無線電同址干擾定量分析方法研究

趙 波 全厚德 崔佩璋

（軍械工程學院光學與電子工程系，河北 石家莊 050003）

1.引 言

隨著電磁環境的日益復雜，車載、艦載、機載通信系統一般同時裝配多部短波、超短波跳頻電臺，當這些電臺同時在一狹小區域內工作時，由于天線間距很近，發射機和鄰近接收機的收發電平相差很大（可超過100dB），會產生嚴重的同址干擾，導致接收機阻塞或減敏［1］。同址干擾的定量分析是復雜通信系統工作的重要組成部分，它一方面為現有通信系統跳頻組網性能的評估，以及跳頻電臺工作參數的合理分配提供了理論依據，另一方面也為將來通信系統的設計和電臺的配置提供了有力的指導。

同址干擾的定量分析極為復雜，涉及到天線耦合度計算、傳輸損耗估計、電臺射頻前端分析等許多知識［2－4］，更重要的是需要大量的實驗數據進行驗證。鑒于此，國內對這一問題的研究尚屬空白。現有的文獻僅僅是從電磁兼容、天線間耦合度預測、天線布局優化等方面進行分析［4－7］。相對而言，國外對同址干擾的研究起步較早，在20世紀70年代ITT研究院的電磁兼容中心就發布了共址分析模型（Cosite Analysis Model），同時期的還有亞特蘭大綜合電子研究公司開發的艦船電磁兼容分析（SEMCA）和Litton公司開發的干擾預測模型（IPM）等軟件，以及 UNIsite公司最新開發的 UNIstar［8－9］，同時，國外通過大量實驗，分別從電磁兼容、同址干擾抑制和消除、復雜天線平臺建模、天線位置優化等方面進行了研究［9－11］，但是，這些研究都僅限于同址干擾的某一方面，沒有綜合考慮各方面的因素，建立比較完整、系統的同址干擾分析模型。

以車載通信系統為對象，按照理論為主，實驗為輔的方式，構建了同址干擾分析模型。首先在同址干擾平臺上，通過大量實驗和仿真得到了功率耦合度指標，接著，對接收機性能，特別是針對同址干擾的濾波、抑制性能進行了分析，最后，對電臺常用的調制、編碼、交織模式進行了深入研究，綜合以上所有因素構建了無線電同址干擾的定量分析模型。同時，為了驗證模型的準確性，以誤碼率為目標，通過功率衰減、合成、監測等器件，建立了同址干擾下的有線平臺進行驗證。結果表明：模型的建立為深入分析誤碼率、干擾功率、信號功率、工作頻率等參數之間的關系奠定了基礎。

2.同址干擾問題分析

2.1 同址干擾平臺

在車載通信系統中，同址工作的無線電臺有圖1中的兩種情形。在圖1（a）中，兩部無線電臺在同一輛戰術電臺車上，天線之間的間距固定，一部作為同址接收機與遠端的發射機正常通信，一部作為同址的干擾發射機。在圖1（b）中，兩部共址無線電臺在間距為dx的兩輛戰術電臺車上，天線間距dx可變。

如圖1所示，同址工作的無線電臺距離很近，發射機會對鄰近的接收機產生較強的干擾信號，從而導致接收機工作性能下降。數據傳輸作為電臺最為重要的功能，同址干擾對數據傳輸的影響是我們十分關心的問題。為了定量分析同址干擾的影響，必須深入分析同址電臺的工作頻率、發射功率、接收機性能等多方面的因素，建立合理的同址干擾模型。

2.2 耦合度

耦合度是判斷天線間干擾程度和電臺間射頻傳輸損耗的重要參數，同址發射機耦合到同址接收機中的干擾功率大小，是分析誤碼率的重要指標。針對圖1中的兩種工作平臺，已經在前面的文章中進行了分析和研究［12］，其中，圖1（a）中的情形可以采用耦合實驗的方式得到近場區（菲涅耳區域）的天線耦合度，圖1（b）的情形則采用自由空間傳播方式計算功率耦合度。表1是圖1（a）中，針對兩種不同天線，在不同工作頻點下的耦合度統計均值。

表1 近場區耦合度統計

假設同址干擾臺發射功率為Psend，正常通信電臺在接收機處的信號大小為Prec，功率耦合度為C，可以得到干擾電臺在接收機端的干擾功率為

在得到耦合度指標，并且已知同址電臺工作參數時，Pinterference、Prec，以及同址工作電臺之間的頻率間隔Δf都可以得到，這時，分析的重點就是電臺的接收性能對同址干擾的抑制大小。

2.3 接收機性能

在同址干擾情況下，輸入同址接收機的不僅有正常的通信信號Prec，還有干擾功率Pinterference，以及環境的熱噪聲PNoise，為了定量計算同址干擾下的誤碼率，必須深入分析接收端的各個組成部分。圖2是超外差式接收機模型，主要由放大器、濾波器、混頻器組成。

圖2 射頻前端模型

圖2中標出的各個數值分別是接收機射頻前端組成部分的損耗、增益、噪聲等，這些參數用以計算接收信號的增益以及等效噪聲。圖2中的中頻濾波器和DSP（數字信號處理）濾波是抑制干擾的主要器件，通過計算干擾信號濾波后的功率，就可以得到進入最后解調模塊的干擾功率大小，從而為計算信噪比和誤碼率奠定基礎，這里特別需要考慮的是非線性器件的工作特性［3］。

同址工作電臺之間的頻率間隔Δf，決定了濾波器對干擾的抑制大小。對于濾波器性能的估計，通常有兩種方法，一是根據技術說明書中給出的一些頻點的衰減量，通過插值的方式擬合濾波器的性能曲線［6］，二是通過實驗，對濾波性能進行估計。

3.同址干擾模型和實驗平臺

3.1 模型的建立

通過前面的分析，可以知道，數據誤碼率（BER）主要與Pinterference、Prec、Δf和接收機濾波性能等因素有關。其中，在正常通信狀態下，Prec可以近似看作一個固定值，這時，可以用Δp，即干擾功率與通信信號功率之差代替Pinterference和Prec.此外，電臺的調制、編碼、糾錯方式同樣會對最終的誤碼率產生影響，這些都是必須綜合考慮的問題。在大量實驗和理論分析的基礎上，構建了同址干擾的誤碼率分析模型［12］，如圖3所示。

圖3 同址干擾定量分析模型

在圖3中，天線參數主要包括天線類型、同址電臺天線距離、近場和遠場區的劃分等，同址電臺工作參數主要是發射機功率、電臺工作頻率等，通過這些參數就可以確定在同址接收機端的Pinterference、Prec、Δf，結合接收機的性能，就可以計算進入DSP解調模塊的信號、干擾功率大小，這時就可以將干擾功率等效為噪聲，計算信噪比。

這里需要特別指出的是：在理論分析時，干擾信號在通過射頻前端和DSP內部濾波時，要以信號頻譜的方式進行拓展分析，詳細計算干擾信號頻譜經過濾波器衰減后的波形，最后對衰減后的干擾信號頻譜的功率進行積分計算，從而得到真正進入解調模塊的等效噪聲。為了增加計算的準確度，干擾信號頻譜可以通過頻譜分析儀傳輸給計算機得到。

3.2 誤碼率分析模塊

誤碼率分析模塊是包含各種電臺常用的調制方式、交織模式、編碼方式的函數庫，依據得到的信噪比，計算最終的誤碼率指標。這里以某軟件無線電臺為例，深入分析系統的流程。實驗對象的組成如圖4所示，它采用8PSK的內調制方式，以及RS編碼和分組交織模式。

圖4 系統組成

通過同址干擾分析模型，已經得到了輸入DSP內解調部分的信噪比，下面主要對DSP內部的解調、交織、糾錯性能進行研究，分析各個組成部分對誤碼率的影響。

對于RS［n，k］編碼，能糾正的錯誤符號個數為t＝?（n－k）／2」，RS編碼系統的符號誤碼率［13］為

式中，ps表示調制信道的誤碼率。當使用交織深度為q的（p，q）分組交織器時，則結果變為RS［qn，qk］碼，可以糾正多達qt個符號的突發差錯，則經過RS編碼和字符交織之后的符號誤碼率為

對于MPSK解調，誤碼率的計算公式為［14］

當M比較大時，MPSK的誤碼率公式可以近似寫為［14］

式中，r為信噪比。對于有些通信信道和調制方式而言，知道的不是誤碼率ps，而是比特差錯率pb.在純隨機差錯的假設條件下，可有［13］

式中，m是每個符號的比特數。

對于任意的實驗對象，都存在類似的公式（1）～（6），可以用來計算同址干擾下的誤碼率，從而構建完整的同址干擾定量分析模型，通過選取不同的Δp、Δf等指標，深入分析同址干擾各參數之間的相互影響。

3.3 同址干擾實驗平臺

為了對同址干擾模型的準確性進行評估，構建了同址干擾的有線實驗平臺，對同址干擾下的誤碼率指標進行測試，分析誤碼率與同址電臺工作頻率間隔、功率大小之間的相互關系，為理論研究提供支持、驗證，實驗平臺如圖5所示。

采用有線連接方式的一大優點就是所有指標都是可控、可調節的，特別是電臺的功率參數。圖5中的功率合成器可同時輸入多路信號，這里暫時以兩路信號合成為例，分析一路干擾下誤碼率指標變化，以后可逐步增加。為了防止功率泄露影響測試結果，將一部電臺作為同址接收機置于電磁屏蔽室內，其他兩部電臺置于屏蔽室外，分別作為通信電臺和同址干擾電臺。

圖5 同址干擾下的誤碼率測試平臺

誤碼率測試的基本流程為：計算機產生測試數據送入電臺，通信電臺和同址干擾機兩路信號都先經過100W、40dB的固定衰減器，以及小功率固定衰減器，目的是將電臺功率調整到接收機合適的接收區間，數控衰減器的作用則是通過計算機控制定量調節功率，耦合器的作用是通過頻譜儀監測功率調節的結果，最后，解調的數據送入計算機，計算干擾下的誤碼率。

3.4 測試過程

以任意一種電臺為實驗對象，在圖5所示環境下，通過改變信號、干擾的間隔頻率，以及功率大小，分析同址干擾對數據誤碼率的影響，實驗過程如下：

1）通過調整、固定數控衰減器，使正常通信信號Prec大小固定，假設通信電臺和接收機的工作頻點為f0，則同址干擾機的工作頻點應在f－N，…，f－1和f1，…，fN范圍變化。

2）選定同址干擾機的工作頻點fn，設定發射功率Pinterference，通過計算機控制通信電臺和同址干擾機同時發射信號，通過一定時間的數據接收后，計算誤碼率。

3）調節數控衰減器，以1dBm為單位增加或者減少2）中的同址干擾機功率，重復測試，記錄誤碼率數值，通過反復測試，找出誤碼率從0到0.5的變化范圍。

4）改變同址干擾機工作頻點fn，重復2）～3）的測試，詳細記錄不同頻點處的誤碼率變化。

正常發射電臺與同址接收機之間的通信，由于受到不同功率，不同頻率間隔下的同址干擾機影響，使得接收機的誤碼率不斷變化，可以看作

式中：Δf為同址干擾機與接收機的頻率間隔；Δp為干擾功率Pinterference與通信功率Prec之差。

4.理論分析和實驗結果比較

以圖4中的軟件無線電臺為例，按照同址干擾的定量分析模型，對同址干擾下的重要指標進行研究，并結合圖5中的有線測試平臺進行實驗驗證，深入分析BER、Δf、Δp這幾個重要參數之間的相互關系。

實驗過程中可以任意選取電臺工作頻點f0，并逐一對其兩側頻點進行干擾實驗。通過改變Δf、Δp的數值，分析各參數之間的相互關系。圖6是Δf一定時，BER與Δp的關系曲線。

從圖6可以看出：理論和實驗結果基本一致，理論分析結果的誤碼率會大于0.5，這與電臺的調制解調方式有關，對于公式（3），誤碼率最大可以達到1，有的理論公式最大為0.5。對于測試電臺，在實驗過程中，當誤碼率超過0.5后會堵塞接收機前端，通信中斷，所以實際測試誤碼率最大為0.5。在圖6中，當Δf為3、5、8kHz時，BER與Δp之間都存在類似曲線，基本上當Δp變化5～10dB時，BER從0上升到0.5.對應Δf為3、5、8kHz，BER達到0.5的Δp分別約為27，43，63dB.假設短波電臺頻率間隔為0.1kHz，則說明當Δp為63dB時，為了避免同址干擾影響，同址發射機和接收機必須間隔80個頻點以上才能正常工作。

圖7是Δp一定時，BER與Δf之間的關系曲線，理論和實驗結果基本一致。從圖7可以看出：對于Δp為45dB，只有Δf大于7kHz，即70個工作頻點時，才能基本消除同址電臺之間的相互影響，當Δp為25dB時，要求Δf約為4.6kHz.

圖7 BER與Δf的關系曲線

圖8是BER一定時，Δp與Δf之間的關系曲線。從圖8可以看出：當BER一定時，隨著Δf的增加，Δp也逐漸增加。圖8給出了BER為0和0.5的關系曲線，當同址電臺的工作參數位于它們之間時，BER也介于二者之間。為了避免同址干擾的影響，當Δf固定時，Δp的數值應控制在BER為0的曲線下方。

圖8 Δp與Δf的關系曲線

總之，在同址干擾環境中，同址發射機和接收機之間的工作頻率間隔、天線之間的耦合功率大小、接收機性能等因素都會對接收機的誤碼率產生影響，必須綜合考慮模型中各方面的因素，才能實現電臺參數的合理配置，最大限度地發揮通信性能。

5.結 論

通過大量理論分析、研究，建立了以誤碼率為目標的同址干擾定量分析模型，通過實驗平臺進行了驗證。該模型可以應用于車載、艦載、機載通信系統的同址干擾分析，并對參數配置、系統設計提供指導。由于跳頻電臺的瞬時頻點難以實時把握，文中的模型和實驗平臺建立在定頻模式基礎上，下一步擬通過將分析結果與跳頻序列、組網形式相結合，進一步對跳頻通信、組網性能進行評估和預測。

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