一種電磁環(huán)境量化分析方法

王月清 王 健 王 凡 張秀強(qiáng),4 李 爭 劉亞南

(1.海軍電磁頻譜管理中心，北京 102613；2.中國電波傳播研究所，山東 青島 266107；3.電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點實驗室，河南 洛陽 471003；4.北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100083)

引 言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和信息化建設(shè)的快速推進(jìn)，無線通信技術(shù)的發(fā)展日新月異，用頻系統(tǒng)數(shù)以億計.用頻系統(tǒng)的激增和電磁頻譜資源的泛用造成電磁環(huán)境空前復(fù)雜，電磁威脅日趨嚴(yán)重，如何客觀量化評估電磁環(huán)境復(fù)雜程度和分析其對用頻系統(tǒng)的影響成為當(dāng)前電磁兼容和電磁頻譜管理領(lǐng)域內(nèi)亟待解決的基礎(chǔ)理論問題.

復(fù)雜電磁環(huán)境特征主要表現(xiàn)在：1)輻射源數(shù)量多、密度高：電子信息裝備體制復(fù)雜、數(shù)量大、種類多，來自海、陸、空、天多種平臺的電磁信號交織作用在同一區(qū)域，構(gòu)成了交叉重疊的電磁環(huán)境.隨著電子設(shè)備的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，電磁環(huán)境密度正變得越來越高.如雷達(dá)信號，20世紀(jì)70年代密度是每秒4萬個脈沖，20世紀(jì)80年代是每秒100萬個脈沖，20世紀(jì)90年代至今是每秒100～200萬個脈沖，到2010年超過每秒200萬個脈沖.2)輻射信號形式復(fù)雜、技術(shù)體制新：目前雷達(dá)、通信裝備廣泛采用了各種復(fù)雜的信號調(diào)制樣式，有頻率捷變、頻率分集、重頻參差、重頻抖動、重頻編碼、脈沖壓縮、脈內(nèi)調(diào)頻調(diào)相、相位編碼、連續(xù)波以及多種復(fù)合調(diào)制等等.同時各種新技術(shù)體制的裝備，如相控陣、脈沖多普勒、合成孔徑、逆合成孔徑、低截獲、多基地雷達(dá)，跳擴(kuò)頻通信設(shè)備等得到了廣泛的應(yīng)用.3)電磁頻譜范圍廣：電磁頻譜已經(jīng)成為一種重要的戰(zhàn)略資源.用頻設(shè)備所利用的頻譜幾乎占據(jù)了整個電磁頻譜，包括從極長波、甚長波、長波、中波、短波、米波、微波、毫米波到紅外和紫外的幾乎所有電磁頻譜.

近年來，美英等國家提出了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和指南性文件，為電磁環(huán)境特性分析和電磁環(huán)境效應(yīng)研究提供了基礎(chǔ)[1-3].國內(nèi)不少學(xué)者對電磁環(huán)境復(fù)雜度評估技術(shù)進(jìn)行了研究，普遍將電磁環(huán)境能量大小[4-5]、以及存在的信號類型與樣式的多少[6-9]作為一項反映電磁環(huán)境復(fù)雜程度的指標(biāo).但針對不同性能的接收設(shè)備，環(huán)境中信號的極化方式、調(diào)制方式對其所處電磁環(huán)境的復(fù)雜程度同樣有著重要的影響.迄今為止，針對上述因素與電磁環(huán)境復(fù)雜度的映射關(guān)系及其如何利用其進(jìn)行電磁環(huán)境定量分析還鮮有研究.因此，本文在復(fù)雜電磁環(huán)境因子定義及內(nèi)涵詮釋的基礎(chǔ)上，給出電磁環(huán)境復(fù)雜程度量化評估的一種方法，目的在于深化對復(fù)雜電磁環(huán)境的認(rèn)識，為深入復(fù)雜電磁環(huán)境的量化研究提供了理論借鑒.

1 描述方法

復(fù)雜電磁環(huán)境是指對用頻設(shè)備運用和行動產(chǎn)生一定影響的電磁環(huán)境，該環(huán)境可通過時域、頻域、空域、能域、極化域、調(diào)制域表征.在此，將復(fù)雜電磁環(huán)境因子定義如下

(1)

有用信號接收因子可表示如下

(2)

綜上，對處于電磁環(huán)境E中接收機(jī)接收到的環(huán)境復(fù)雜度因子可表示為

(3)

(4)

(5)

2 數(shù)據(jù)仿真

電磁環(huán)境中能量的高低、天線性能的優(yōu)劣對環(huán)境復(fù)雜度的影響是顯而易見的，且易于量化.所以，在此重點討論極化因子和調(diào)制因子：通過定量分析不同極化方式、調(diào)制方式的信號間彼此的相關(guān)度，確定了極化因子、調(diào)制因子的量化數(shù)值，有針對性地開展了典型極化方式、調(diào)制方式的信號相關(guān)性的量化分析和探索性研究.

2.1 極化因子量化與仿真

極化是描述電磁波矢量空間指向的一個輻射特性，通常以電場矢量的空間指向作為電磁波的極化方向.由于有用信號接收天線的極化與環(huán)境信號的極化不匹配時，會帶來一定接收功率損耗，通常稱為極化失配.在此，定義極化因子為

(6)

將環(huán)境信號和接收天線的極化方式統(tǒng)一表示為橢圓極化及其特例形式(線極化其橢圓率為0，圓極化其橢圓率為1)，則任意極化的環(huán)境信號在接收天線端的極化失配因子可表示為[10-11]

(7)

圖1給出典型情況下的極化因子隨極化橢圓長軸之間的夾角的關(guān)系.

圖1 典型情況下的極化因子

接收天線環(huán)境信號垂直極化水平極化圓極化(左旋)圓極化(右旋)垂直極化1.00.00.50.5水平極化0.01.00.50.5圓極化(左旋)0.50.510圓極化(右旋)0.50.501

由式(7)及圖1分析可知：

1) 當(dāng)接收天線與環(huán)境信號極化方式同為線極化，且同為水平或垂直時，極化匹配，接收功率損耗為零，極化因子最大，為1；

2) 當(dāng)接收天線與環(huán)境信號的極化一為水平一為垂直時，接收功率損耗最大，極化因子最小，為0；

3) 當(dāng)收發(fā)天線均為圓極化時且旋向相同時無接收功率損耗，極化因子最大，為1；

4) 當(dāng)收發(fā)天線均為圓極化時且旋向相反時接收功率損耗最大，極化因子最小，為0；

5) 利用線極化天線接收圓極化的環(huán)境信號時，可得來波信號總能量的1/2，此時，極化因子為0.5；

(6) 當(dāng)接收天線與環(huán)境信號的極化存在一定夾角時，可得全能量的cos2θ倍，此時極化因子為cos2θ.

2.2 調(diào)制因子量化與仿真

對于同一有用信號，環(huán)境信號不同調(diào)制方式通?？蓭聿煌母蓴_效果.在此，以有用信號和環(huán)境信號等幅情況作為標(biāo)稱值，不同調(diào)制方式的環(huán)境信號在接收端會產(chǎn)生不同信干比[12]，以數(shù)字信號為例，進(jìn)而產(chǎn)生不同的誤碼特性，其中MASK、MFSK和MFSK的誤碼率可分別表示為[13]

(8)

(9)

(10)

式中:M為調(diào)制指數(shù),取值為2，4，8，16，32，…；rb為接收的比特信噪比，dB；m和函數(shù)Q(x)可由式(11)和式(12)計算得到

m=log2M；

(11)

(12)

在此，直接將調(diào)制因子定義在不同環(huán)境信號下有用信號的接收誤碼率，即

(13)

由理論分析可知，在理想傳播條件下，誤碼特性與載頻是無關(guān)的.在此，令有用信號和環(huán)境信號基帶信號的載波頻率均為20 kHz，采樣頻率為60 kHz，信號長度100的隨機(jī)碼.為不失一般性，取1 000個分析樣本，計算其平均結(jié)果.

表2給出了碼速率為12 000波特(B)時，不同調(diào)制方式間的典型調(diào)制因子表.

從表2可以看出：

1) 調(diào)制方式相同的環(huán)境信號和有用信號相互間的影響普遍較大，這是因為相同類型的信號使用相同的域(幅度域、頻率域、相位域)傳遞信息，因而相互間容易產(chǎn)生干擾，互相影響；

表2 典型調(diào)制因子表

2) MASK型環(huán)境信號對MFSK型有用信號的影響大于MFSK型環(huán)境信號對MASK型有用信號的影響.這是因為MFSK信號為恒包絡(luò)信號，而MASK信號頻譜的頻率則有一定的變化量.因而MASK信號對利用頻域傳遞信息的MFSK信號的影響大于MFSK信號對利用幅度域傳遞信息的MASK信號的影響；

3) MFSK型環(huán)境信號對MPSK型有用信號的影響要大于MPSK型環(huán)境信號對MFSK型有用信號的影響.這是因為MFSK信號通過頻率信息傳遞信號，MPSK信號通過相位信息傳遞信號，頻率的積分即為相位，所以MFSK信號對MPSK信號的影響很大；相比較而言，MPSK信號的若干個變化的相位信息對MFSK信號的影響有限；

4) MPSK型環(huán)境信號對MASK型有用信號的影響要大于MASK型環(huán)境信號對MPSK有用信號的影響.由于MPSK信號因為脈沖成形的原因幅度會產(chǎn)生變化，因而，MPSK型信號對利用幅度域傳遞信息的MASK信號的影響大于MASK信號對MPSK信號的影響；

5) 隨著環(huán)境信號進(jìn)制的增加，MASK信號對有用信號的影響呈單調(diào)下降趨勢，MFSK對有用信號的影響呈單調(diào)上升趨勢，MPSK信號對MASK型有用信號的影響為非單調(diào)變化，對MFSK型有用信號的影響呈單調(diào)上升趨勢，對MPSK型有用信號的影響總體呈下降趨勢，且在進(jìn)制較大時，趨勢不明顯；

6) 隨著有用信號進(jìn)制的增加，環(huán)境信號對其造成的影響普遍增大.可見在相同的環(huán)境信號下，高進(jìn)制調(diào)制方式信號更易受影響.

圖2給出碼速率與調(diào)制因子的關(guān)系圖.在仿真計算中各參數(shù)設(shè)定為：信號的載頻和采樣頻率分別為20 kHz、60 kHz，信號長度100的隨機(jī)碼，碼速率的取值為1 200 B、2 000 B、3 000 B、6 000 B、7 500 B、12 000 B、20 000 B，由此可知在上述采用頻率和碼速率前提下，一個碼元的采樣點為50、30、20、10、8、5、3.

由圖2可以看出：

1) 信號碼速率較低時，調(diào)制因子基本不變；隨著碼速率的持續(xù)增大，調(diào)制因子變化量增大；

2) 如圖2(b)所示，隨著碼速率的增加，MFSK信號與2ASK信號的調(diào)制因子基本保持不變；當(dāng)碼元采樣點小于20(碼速率超過3 000 B)時，MFSK信號與4ASK、8ASK信號的調(diào)制因子明顯增大；

3) 如圖2(d)所示，碼元采樣點大于5(碼速率不超過12 000B)時，MASK信號與2FSK信號的調(diào)制因子基本保持不變，當(dāng)超過此碼速率后，調(diào)制因子開始增大；當(dāng)碼元采樣點小于10(碼速率超過6000B)時，MFSK信號與4ASK、8ASK信號的調(diào)制因子明顯增大；

4) 如圖2(f)所示，碼元采樣點大于5(碼速率不超過6 000 B)時， MPSK信號與2FSK信號的調(diào)制因子基本保持不變，當(dāng)超過此碼速率后，調(diào)制因子總體變化趨勢增大，當(dāng)碼速率超過12 000 B時，8PFK信號與2FSK信號的調(diào)制因子減??；當(dāng)碼元采樣點數(shù)小于20(碼速率超過2 000 B)時， MFSK信號與4ASK、8ASK信號的調(diào)制因子明顯增大；

5) 如圖2(h)所示，當(dāng)碼元采樣點數(shù)大于20(碼速率不超過3 000 B)時，MFSK信號與MPSK信號的調(diào)制因子基本保持不變，當(dāng)超過此碼速率后，調(diào)制因子逐漸增大；

6) 如圖2(a)(c)(e)(g)(h)(i)所示，除MASK-MFSK、MFSK-MASK、MFSK-MPSK、MPSK-MFSK信號對外，調(diào)制因子隨著碼速率的變化較小.

圖2 不同碼速率時的誤碼率仿真結(jié)果比較

3 結(jié) 論

為了更精確地表征復(fù)雜電磁環(huán)境，使復(fù)雜電磁環(huán)境評估結(jié)果更準(zhǔn)確，本文分析了極化方式、調(diào)制方式對電磁環(huán)境復(fù)雜程度的影響，仿真了其影響程度.該項研究具有可操作性，為深化對復(fù)雜電磁環(huán)境的認(rèn)識和深入研究復(fù)雜電磁環(huán)境量化分析和評估方法提供了有益理論依據(jù)和仿真結(jié)果.

本文的研究僅考慮了單信號的極化方式、調(diào)制方式對環(huán)境的影響，實際中的空間存在多個極化、調(diào)制的信號.因此，下一步探索可由多極化、多調(diào)制復(fù)合信號入手，深入研究電磁環(huán)境復(fù)雜度量化分析方法和評估手段.

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