摘要：短波通信是利用短波（HF）頻段（2MHz至30MHz）進(jìn)行的無線電通信。這種通信方式能夠在全球范圍內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，主要得益于短波信號能夠在電離層中進(jìn)行反射。短波通信的特點包括長距離覆蓋、成本相對較低，以及在特定條件下能夠?qū)崿F(xiàn)全球通信。短波通信背景噪聲對于通信質(zhì)量和效率有著直接的影響。在進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信時，背景噪聲可能會嚴(yán)重干擾對信號的接收，從而影響信息的準(zhǔn)確傳輸。本研究將對影響短波通信背景噪聲的時間與頻率進(jìn)行建模，來預(yù)測短波通信的背景噪聲。

關(guān)鍵詞：短波通信；背景噪聲；時間模型；頻率模型

一、引言

短波通信是指利用高頻（HF）頻段（2MHz至30MHz）進(jìn)行的無線電通信方式，具有一系列獨特的優(yōu)勢和應(yīng)用場景[1]。這種通信方式能夠在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線通信，為人們的生活和工作帶來極大的便利。短波通信能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，主要歸功于短波信號在電離層中的反射特性，這使得短波通信成為一種高效的通信手段。短波通信的特點十分明顯且多樣化。首先，它能夠?qū)崿F(xiàn)長距離覆蓋，使得不同地區(qū)的通信成為可能；其次，短波通信的成本相對較低，對于經(jīng)濟(jì)條件有限的地區(qū)或組織來說，這無疑是一個巨大的優(yōu)勢；最后，在特定條件下，短波通信甚至能夠?qū)崿F(xiàn)全球通信，能夠為國際交流與合作提供有力的支持。然而，短波通信也面臨著一些挑戰(zhàn)。其中，背景噪聲[2]是一個不可忽視的問題。背景噪聲對于短波通信的質(zhì)量和效率有著直接的影響。在進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信時，背景噪聲可能會嚴(yán)重干擾信號的接收，導(dǎo)致信息無法準(zhǔn)確傳輸。這不僅會影響通信的可靠性，還可能給使用者帶來不便。為了克服這些困難，研究人員一直在努力改進(jìn)短波通信技術(shù)。例如，他們正在開發(fā)更先進(jìn)的信號處理算法，以降低背景噪聲對通信的影響。此外，他們還在研究如何提高短波通信的天線性能，以便更好地接收和發(fā)送信號。

為了深入理解和有效解決短波通信中的背景噪聲問題，本研究將對影響短波通信背景噪聲的關(guān)鍵因素——時間和頻率進(jìn)行精細(xì)建模[3]。通過對背景噪聲變化規(guī)律的深入分析，能夠預(yù)測短波通信在不同時間和頻率條件下的背景噪聲水平。這種預(yù)測能力為采取針對性的措施以降低噪聲干擾、提升通信質(zhì)量提供了科學(xué)依據(jù)。具體而言，通過對背景噪聲的建模，可以在通信系統(tǒng)設(shè)計階段就考慮到噪聲的影響，從而為提前采取相應(yīng)的措施來降低噪聲干擾、提高通信質(zhì)量打下基礎(chǔ)，也可為電磁環(huán)境仿真[4]平臺構(gòu)建模擬背景噪聲提供理論支撐，推動短波通信技術(shù)的應(yīng)用。

二、研究方法

背景噪聲的產(chǎn)生和演變機(jī)理極其復(fù)雜，受眾多因素交互作用的影響，其中，最關(guān)鍵的影響因子包括時間、頻率和地理位置。這些因素的綜合作用塑造了背景噪聲的獨特屬性，從而對無線電通信、聲學(xué)探測等眾多技術(shù)領(lǐng)域的運行效能產(chǎn)生顯著影響。為了深化對背景噪聲特性的理解，本研究采用實際測量數(shù)據(jù)，對背景噪聲的關(guān)鍵特征進(jìn)行了詳盡分析，并據(jù)此進(jìn)行了時間和頻率的建模及驗證。

（一）監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

背景噪聲的水平在一天中的不同時間段內(nèi)會有顯著的變化。例如，自然噪聲，如雷電活動，在夏季更為頻繁，而人為噪聲則在白天比夜間更加顯著。這種時間上的變化對于理解和預(yù)測背景噪聲具有重要意義。為了深入地理解和預(yù)測背景噪聲，需要對其時間變化規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)的分析。在時間域上，本研究選取某城市站作為觀察點，對其連續(xù)7天的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入分析。通過分析歷史數(shù)據(jù)與平均值的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)背景噪聲的強(qiáng)度在一天中會呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。為了進(jìn)一步研究背景噪聲在頻率域上的特性，本研究選取了某城市連續(xù)7天的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)分析。選取5、6.5、8、9.5、11、12.5、14、15.5、17、18.5、20 （MHz）等11個頻點。數(shù)據(jù)分析結(jié)果如下：

圖1（a） 表示5MHz～20MHz的頻段，每天8點、10點、12點、14點共7天的平均功率值，從中可以看出，頻率9.5MHz附近有很明顯的凸起，信號的過渡很突兀，可區(qū)分出信號及其鄰近的背景噪聲。這種人為干擾或人為噪聲，有很強(qiáng)的隨機(jī)性，很難描述其規(guī)律。圖1（b）表示5MHz、9.5MHz、11MHz、14MHz連續(xù)7天每天上午10點的平均噪聲功率值，介于-40dB和-30dB之間，噪聲功率雖然大小不一，起伏不定，但是總體上是連續(xù)的，相鄰噪聲功率變化較為平滑?；谶@些特點，可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)將其處理為一個固定值（如歷史數(shù)據(jù)均值或前一時刻值）。其他頻率沒有明顯的凸起，可以近似看成多個周期性函數(shù)的疊加。以f=15.5MHz連續(xù)7天的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，其表達(dá)式為：

根據(jù)上述函數(shù)計算得出的估計值與真實值對比可知，背景噪聲數(shù)據(jù)大致呈現(xiàn)出一種與時間相關(guān)的周期性變化。盡管在某些頻點上，真實值曲線并沒有完全貼合估計值曲線，顯示出背景噪聲的不穩(wěn)定性和隨機(jī)性，使得周期性表現(xiàn)得并不十分明顯。

（二）時間模型建模

（三）時間模型驗證

紫色離散點代表了連續(xù)7天的監(jiān)測數(shù)據(jù)，直觀地展示了背景噪聲的變化情況。紅色曲線則是根據(jù)公式（2）擬合得出的結(jié)果，均方根誤差僅為7.34，顯示了擬合的準(zhǔn)確度相當(dāng)高。這條曲線幾乎能夠覆蓋大部分的紫色離散點，說明采用周期函數(shù)來描述背景噪聲與時間的關(guān)系是較為恰當(dāng)?shù)?。要進(jìn)一步優(yōu)化這一模型，關(guān)鍵在于確定合適的N值。

（四）頻率模型建模

背景噪聲的特性不僅隨時間變化而變化，在不同頻率范圍內(nèi)也表現(xiàn)出顯著的差異性。在低頻段，噪聲通常與自然現(xiàn)象如雷電活動密切相關(guān)，這是因為自然現(xiàn)象產(chǎn)生的電磁干擾往往集中在較低的頻率范圍內(nèi)。而在高頻段，噪聲則可能更多地受到人為活動的影響，如無線電廣播、電視傳輸、雷達(dá)發(fā)射，以及其他電子設(shè)備的操作，這些活動產(chǎn)生的電磁輻射通常覆蓋較高的頻率區(qū)間。在研究和評估背景噪聲時，必須考慮噪聲的頻率特性，以便更準(zhǔn)確地預(yù)測和減輕噪聲對無線電通信和聲學(xué)探測等技術(shù)的干擾。

本研究同樣分析與上述時間一致的某城市連續(xù)7天的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行精細(xì)化的處理。首先，將連續(xù)7天的數(shù)據(jù)逐日進(jìn)行分析，并詳細(xì)記錄每個時間段的背景噪聲情況。為了更準(zhǔn)確地把握背景噪聲的整體趨勢，本研究進(jìn)一步對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理。在此基礎(chǔ)上，特別選取了5個具有代表性的時間段，深入分析了2MHz～30MHz頻段內(nèi)的背景噪聲特性，如圖2（b）所示。在圖中觀察到了5個不同時間點在2MHz～30MHz頻段內(nèi)的背景噪聲趨勢。這些趨勢表現(xiàn)出高度的相似性，都呈現(xiàn)出隨著頻率值的增大，功率值逐漸減小的規(guī)律。然而，在這個平滑的下降趨勢中，一些頻點也出現(xiàn)了尖銳的凸起，這些異常點很可能源于人為噪聲或其他形式的干擾。為了更準(zhǔn)確地描述和分析這些噪聲特性，本研究決定采用最常見的多項式來進(jìn)行處理，形式如下：

（五）頻率模型驗證

根據(jù)公式（3）擬合一下離散的監(jiān)測數(shù)據(jù)。當(dāng)然，在一般情況下，多項式的階數(shù)越高，擬合越準(zhǔn)確，但由于數(shù)據(jù)過于分散，需要階數(shù)比較大（超過10）才能比較貼合曲線。通過比較發(fā)現(xiàn)，一階的誤差并不大于10階以內(nèi)的誤差，而且本研究需要的是一個通用的模型，形式越簡單越好，超過10階的多項式并非本研究所需。所以，找這些離散點的折中點的模型比較合適。本研究選擇最簡單的一階的效果，也就是關(guān)于時間的線性關(guān)系。

三、結(jié)束語

短波通信作為一種無線通信技術(shù)，在現(xiàn)代通信領(lǐng)域的重要性不言而喻。盡管它時常面臨著信號傳播受天氣影響、傳輸距離有限等挑戰(zhàn)和限制，但其同時在設(shè)備設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，以及抗毀能力等方面也展現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢。短波通信設(shè)備簡單、建網(wǎng)靈活的特性，使得其在應(yīng)對緊急通信需求時具有得天獨厚的優(yōu)勢。同時，其強(qiáng)大的抗毀能力也使其在復(fù)雜多變的通信環(huán)境中能夠保持穩(wěn)定的通信質(zhì)量。因此，盡管面臨諸多挑戰(zhàn)，短波通信依然展現(xiàn)出不容忽視的應(yīng)用價值和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

為了提升短波通信噪聲預(yù)測的通用性和實用性，本研究通過對歷史短波通信監(jiān)測數(shù)據(jù)分析其分布規(guī)律和特性，提出背景噪聲預(yù)測關(guān)于時間和頻率的通用模型。為了模擬電磁混進(jìn)背景噪聲，特別是為電磁頻譜作戰(zhàn)基礎(chǔ)仿真系統(tǒng)提供綜合仿真訓(xùn)練數(shù)據(jù)提供一種思路，為通信系統(tǒng)設(shè)計平臺提供支撐，后續(xù)需要進(jìn)一步考慮數(shù)據(jù)的質(zhì)量和多樣性，通過仿真多方面驗證，對模型進(jìn)行改進(jìn)和升級，優(yōu)化模型參數(shù)，提高預(yù)測性能和準(zhǔn)確性。

作者單位：卓海燕 中國電子科技集團(tuán)公司第七研究所

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