王偉勤

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

現(xiàn)代軍事戰(zhàn)術(shù)指揮和控制越來越依賴于無線通信技術(shù)的發(fā)展,在飛機、艦船或戰(zhàn)車等同一平臺上往往配置有多種通信系統(tǒng),包括HF、VHF、UHF以及衛(wèi)星通信等多個頻段的通信設(shè)備,并且同一頻段的通信設(shè)備可能也有好幾套。美軍的幾種在役大型通信平臺如E-2C、E-3A、E-3B、E-8A 等預(yù)警機,機載戰(zhàn)場指揮控制中心(ABCCC)以及水陸兩棲遠征戰(zhàn)車(EFV)等[1],有些平臺裝備的電臺達20套以上。多部通信電臺近距離同時工作時將出現(xiàn)嚴重的共址干擾問題,對戰(zhàn)術(shù)無線電通信帶來極大的不利影響,造成通信質(zhì)量嚴重下降甚至通信聯(lián)絡(luò)完全中斷。

2 共址干擾的形成

共址干擾主要由通信電臺天線的輻射干擾引起。由于平臺內(nèi)通信電臺繁多,空間有限,通信電臺的天線布置非常密集,例如,在EFV的車頂布置有8根VHF電臺天線和1根HF電臺天線,如圖1[2]所示。

圖1 美軍遠征戰(zhàn)車(EFV)天線布局Fig.1 Antenna layout of EFV

當(dāng)一個電臺處于接收,同時有一個電臺發(fā)射時,對接收機主要從以下幾個方面形成影響。

(1)基頻干擾

接收機和發(fā)射機的收發(fā)電平相差較大,假如,發(fā)射機的發(fā)射電平為50 W(47dBm),接收機的靈敏度通常小于-100dBm,兩者相差近150dB,而收發(fā)天線間的隔離度有限(對于車載平臺一般只有10～25dB),如果收發(fā)頻率相同或接近時,則如此大的信號進入接收機,超過接收機的動態(tài)范圍,極易造成接收機信道阻塞,導(dǎo)致無線通信的徹底癱瘓。即使收發(fā)頻率不同,也可能因強干擾信號的存在,由于接收機前端的非線性,從而造成接收機對有用信號的增益下降,即減敏現(xiàn)象。

(2)諧波干擾

除發(fā)射機的基波會對接收機造成干擾外,如果發(fā)射機的諧波與接收機頻率相近,也會對接收機形成干擾。諧波干擾不僅發(fā)生在同一個頻段的通信電臺間,對不同頻段的電臺間也可能發(fā)生,比如HF電臺的諧波干擾VHF電臺,VHF電臺的諧波干擾UHF電臺。

(3)寬帶噪聲

發(fā)射機不僅發(fā)射基頻和諧波信號,還有帶外射頻能量(即寬帶噪聲)的發(fā)射,發(fā)射機的噪聲增大了共址接收機的背景噪聲,可能降低接收機的性能。

如果在一個電臺接收的同時有兩個或兩個以上的電臺發(fā)射,則情況就變得更復(fù)雜一些,除前面的幾種干擾情況外,還有以下干擾的發(fā)生。

(1)互調(diào)干擾

發(fā)射機和接收機都可能產(chǎn)生互調(diào)。

當(dāng)一臺發(fā)射機的發(fā)射信號通過天線耦合到另一臺發(fā)射機內(nèi)時,由于發(fā)射機末級變頻器、功放等的非線性,可能會形成其它頻率的發(fā)射,即互調(diào)。互調(diào)頻率fs可以表示為

式中,f1和f2為兩個發(fā)射機的發(fā)射頻率,m和n是整數(shù)。互調(diào)干擾中通常三階互調(diào)最為嚴重。

對于接收機來說,當(dāng)兩個發(fā)射強信號同時進入接收機前端時,由于放大器、混頻器的非線性,接收機也可能產(chǎn)生互調(diào)產(chǎn)物,互調(diào)頻率同式(1)。

(2)交調(diào)干擾

對于接收機來說,當(dāng)兩個發(fā)射信號同時進入接收機前端時,不僅可能產(chǎn)生互調(diào),還可能產(chǎn)生無用信號對有用載波的調(diào)制,即交調(diào)。

3 共址干擾對跳頻通信的影響

3.1 誤碼率的增大

共址干擾的影響可以從很多方面來體現(xiàn)。其中最明顯的是共址干擾使得電臺系統(tǒng)的性能降級,也就是SINAD降低了,從而增大了誤碼率(BER)。

因電臺發(fā)射信號都占有一定的射頻帶寬,某超短波電臺的典型發(fā)射頻譜見圖2,其發(fā)射功率為50 W(47dBm),如果接收機的有用信號電平為-92dBm,那么它們之間相差139dB,考慮收發(fā)天線間的隔離度為20dB,則收發(fā)還需要119dB的隔離才不影響接收機的正常接收[3]。從圖2可以看出,達到這119dB的隔離,要求收發(fā)頻率間必須有2×0.9MHz的頻率間隔。

圖2 VHF電臺的發(fā)射頻譜Fig.2 Transmitting signal spectrum of a VHF radio

如果同一個平臺中,有兩個都在30～50MHz的跳頻網(wǎng)工作,它們使用不同跳頻圖案,但跳頻頻率在該頻段內(nèi)均勻隨機出現(xiàn),那么兩個跳頻網(wǎng)發(fā)生頻率碰撞的概率Pc=2×0.9/(50-30)=0.09;如果在該頻段有多個跳頻網(wǎng)同時工作,則頻率碰撞概率用下式計算:

式中,n為平臺中同時工作的跳頻網(wǎng)數(shù)量,Pc為有2個跳頻網(wǎng)同時工作時的碰撞概率,PC為有n個跳頻網(wǎng)同時工作時的碰撞概率。

從式(2)可以計算得到:有3個共址跳頻網(wǎng)同時工作時的碰撞概率PC為0.17,有4個共址跳頻網(wǎng)同時工作時的碰撞概率PC為0.27。如果選擇在30～88MHz全頻段跳頻,則碰撞概率將會減小,如圖3所示。

圖3 共址跳頻碰撞概率Fig.3 Probability of a hit occuring in cosite FH

當(dāng)跳頻網(wǎng)發(fā)射頻率碰撞時,如果一個處于發(fā)射,另一個處于接收,那么接收電臺就可能出現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)誤碼。如果碰撞概率較大,則誤碼率肯定也就隨之增大,數(shù)字通信中一般將10%的誤碼率認為是話音可懂度的門限。在有多個共址發(fā)射機同時工作時,特別是如果它們都在某一小段頻率跳頻時,對通信話音的影響是非常大的。

3.2 通信距離的減少

在工程上,我們常用減敏度來衡量共址干擾的影響程度。共址減敏度是這樣定義的:為達到同樣系統(tǒng)性能,接收機在有干擾時要求的接收信號電平(RSL)相比沒有干擾時的接收信號電平的增量。例如,給定要求(10%)的誤碼率,在沒有干擾時需要接收信號電平 P0,有干擾情況下需要接收信號電平P1,那么共址干擾的減敏度D(單位dB)將是:

但是,發(fā)射機的發(fā)射功率是一定的,在不能增大發(fā)射機功率的情況下,接收機出現(xiàn)了減敏,表現(xiàn)出來的直接影響則是實際通信距離的下降。

由于接收機的接收靈敏度是一定的,在發(fā)射機已知發(fā)射功率情況下,其通信距離決定于通信的最大路徑損耗,因此,D可以等效為LP1-LP0。

通信的最大路徑損耗通常是一個與地形、環(huán)境相關(guān)的模型函數(shù),所有這些傳輸模型預(yù)測的結(jié)果都將界于一個上下界之間。

傳輸損耗的下界是由自由空間傳輸模型定義的,其與距離的平方(R2)成正比,因此,對于某一減敏度D,通信距離減小值可由下式得到:

傳輸損耗的上界是由地面?zhèn)鬏斈Ｐ投x的,其與距離的四次方(R4)成正比。因此,對于某一減敏度,通信距離減小值可由下式得到:

圖4所示的是由這兩種傳輸模型得出的通信距離減少量(用百分比表示)的比較,實際的減少量應(yīng)在這兩條曲線之間。由圖可知,對于6dB的減敏度,通信距離將減小到無干擾情況下的50%～70%。這種方法并沒有得出具體的距離,但是給出了距離減小量的預(yù)計值。如果要得出一個通信距離的絕對數(shù)值,就必須用近似傳輸模型計算出實際的路徑損耗。

圖4 減敏度與通信距離的關(guān)系Fig.4 Relative range degradation due to desensitization

據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),一臺共址發(fā)射機的發(fā)射將減小接收機50%的通信距離,兩臺共址發(fā)射機同時發(fā)射時通信距離將降低75%,3臺共址發(fā)射機同時發(fā)射時通信距離降低將超過90%,即由30km降低到3km以下[4]。由此可見,共址干擾對無線通信距離的影響非常嚴重。

4 跳頻通信共址干擾抑制技術(shù)

4.1 天線布局設(shè)計

天線布局設(shè)計的目的充分利用平臺的空間隔離,通過增大天線間的隔離度來減小收發(fā)電臺間的干擾。但在平臺有限的空間內(nèi),天線布局具有較大的局限性,特別是在一些戰(zhàn)車系統(tǒng)中,為了保證達到足夠的通信距離,天線布置通常考慮在車體最高的一層平臺,但是這一層平臺空間就更為狹小,一般都只有幾平方。例如,在某指揮通信車上,需要布置4根天線,為了達到最大的隔離度,4根天線分別布置在車頂?shù)?4個角上,如圖5,相距最遠的2、4兩根天線間的天線隔離度能達到20～25dB,而相距最近的3、4兩根天線間的天線隔離度僅只有10～15dB。對于其它車輛,如果天線再多,布置起來就更難,因此通過天線布局增大天線隔離度的方法有限。

圖5 某通信指揮車的天線布局和隔離度Fig.5 Antenna layout and isolation of a C2vehicle

對于機載平臺,天線布局設(shè)計時還可以利用飛機機身的物理隔離,將天線布置在飛機的機腹、機背及兩側(cè)。利用天線的極化方式,分成水平布置和垂直布置等,都可以進一步增大天線間的隔離度。根據(jù)經(jīng)驗,大中型飛機機腹和機背天線的隔離度可以達到50dB。

4.2 頻率管理技術(shù)

在系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計中,頻率管理是非常有效的一種方法,目前,國內(nèi)外在這方面的研究較多。

(1)分時工作

在系統(tǒng)設(shè)計初期對系統(tǒng)各用頻設(shè)備進行分析,如果可能存在干擾而又無法通過其它方式進行解決時,就可能對相應(yīng)的設(shè)備進行分時工作。此方法較為常用,特別是在一些偵察干擾機中就可能采用此方法,在機上通信電臺工作時,干擾發(fā)射機不開機工作。

(2)分頻工作

它通過實時頻率檢測、頻率資源動態(tài)分配等一系列過程進行頻率分配。對于使用點頻工作的系統(tǒng),進行頻率分配較容易,它通過分配不同的工作頻率段、避開諧波、調(diào)整通信頻率間的間隔等方式進行頻率分配。

(3)同步正交跳頻

對于跳頻通信,如果系統(tǒng)中有幾個跳頻通信電臺,可以采用分段跳頻,但此方法減少了每個跳頻通信電臺的頻率使用率,較容易受到敵方的有意干擾。

另外,可以采用同步正交跳頻的方式,即幾個跳頻通信電臺都在全頻段內(nèi)進行跳頻,但通過設(shè)定不同的跳頻圖案,通過同步控制使每個設(shè)備在同一時刻其頻率有一定的間隔,從而不會發(fā)生碰撞,減少誤碼的發(fā)生。

4.3 跳頻濾波技術(shù)

在發(fā)射機功放后使用帶通濾波器可以減少發(fā)射機的諧波與雜波發(fā)射,從而減小對其它接收機的影響;在接收機前端使用帶通濾波器也同樣能起到減少干擾的作用。

但由于濾波器的通帶較寬,在整個工作頻率的信號都能通過,因此對減小共址干擾所起的作用有限,這就需要采用調(diào)諧濾波器,讓濾波器的通帶變窄,僅允許當(dāng)前工作頻率通過,這就能對減少共址干擾起到更好的作用。對于跳頻通信,則需要濾波器的調(diào)諧頻率能夠按照通信電臺相同的跳頻圖案快速地改變,從而降低帶外干擾。

跳頻濾波器按照實現(xiàn)方案可以分為單元組合式濾波器組、使用可變參數(shù)器件式濾波器、數(shù)字式濾波器、數(shù)字調(diào)諧式濾波器等幾種[5]。

4.4 共用天線射頻分配技術(shù)

在平臺上天線眾多,在很難增大天線間隔離度的情況下,可以通過共用天線,即使多個同頻段甚至不同頻段的通信設(shè)備共用一個接收天線和一個發(fā)射天線,如圖6[4],以減少平臺中的天線數(shù)量,從而增加天線間的隔離度。

圖6 共用天線射頻分配示意圖Fig.6 RF distribution of co-antenna

共用天線射頻分配技術(shù)是跳頻濾波器的進一步發(fā)展,其關(guān)鍵是采用濾波器組將多個波形分離成不同的頻率以克服傳統(tǒng)射頻分配系統(tǒng)中的互調(diào)問題。

4.5 自適應(yīng)干擾對消技術(shù)

共址干擾由于干擾發(fā)射機和被干擾接收機處于同一平臺,并且在某一時刻,其干擾頻率均是具有一定中心頻率的窄帶信號,因此可以很方便地從發(fā)射機中取得干擾信號的信息。

干擾對消即是在發(fā)射端耦合取樣,通過矢量調(diào)制器調(diào)整信號的幅度和相位,使其與接收天線收到的干擾信號等幅反相,將落入接收機端口的強干擾信號抵消,在不降低頻譜資源利用率的情況下,抑制共址收發(fā)天線間的耦合干擾(可達到60～80dB[6]),如圖7,使其不至于干擾該接收機在其工作頻率的正常接收。如果平臺中有多個共址發(fā)射機和接收機,則采用多路干擾對消的方式實現(xiàn)。圖8是一個8路干擾對消系統(tǒng)的原理框圖及實物[7]。

圖7 干擾對消器原理圖及效果Fig.7 Schematic diagram of interference canceller and its effect

圖8 8路干擾對消器系統(tǒng)Fig.8 An 8-channel canceller

5 結(jié)束語

本文通過分析跳頻通信電臺共址干擾的形成以及共址干擾對跳頻通信的影響,提出了解決跳頻通信共址干擾的技術(shù)措施。這些措施結(jié)合使用,可以很好地解決機載平臺或車載平臺配置多部跳頻電臺時的共址干擾電磁兼容問題。

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