一種電磁環境量化分析方法

王月清 王 健 王 凡 張秀強,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.電子信息系統復雜電磁環境效應國家重點實驗室，河南 洛陽 471003；4.北京航空航天大學電子信息工程學院，北京 100083)

引 言

隨著國民經濟的迅猛發展和信息化建設的快速推進，無線通信技術的發展日新月異，用頻系統數以億計.用頻系統的激增和電磁頻譜資源的泛用造成電磁環境空前復雜，電磁威脅日趨嚴重，如何客觀量化評估電磁環境復雜程度和分析其對用頻系統的影響成為當前電磁兼容和電磁頻譜管理領域內亟待解決的基礎理論問題.

復雜電磁環境特征主要表現在：1)輻射源數量多、密度高：電子信息裝備體制復雜、數量大、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域，構成了交叉重疊的電磁環境.隨著電子設備的發展和廣泛應用，電磁環境密度正變得越來越高.如雷達信號，20世紀70年代密度是每秒4萬個脈沖，20世紀80年代是每秒100萬個脈沖，20世紀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)輻射信號形式復雜、技術體制新：目前雷達、通信裝備廣泛采用了各種復雜的信號調制樣式，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、脈內調頻調相、相位編碼、連續波以及多種復合調制等等.同時各種新技術體制的裝備，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，跳擴頻通信設備等得到了廣泛的應用.3)電磁頻譜范圍廣：電磁頻譜已經成為一種重要的戰略資源.用頻設備所利用的頻譜幾乎占據了整個電磁頻譜，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標準和指南性文件，為電磁環境特性分析和電磁環境效應研究提供了基礎[1-3].國內不少學者對電磁環境復雜度評估技術進行了研究，普遍將電磁環境能量大小[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境復雜程度的指標.但針對不同性能的接收設備，環境中信號的極化方式、調制方式對其所處電磁環境的復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境復雜度的映射關系及其如何利用其進行電磁環境定量分析還鮮有研究.因此，本文在復雜電磁環境因子定義及內涵詮釋的基礎上，給出電磁環境復雜程度量化評估的一種方法，目的在于深化對復雜電磁環境的認識，為深入復雜電磁環境的量化研究提供了理論借鑒.

1 描述方法

復雜電磁環境是指對用頻設備運用和行動產生一定影響的電磁環境，該環境可通過時域、頻域、空域、能域、極化域、調制域表征.在此，將復雜電磁環境因子定義如下

(1)

有用信號接收因子可表示如下

(2)

綜上，對處于電磁環境E中接收機接收到的環境復雜度因子可表示為

(3)

(4)

(5)

2 數據仿真

電磁環境中能量的高低、天線性能的優劣對環境復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制因子：通過定量分析不同極化方式、調制方式的信號間彼此的相關度，確定了極化因子、調制因子的量化數值，有針對性地開展了典型極化方式、調制方式的信號相關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)

將環境信號和接收天線的極化方式統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系.

圖1 典型情況下的極化因子

接收天線環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) 當接收天線與環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) 當接收天線與環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) 當收發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) 當收發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) 當接收天線與環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 調制因子量化與仿真

對于同一有用信號，環境信號不同調制方式通常可帶來不同的干擾效果.在此，以有用信號和環境信號等幅情況作為標稱值，不同調制方式的環境信號在接收端會產生不同信干比[12]，以數字信號為例，進而產生不同的誤碼特性，其中MASK、MFSK和MFSK的誤碼率可分別表示為[13]

(8)

(9)

(10)

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

m=log2M；

(11)

(12)

在此，直接將調制因子定義在不同環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的.在此，令有用信號和環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的隨機碼.為不失一般性，取1 000個分析樣本，計算其平均結果.

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

從表2可以看出：

1) 調制方式相同的環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，因而相互間容易產生干擾，互相影響；

表2 典型調制因子表

2) MASK型環境信號對MFSK型有用信號的影響大于MFSK型環境信號對MASK型有用信號的影響.這是因為MFSK信號為恒包絡信號，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型環境信號對MPSK型有用信號的影響要大于MPSK型環境信號對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型環境信號對MASK型有用信號的影響要大于MASK型環境信號對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) 隨著環境信號進制的增加，MASK信號對有用信號的影響呈單調下降趨勢，MFSK對有用信號的影響呈單調上升趨勢，MPSK信號對MASK型有用信號的影響為非單調變化，對MFSK型有用信號的影響呈單調上升趨勢，對MPSK型有用信號的影響總體呈下降趨勢，且在進制較大時，趨勢不明顯；

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

圖2給出碼速率與調制因子的關系圖.在仿真計算中各參數設定為：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，調制因子基本不變；隨著碼速率的持續增大，調制因子變化量增大；

2) 如圖2(b)所示，隨著碼速率的增加，MFSK信號與2ASK信號的調制因子基本保持不變；當碼元采樣點小于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信號的調制因子基本保持不變，當超過此碼速率后，調制因子開始增大；當碼元采樣點小于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信號的調制因子基本保持不變，當超過此碼速率后，調制因子總體變化趨勢增大，當碼速率超過12 000 B時，8PFK信號與2FSK信號的調制因子減小；當碼元采樣點數小于20(碼速率超過2 000 B)時， MFSK信號與4ASK、8ASK信號的調制因子明顯增大；

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

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果比較

3 結 論

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

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

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