短波接收机标准场强校准方法

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2022 年 4 月 25 日第 39 卷第 8 期
Telecom Power Technology
Ａｐｒ． ２５， ２０２２， Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．８
标准天线
场强仪
发射天线
接收天线
便携频谱仪
光纤 信号源设备
接收机
图 2 实验场景
软件界面
信号源设备连接发射天线，发射标准短波信号， 发射信号频率遍历 2 ～ 30 MHz 短波频段，随机选取 频点进行发射。标准天线和接收天线放置在同一位置， 距离发射天线 1 000 m。将标准天线连接场强仪和频 谱仪，测量标准场强值。两个设备的场强测量值可以 相互进行校对，剔除误差较大的测量值，提高实验的 准确性和可靠性。接收天线连接接收机来模拟实际短 波接收系统，接收机与后端软件通过光纤连接。 2.2 测量设备
图 1 标准场强处理流程 收稿日期：2022-02-21 作者简介：王志雄（1985—），男，甘肃兰州人，硕士研 究 生 ，高 级 工 程 师 ，主 要 研 究 方 向 为 中 、短 波 广 播 信 号 监 测 、 覆盖效果评估及播出情况监管。
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摘要：目前，短波广播覆盖、技术监测等工作中经常使用电场强度的概念。相较于标准场强值，短波接收系统 所测的信号强度值包括内部链路 K 值，如器件损耗、射频信号（Radio Frequency，RF）增益等。采用外场测试的方 法来校验接收机内部链路 K 值，通过计算校准，最终得到标准场强值。
关键词：标准场强；校准；接收机 K 值
19.0
41.2
40.4
-1.0
56.6
20.0
43.3
42.3
-1.0
57.2
21.0
47.3
46.4
-1.2
60.2
22.0
49.4
48.1
-1.4
61.4
23.0
50.8
49.2
-1.6
61.1
24.0
50.3
48.3
-1.8
59.8
25.0
49.1
47.0
-2.0
59.3
26.0
49.0
47.2
（1）
短波信号经过接收机在中频处理器 A/D 采样后，
在服务软件测量信号功率为 Pad，计算其信号强度为
Sad。在此基础上，可以计算出接收机内部链路的 K 值为：
K=Er-Sad=Sar+AF-Sad
（2）
根据式（2）可以计算出不同频点接收机内部链
路的多个 K 值，通过对 K 值进行插值及拟合处理， 从而得到较为平滑的 K 值曲线 [2]。
2 内部链路 K 值的确定
2.1 实验场景 本次实验持续 7 d，每天早、晚各测量一次，每
次测量约 1 h，测量结果选取中位值 [3]。在每天较为 固定的时间段进行测量，对测得数据进行比较，得到 较为稳定的结果 [4]。同时，充分考虑了测量点周围 的环境因素，选取的测量地点周围平坦，坡度为 1.5°， 周围 25 m 范围内开阔无障碍物，避开了电力传输线 及其他金属垂直物 [5]。为了避免测量设备引起的测 量误差，在实验前选用高精度标准信号源对设备进行 了校准，尽量消除设备造成的测量误差。实验场景如 图 2 所示。
25
30
频率/MHz
图 3 修正后的 K 值曲线
Sad1，-05考.0.0 0虑接收机5 增益1G0 1 和不15同频点2对0 应的2内5 部链3路0 K 值，即可得到标准信号功率：
-10.0
拟合K值/dB
-15.0
-20.0
-25.0
-30.0
频率/MHz
拟合K值/dB
0.0 0 -5.0 -10.0 -15.0 -20.0 -25.0 -30.0
将 K 值固化到服务软件程序中，假设基于中 频 AD 采样后的信号功率为 Pad1、转换后信号强度为
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修正K 值
2022 年 4 月 25 日第 39 卷第 8 期
-15.0 -20.0 -25.0
王志雄：短波接收机-3标0.0准场 强校准方法
11.0
50.4
49.7
-1.0
62.3
12.0
51.6
50.2
-1.0
63.9
13.0
50.2
49.4
-1.0
64.0
14.0
50.5
49.6
-1.0
62.6
15.0
47.6
46.4
-1.0
61.9
16.0
43.5
42.7
-1.0
58.8
17.0
39.9
39.0
-1.0
57.0
18.0
37.5
36.3
3.1
38.6
37.5
-1.0
61.5
4.1
48.5
47.7
-1.0
72.0
5.145.945.1 Nhomakorabea-1.0
71.2
6.1
49.8
48.8
-1.0
71.0
7.1
47.3
46.4
-1.0
63.0
8.1
45.8
44.1
-1.0
59.4
9.1
48.5
47.3
-1.0
60.7
10.1
50.3
49.7
-1.0
59.8
-1.0
66.0
4.1
53.8
53.3
-1.0
76.9
5.1
52.3
51.6
-1.0
76.3
6.1
55.8
54.5
-1.0
76.3
7.1
52.0
50.9
-1.0
68.5
8.1
50.0
49.3
-1.0
64.5
9.1
53.1
52.8
-1.0
65.9
10.1
54.4
54.1
-1.0
64.6
11.0
54.8
计算每个测试频点的接收机内部链路 K 值，该 值随着频点的变化而变化。馈线对不同频段的短波
信号损耗不同，低频段损耗小、高频段损耗大，馈线
修正值根据历史测试数据得到。修正 K 值曲线如图 3 所示。
利用 MATLAB 对修正后的 K 值进行线性插值， 步进设置为 100 kHz，得到预测值后进行曲线拟合， 使得误差在某种意义上达到最小 [10]。拟合 K 值曲线 如图 4 所示。
1 标准场强处理流程
标准场强处理流程如图 1 所示。
在天线阵中心位置，放置标准天线。标准天线
连接频谱仪，通过频谱仪获取当前接收信号的场强值，
记录为 Sr。根据德国 R&S 公司 HE525 标准天线的资
料获取标准天线的天线因子 AF，不同的频段有不同
的 AF 值。接收信号的实际场强值为：
Er=Sr+AF
-2.0
59.0
27.0
48.0
46.7
-2.0
56.8
28.0
47.3
45.2
-2.0
58.6
29.0
48.9
47.1
-2.0
57.6
29.5
50.2
48.1
-2.0
58.1
仪和场强仪测量误差在 ±1 dB 以内，符合 30 MHz 以 下场强测量的准确度要求 [9]。 2.5 K 值处理及拟合
Keywords: standard field-strength; calibration; K value
0 引 言
基于监测业务的实际需求，需要在业务软件显 示标准场强值，单位为 dBμV/m。在实际应用场景 下，软件界面显示的是接收机采集后经过数模转换 （Analog /Digital，A/D）的信号强度。相比标准场强， 该信号强度包含了内部链路 K 值，包括器件损耗、 射频信号增益等。本文采用外场测试方法来校验接收 机内部链路的 K 值，最终将 A/D 采集后的信号强度 值折算成标准场强值 [1]。
为了得到较为准确的测量值，将频谱仪和场强 仪的测量结果进行了比较。通过实验数据比对，频谱
表 1 发射功率为 25 dBm 的场强测量结果
所选频率点 /
Sr/
Sr'/
MHz （dBμV/m） （dBμV/m）
AF 值
Sad/ （dBμV/m）
2.1
44.0
43.9
-1.0
50.2
3.1
42.0
41.8
-1.0
55.7
19.0
37.3
36.3
-1.0
52.5
20.0
40.1
39.0
-1.0
52.9
21.0
43.5
41.4
-1.2
55.4
22.0
45.5
43.5
-1.4
57.4
23.0
46.2
44.6
-1.6
56.7
24.0
45.4
43.5
-1.8
55.2
25.0
44.7
43.1
-2.0
54.7
26.0
Standard Field-Strength Calibration Method for HF Receivers
WANG Zhixiong (National Radio and Television Administration 291 Station, Lanzhou 730105, China)
54.1
-1.0
67.0
12.0
55.8
54.6
-1.0
69.0
13.0
55.0
54.1
-1.0
68.9
14.0
54.9
53.8
-1.0
67.6
15.0
51.8
50.7
-1.0
66.8
16.0
48.0
47.6
-1.0
63.4
17.0
46.2
45.4
-1.0
61.2
18.0
43.9
42.9
-1.0
59.9
45.6
43.5
-2.0
54.8
27.0
43.5
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-2.0
52.3
28.0
42.8
40.4
-2.0
54.3
29.0
44.4
42.4
-2.0
53.3
29.5
45.4
43.4
-2.0
53.7
修正K 值/dB
0.0 -5.0 0 -10.0 -15.0 -20.0 -25.0 -30.0
5
10
15
20
根据实验步骤，搭建实验平台进行测试。将频 谱仪与场强仪数据进行比对和校准，在数据差距较大 时重新测量，最终得到准确的场强值。其中，服务软 件设置接收系统增益为 0，从而消除系统增益造成的 影响 [8]。当发射功率为 25 dBm 时，场强测量结果如 表 1 所示。
当发射功率为 20 dBm 时，场强测量结果如表 2 所示。
本次实验主要使用安捷伦 4438C 信号源、安捷 伦 N9913A 手持式频谱分析仪、ML428B 场强仪以及 HE525 标准天线 [6]。发射 / 接收天线则采用短波分节 负荷天线，天线高度 10.8 m。 2.3 实验步骤
在远场利用信号源发射标准短波信号，发射功率 分别设定为 25 dBm、20 dBm。实验遍历 2 ～ 30 MHz 短 波 频 段， 随 机 选 取 频 点 进 行 测 试， 共 29 个 频 点。利用 N9913A 频谱仪测量场强，记为 Sr；利用 ML428B 测量场强，记为 Sr'；在服务软件测量场强， 记为 Sad。综合所有测量数据后，对 Sr、Sr'、Sad 取平 均值，最终得到每个频点的场强测量数据。根据标 准天线 HE525 数据资料获取天线因子，利用式（2） 计算出接收机内部链路 K 值。对 K 值进行插值及拟 合处理，得到 K 值的平滑曲线。在实际接收条件下， 代入 K 值计算后即可得到标准场强值 [7]。 2.4 实验数据
2022 年 4 月 25 日第 39 卷第 8 期
ＤＯＩ：１０．１９３９９／ｊ．ｃｎｋｉ．ｔｐｔ．２０２２．０８．０２３
Telecom Power Technology
Ａｐｒ． ２５， ２０２２， Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．８
设计应用
短波接收机标准场强校准方法
王志雄 （国家广播电视总局二九一台，甘肃 兰州 730105）
频率T/MelHezcom Power Technology
Ａｐｒ． ２５， ２０２２， Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．８
表 2 发射功率为 20 dBm 的场强测量结果
所选频率点 /
Sr/
Sr'/
MHz （dBμV/m） （dBμV/m）
AF 值
Sad/ （dBμV/m）
2.1
40.1
39.1
-1.0
45.8
Abstract:The concept of electric field-strength is often used in High Frequency(HF) broadcast coverage and technical monitoring. Compared with the standard field-strength, the signal strength measured by the HF receiving system includes the internal link K value, such as the loss of the device and the gain of the Radio Frequency(RF) signal. In this paper, the method of field test is used to verify the K value of the internal link of the receiver, and the standard field-strength value is finally obtained through calculation and calibration.