短波接收機(jī)標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)校準(zhǔn)方法

王志雄

（國(guó)家廣播電視總局二九一臺(tái)，甘肅 蘭州 730105）

0 引 言

基于監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)的實(shí)際需求，需要在業(yè)務(wù)軟件顯示標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)值，單位為dBμV/m。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下，軟件界面顯示的是接收機(jī)采集后經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換（Analog /Digital，A/D）的信號(hào)強(qiáng)度。相比標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)，該信號(hào)強(qiáng)度包含了內(nèi)部鏈路K值，包括器件損耗、射頻信號(hào)增益等。本文采用外場(chǎng)測(cè)試方法來(lái)校驗(yàn)接收機(jī)內(nèi)部鏈路的K值，最終將A/D采集后的信號(hào)強(qiáng)度值折算成標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)值[1]。

1 標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)處理流程

標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)處理流程如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)處理流程

在天線陣中心位置，放置標(biāo)準(zhǔn)天線。標(biāo)準(zhǔn)天線連接頻譜儀，通過(guò)頻譜儀獲取當(dāng)前接收信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)值，記錄為Sr。根據(jù)德國(guó)R&S公司HE525標(biāo)準(zhǔn)天線的資料獲取標(biāo)準(zhǔn)天線的天線因子AF，不同的頻段有不同的AF值。接收信號(hào)的實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)值為：

短波信號(hào)經(jīng)過(guò)接收機(jī)在中頻處理器A/D采樣后，在服務(wù)軟件測(cè)量信號(hào)功率為Pad，計(jì)算其信號(hào)強(qiáng)度為Sad。在此基礎(chǔ)上，可以計(jì)算出接收機(jī)內(nèi)部鏈路的K值為：

根據(jù)式（2）可以計(jì)算出不同頻點(diǎn)接收機(jī)內(nèi)部鏈路的多個(gè)K值，通過(guò)對(duì)K值進(jìn)行插值及擬合處理，從而得到較為平滑的K值曲線[2]。

2 內(nèi)部鏈路K值的確定

2.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

本次實(shí)驗(yàn)持續(xù)7 d，每天早、晚各測(cè)量一次，每次測(cè)量約1 h，測(cè)量結(jié)果選取中位值[3]。在每天較為固定的時(shí)間段進(jìn)行測(cè)量，對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得到較為穩(wěn)定的結(jié)果[4]。同時(shí)，充分考慮了測(cè)量點(diǎn)周圍的環(huán)境因素，選取的測(cè)量地點(diǎn)周圍平坦，坡度為1.5°，周圍25 m范圍內(nèi)開(kāi)闊無(wú)障礙物，避開(kāi)了電力傳輸線及其他金屬垂直物[5]。為了避免測(cè)量設(shè)備引起的測(cè)量誤差，在實(shí)驗(yàn)前選用高精度標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源對(duì)設(shè)備進(jìn)行了校準(zhǔn)，盡量消除設(shè)備造成的測(cè)量誤差。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

信號(hào)源設(shè)備連接發(fā)射天線，發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)短波信號(hào)，發(fā)射信號(hào)頻率遍歷2～30 MHz短波頻段，隨機(jī)選取頻點(diǎn)進(jìn)行發(fā)射。標(biāo)準(zhǔn)天線和接收天線放置在同一位置，距離發(fā)射天線1 000 m。將標(biāo)準(zhǔn)天線連接場(chǎng)強(qiáng)儀和頻譜儀，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)值。兩個(gè)設(shè)備的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量值可以相互進(jìn)行校對(duì)，剔除誤差較大的測(cè)量值，提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性。接收天線連接接收機(jī)來(lái)模擬實(shí)際短波接收系統(tǒng)，接收機(jī)與后端軟件通過(guò)光纖連接。

2.2 測(cè)量設(shè)備

本次實(shí)驗(yàn)主要使用安捷倫4438C信號(hào)源、安捷倫N9913A手持式頻譜分析儀、ML428B場(chǎng)強(qiáng)儀以及HE525標(biāo)準(zhǔn)天線[6]。發(fā)射/接收天線則采用短波分節(jié)負(fù)荷天線，天線高度10.8 m。

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟

在遠(yuǎn)場(chǎng)利用信號(hào)源發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)短波信號(hào)，發(fā)射功率分別設(shè)定為25 dBm、20 dBm。實(shí)驗(yàn)遍歷2～30 MHz短波頻段，隨機(jī)選取頻點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，共29個(gè)頻點(diǎn)。利用N9913A頻譜儀測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)，記為Sr；利用ML428B測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)，記為Sr'；在服務(wù)軟件測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)，記為Sad。綜合所有測(cè)量數(shù)據(jù)后，對(duì)Sr、Sr'、Sad取平均值，最終得到每個(gè)頻點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量數(shù)據(jù)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)天線HE525數(shù)據(jù)資料獲取天線因子，利用式（2）計(jì)算出接收機(jī)內(nèi)部鏈路K值。對(duì)K值進(jìn)行插值及擬合處理，得到K值的平滑曲線。在實(shí)際接收條件下，代入K值計(jì)算后即可得到標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)值[7]。

2.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。將頻譜儀與場(chǎng)強(qiáng)儀數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)和校準(zhǔn)，在數(shù)據(jù)差距較大時(shí)重新測(cè)量，最終得到準(zhǔn)確的場(chǎng)強(qiáng)值。其中，服務(wù)軟件設(shè)置接收系統(tǒng)增益為0，從而消除系統(tǒng)增益造成的影響[8]。當(dāng)發(fā)射功率為25 dBm時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 發(fā)射功率為25 dBm的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量結(jié)果

當(dāng)發(fā)射功率為20 dBm時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 發(fā)射功率為20 dBm的場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量結(jié)果

為了得到較為準(zhǔn)確的測(cè)量值，將頻譜儀和場(chǎng)強(qiáng)儀的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比對(duì)，頻譜儀和場(chǎng)強(qiáng)儀測(cè)量誤差在±1 dB以內(nèi)，符合30 MHz以下場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量的準(zhǔn)確度要求[9]。

2.5 K值處理及擬合

計(jì)算每個(gè)測(cè)試頻點(diǎn)的接收機(jī)內(nèi)部鏈路K值，該值隨著頻點(diǎn)的變化而變化。饋線對(duì)不同頻段的短波信號(hào)損耗不同，低頻段損耗小、高頻段損耗大，饋線修正值根據(jù)歷史測(cè)試數(shù)據(jù)得到。修正K值曲線如圖3所示。

圖3 修正后的K值曲線

利用MATLAB對(duì)修正后的K值進(jìn)行線性插值，步進(jìn)設(shè)置為100 kHz，得到預(yù)測(cè)值后進(jìn)行曲線擬合，使得誤差在某種意義上達(dá)到最小[10]。擬合K值曲線如圖4所示。

圖4 擬合K值曲線

將K值固化到服務(wù)軟件程序中，假設(shè)基于中頻AD采樣后的信號(hào)功率為Pad1、轉(zhuǎn)換后信號(hào)強(qiáng)度為Sad1，考慮接收機(jī)增益G1和不同頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的內(nèi)部鏈路K值，即可得到標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)功率：

最終，將標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)Sr1顯示在軟件界面上。

3 結(jié) 論

在實(shí)際短波監(jiān)測(cè)場(chǎng)景下，場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量往往受到測(cè)量場(chǎng)地、環(huán)境、儀器設(shè)備、接收機(jī)內(nèi)部鏈路K值、器件損耗以及射頻信號(hào)增益等的影響而出現(xiàn)偏差，本文采用外場(chǎng)測(cè)試的方法來(lái)校驗(yàn)接收機(jī)內(nèi)部鏈路K值，通過(guò)計(jì)算校準(zhǔn)最終得到標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)強(qiáng)值。需要明確的是，接收機(jī)內(nèi)部鏈路K值是針對(duì)具體接收系統(tǒng)而言的，不同接收機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部鏈路K值并不相同。