車載超短波電臺(tái)受擾程度定量分析與評(píng)估

王 雯，路宏敏，張光碩，陳沖沖，張世巍

(1.西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071; 2.中國(guó)北方車輛研究所，北京100072)

地面車輛裝備有大量成套的電子設(shè)備，可滿足通訊、指揮、導(dǎo)航、預(yù)警、跟蹤、武器系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)分析處理等多重任務(wù)要求。但是，在裝備作戰(zhàn)能力大幅提高的同時(shí)，裝備內(nèi)部電磁環(huán)境愈發(fā)惡劣，車載電臺(tái)作為通信車輛重要的核心部件之一，易受周圍復(fù)雜電磁環(huán)境的干擾，導(dǎo)致其性能降低或喪失，影響戰(zhàn)場(chǎng)上的指揮控制能力[1-3]。因此，研究車載通信設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境中的電磁兼容性問(wèn)題顯得尤為重要。

針對(duì)通信設(shè)備所面臨的電磁兼容性問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究人員展開了大量研究。文獻(xiàn)[4]對(duì)接收機(jī)共址干擾進(jìn)行了研究，基于半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法定量分析了通信系統(tǒng)的干擾效應(yīng)。文獻(xiàn)[5]提出了一種用于評(píng)估車載通信系統(tǒng)電磁兼容性的四級(jí)評(píng)估模型，對(duì)系統(tǒng)級(jí)EMC(Electromagnetic Compatibility)進(jìn)行定性評(píng)估[6]。文獻(xiàn)[7]對(duì)通信車輛的電磁兼容性能進(jìn)行了分析，并對(duì)接收機(jī)脫敏風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)證提出若干產(chǎn)品規(guī)范。上述研究均從系統(tǒng)級(jí)角度出發(fā)，未對(duì)設(shè)備級(jí)電磁兼容問(wèn)題展開討論。文獻(xiàn)[8]利用測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)接收機(jī)阻塞干擾響應(yīng)進(jìn)行建模研究，但未對(duì)受擾設(shè)備的應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。本文從設(shè)備級(jí)電磁兼容角度出發(fā)，對(duì)受擾超短波電臺(tái)進(jìn)行研究，并分析了接收機(jī)減敏特性，建立了天線端口干擾電壓與接收機(jī)減敏量的量化模型，定量分析了該超短波電臺(tái)的受干擾情況。研究結(jié)果表明，本文的量化模型具有較高的精度，88%的測(cè)試頻點(diǎn)誤差在6 dB限值范圍內(nèi)。同時(shí)，為綜合分析車載電臺(tái)的受干擾情況，從受擾電臺(tái)的應(yīng)用層面出發(fā)，利用本文所建立的量化模型，采用層次分析法，提出了一種可表征受擾車載電臺(tái)通信效能的評(píng)估方法。實(shí)例分析證明該評(píng)估方法可直觀地體現(xiàn)出受擾車載電臺(tái)的通信效能降級(jí)情況。

1 接收機(jī)減敏特性分析

處于復(fù)雜電磁環(huán)境中的接收機(jī)，從天線接收有用信號(hào)的同時(shí)，會(huì)夾帶著若干個(gè)干擾信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)內(nèi)部。這些干擾信號(hào)會(huì)使接收機(jī)工作于非線性狀態(tài)，導(dǎo)致進(jìn)入接收機(jī)的有用信號(hào)增益降低，發(fā)生減敏現(xiàn)象[1-3]。

接收機(jī)減敏是一種非線性效應(yīng)。本文選取冪級(jí)數(shù)模型[9-10]來(lái)描述接收機(jī)輸入輸出的非線性特性。冪級(jí)數(shù)模型是一種非線性模型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，模型系數(shù)辨識(shí)度高，與其他模型相比能更直觀地表示非線性特性所帶來(lái)的各階失真。

圖1 接收機(jī)簡(jiǎn)易模型

假設(shè)接收機(jī)輸入端的輸入信號(hào)為

Vin(t)=A1cos(w1t)+A2cos(w2t)

(1)

式中，A1cos(w1t)為從天線端口接收到的有用信號(hào)；A2cos(w2t)為從天線端口接收到的干擾信號(hào)，且A2?A1。

接收機(jī)輸出端的輸出信號(hào)Vout(t)可表示為

(2)

接收機(jī)的非線性主要是由二階以上系數(shù)不為0的項(xiàng)所引起的，越高次項(xiàng)對(duì)于輸出的貢獻(xiàn)越小。此處忽略三階以上項(xiàng)所帶來(lái)的非線性效應(yīng)[11]，則接收機(jī)輸出端的輸出信號(hào)如式(3)所示。

(3)

將式(1)的輸入信號(hào)代入式(3)，可得接收機(jī)的非線性輸出為

Vout(t)=a1(A1cos(w1t)+A2cos(w2t))+

A1A2cos(w1t±w2t))+

(4)

式(4)中包含各階諧波以及交調(diào)分量。由于輸入干擾信號(hào)幅值遠(yuǎn)大于輸入有用信號(hào)幅值，故式(4)中的微小項(xiàng)在輸出時(shí)將被忽略，且式(4)中的各階諧波與交調(diào)分量需經(jīng)濾波器處理，則最終輸出的有用信號(hào)Vout1(t)為

(5)

輸出的干擾信號(hào)Vout2(t)為

(6)

上述兩式中，為了符合增益壓縮特點(diǎn)，a3一般均小于0，即輸出有用信號(hào)的增益由于干擾信號(hào)的輸入而減小，這將導(dǎo)致接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力降低，接收機(jī)靈敏度下降[12]，這也是接收機(jī)減敏的原理。

2 天線端口干擾電壓與減敏量化模型

2.1 量化模型的建立

接收機(jī)靈敏度計(jì)算式為

S(dBm)=10lg(N)+NF+(S/N)

(7)

式中，N為系統(tǒng)噪聲，N=KTB，室溫1 Hz帶寬下系統(tǒng)噪聲為-174 dBm；NF為噪聲系數(shù)；SNR為信噪比；S/N為解調(diào)信噪比。

假設(shè)無(wú)干擾時(shí)接收機(jī)靈敏度為S1，受干擾后接收機(jī)靈敏度為S2，則接收機(jī)減敏量ΔS為

ΔS=S2-S1

=NF2-NF1

(8)

式中，NF2為存在干擾時(shí)的噪聲系數(shù)；NF1為無(wú)干擾時(shí)的噪聲系數(shù)。

由于車載通信設(shè)備輸入信噪比可維持在一個(gè)固定值上，有SNRin1=SNRin2，故式(8)可簡(jiǎn)化為式(9)。

ΔS=10lg(SNRout1)-10lg(SNRout2)

(9)

(10)

假設(shè)接收機(jī)從天線端口同時(shí)接收到的干擾信號(hào)電壓為Vin2=A2cos(w2t)，功率P2=A22/(2R)，由式(5)與式(6)可知，此時(shí)接收機(jī)的輸出信噪比SNRout2為

(11)

將式(10)、式(11)代入式(9)中，可得接收機(jī)減敏量與天線端口干擾電壓關(guān)系式為

ΔP=-10lg(N)-10lg[(a12+6a1a3RP2+9a32R2P22)]+

(12)

式中，R=50 Ω；a1、a3的值表征接收機(jī)的非線性特性，針對(duì)不同的接收機(jī)，且a1和a3的值不同。

2.2 量化模型求解

基于某型號(hào)超短波電臺(tái)在暗室內(nèi)測(cè)量的天線端口干擾電壓與接收機(jī)靈敏度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)求解上述量化模型。超短波電臺(tái)工作頻段為30～88 MHz，試驗(yàn)數(shù)據(jù)包含測(cè)試頻點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的峰值干擾電壓與接收機(jī)靈敏度標(biāo)定值。圖2為試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分布圖。

(a)

采用MATLAB擬合工具箱cftool對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。本文對(duì)量化模型進(jìn)行多次優(yōu)化，并引入噪聲因子c[13]，最終求得量化模型為

(13)

式中，a1=-0.299 2；a3=-2.875；c=0.324 8。

模型中引入噪聲因子c，系統(tǒng)噪聲增加至-116 dBm。這是由于在實(shí)際測(cè)試中，車載電臺(tái)周圍環(huán)境溫度高于正常室溫，并且試驗(yàn)過(guò)程中存在一定的測(cè)試誤差。圖3為擬合模型結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差分布圖。從圖中可以看出，絕大多數(shù)頻點(diǎn)落在6 dB限值范圍內(nèi)。將量化模型擬合結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較可以發(fā)現(xiàn)，除去3個(gè)明顯誤差點(diǎn)后，85%的測(cè)試頻點(diǎn)量化誤差在6 dB限值內(nèi)，表明所求量化模型具有較高的精準(zhǔn)度。

圖3 擬合模型結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差分布圖

2.3 量化模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證量化模型的有效性，對(duì)上述超短波電臺(tái)進(jìn)行實(shí)測(cè)。本文共選取100個(gè)測(cè)試頻點(diǎn)，測(cè)量數(shù)據(jù)包含與頻點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的峰值干擾電壓與靈敏度標(biāo)定值。圖4為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分布圖。

(a)

利用峰值干擾電壓計(jì)算干擾功率，并代入量化模型式(13)中。通過(guò)量化模型計(jì)算得到的減敏量與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的減敏量誤差，如圖5所示。

圖5 模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)誤差分布圖

從圖5可以看出，除去5個(gè)明顯誤差點(diǎn)，88%的測(cè)試頻點(diǎn)量化誤差在6 dB限值內(nèi)。綜上所述，所求量化模型可用于定量分析車載電臺(tái)的受干擾情況。

3 受擾車載電臺(tái)通信效能評(píng)估

面對(duì)車內(nèi)復(fù)雜電磁環(huán)境，車載通信設(shè)備的工作狀態(tài)、通信效能、功能需求等是車載通信設(shè)備通信效能評(píng)估[14]的重要內(nèi)容。

3.1 評(píng)估指標(biāo)

在現(xiàn)今作戰(zhàn)指揮中，車載通信設(shè)備在達(dá)到最大通信距離的同時(shí)，還承擔(dān)著語(yǔ)音通話以及信息收發(fā)等任務(wù)[15]。針對(duì)車載通信設(shè)備所承擔(dān)的任務(wù)類型以及所具備的必要要求，進(jìn)行受擾車載電臺(tái)通信效能評(píng)估時(shí)，需選取可表征上述條件的3個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)[16]，包括語(yǔ)音清晰度指數(shù)、誤碼率和最大通信距離。

3.1.1 語(yǔ)音清晰度指數(shù)

清晰度指數(shù)(Articulation Index，AI)是用來(lái)評(píng)價(jià)語(yǔ)音清晰程度的一種參數(shù)[17]。通信過(guò)程中，語(yǔ)言的清晰程度是評(píng)定通話質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，因此選用語(yǔ)音清晰度指數(shù)作為反映語(yǔ)音通話質(zhì)量的性能指標(biāo)。語(yǔ)音清晰度指數(shù)計(jì)算模型為

A(r)=

(14)

式中，r為接收機(jī)信噪比，單位為dB。

3.1.2 誤碼率

誤碼率(Symbol Error Rate，SER)是通信系統(tǒng)中最常用的指標(biāo)，本文通過(guò)誤碼率來(lái)評(píng)價(jià)通信過(guò)程中信息收發(fā)的質(zhì)量。誤碼率在通信系統(tǒng)中被定義為錯(cuò)誤碼元數(shù)與傳輸總碼元數(shù)之比，是衡量信息傳輸質(zhì)量的重要指標(biāo)。針對(duì)目前通信系統(tǒng)中典型的調(diào)制方式，可通過(guò)現(xiàn)有固定表達(dá)式進(jìn)行誤碼率計(jì)算。調(diào)制方式為2FSK情況下的誤碼率計(jì)算式為

(15)

式中，r為接收機(jī)信噪比，單位為dB。

3.1.3 最大通信距離

最大通信距離常被用于評(píng)估無(wú)線通信設(shè)備受干擾程度。自由空間傳播的通信距離計(jì)算式為

L=32.44+20lgD+20lgf

(16)

式中，L為傳播損耗，單位為dB；D為通信距離，單位為km；f為通信頻率，單位為MHz。

3.2 評(píng)估方法

本文選用層次分析法[18]來(lái)評(píng)估受擾車載電臺(tái)的通信效能。利用前文選取的3個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)來(lái)建立評(píng)估體系，然后通過(guò)計(jì)算確定各層次指標(biāo)的權(quán)重值。所建評(píng)估模型如圖6所示。

圖6 受擾車載電臺(tái)通信效能評(píng)估指標(biāo)體系

通信效能為

Y=0.429×(1×A+1×B)+0.143×(1×C)

(17)

式中，A為語(yǔ)音清晰度指數(shù)的歸一化計(jì)算值；B為數(shù)據(jù)通信誤碼率的歸一化計(jì)算值；C為最大通信距離的歸一化計(jì)算值。

通過(guò)計(jì)算，可將受擾車載電臺(tái)通信效能的評(píng)估等級(jí)分為優(yōu)秀、良好、合格與不合格4個(gè)等級(jí)，具體劃分詳見表1。

表1 通信效能評(píng)估等級(jí)

3.3 實(shí)例分析

選用試驗(yàn)測(cè)試中的超短波電臺(tái)，該超短波電臺(tái)工作在定頻或跳頻模式下，接收機(jī)輸出最大信噪比為12 dB，輸入最大射頻信號(hào)功率不大于-113 dBm，在中等起伏地形下，其最大通信距離為25 km。通過(guò)實(shí)測(cè)天線端口干擾電壓的幅值，利用章節(jié)2所得的量化模型可計(jì)算出接收機(jī)的減敏量，進(jìn)而得出該電臺(tái)各性能指標(biāo)的下降情況。表2為受擾通信設(shè)備性能指標(biāo)值。

表2 受擾通信設(shè)備性能指標(biāo)值

對(duì)表2中評(píng)估指標(biāo)的指標(biāo)值進(jìn)行歸一化，利用上述受擾車載電臺(tái)通信效能評(píng)估指標(biāo)體系對(duì)該受擾車載電臺(tái)進(jìn)行評(píng)估。表3為受擾通信設(shè)備評(píng)估結(jié)果。

表3 受擾通信設(shè)備評(píng)估結(jié)果

在3個(gè)干擾電壓中，干擾電壓1的幅值最小，理論上電臺(tái)受擾程度最低；干擾電壓3的幅值最大，其電臺(tái)受擾程度最大。通過(guò)評(píng)估計(jì)算可知，電臺(tái)受干擾電壓1的影響最小，其通信效能評(píng)估值最大，通信效能優(yōu)秀；電臺(tái)受干擾電壓3的影響最大，其通信效能評(píng)估值最小，通信效能合格。上述分析結(jié)果證明了所建評(píng)估模型的有效性與可行性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)接收機(jī)非線性效應(yīng)以及減敏現(xiàn)象的分析，基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立了一個(gè)可直觀表示接收機(jī)減敏量與天線端口干擾電壓關(guān)系的量化模型。所建模型量化結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)誤差分析表明，超過(guò)85%的測(cè)試頻點(diǎn)的誤差量保持在6 dB限值內(nèi)，模型具有較高精度，可用于定量分析車載電臺(tái)在車內(nèi)復(fù)雜電磁環(huán)境中的受干擾情況?；谒⒘炕Ｐ停疚膹膶?shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，采用層次分析法提出了一種可表征受擾車載電臺(tái)通信效能的評(píng)估方法，通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了該評(píng)估方法的有效性和可行性，評(píng)估結(jié)果可直觀反映受擾車載電臺(tái)的受干擾程度。