電磁環(huán)境下車載通信設備的抗干擾適應性分析

董鵬樂

（中鐵第一勘察設計集團有限公司，西安 710000）

引言

通信技術在各領域已經(jīng)發(fā)展較為完善，車載通信技術已成為車輛與外界通信的主要方式，車載通信技術利用車載通信設備實現(xiàn)與外部通信，車載通信設備作為車載通信技術信息傳輸設備[1]，可實現(xiàn)信息傳送以及信息交流。車載通信設備主要包括數(shù)據(jù)終端設備以及語音通話設備，車載通信精度以及通信實時性是目前車載通信領域需要重視的問題。

隨著科技高速發(fā)展，車載通信設備已成為車輛必不可少的設備，車載通信設備所處環(huán)境越來越復雜，車載通信設備周圍存在大量電磁發(fā)射情況，車載通信設備的正常通信受電磁干擾影響越來越嚴重[2]。分析電磁環(huán)境下車載通信設備的抗干擾適應性已成為車載通信設備高效率運行的重點研究問題，大量不同類型的電磁干擾影響車載通信設備正常運行，抗干擾適應性研究對于提高車載通信設備頻譜利用率具有重要意義[3]。適應性是指生物改變其生活方式以及自身特性適應外界環(huán)境的概念，車載通信設備抗干擾性適應性是指車載通信設備受電磁干擾影響下適應干擾的生存能力。車載通信設備在復雜電磁環(huán)境下受到干擾極大，車載通信設備的抗干擾適應性是評價車載通信設備性能的重要指標。

1 車載通信設備的抗干擾適應性

1.1 車載通信設備工作原理

車載通信設備是指應用于車輛中的通信終端，車輛中有線電視、超短波/短波電臺等可與外界通信以及聯(lián)通的設備均屬于車載通信設備。車輛行駛過程中通過建立臨時通信系統(tǒng)實現(xiàn)車輛與外界聯(lián)系[4]，車輛通信設備可實現(xiàn)不同距離通信需求，車載通信設備工作原理如圖1所示。

車載通信設備利用車載通信終端實現(xiàn)有線電話、短波、超短波無線網(wǎng)絡通信，車載通信設備通過控制單元模塊實現(xiàn)程序控制，利用控制單元模塊控制短波、超短波無線通信網(wǎng)絡、有線電網(wǎng)絡以及移動通信網(wǎng)絡的通信鏈路連接以及斷開[5]，計算數(shù)據(jù)傳輸以及語音通話傳輸均通過車載通信設備的控制單元模塊實現(xiàn)各項功能。

車載通信設備的車載通信信號處理電路模塊以及控制電路模塊中容易產(chǎn)生大量噪聲，車輛行駛環(huán)境較為復雜，復雜的外部環(huán)境使車載通信設備周圍存在大量電磁噪聲，電磁環(huán)境下車載通信設備通信接收以及發(fā)送信號受到大量影響，影響車載通信終端設備信息交互[6-8]。采用有效的抗干擾技術去除車載通信終端受到的電磁干擾，提升車載通信設備抗干擾適應性，實現(xiàn)車載通信設備高質量通信。

1.2 電磁環(huán)境干擾信號類型

電磁環(huán)境中干擾主要包括白噪聲干擾、雷電干擾、靜電干擾以及射頻無線電連續(xù)波干擾等。電磁環(huán)境干擾信號主要包括時域干擾信號以及頻域干擾信號；時域干擾信號主要包括靜電放電干擾、雷電造成的間接效應以及直接效應干擾；頻域干擾信號主要包括噪聲干擾、射頻無線電連續(xù)波干擾等。

電磁環(huán)境中干擾源的頻域特征、功率、時域特性以及極化域特征取決于干擾源的特征[9]，電磁環(huán)境下車載通信設備干擾信號主要包括以下幾種：

1）單頻連續(xù)波干擾

單頻連續(xù)波干擾的時域可通過以下公式表示：

A(d)表示時域信號。

單頻連續(xù)波干擾的頻域可通過以下公式表示：

2）單脈沖雷達干擾

圖1 車載通信設備工作原理

單脈沖雷達干擾公式如下：

式中：

ε0與Hd—載頻以及發(fā)射機峰值功率；

Ld與gdτ—發(fā)射綜合損耗以及發(fā)射天線方向圖；

3）多頻連續(xù)波干擾

多頻連續(xù)波干擾的時域信號公式如下：

4）電磁脈沖干擾

利用高斯脈沖以及雙指數(shù)模型可有效表示電磁干擾信號中的電磁脈沖干擾[10]，利用雙指數(shù)模型表示電磁脈沖干擾時域公式如下：

利用雙指數(shù)模型表示電磁脈沖干擾的頻域公式如下：

利用高斯脈沖表示電磁脈沖干擾的時域公式如下：

利用高斯脈沖表示d=d0時的電磁脈沖干擾的頻域公式如下：

式中：

τ—高斯脈沖寬度常數(shù)。

5）寬帶噪聲干擾

窄帶系統(tǒng)有白噪聲經(jīng)過的過程為寬帶噪聲干擾[11]，其公式如下：

式中：

λ、HJ—工作波長以及干擾機發(fā)射平均功率；

LJ、Lr—干擾天線發(fā)射信號的極化損耗以及系統(tǒng)綜合損耗；

Rj—接收設備與干擾機間距以及干擾方向上接收方向的電壓變化量；

gJ、BWj—干擾天線變化量以及干擾信號帶寬；

BWr、kRF—接收機帶寬以及射頻電壓放大倍數(shù)；

εl、GIF、LIF分別表示中頻、中頻與變量的損耗之和。

6）線性調頻雷達干擾

式中：

v(d)—由矩陣脈沖形成的脈沖串即復調制函數(shù)，其數(shù)量與寬度分別為NH以及HD。

脈間捷變和線性調頻公式如下：

式中：

εk與Dr—第k個脈沖的角頻率變量以及脈沖重復的時間間隔；

μ(t)—調制函數(shù)。

1.3 波束賦形技術抗干擾方法

空域的天線抗干擾技術可有效避免車載通信設備受到電磁環(huán)境中寬帶干擾、窄帶干擾以及人為惡意壓制式干擾[12]，選取波束賦形技術的空域技術提升電磁環(huán)境下車載通信設備的抗干擾適應性。

通過采樣加權求和操作空間傳感器，提升車載通信設備于不同方向傳播信號，令其避免電磁環(huán)境下不同干擾物質干擾，提升車載通信設備適應性過程即波束形成過程，波束形成過程以采集波場特征參數(shù)以及多徑信號實現(xiàn)空域濾波目的[13]。

設存在陣元數(shù)量為N，將其以相同的d為間距放置于通信空間中，將陣列法線方向與來波方向夾角以參考陣元1定義，形成波束輸出信號公式如下：

式中：

H、q分別表示共軛轉置與空域權值。

時間為l時，陣列輸出用表示。

式中：

n(l)—噪聲矢量

sk(l)、T—第i個窄帶信號復包絡以及轉置，

陣列的方向矩陣公式如下：

陣列導向矢量以及方向向量公式如下：

導向矢量在窄帶傳播過程中僅與波的傳播方向以及陣列的幾何結構相關[14，15]。

主瓣方向約束準δ0情況下，可得公式如下：

公式（16）即為空域匹配權，令δ1，δ2，…，δk的導向矢量帶入公式（16），獲取波束數(shù)量為K。

利用正交矩陣以及離散傅氏變換矩陣巴特勒矩陣可表示如下：

D為巴特勒矩陣，且滿足

利用巴特勒變換矩陣可實現(xiàn)陣元域轉換至波束域，提升電磁環(huán)境下車載通信設備的抗干擾適應性。

2 實驗分析

為檢測本文研究電磁環(huán)境下車載通信設備的抗干擾適應性提升車載通信設備抗干擾適應性有效性，選取操作系統(tǒng)為WINDOWS XP的計算機利用MATLAB軟件設置車載通信設備工作環(huán)境，并模擬不同類型的電磁干擾環(huán)境，檢測車載通信設備抗干擾適應性。

車載通信設備原始通信信號如圖2所示。

利用信號發(fā)生器將帶干擾的電磁信號輸入車載通信設備通信接口，加入電磁干擾信號后通信信號如圖3所示。

圖2 原始通信信號

圖3 加入電磁干擾后通信信號

采用本文方法提升車載通信設備抗干擾適應性后的通信信號如圖4所示。

圖4 本文方法處理后通信信號

通過以上實驗結果可以看出，采用本文方法處理加入電磁干擾信號后通信信號，加入的電磁干擾信號被有效抑制，最終通信信號較為光滑，且尖峰處有用的通信信息可完整保留，說明本文方法可有效抑制通信信道中加入的電磁干擾噪聲，電磁環(huán)境下車載通信設備抗干擾適應性被有效提升。

統(tǒng)計采用本文方法提升電磁環(huán)境下抗干擾適應性車載通信設備的基波發(fā)射帶寬，基波發(fā)射帶寬指由于基波發(fā)射引起的車載通信設備受附近噪聲影響頻帶寬度增加情況。為直觀統(tǒng)計本文方法抗干擾性能，將本文方法與同時收發(fā)認知方法、電磁拓撲方法以及均勻圓形天線陣方法對比，對比結果如圖5所示。

通過圖5實驗結果可以看出，采用本文方法的車載通信設備的基波發(fā)射帶寬明顯低于采用另三種方法的車載通信設備基波發(fā)射帶寬，說明采用本文方法的車載通信設備受附近噪聲影響頻帶寬度增加幅度較低，進一步說明采用本文方法的車載通信設備受附近電磁環(huán)境噪聲影響較小。

圖5 基波發(fā)射帶寬對比

統(tǒng)計采用不同方法的車載通信設備諧波抑制比，由于電路非線性令車載通信設備產(chǎn)生諧波干擾，諧波抑制比是指車載通信設備對諧波干擾抑制能力。諧波抑制比是評價車載通信設備通信性能的重要指標，通過電臺輻射發(fā)射特性測試可獲取不同方法下車載通信設備諧波抑制比，采用不同方法的車載通信設備諧波抑制比對比結果如圖6所示。

圖6 諧波抑制比對比結果

通過定量評價指標諧波抑制比對比結果可以看出，采用本文方法的車載通信設備諧波抑制比明顯高于采用另三種方法的車載通信設備，實驗結果說明采用本文方法的車載通信設備抑制電磁環(huán)境諧波干擾能力明顯優(yōu)于采用另三種方法的車載通信設備。

靈敏度是體現(xiàn)電磁環(huán)境下車載通信設備接收微弱信號能力的重要評價指標，利用車載通信設備的靈敏度作為評價設備整體性能指標，通過定向耦合器可測量車載通信設備接收機靈敏度，采用不同方法的車載通信設備靈敏度對比結果如圖7所示。

通過圖7實驗結果可以看出，采用本文方法的車載通信設備靈敏度明顯高于另三種方法，采用本文方法的車載通信設備在電磁環(huán)境下信號微弱時數(shù)據(jù)接受能力明顯高于另三種方法，再次驗證本文方法提升電磁環(huán)境下車載通信設備抗干擾適應性能力。

圖7 靈敏度對比結果

表1 貼近度對比

利用貼近度評價車載通信設備在不同電磁環(huán)境干擾信號下抗干擾適應性，設置貼近度范圍為[0，1]，貼近度為0時，表明車載通信設備對電磁環(huán)境干擾信號適應性最差，即車載通信設備無法正常工作；貼近度為1時，表明車載通信設備對電磁環(huán)境干擾信號適應性最高，即車輛通信設備不受電磁環(huán)境干擾影響或影響極小，車載通信設備各項工作均可正常運行。不同方法抗干擾適應性貼近度對比結果如表1所示。

通過表1實驗結果可以看出，不同電磁干擾噪聲情況下，采用本文方法的車載通信設備適應性貼近度均高于0.9，說明本文方法在不同電磁干擾噪聲下均可保持良好的通信性能，實驗結果再次驗證本文方法提升電磁環(huán)境下車載通信設備抗干擾適應性有效性。

3 結論

利用波束賦形技術抗干擾方法有效提升電磁環(huán)境下車載通信設備的抗干擾適應性，并通過仿真實驗驗證采用該方法的車載通信設備具有很好的抗復雜電磁環(huán)境干擾信號效果，可有效抑制電磁環(huán)境下干擾信號，提升車載通信設備通信質量，可應用于車載通信設備實際應用中。