復雜武器平臺通信設備靈敏度影響因素分析

黃井秀

（中國西南電子技術究所，四川成都，610036）

0 引言

近些年，在大量的性能考核飛行試驗過程中發現：經常出現“裝上飛機平臺后電子設備性能指標下降，但是單獨對設備進行測試，指標依然滿足要求”的情況；無獨有偶，裝配在艦船上的設備也陸陸續續在試驗過程出現類似情況。經過大量的測試驗證、數據采集和數據分析，我們總結以下經驗：應用于復雜武器平臺的無線通信設備，不僅要關注設備本身的指標，也需要關注設備裝載到平臺后表現出的指標。因為，平臺本身的材質、形狀[1]、平臺上其他電子設備以及平臺所處的自然環境等均會對通信設備的指標造成不可忽視的影響。這些影響，直接表現為作用距離不夠、接收信號質量下降等，具體原因是天線輻射方向圖畸[2]、接收機靈敏度下降、環境底噪抬升等等。尤其是短波和超短波頻段的通信設備，通常在實驗室驗證正常甚至超額滿足要求，一旦裝上飛機或者艦船等復雜武器平臺后，就容易出現作用距離不夠的情況。

本文基于機載超短波通信電臺裝機后作用距離不夠，分析環境溫度、外部電磁環境干擾對應用于復雜武器平臺無線通信設備接收機靈敏度的影響，同時推導出外部電磁環境干擾與接收機內部噪聲系數間的關系以及在復雜武器平臺通信設備靈敏度預算時兩者的取舍權衡。

1 接收靈敏度影響因素

機載超短波通信設備在多次試飛過程中出現作用距離不夠的問題。從Friss傳輸公式可以看出，作用距離與發射功率、發射天線增益、接收天線增益、接收系統靈敏度以及工作頻率有關。

其中，Pt為發射功率，Pr為接收信號電平，Gt為發射天線增益，Gr為接收天線增益，λ為工作信號波長，R為作用距離。天線增益方向圖很容易受裝機位置、載體材料、天線罩等影響，在裝上平臺以后產生畸變，從而導致某個角域增益方向圖出現凹陷，天線增益下降。天線增益方向圖的受平臺影響已被廣泛熟知，并在系統設計之初，就會對天線布局、裝機后的方向圖進行整機仿真分析，并采取改進措施。

通過式（1）可推導作用距離公式見式（2）和式（3）所示：

利用故障樹法對作用距離影響要素：包括發射天線增益（裝機后）、設備輸出功率、電纜損耗、接收天線增益（裝機后）等逐一進行排查，最后定位為設備接收靈敏度不夠導致。將機載超短波電臺拿回實驗室測試卻無法復現故障，相同的設備裝機后就必然出現。顯然，這是一個平臺影響設備指標的問題，到底是哪些因素在靈敏度預算中該考慮卻被忽略，從而導致設備在復雜武器平臺上出現靈敏度下降。

靈敏度是接收系統的一個重要指標，它定義為：在給定接收機解調器前所要求的輸出信噪比的條件下，接收機所能檢測的最低輸入信號電平[3]。通常，我們在分析接收鏈路可以實現的理論靈敏度時，習慣上直接使用式（4）進行分析。

其實，式（4）所示的公式中隱含了兩個條件：一是接收機噪聲系數的參考噪聲溫度是標準噪聲溫度290K（絕對零度為273K，環境溫度17℃），二是天線引入的外部噪聲等效噪聲溫度為290K。第一個條件我們可以認為是一種約定，第二個條件實際是個假設。

完整的接收靈敏度公式如式（5）所示：

其中，Pin,min為接收靈敏度；k 為玻爾茲曼常數1.38× 10-23J/K；B 為接收機最小帶寬；Ta為天線引入的噪聲溫度；F 為接收機內部的噪聲系數；T0為標準噪聲溫度290K；(S NR)o，min為接收機解調器前所要求的信噪比。

從式（5）可以看出，當Ta=T0時，式（5）就可以簡化成Pin,min=kBF( S NR)o，min，與式（4）等效。正如前面所說，Ta=T0是一種假設，是一種特例，實際使用過程中，不能完全等效。這也是我們在初步預算的時候經常忽略的一個問題。下面分析除解調信噪比和帶寬外，接收靈敏度可能受那些因素影響。

1.1 環境溫度對接收機靈敏度的影響

一般復雜武器平臺都會對搭載的設備提環境適應性要求，其中典型的機載設備工作環境溫度為-55℃～+70℃。下面分析環境溫度對接收靈敏度的影響。

1.1.1 環境溫度對天線引入噪聲功率密度的影響

對接收機而言，天線引入的噪聲溫度可以看成是環境噪底，即kTa。表1選取幾個典型的溫度值，對環境噪底進行計算。從表1可以看出：在整個工作溫度范圍內，環境溫度越高，環境噪底越高；在整個工作環境溫度范圍內，環境噪底的變化2dB。

表1 環境溫度對環境噪底的影響

1.1.2 環境溫度對接收機噪聲系數的影響

接收機中主要存在的電子元器件都可以分解為最基礎的電阻、雙極型晶體三極管、場效應管、電抗類（電感、電容）元器件。這些元器件的噪聲主要包括熱噪聲、散粒噪聲和閃爍噪聲，其中，只有熱噪聲與環境溫度相關[1]。

電阻熱噪聲功率可以用NA=kTB 表示；工作于可變電阻區的場效應管熱噪聲功率譜密度可以表示為[1]：

式（7）中，γ是工藝系數，gd0為VDS=0時的漏源電導。可見，接收機內有源元器件噪聲功率對環境溫度的響應與表1所示一致，均隨環境溫度線性變化。

噪聲系數是輸入信噪比與輸出信噪比的比值，如式（8）所示，其中輸出噪聲功率等于外部輸入噪聲功率與增益的乘積加上元器件內部的噪聲功率（即No= Ni×G+N內）。但是，由于Ni和N內都與4kTB成正比，在不考慮負載電阻和有源器件內阻阻值隨環境溫度變化的情況下，元器件的噪聲系數不會隨環境溫度變化而變化。

但是，實際測試過程中會發現，接收鏈路的噪聲系數會隨著環境溫度的變化而變化。根據噪聲系數級聯公式，從式（9）可以看出：

鏈路級聯噪聲系數不僅與每一級器件的噪聲系數相關，還與每一級器件的增益相關，特別是第一級低噪聲放大器的增益。由于放大器增益會隨環境溫度變化而變化，一般情況下，增益隨溫度下降而提高，隨溫度升高而降低[2]。

因此，鏈路噪聲系數還是會隨環境溫度而變化，從以往多個接收機的實際測試數據看，變化范圍為1～2dB。在實際工程中，鏈路噪聲系數指標的分解和提出，均已考慮工作環境溫度的變化；實際接收設備的實現和性能考核測試也會嚴格按照溫度環境條件執行。在本文的后續的分析中將不考慮本因素。

1.2 外部電磁環境干擾對接收機靈敏度的影響

在電磁兼容試驗過程中，也發現設備受開關電源頻率和時鐘頻率的諧波、雜散等因素影響，在短波和超短波頻段無意輻射電平顯著抬高，如圖1所示。

圖1 無意輻射電平（單位:dBμV）

復雜武器平臺裝載的電子設備眾多，每個設備設計的工作頻段和要求的技術性能指標都不一樣，選用的時鐘頻率、開關電源的頻率也不同，導致復雜武器平臺電磁環境復雜。對無線通信設備來說，其他電子設備的有意輻射或者無意輻射，落入接收機帶內的都是外部電磁環境干擾。

外部電磁環境干擾落入接收機中頻帶內，導致底噪抬高，可等效視為由天線引入的環境溫度（即Ta）升高了，從而影響接收機靈敏度。

下面舉例進行計算分析：假設外部電磁環境電平密度為-150dBm/Hz，接收機噪聲系數為6dB，接收機中頻帶寬為68kHz，解調信噪比要求為12dB，那么，根據式（5）計算得到在這種電磁環境下接收機的實際靈敏度為-89.9dBm，計算步驟如下：

①根據外部電磁環境電平密度計算出等效天線引入的環境溫度Ta；②根據接收機噪聲系數計算出接收機在標準噪聲溫度290K的等效噪聲溫度Te；③根據靈敏度公式（5）計算接收靈敏度，計算結果為-89.9dBm；④根據靈敏度公式（4）計算出來的靈敏度值，計算結果為-108dBm。

從數值上看，利用兩個公式計算結果相差近18dB，對應作用距離就有8倍之差，即若-108dBm對應的作用距離為300km，那么-89.9dBm對應的作用距離只有37.5km。可見，外部電磁環境干擾對接收靈敏度會產生巨大的影響，遠遠超過工作環境溫度變化帶來的影響，從而導致作用距離驟降。

因此，在系統方案論證時，必須充分考慮復雜武器平臺上可能存在的外部電磁干擾，導致電子設備底噪抬升帶來的靈敏度指標可達性惡化，根據歷史經驗數據提出實際工程可實現的作用距離指標。

同時，為了滿足客戶的終極應用需求，需要和平臺提供商一起，對平臺上可能的電磁環境進行綜合設計，提出嚴格的要求，進一步分解到各個電子設備，最終實現各個功能、設備的兼容工作。

2 外部環境干擾和接收通道噪聲系數之間的權衡

從上述分析可以看出，由于外部電磁干擾等效的環境噪底抬升對接收靈敏度存在巨大的影響。那么，在預算復雜武器平臺接收靈敏度時，是不是直接將外部電磁干擾等效的底噪電平取代-174dBm/Hz就可以呢？實際操作過程中，我們發現，實際測試的接收機靈敏度優于這樣計算出來的接收機靈敏度數值，差別主要體現在：接收機內部噪聲系數是否需要疊加計算。

那么，計算靈敏度時接收機噪聲系數和環境底噪數值如何考慮？下面通過理論推導進行分析。

其中，ζ為一個常數，表征系統接收通道噪聲系數等效噪聲溫度與外部環境等效噪聲溫度的比值。ζ越大，表征接收機內部噪聲系數對接收機靈敏度影響越大，需要重視；ζ越小，表征外部電磁環境對接收機靈敏度影響越大，在達到一定數值時，可以忽略接收機內部噪聲系數的影響。

3 結束語

本文基于工程實踐中遇到的問題，對天線增益、發射功率、線路損耗等可能的影響因素進行了大量的測試驗證和數據分析后一一排除，確定了復雜武器平臺對接收機靈敏度產生了影響。從而進一步分析了環境溫度和外部電磁環境干擾對接收機靈敏度的影響，從文中的分析可知：工作環境溫度對底噪電平帶來變化，外部電磁環境干擾可等效為底噪電平變化，從而對接收機靈敏度造成影響。文章最后通過理論計算推導出接收靈敏度可以忽略接收機噪聲系數影響的關系式。分析結果表明：工作環境溫度在-55℃～+70℃范圍變化時會對接收機底噪電平帶來2dB的影響，因此，建議在無線通信鏈路預算中都需要至少保有2dB的鏈路余量；外部電磁干擾帶來的等效底噪電平抬升一般比較大，對接收機靈敏度的影響巨大，從而可能帶來作用距離成倍的降低。可見，在工作環境溫度和外部電磁干擾這兩個因素中，外部電磁干擾帶來的等效噪底電平抬升是影響接收機靈敏度的主要因素，需要在設計和論證階段著重關注。另外，本文基于外部電磁環境的影響分析和靈敏度公式，推導出靈敏度預算時可忽略接收機內部噪聲系數影響的關系式，該式可直接用于接收機靈敏度預算與核算。