基于RSSI的無(wú)線數(shù)傳電磁干擾分析與處理

摘要：電臺(tái)是目前測(cè)控設(shè)備站間通信常用的關(guān)鍵單機(jī)設(shè)備，其復(fù)雜電磁環(huán)境下的抗干擾性能直接影響數(shù)據(jù)通信質(zhì)量。某型測(cè)控設(shè)備包含語(yǔ)音電臺(tái)和數(shù)傳電臺(tái)2種類型，在極限通信距離的數(shù)據(jù)傳輸性能檢測(cè)時(shí)，設(shè)備語(yǔ)音電臺(tái)和數(shù)傳電臺(tái)出現(xiàn)電磁干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)通信異常。為解決這一問(wèn)題，文章提出基于RSSI的電磁干擾分析與處理方法，通過(guò)綜合分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，找出了問(wèn)題原因并提出解決方案，有效解決了該型測(cè)控設(shè)備的電磁干擾問(wèn)題。同時(shí)，文章提出的方法也可為同類測(cè)控設(shè)備的電磁兼容性及復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：RSSI；電磁干擾；誤碼率；誤碼率變化率

中圖分類號(hào)：TP802" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：張珅（1993— ），男，助理工程師，碩士研究生；研究方向：裝備試驗(yàn)鑒定。

*通信作者：金光（1973— ），男，研究員，博士；研究方向：壽命預(yù)測(cè)與健康管理，系統(tǒng)試驗(yàn)與評(píng)估，數(shù)據(jù)分析與建模。

0" 引言

某型測(cè)控設(shè)備是武器試驗(yàn)鑒定的常用測(cè)控設(shè)備，主要用于測(cè)量武器系統(tǒng)發(fā)射零時(shí)，并為其他測(cè)控設(shè)備提供啟動(dòng)信號(hào)和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信息。該設(shè)備使用中，須要主、分站間進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)通信主要采用有線電纜通信、無(wú)線通信及IP網(wǎng)絡(luò)3種方式。無(wú)線通信方式主要采用VHF頻段數(shù)傳電臺(tái)完成無(wú)線數(shù)傳［1］。另外，配有語(yǔ)音電臺(tái)，用于主、分站間話路通信。該型測(cè)控設(shè)備驗(yàn)收期間，在進(jìn)行站間20 km極限通信距離的數(shù)據(jù)傳輸性能檢測(cè)時(shí)，語(yǔ)音電臺(tái)對(duì)數(shù)傳電臺(tái)產(chǎn)生電磁干擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)通信異常。為解決這一問(wèn)題，本文提出基于RSSI測(cè)量的電磁干擾分析與處理方法，并以測(cè)試結(jié)果為依據(jù)，對(duì)該型測(cè)控設(shè)備的設(shè)計(jì)和使用方法進(jìn)行了改進(jìn)，進(jìn)而解決設(shè)備電磁干擾問(wèn)題。

1" 干擾

1.1" 干擾現(xiàn)象

某型測(cè)控設(shè)備工作原理如圖1所示。測(cè)控設(shè)備包含主站和分站，且主站和分站均包含數(shù)傳和語(yǔ)音2部電臺(tái)，數(shù)傳電臺(tái)之間和語(yǔ)音電臺(tái)之間均用天線進(jìn)行交互，其中天線1和天線3建立通信，天線2和天線4建立通信。在測(cè)控設(shè)備主站與分站間距20 km的極限通信距離時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸性能進(jìn)行檢測(cè)，語(yǔ)音電臺(tái)和數(shù)傳電臺(tái)發(fā)生互擾，導(dǎo)致數(shù)據(jù)通信異常，干擾可能發(fā)生在天線1和天線2之間或者天線3和天線4之間。

1.2" 干擾分析

1.2.1" 干擾機(jī)理分析

根據(jù)電磁干擾效應(yīng)作用機(jī)理，形成電磁干擾的因素有3個(gè)，即電磁干擾源、耦合途徑、敏感裝置。電磁干擾源包括自然干擾源和人為干擾源。自然干擾源主要來(lái)源于大氣層的天電噪聲、地球外層空間的宇宙噪聲。另外，從電磁干擾屬性來(lái)分，電磁干擾源可以分為功能型干擾源和非功能性干擾源［2］。

1.2.2" 干擾源分析

根據(jù)故障現(xiàn)象，分站語(yǔ)音電臺(tái)不工作或處于接收狀態(tài)時(shí)，數(shù)傳不受干擾。分站語(yǔ)音電臺(tái)處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)，數(shù)傳受到嚴(yán)重干擾。據(jù)此判斷干擾源為分站語(yǔ)音電臺(tái)，即圖1中的天線4可能為干擾源。

進(jìn)一步分析，語(yǔ)音電臺(tái)與數(shù)傳電臺(tái)均為射頻設(shè)備，且在設(shè)備內(nèi)部供電系統(tǒng)中存在交聯(lián)情況，因此，電磁干擾耦合途徑存在線纜傳導(dǎo)耦合和天線輻射耦合2種方式。首先，將分站語(yǔ)音電臺(tái)天線斷開(kāi)，在天線射頻端口處連接吸收負(fù)載，在此狀態(tài)下當(dāng)語(yǔ)音電臺(tái)發(fā)射時(shí)，數(shù)傳電臺(tái)未受到干擾；其次，將分站數(shù)傳電臺(tái)天線斷開(kāi)，在天線射頻端口處連接吸收負(fù)載，語(yǔ)音電臺(tái)正常連接，在此狀態(tài)下當(dāng)語(yǔ)音電臺(tái)發(fā)射時(shí)，數(shù)傳電臺(tái)也未受到干擾。

由以上現(xiàn)象可以證明，電磁干擾以天線輻射耦合方式通過(guò)圖1中分站數(shù)傳電臺(tái)天線3進(jìn)入數(shù)傳電臺(tái)主機(jī)，經(jīng)解調(diào)后輸出噪聲信號(hào)，影響數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，由此確定天線4為干擾源。

1.2.3" 干擾類型分析

語(yǔ)音電臺(tái)工作頻率為400～470 MHz，數(shù)傳電臺(tái)工作頻率為220～235 MHz。由于工作頻率不同，且通過(guò)空間輻射耦合，初步判斷干擾類型可能為鄰頻干擾、雜散干擾或阻塞干擾［2-3］。

為進(jìn)一步確認(rèn)，本文對(duì)語(yǔ)音電臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。參照GJB 151B—2013中CE106項(xiàng)目測(cè)試了測(cè)控設(shè)備分站語(yǔ)音電臺(tái)天線端口傳導(dǎo)發(fā)射水平。根據(jù)CE106項(xiàng)目的要求和方法，語(yǔ)音電臺(tái)在20 km極限工作距離，選用25 W發(fā)射功率，折算為電壓151 dBμV，除二、三次諧波外，所有諧波發(fā)射、亂真發(fā)射應(yīng)抑制到71 dBμV，二、三次諧波應(yīng)抑制到91 dBμV［4］。該型語(yǔ)音電臺(tái)工作頻段內(nèi)的天線端口亂真發(fā)射抑制度測(cè)試結(jié)果如表1所示。

由測(cè)試結(jié)果可知，該型語(yǔ)音電臺(tái)除工作頻帶邊緣頻率外，對(duì)諧波抑制情況良好，諧波對(duì)數(shù)傳電臺(tái)造成的雜散干擾影響較小?？紤]到數(shù)傳電臺(tái)所受干擾只在20 km極限傳輸距離時(shí)明顯，且其他中、近距離傳輸未發(fā)現(xiàn)受到語(yǔ)音電臺(tái)干擾情況，因此數(shù)傳電臺(tái)所受干擾可能為幾種干擾類型疊加的綜合干擾，影響數(shù)傳電臺(tái)接收機(jī)對(duì)有用微弱信號(hào)的檢測(cè)和放大能力。因此，須要尋求一種綜合的檢測(cè)分析方法，來(lái)量化數(shù)傳電臺(tái)受電磁干擾情況，并作為解決干擾問(wèn)題的措施依據(jù)。

2" 誤碼率評(píng)定準(zhǔn)則及接收信號(hào)強(qiáng)度指示

2.1" 誤碼率及誤碼率變化率

誤碼率和誤碼率變化率是常見(jiàn)的通信質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)［4］。以誤碼率作為評(píng)價(jià)數(shù)字通信質(zhì)量的評(píng)判指標(biāo)，可以對(duì)通信系統(tǒng)受到的干擾程度進(jìn)行準(zhǔn)確的量化分級(jí)，GJB 6741—2009給出了誤碼率評(píng)定準(zhǔn)則的干擾等級(jí)劃分，可分為信息損傷級(jí)和工作破壞級(jí)，其中信息損傷級(jí)又按照誤碼率大小劃分為5級(jí)，ΔPe為干擾前后的誤碼率變化率（詳見(jiàn)表2）。依據(jù)干擾效果描述和誤碼率對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懗潭?，本文擬選擇5％作為數(shù)字通信干擾敏感度判斷指標(biāo)［5］。

按式（1）計(jì)算干擾前后的誤碼率變化率ΔPe：

ΔPe=1n∑ni=1（Pei-Pe0i）（1）

式中：

ΔPe為誤碼率變化率；

Pe0i為第i次測(cè)試時(shí)，未受干擾的誤碼率；

Pei為第i次測(cè)試時(shí)，受干擾的誤碼率；

i為測(cè)試序號(hào)（i=1、2、……、n）；

n為測(cè)試次數(shù)。

2.2" 接收信號(hào)強(qiáng)度指示

接收信號(hào)強(qiáng)度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）用于度量接收到的無(wú)線電信號(hào)功率，通常是在零-中頻系統(tǒng)中基帶放大器之前的基帶信號(hào)鏈中算出的。RSSI輸出通常是直流模擬電平，可以通過(guò)內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣并獲取數(shù)據(jù)［6-7］。借助接收信號(hào)強(qiáng)度指示，本文可以測(cè)量出圖1天線3和天線4不同的天線距離下數(shù)傳電臺(tái)的信號(hào)接收強(qiáng)度。

3" 誤碼率測(cè)試過(guò)程及結(jié)果

3.1" 故障復(fù)現(xiàn)與驗(yàn)證

為對(duì)上文干擾源判定結(jié)果準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，本文進(jìn)行以下干擾現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)與驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)中用串口數(shù)據(jù)測(cè)試軟件SSCOM測(cè)試誤碼率［8］。

驗(yàn)證試驗(yàn)一：在語(yǔ)音電臺(tái)不工作的情況下，主站數(shù)傳電臺(tái)與分站數(shù)傳電臺(tái)相互傳輸，按30 ms發(fā)送100字節(jié)的頻率分別發(fā)送11萬(wàn)字節(jié)，查看接收端錯(cuò)誤字節(jié)，如此重復(fù)連續(xù)測(cè)試5次，主、分站均無(wú)錯(cuò)誤字節(jié)，無(wú)誤碼。

驗(yàn)證試驗(yàn)二：主站數(shù)傳電臺(tái)發(fā)送，分站數(shù)傳電臺(tái)接收，測(cè)試誤碼率。用主站語(yǔ)音電臺(tái)發(fā)話對(duì)講，分站語(yǔ)音電臺(tái)收聽(tīng)，按照試驗(yàn)一方法重復(fù)連續(xù)測(cè)試5次，無(wú)錯(cuò)誤字節(jié)出現(xiàn)；隨后用分站語(yǔ)音電臺(tái)發(fā)話對(duì)講，主站語(yǔ)音電臺(tái)收聽(tīng)，按照試驗(yàn)一方法重復(fù)連續(xù)測(cè)試5次，分站數(shù)傳電臺(tái)接收數(shù)據(jù)每次都有錯(cuò)誤字節(jié)。

驗(yàn)證試驗(yàn)三：分站數(shù)傳電臺(tái)發(fā)送，主站數(shù)傳電臺(tái)接收，測(cè)試誤碼率。用主站語(yǔ)音電臺(tái)發(fā)話對(duì)講，分站語(yǔ)音電臺(tái)收聽(tīng)，按照試驗(yàn)一方法重復(fù)測(cè)試5次，無(wú)錯(cuò)誤字節(jié)出現(xiàn)；隨后用分站語(yǔ)音電臺(tái)發(fā)話對(duì)講，主站語(yǔ)音電臺(tái)收聽(tīng)，按照試驗(yàn)一方法重復(fù)連續(xù)測(cè)試5次，同樣無(wú)錯(cuò)誤字節(jié)出現(xiàn)。

驗(yàn)證試驗(yàn)四：在試驗(yàn)三的基礎(chǔ)上，對(duì)圖1分站語(yǔ)音電臺(tái)和數(shù)傳電臺(tái)天線3、天線4進(jìn)行拉距試驗(yàn)，從設(shè)計(jì)安裝距離150 cm開(kāi)始，逐步拉大間隔距離，當(dāng)間隔距離增大至4.2 m時(shí)，電磁干擾消失，數(shù)傳電臺(tái)接收數(shù)據(jù)正常。

以上試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了分站數(shù)傳電臺(tái)干擾源來(lái)自自身語(yǔ)音電臺(tái)的空間耦合，且干擾影響程度與語(yǔ)音和數(shù)傳2部電臺(tái)天線間隔距離有關(guān)。由驗(yàn)證試驗(yàn)二可見(jiàn)分站語(yǔ)音電臺(tái)天線為干擾源，上文干擾源分析結(jié)果正確。

3.2" 解決方案設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

根據(jù)該型測(cè)控設(shè)備日常工作特點(diǎn)和市場(chǎng)上天線增益規(guī)格現(xiàn)狀，主站電臺(tái)具有全向發(fā)送、接收需求，且主站數(shù)傳電臺(tái)未受到干擾，因此，解決方案中保持原有主站數(shù)傳電臺(tái)天線（圖1中天線1）增益5.5 dBi規(guī)格不變，主站語(yǔ)音電臺(tái)天線（圖1中天線2）、分站數(shù)傳電臺(tái)天線（圖1中天線3）和語(yǔ)音天線（圖1中天線4）均采用5.5 dBi和3.5 dBi增益的2種天線用于比對(duì)試驗(yàn)。最終，結(jié)合圖1，該測(cè)控設(shè)備主站和分站各電臺(tái)共有8種天線組合方式進(jìn)行通信，如表3所示，每種組合方式分別用A～H共8個(gè)英文字母表示［9-10］。

3.3" 測(cè)試結(jié)果

對(duì)3.2中每種組合均用串口數(shù)據(jù)測(cè)試軟件SSCOM測(cè)試誤碼率，測(cè)試結(jié)果中，隨著圖1天線3和天線4距離從100 cm增加到250 cm，各組合主站數(shù)傳電臺(tái)接收信號(hào)強(qiáng)度有如下變化：

A組合信號(hào)強(qiáng)度從-92 dB增加到-67 dB，誤碼率從10.26‰降低到0.0001‰；

B組合信號(hào)強(qiáng)度從-91 dB增加到-67 dB，誤碼率從8.75‰降低到0；

C組合信號(hào)強(qiáng)度從-90 dB增加到-66 dB，誤碼率從9.85‰降低到0；

D組合信號(hào)強(qiáng)度從-88 dB增加到-67 dB，誤碼率從8.72‰降低到0.0001‰；

E組合信號(hào)強(qiáng)度從-85 dB增加到-66 dB，誤碼率從8.04‰降低到0.0001‰；

F組合信號(hào)強(qiáng)度從-83 dB增加到-66 dB，誤碼率從6.14‰降低到0；

G組合信號(hào)強(qiáng)度從-81 dB增加到-65 dB，誤碼率從5.45‰降低到0；

H組合信號(hào)強(qiáng)度從-81 dB增加到-65 dB，誤碼率從1.16‰降低到0。

圖1中，選取天線3和天線4天線間距150 cm時(shí)，對(duì)各組誤碼率變化率ΔPe進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

由此可見(jiàn)，G、H組合誤碼率變化率滿足ΔPe≤5%評(píng)判準(zhǔn)則要求。

結(jié)合圖1，驗(yàn)證結(jié)果表明：采用降低天線2、天線3天線增益，對(duì)于消除電磁干擾影響更為明顯。理想條件是H組合，降低天線2、3、4的天線增益。

4" 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了基于RSSI的電磁干擾分析與處理方法，并引用GJB 6741-2009中誤碼率評(píng)定準(zhǔn)則，對(duì)某型測(cè)控設(shè)備無(wú)線數(shù)傳電磁干擾問(wèn)題做了詳細(xì)的干擾分析和整改驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果整改措施有效解決了干擾問(wèn)題，可以為同類設(shè)備的電磁干擾故障排查提供方法借鑒。

隨著試驗(yàn)鑒定中電磁環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)測(cè)控設(shè)備抗電磁干擾性提出了更高的要求，如何更加有效、便捷地開(kāi)展測(cè)控設(shè)備抗干擾以及復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性檢驗(yàn)，是需要深入研究的課題。特別是測(cè)控設(shè)備內(nèi)部存在多個(gè)射頻單機(jī)時(shí)，在進(jìn)行抗電磁干擾性能檢測(cè)時(shí)，建議增加GJB 151B—2013中CE106項(xiàng)目試驗(yàn)以及引用GJB 6741—2009中的干擾效果評(píng)定準(zhǔn)則，確保射頻類測(cè)控設(shè)備能夠滿足復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性使用要求。

參考文獻(xiàn)

［1］林瑞進(jìn)，湯燕燕，霍勇.電磁干擾及電磁兼容檢測(cè)［J］.科技資訊，2012（17）：129-130.

［2］蘇東林，蔡少雄.電磁博弈背景下加強(qiáng)電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)鑒定的若干思考［J］，國(guó)防科技，2023（3）：1-2.

［3］陳世鋼.GJB 151B—2013解析［J］.安全與電磁兼容，2014（2）：15-24，69.

［4］中國(guó)人民解放軍總裝備部.數(shù)字通信干擾效果評(píng)定準(zhǔn)則：GJB 6741—2009［S］.2009.

［5］韓凱.AC311A直升機(jī)VHF電臺(tái)電磁干擾故障分析與處理［J］.通訊世界，2020（4）：179-180.

［6］何勇，郭政鑫，桂林卿，等.基于RSSI序列特性的RFID多標(biāo)簽相對(duì)定位方法［J］.計(jì)算機(jī)科學(xué)，2023（10）：1-13.

［7］史文進(jìn).基于RSSI無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)室內(nèi)定位算法研究［D］.重慶：重慶理工大學(xué)，2018.

［8］孫立香.單片機(jī)與PC之間串口通信的軟件實(shí)現(xiàn)［J］.無(wú)線互聯(lián)科技，2013（8）：60.

［9］王一婷，米海波，欒家輝，等.一種航天用電子元器件板級(jí)電磁兼容性驗(yàn)證方法［J］.電子元器件與信息技術(shù)，2023（4）：26-31，40.

［10］郭玉冰，魏光輝，李偉，等.超短波數(shù)字電臺(tái)隨機(jī)噪聲干擾效應(yīng)模型研究［J］.軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2017（1）：48-52.

（編輯" 王雪芬）

Analysis and processing of electromagnetic interference in wireless data transmission based on RSSI

ZHANG" Shen1，2， JIN" Guang1*， DONG" Jiaxin2， DONG" Xingjia2

（1.School of Systems Engineering， National University of Defense Technology， Changsha 410005， China;

2.No.63861 Troop of the People’s Liberation Army of China， Baicheng 137000， China）

Abstract： Radio is a commonly used standalone equipment for communication between measurement and control equipment stations. Its anti-jamming performance in complex electromagnetic environments directly affects the quality of data communication. A certain type of measurement and control equipment includes two types of radios： voice radio and data radio. During the performance testing of data transmission at the extreme communication distance， electromagnetic interference occurs in the equipment’s voice radio and data radio， resulting in abnormal data communication. To solve this problem， an electromagnetic interference analysis and processing method based on RSSI is proposed. Through comprehensive analysis and experimental verification， the cause of the problem is identified， and a solution is proposed， effectively solving the electromagnetic interference problem of this type of measurement and control equipment. Meanwhile， the method proposed in the paper can also provide a reference for evaluating the electromagnetic compatibility and adaptability to complex electromagnetic environments of similar measurement and control equipment.

Key words： RSSI; electromagnetic interference; bit error rate; bit error rate change rate