Noise Level Estimation in the Shortwave Frequency Range

[ka1iic]

85
         ELECTRONIC
S AND ELECTRIC
AL ENGINEERING
      ISSN 1392 – 1215                                                                                                2011. No.
 6(112)
                                             ELEKTRONIKA IR ELEKTROTECHNIKA
SIGNAL  TECHNOLOGY
T       121                                                       
SIGNAL
Ų
  TECHNOLOGIJA
Noise Level Estimation in th
e Shortwave F
requency Range
E. Lossmann, M. A. Meister, U. Madar
Dept. of Radio and Communications Engineering,
Tallinn University of Technology, 
Ehitajate tee 5, 19086 Tallinn, Estonia, phone +372 620
2360, e-mail:
eriklos@lr.ttu.ee
Introduction
The presence of noise is th
e fundamental principle of
wireless communication which must be taken into account
always when setting the parameters of radio system such as
sensitivity,  modulation  type  and  coding,  but  also  choosing 
location     of     the     receiving     site     etc.     Generally,     
electromagnetic noise is classi
fied according to its source –
atmospheric or man-made noise. It is common to apply the
recommendation    ITU-R    P.372-9    for    estimating    the   
environmental    character    of    background    noise.    The   
recommendation  defines  five  typical  environments  in  the 
context of RF (
Radio Frequency
) reception. 
At   lower   frequencies   of   short-wave   band,   the   
atmospheric   noise   predomin
ates.   The   main   causes   of   
atmospheric  noise  are  thunders
torms,  occurring  mostly  in 
the  tropical  regions  of  the 
Earth.  Electromagnetic  noise, 
developed    by    these    storms,    uses    much    the    same   
propagation   mechanisms   as
    the    skywave.    Temporal   
grouping   of   noises   depends   on   daily   changes   in   the   
ionosphere,  time  of  the  year,  and  solar  activity.  Total 
atmospheric  noise  level  at  a  receiving  site  is  in  tight 
correlation with local weathe
r conditions. For example the
local  thunderstorm  may  increase  the  noise  levels  by  about 
10 dB, compared to a silent period [1]. 
Level  of  a  man-made  noise  is  less  dependent  on  the 
number   of   people,   living   in   a   certain   area,   than   the   
technical sophistication of loca
l infrastructure and lifestyle.
Power   supplies   of   some   lighting   equipment,   starting   
systems for electrical motors, generators, different impulse
power  supplies  and  big  computer  farms  contribute  to  the 
level  of  local  noise  environm
ent.  Because  of  this,  the 
background    noise    levels    in    peak    hours    can    raise   
substantially over the top level set by the standards [2].
As  the  infrastructure  in  Estonia  has  changed  greatly 
within   the   last   decade   and   
the   level   of   technological   
sophistication   has   increased   significantly   also   in   rural   
areas,  it  is  appropriate  to  explore  how  those  5  different 
noise environments described in the recommendation ITU-
R   P.372-9   can   be   empirically   identified   and   which   
particular  sources  of  noise  they  mainly  depend  on.  The 
monitoring  was  carried  out  to  evaluate  short-wave  radio 
communication   sites   with   respect   to   the   quality   of   
reception  and  to  get  an  over
view  of  spectral  occupancy 
within the frequency range from 1.5 to 15 MHz.
Measurements
Since   short-wave   range   is   not   in   the   focus   of   
commercial  interest,  there  is  a  lack  of  comprehensive  data 
about  spectrum  usage  and  electromagnetic  noise  level  in 
Estonia. In order to determine the character of background
noise  in  the  prospective  shor
twave  reception  sites  and  to 
gather data about spectral occupancy in general the current
survey was initiated by the
Estonian Defense Forces.
We present several samples of the measured data and
give  an  outline  of  monitoring  equipment  in  this  paper,  but 
the more detailed description of the research procedure has
been proposed by the authors in [3].
Right   choice   of   the   antenna   is   critical   to   the   
measuring    of    interferences,    because    the    directivity,   
polarization and gain character
istics affect significantly the
results of the measurement [4]. Also the stability of power
supply has crucial importance. We conducted comparative
measurements,  using  power  from  the  battery  to  check  the 
noise   level   induced   by   the   local   mains   power.   The   
monitoring  receiver  in  use  was  Rohde  &  Schwarz  ESMB 
with  the  active  monopole  (rod)  antenna  and  the  laptop 
computer    equipped    with    the    monitoring    application   
ARGUS (Fig. 1).
Fig. 1.
Layout of the monitoring system
The  RF  band  was  scanned  using  5  kHz  frequency 
step   and   with   receiver   bandwidth   4   kHz   (Fig.   2).   
Measurement    results    were    analyzed    using    software   
package MATLAB.
86
Fig. 2.
Parameters related to the measurements
Recommendation ITU-R P.372-9
External  noise  is  among  the  most  important  factors 
determining  the  noise  floor  when  estimating  the  signal-to-
noise   ratio   in   short-wave   range.   Certainly   it   is   most   
advantageous  to  operate  on  short-wave  channel  with  no 
interference  at  the  distant  end  receiver  in  the  optimum 
operating  frequency,  yet  this  is  not  commonly  feasible. 
The   useful   radio   signal   has   to   compete   with   the   
disturbances  in  the  radio  channel  at  every  given  moment, 
considering  theoretically  unlim
ited  number  of  noise  and 
interference  sources.  In  addition  to  the  local  sources  of 
background  noise  and  interference  one  also  needs  to  take 
into  account  noises,  originating  thousands  of  kilometers 
away, as ionosphere is equally well providing propagation
of signal, noise and diverse interferences.
ITU-R  P.372-9  gives  the  common  methodology  for 
specification   of   noise   electromagnetic   pattern   in   four   
environmental   categories   plus   galactic   noise.   While   
predicting  the  expected  noise  levels,  the  characteristic 
trends   with   frequency,   time   of   day,   season,   and   the   
geographical  location  are  taken  into  account  explicitly. 
There  are  other  variations  that  could  be  considered  only 
statistically.  The  Recommendation  gives  the  prediction 
methodology for approximated calculations of background
noise  level  on  the  assumption  that  interferences  due  to 
surplus  co-channel  transmissions  and  other  sources  of 
impulse noise in close range are not present [5, 6].
The external noise figure
F
a
 which is defined by ITU-
R  P.372-9  in  logarithmic  notation
for  the  frequency 
f
applies   to   a   short   vertical   antenna   over   a   perfectly   
conducting  ground  plane.  This  parameter  is  related  to 
rms
noise field strength
E
n
along the antenna by
5
.
95
log
20




B
f
F
E
a
n
,             
(1)
where
E
n
   is   in   dB   (above   1   μV/m),   frequency   
f
   is   
expressed  in  MHz,  and  the  receiver  bandwidth 
B
  –  in  dB 
(where
B
 is in dB-Hz).
In a real communication envi
ronment the character of
external   noise   power   is   highly   impulsive   and   non-
Gaussian,  hence  fitting  of  probabilistic  distribution  of  the 
received random noise waveform is required. Nevertheless,
for  the  long-term  predictions  it  is  more  convenient  to  use 
the  median  level  of  man-made  noise.  For  estimation  of 
median  values  of  man-made  noise  power  for  different 
environments  and  frequencies 
the  following  expression  is 
given by:

dB
f
d
c
F
am
,
log


,                       
(2)
where frequency
f
is expressed in MHz and environmental
constants
c
 and
d
 are listed in the Table 1.
Table 1.
Values of
environmental constants
c
 and
d
Environmental category 
c                        d                       
Business (curve A) 
76.8
27.7
Residential (curve
 B) 
72.5
27.7
Rural (curve C) 
67.2
27.7
Quiet rural (curve D) 
53.6
28.6
Galactic noise (curve E) 
52.0
23.0
The    curves    illustrating    the    expected    levels    of   
background noise are shown on Fig. 3.
Fig.  3. 
Curves  of  the  expected  background  noise  level  for  the 
frequency range from 1.5 to 15 MHz
These   curves   are   idealized
.   The   recommendation   also   
gives  table  for 
decile
  values  of  average  man-made  noise 
power  expressed  in  dB  above  or  below  the  median.  These 
values   were   measured   in   the   1970s   and   may   change   
considerably  with  day-to-day,  in  order  to  the  activities 
which  may  generate  man-made  noise.  It  shows  that  short-
term behaviour of the noise level can vary rather largely. 
Comparison of the empirical data to the
Recommendation
In  real  communication  en
vironment  the  value  of 
F
a
changes   stochastically,   as   both   the   development   of   
thunderstorms  and  propagation  conditions  are  changing 
randomly.  Usually  domestic  appliances  and  their  power 
supplies  can  cause  the  noise  on  low  frequencies.  The 
atmospheric  noise  predominates  at  frequencies  below  10 
MHz, but simultaneously we can find the man-made noise
and interference pattern as well.
 This is the case illustrated
on Fig. 4. Measurements were carried out on 28
th
 October
2009 during daytime between 12 and 13 UTC.
Fig.  5  and  Fig.  6  are  examples  of  background  noise 
pattern  at  two  rural  sites  and 
the  associated  contours  plot 
were recorded on the 21
st
 and 25
th
 of October 2009.
Fig.  6  reveals  broadband  disturbances  below  5  MHz 
originated  from  the  combinati
on  of  an  engine-generator 
and bad grounding of the communication equipment.
Fig. 7 and Fig. 8 present plots of the noise pattern in
two  residential  areas.  Spectrum  was  scanned  on  21
st
of
October  and  10
th
  of  November  2009  between  1400  and 
87
1500 UTC. The daily sunspot number varied from 11 to 23
during the monitoring.
Fig. 4.
Measured background noise
at a quiet rural site 
Fig. 5.
Measured background noise at a rural site 1
Fig. 6.
Measured background noise at a rural site 2
We  refer  to  it  as  the  quiet  period  of  solar  activity. 
These plots are shown to illustrate strong interferences and
man-made  noise  regarding  the  location,  the  time-of-day 
and   propagation   conditions.   The   comparisons   between   
theoretical  level  of  predicted  data  and  those  measured  in 
practice  reveal  considerable  disparities  [6].  Although  the 
noise  dissemination  may  use  either  sky  wave  or  ground 
wave methods the primary sources of noise are local ones. 
Fig.  9  shows  measurement  results  performed  in  an 
office at the University of Technology equipped with large
PC  farms.  Yet  the  ITU-R  P.372-9  does  not  cover  the 
indoor  noise  levels.  This  example  is  present  to  view  as  a 
reference  to  get  the  idea  of  the  EMC  scenario.  The  PC 
emission dominates over the spectrum in question as it was
expected. Similar measurements were made by Weinmann
and Dostert [7].
Fig. 7.
Measured background noise at a residential site 1
Fig. 8.
Measured background noise at a residential site 2
Fig. 9.
Measured background noise at a business site inside the
building
Conclusions
The   lower   end   of   shortwave   band   is   a   very   
complicated  communications  environment  with  respect  to 
noise  and  interference.  There  exist  significant  deviations 
from  the  expected  background  noise  level,  especially  at 
lower  frequencies  from  1.5  to  4  MHz  since  the  amplitude 
of  man-made  noise  decreases  with  increasing  frequency. 
The  noise  originates  mainly  from  electric  motors  and 
ignition  systems  located  in  th
e  close  range  of  receiving 
antenna.  The  good  grounding  is  also  very  important  for 
shortwave communication. However, business sites with a
number  of  interference  sources  such  as  computer  farms 
and  various  communication  systems  produce  equally  very 
high   levels   of   background   noise   within   the   whole   
shortwave spectrum.
Altogether  the  noise  level  on  short  waves  could  be 
characterized relatively well by
using  the  data  provided  in 
ITU-R P.372-9.
88
There  is  a  need  for  more  detailed  knowledge  about 
the   variations   of   interference   levels.   It   is   of   crucial   
importance   to   monitor   shortwave   band   over   a   longer   
period  of  time  with  averaging  over  multiple  scans,  to 
observe  seasonal  changes,  so
lar  activity  etc  for  long-term 
channel assignment.
Acknowledgements
The  authors  would  like  to  extend  thanks  to  all  the  people 
that  participated  in  the  meas
urements  and  data  analysis. 
We  would  especially  like  to 
thank  Peeter  Lamster  for  his 
dedicated support and cooperation.
References
1.
Freeman R.
Telecommunications Transmission Handbook. –
USA: Wiley, 1998. – 1232 p.
2.
Berdnikova  J.,  Ruuben  T., 
Müürsepp  I.,  Lossmann  E. 
Resolution   and   Doppler   Tolerance   of   Cognitive   System   
Waveforms   //   Electronics   and   Electrical   Engineering.   –   
Kaunas: Technologija, 2010. – No. 7(103). – P. 101–104. 
3.
Meister  M.–A.,  Lossmann  E.,  Madar  U., 
Results  of  the 
Practical  Research  for  HF  Communications  in  Estonia  // 
Nordic  Shortwave  Conference  Proceedings.  –  Arkitektkopia 
AB, Växjö, Sweden, 2010. – P. 4.2.1.–4.2.10.
4.
Straw R.D
 The ARRL Antenna Book. – USA: The National
Association  for  Amateur  Radi
o,  Newington,  CT,  2007.  –  P. 
23–29 (chapter 23).
5.
Goodman  J.  M.
  Operational  communication  systems  and 
relationships to the ionosphere
 and space weather // Advances
in  Space  Research,  2005.  –  Vol.  36.  –  Iss.  12.  –  P.  2241–
2252.
6.
Bradley  P.  A.,  Damboldt  T.,  Suessmann  P.
,  Propagation 
models  for  HF  radio  service 
planning  //  HF  Radio  Systems 
and  Techniques,  2000.  –  Eighth  International  Conference  on 
(IEE Conf. Proc. No. 474). – P.175–179.
7.
Weinmann F., Dostert K.,
Verification of background noise
in    the    short    wave    frequency    range    according    to   
recommendation ITU–R P.372 // AE
U – International Journal
of  Electronics  and  Communications,  Volume  60,  Issue  3,  1 
March 2006. – P. 208–216.
Received 2011 03 15
E. Lossmann, M. A. Meister, U. Madar.
Noise Level Estimation in the Shortwave Frequency Range // Electronics and Electrical
Engineering. – Kaunas: Technologija, 2011. – No. 6(112). – P. 85–88.
Noise  is  a  composite  signal  by  nature,  changing  widely  over  time,
  and  some  of  its  components  can 
be  controlled  while  the  others
cannot.  Although  the  signal-to-noise  ratio  (SNR
)  is  the  main  factor  determining  the  signa
l  quality  at  the  receiving  end,  it  is 
quite
complicated  to  define  the  characteristics  of  the  local  noise,  especially  in  the  shortwave  bands.  This  paper  provides  an  overvie
w  of  the 
background noise measurements to evaluate
the problematic shortwave communications s
ites in Estonia and to assess their suitabi
lity as
radio  receiving  sites.  Extensive  statistical  data  was  collected  during  the  study,  the  sources  of  interference  were  identified  a
nd  their 
spatiotemporal influence was analyzed. Moni
toring results were compared to methods
and models, presented in recommendation ITU-
R
P.372-9. Ill. 9, bibl. 7, ta
bl. 1 (in English; abstracts
in English and Lithuanian).
E.  Lossmann,  M.  A.  Meister,  U.  Madar.  Triukšmo  lygio 
į
vertinimas  trumpadažni
ų
  bang
ų
  diapazone  //  Elektronika  ir 
elektrotechnika. – Kaunas: Technologija, 2011. – Nr. 6(112). – P. 85–88.
Kai  kurias  triukšmo  signalo  dedam
ą
sias  galima  kontroliuoti,  kit
ų
  negalima.  Signalo  kokyb
ę
  lemia  signalo  ir  triukšmo  santykis. 
Estijoje  analizuojamas  trumpadažni
ų
  bang
ų
  diapazonas  ir  šiame  dažnyje  atlikti  triukšm
ų
  tyrimai.  Surinkti  statistiniai  duomenys. 
Nustatyti triukšm
ų
 šaltiniai, pateikta
į
takos analiz
ė
. Gauti rezultatai palyginti su ITU-R P.372-
9 rekomendacijoje apra
šytais metodais ir
modeliais. Il. 9, bibl. 7, lent. 1 (angl
ų
 kalba; santraukos angl
ų
 ir lietuvi
ų
 k.).


http://www.ee.ktu.lt/journal/2011/06/20__ISSN_1392-1215_Noise%20Level%20Estimation%20in%20the%20Shortwave%20Frequency%20Range.pdf