示。可以看出，在同一时间段，10MHz以下的频段噪声电平要明显高于10MHz以上的噪声电平。另外，在不同的时间段，噪声电平的差别也很大，白天的噪声电平明显高于夜晚的噪声电平。虽然背景噪声大小不一、起伏不定，但是总体上是连续的，而且信号与相邻背景噪声之间的过渡一般比较突兀，一般可以区分出信号及其邻近的背景噪声。

图2　短波频段背景噪声趋势图

3.2占用度动态门限

由于短波频段背景噪声的起伏特性和昼夜差异大的特点，如果仍然按照全频段全时段的统一设置占用度门限将会导致错误的测试结果。例如，某个信道经过多次测试没有信号，而占用度频谱图则显示较高的占用，表明门限电平的设置明显是不合适的，因此必须考虑动态设置噪声电平门限的方法。

在短波频段电平数据采集系统中，背景噪声通过实时自动计算获得，并在计算出的背景噪声基础上增加一个浮动的偏移量形成门限。而背景噪声的计算与百分比和计算宽度这两个参数相关。百分比表示计算频率背景噪声使用电平个数从低到高占总的电平数的比值，百分比越高计算出的背景噪声电平值也就越高。计算宽度表示参与计算频率背景噪声时所使用的总得关联频率的数量，其值在10到500之间。动态门限还与偏移量这个参数相关，偏移量表示计算出的背景噪声抬高的dB数，其值在0到40之间。合理设置这三个参数就能保证了电平门限是随不同频段不同时间进行动态变化的，保证了占用度等统计分析的准确性。如图3所示为计算宽度为100个、百分比为30%，偏移量为10dB参数下的动态门限；图4所示为该门限下14MHz的信号一周的信道占用度统计情况。

图3　基于背景噪声的动态门限图

图4　信号信道占用度图

4　结束语

短波信号通过电离层反射能全球传播，频段虽然窄但业务多信号种类更是繁多。为了确保能够科学有效的采集短波频谱数据，本文从数据采集地点的选择、数据采集时间的要求、采集频段以及参数的确定几个方面进行了研究。同时，根据短波频段内背景噪声的变化起伏较大等特征，研究了基于背景噪声的动态门限的设置方法。结合实际工作，给出了相关参数选择的建议，为科学采集数据和占用度统计等分析利用提供了技术参考。

［1］沈琪琪，朱德生.短波通信［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2001

［2］中华人民共和国工业和信息化部.中国人民共和国无线电频率划分规定（2010）.北京：人民邮电出版社，2010

［3］李世成，也谈频谱占用度测量中门限电平的设置［J］.中国无线电，2010.06

［4］朱斌，短波频谱数据的有效采集和利用，中国无线电，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文献标示码：A

1672-7274（2016）10-0061-04

赵静，工程师，现在国家无线电监测中心监测处工作，主要从事无线电监测工作，参与完成了短波大功率自动交汇定位软件以及短波采集分析系统的开发建设，探索制定了TDOA网格化监测系统的测试方法，研究方向为无线电电波传播以及无线电业务理论研究与应用。

赵甫胤，助理工程师，现在国家无线电监测中心成都监测站工作，主要研究超短波数据采集，无线电波传播技术等。