ITU-R-REC-P.372-10-2009radio-noise

ITU-RP.372-10建议书(10/2009)无线电噪声P系列无线电波传播iiITU-RP.372-10建议书前言无线电通信部门的职责是确保卫星业务等所有无线电通信业务合理、平等、有效、经济地使用无线电频谱，不受频率范围限制地开展研究并在此基础上通过建议书。无线电通信部门的规则和政策职能由世界或区域无线电通信大会以及无线电通信全会在研究组的支持下履行。知识产权政策（IPR）ITU-R的IPR政策述于ITU-R第1号决议的附件1中所参引的《ITU-T/ITU-R/ISO/IEC的通用专利政策》。专利持有人用于提交专利声明和许可声明的表格可从获得，在此处也可获取《ITU-T/ITU-R/ISO/IEC的通用专利政策实施指南》和ITU-R专利信息数据库。ITU-R系列建议书（也可在线查询）系列标题BO卫星传送BR用于制作、存档和播出的录制；电视电影BS广播业务（声音）BT广播业务（电视）F固定业务M移动、无线电定位、业余和相关卫星业务P无线电波传播RA射电天文RS遥感系统S卫星固定业务SA空间应用和气象SF卫星固定业务和固定业务系统间的频率共用和协调SM频谱管理SNG卫星新闻采集TF时间信号和频率标准发射V词汇和相关问题说明：该ITU-R建议书的英文版本根据ITU-R第1号决议详述的程序予以批准。电子出版2010年，日内瓦ITU2010版权所有。未经国际电联书面许可，不得以任何手段复制本出版物的任何部分。ITU-RP.372-10建议书1ITU-RP.372-10建议书无线电噪声*（第ITU-R214/3号课题）（1951-1953-1956-1959-1963-1974-1978-1982-1986-1990-1994-2001-2003-2007-2009年）范围ITU-RP.372建议书提供了有关0.1Hz至100GHz范围内射频噪声的背景电平，并考虑到雷电和人为来源给银河系和较低大气层温度造成的噪声。其中给出的数字或温度为估算系统性能提供了依据。国际电联无线电通信全会，考虑到a)无线电噪声为无线电系统的性能设定了限值；b)有效的天线噪声数值或天线噪声温度，以及接收噪声包络幅度概率分布，均为适用于确定和设计系统性能的参数（几乎在任何时候都是必要条件，但有时不是充分条件）；c)通常不宜采用其噪声数值低于最低外部噪声确定的噪声数值的接收系统；d)应将有关外部自然来源无线电发射的知识用于–评估大气层对无线电波的影响；–分配地球环境遥感所用的频率，做出建议应酌情将用以下信息用于系统的设计与分析：1无线电噪声源ITU-RV.573建议书对无线电噪声作了如下定义：«无线电（频率）噪声；一种在射频范围内具有明显不传送信息的分量的时变电磁现象，这些分量可叠加在有用信号上，或和有用信号相组合。注1–在某些情况下，射频噪声可能载有噪声源的某些特性，例如，噪声源的性质和其位置。*ITU-R网站有关无线电通信局第3研究组的部分，提供本建议书介绍的计算机程序，涉及雷电、人为噪声和银河噪声（在大约100MHz以下频率）引起的大气噪声的特性与应用。2ITU-RP.372-10建议书注2–一组信号集合，当它们不能分开来辨识时，可表现为射频噪声。»ITU-RP.372建议书提供了有关无线电接收系统依赖无线电噪声的数据，这种噪声的来源如下：–雷电放电的辐射（雷电引起的大气噪声）；–电气机械、电气和电子设备、电力传输线路或外燃引擎点火（人类噪声）引起的集合无意辐射；–大气气体和水象的发射；–天线波束内的地面或其它障碍；–天体无线电来源的辐射。注1–这里提供的无线电噪声电平估算值，是在没有其它信号的情况下用于背景噪声电平的有意或无意辐射的，从而不在建议书中研究无用共信道发射或个体收发系统杂散发射产生的噪声或信号。注2–就人为噪声而言，提供的数据在于表示环境类别，显示了在该环境中的典型距离内，使电器和电子活性正常发挥的典型电平。2噪声强度规范及其相互关系的术语一接收系统的噪声系数f，是由系统接收终端的一系列声源构成的。等效无损耗接收天线，是无线电接收系统的总体工作噪声系数的唯一适当参考点。（其实，这种无损耗天线终端是不存在的。）就无杂散响应的接收机而言，系统的噪声系数表示为：f=fa+(fc–1)+lc(ft–1)+lclt(fr–1)(1)其中：fa：外部噪声系数定义为：btkpfna0=(2)注1–Fa为外部噪声系数，其定义为：Fa=10logfadBpn：来自等效无损耗天线的可用噪声功率k：波耳兹曼常数=1.38×10–23J/Kt0：参考温度(K)测得的结果为290Kb:接收系统噪声功率带宽（Hz）lc:天线电路损耗（可用输入功率/可用输出功率）lt:传输线路损耗（可用输入功率/可用输出功率）fr:接收机噪声系数。注2–Fr为接收机噪声数值，其定义为：Fr=10logfrdBITU-RP.372-10建议书3ƒc是与天线电路损耗相关的噪声系数，−+=0)1(1ttlfccc(3)ƒt是与传输线路损耗相关的噪声系数，+=0)1–(1ttlfttt(4)其中：tc：天线和附近地面的实际温度（K）而且tt:传输线路的实际温度（K）。如果tc=tt=t0，等式(1)变为f=fa–1+fcftfr(5)等式(2)可写为：Pn=Fa+B–204dBW(6)其中：Pn=10logpn:可用功率(W)B=10logb,和–204=10logkt0.就理想接地平面以上的短（hλ）垂直单极天线而言，r.m.s.场强的垂直部分表示为：En=Fa+20logfMHz+B–95.5dB(μV/m)(7)其中：En:b带宽的场强，以及fMHz:中心频率（MHz）。同样，对于自由空间的半波振子：En=Fa+20logfMHz+B–98.9dB(μV/m)(8)外部噪声系数也通常以温度ta表示，其中根据fa的定义：0ttfaa=(9)ta为外部噪声造成的有效天线温度。可以根据Fa的估计值，利用适合所用天线类型的（7）和（8）一类等式确定相应数值En。上述噪声功率虽然可能是确定信噪比所必需的，却很少能为确定系统性能提供充足条件（唯一的例外是高斯白背景噪声）。需要对接收的随机噪声波形进行相应的概率描述。为研究本建议书关注的噪声类型，接收包络的相位通常是均匀分布的，而且幅度概率分布（APD）（超越概率）也得到确定。至于更高频率（如大约1GHz）上的冲激噪声过程，各项Fa4ITU-RP.372-10建议书值均很低，只有较高量级的脉冲能够超越接收机噪声门限值。这里的描述可以采用一特定时段内的峰值、较高水平的超越概率和一特定程度上的脉冲计数等形式。3作为频率函数的噪声电平以下的三个数字和相关论述，明确提出了0.1Hz至100GHz频率范围内的Fa预期值，以及其它相关的噪声电平。这三个数字显示了第1款提出的噪声类型的相对量级。本建议书后面的章节提供了有关不同噪声类型的更详细信息。图1涉及0.1Hz至10kHz频率范围。实曲线是测得的Fa预计每小时中间值（考虑到整个地球表面、一年四季和一天当中的所有时间段），而虚曲线提供了最大预计值。值得注意的是，本频率范围内很少出现季节、每日或地理变化。100-10000Hz频率范围内的较大差异，是由于地-电离层的波导截止造成的。ITU-RP.372-10建议书5图2介绍了104至108Hz，即10kHz至100MHz频段的各类噪声。实曲线表示最低预计噪声。就大气噪声而言，预计的最低每小时中间值被认为是超过总时间99.5%的数值，而预计的最高每小时中间值是超过总时间0.5%的数值。而对于大气噪声曲线而言，一天当中的所有时间段、一年四季以及整个地球表面都被考虑在内。图3涉及108至1011Hz，即100MHz至100GHz频段。同样，随机噪声表示为实曲线，而某些其它相关噪声则以虚曲线表示。三个图中显示的多数结果是用于全向天线的（但图表作出说明的除外）。然而就定向天线进行的研究显示，（例如）在HF，在雷电给极窄波束天线带来的大气噪声的情况下，由于天线指向、频率和地理位置的不同，会有高达10dB的差异（高于或低于显示的Fa平均值5dB）。标为银河噪声的实线（图2和3）给出了银河噪声（整个天空）的平均值。测量显示，在对电离层屏蔽忽略不计的情况下，存在±2dB的差异。最低银河噪声（指向银极的窄波束天线）较图3显示的银河噪声实曲线低3dB。图3以虚线表示窄波束天线的最高银河噪声。6ITU-RP.372-10建议书4来自大气气体和地球表面的噪声来自太阳、大气气体、地球表面等个体来源的噪声，通常以亮度温度tb表示。天线温度ta是天线图和天地亮温的卷积。对于其图包括单一来源的天线而言，天线温度和亮度温度是相同的（图3中的C、D和E曲线便是例证）。图4和5显示了地基接收机的大气亮温，但对于图4中1至340GHz和图5的1至60GHz频率而言，该温度不包括宇宙噪声影响达2.7K或其它的地外来源。在计算这些曲线时，对七个不同仰角和一个平均大气（7.5g的表面水汽密度、288K的表面温度和标高2km的水气）使用了辐射传输程序。1976年美国标准大气模式被用于干燥大气。在对流层顶上增加了典型的水气成因。ITU-RP.372-10建议书78ITU-RP.372-10建议书ITU-RP.372-10建议书9在进行地对空通信时，如果已知飞行器发射机的信号衰减，可从以下公式得出该方向2到30GHz频率的亮温的准确估值：tb=te(1–e–d)+2.7K(10)其中：d:光学厚度=衰减（dB/4.343）te:有效温度，通常取值约275K。上述关系将为30GHz以下频率提供精度达约0.1dB的结果。在该频率以上，一种散射分量会进入衰减，从而会使对亮温的估值过高。上述关系适用于降雨衰减。美国已开展了包括云效应在内的辐射传输研究，并从一个有15年历史的为15个单独地点设立的数据库选出一典型年份的气象数据，计算出天顶亮温。图6a)和6b)提供了从美国亚利桑那州犹马镇（年降雨5.5cm）和纽约市（年降雨98.5cm）两地采集的五个不同频率的结果。从图中曲线可以看出，90GHz的天顶亮温可能低于44GHz的天顶亮温。每个极低天顶亮温都呈现这种情况，这意味着水汽含量极低（低于大约3g/m3）。然而从图4可以看出，90GHz和44GHz频率上的亮温几乎相等。从某一天底角观察到的地表亮温，可采用辐射传输公式进行计算，以便对下降流大气辐射的反射以及地表辐射的发射加以说明。这项计算包括下降流大气辐射在所有角度的集成，还包括大气衰减。可将它简化为：T=∈Tsurf+ρTatm其中：∈:表层的有效放射率ρ:有效反射系数Tsurf:地表的物理温度(K)Tatm:天空亮温加权平均值。在高达100GHz但尤其是低于10GHz时，反射系数ρ通常很高，而放射率∈很低。图7a)给出了垂直和水平极化以及两个入射角的平静水面放射率和亮温。值得注意的是，在5GHz以上就无法辨别淡水和咸水。图7b)显示了在每千份盐水中含有36份盐的情况下，作为海平面物理温度函数的三个频率的海平面天底亮温。图7c)和7d)提供了在风速情况下海平面的亮温上升，这也为风暴探测提供了有力工具。10ITU-RP.372-10建议书ITU-RP.372-10建议书1112ITU-RP.372-10建议书由于陆地介电常数较低，地表的放射率（和由此产生的亮温）高于水面。图8a)显示了平坦旷野在不同湿度情况下的亮温；图8b)则介绍了不同粗糙度下的亮温。曲线代表垂直、水平和圆形极化。如果湿度上升，亮温就会下降；粗糙度越高，亮温也越高。图9展现的是卫星利用地球覆盖波束（地球充斥3dB点之间的主要波束），从对地静止轨道观察到的亮温计算结果。随着卫星围绕其轨道运行，我们可以在东经30°观察到非洲地块（热），在西经180°至150°看到太平洋（冷）。主要由于气体吸收的原因，亮温随频率的提高而增加。