全厚德,趙 波,尹中秋,何 豐

(1.軍械工程學院 信息工程系,石家莊050003;2.總參信息化部駐石家莊地區(qū)軍事代表室, 石家莊050003;

3.解放軍駐一二四廠軍事代表室, 鄭州450062)

1 引 言

隨著電磁環(huán)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(qū)域內工作時,由于天線間距很近,發(fā)射機和鄰近接收機的收發(fā)電平相差很大(可超過100 dB),會產生嚴重的共址干擾,特別是多部電臺同時跳頻工作(參與不同的跳頻群網)時,會導致更為嚴重的網間及網內干擾,導致接收機阻塞或減敏[1]。共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分配提供了理論依據[2],另一方面也為未來通信系統的設計、電臺的配置提供了有力的指導。

針對共址干擾下的跳頻電臺組網問題,國內外缺乏較為系統、全面的研究,僅僅側重某一方面,例如:共址環(huán)境中的天線耦合度預測、天線布局優(yōu)化、共址干擾抑制和消除,設計低碰撞的跳頻序列,以及對跳頻碰撞模型的研究[2-6]。文獻[7]實現了3 種干擾條件下的誤碼率計算,其模型反映了共址干擾,但只適合于兩部電臺間一對一的干擾模式。文獻[8]提出了干擾概率的概念,將定頻干擾帶寬引入干擾概率的計算,但模型只是將干擾帶寬與工作帶寬相比,無法考慮頻表分配對干擾概率的影響。文獻[9]在干擾概率基礎上,通過與VHF 跳頻方式相結合,對跳頻組網性能進行了分析和優(yōu)化,但干擾條件的設定僅依賴于頻率間距,缺乏對電臺實際性能的研究,而且干擾概率無法代替數字通信中的誤碼率指標。已有文獻針對共址電臺開展了很多研究,但模型相對簡單,既缺乏系統的實驗作為支撐,也沒有對天線、電臺、跳頻等因素進行全面、深入的分析與研究。

本文以車載HF 電臺為對象,在大量實驗和理論分析基礎上,建立了定頻模式下的共址干擾分析模型。在此基礎上,結合HF 跳頻組網方式,提出了跳頻系統的誤碼率計算方法,深入分析了共址條件下,影響跳頻組網性能的主要因素,為通信系統配置和設計奠定了基礎。

2 HF 電臺共址干擾分析

2.1 共址工作平臺

在車載通信系統中,共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車載平臺上,天線之間的間距固定,一部作為共址接收機與遠端的發(fā)射機正常通信,一部作為共址的干擾發(fā)射機。在圖1(b)中,兩部共址無線電臺在間距為dx 的兩輛車載平臺上,天線間距dx 可變。

如圖1 所示,共址工作的無線電臺距離很近,干擾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。在數字通信系統中,誤碼率(BER)是衡量數據傳輸正確性的重要指標,這里以BER 為目標,對共址干擾中的主要影響因素進行定量分析。

圖1 共址干擾下的無線電臺Fig.1 Radios under CI

2.2 主要影響因素

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,同時也是計算共址BER 的前提條件。針對圖1 中的兩種情形,文獻[10-13]中已經進行了研究。其中,圖1(a)中的情形可以采用實驗的方式得到近場區(qū)(菲涅耳區(qū)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。

圖2 是針對HF 電臺的兩種不同天線,在圖1(a)所示環(huán)境中,得到的不同工作頻點下耦合度的統計均值曲線。

圖2 HF 電臺耦合度統計均值曲線Fig.2 Coupling statistical curve of HF radio

假設共址干擾機發(fā)射功率為Ps,正常通信電臺在接收機處的信號大小為Pr,功率耦合度為C,則干擾電臺在接收機端的干擾功率為

通常Pr基本恒定,因此,共址干擾的影響主要決定于共址工作電臺之間的頻率間隔Δf,以及干擾與信號功率之差:

同時,接收電臺的頻率選擇性、敏感度門限等,以及環(huán)境噪聲,也會對BER 指標產生影響。因此,共址干擾的主要影響因素有:與空間域相關的耦合度,與能量域相關的電臺收發(fā)特性和環(huán)境噪聲,以及與頻率域相關的頻率間隔。

2.3 實驗平臺和理論模型

為了深入分析共址干擾對BER 的影響,在定頻模式下,分別從實驗和理論兩方面出發(fā)對BER、Δf和Δp 等參數之間的關系進行了研究,從而為跳頻組網分析奠定基礎。

文獻[10]建立了圖3 所示的有線實驗平臺,通過改變共址電臺頻率間隔、信號、干擾功率,對不同狀態(tài)下的誤碼率指標進行了測試,從而對BER、Δf和Δp 三者之間的關系進行了深入的分析與研究。

圖3 共址干擾下的誤碼率測試平臺Fig.3 BER test platform under CI

采用有線連接方式的優(yōu)點是所有指標都是可控、可調節(jié)的,實驗具有真實性、可重復性。平臺主要由電臺、固定衰減器、數控衰減器、功率合成器、耦合器等構成。為了防止功率泄露影響測試結果,將共址接收機置于電磁屏蔽室內,其他電臺置于屏蔽室外,分別作為通信電臺和共址干擾電臺。

理論方面則按照圖4 所示模型,在文獻[12-13]中對BER 性能進行了深入研究。

圖4 定頻模式下的共址干擾分析模型Fig.4 CI analysis model of fixed frequency model

2.4 共址安全帶寬分析

為了衡量共址干擾信號的有效覆蓋范圍,引入共址安全帶寬的概念來分析干擾對頻率域的影響。設發(fā)射機的發(fā)射頻率為f T,接收機的調諧頻率fR,在電磁干擾的臨界情況下,發(fā)射機和接收機之間的最小頻率間隔為

如果fT>fR,定義Δf min為共址干擾的下限安全帶寬,即接收電臺為了避免干擾需要向下偏離發(fā)射中心頻率的間隔;相反,則定義為共址干擾的上限安全帶寬。

以HF 電臺為例,依據圖3 中的平臺和圖4 中的模型對共址干擾下的重要指標進行研究。HF 數據BER 容限一般為1×10-4[14],因此,這里以1×10-4作為臨界狀態(tài),給出了Δp 與Δf 之間的理論和實驗擬合曲線,如圖5 所示。

圖5 Δp 與Δf 的關系曲線Fig.5 Relational curve between Δp and Δf

從圖5 可以看出,當BER 一定時,隨著Δp 的增加,所要求的Δf 也逐漸增加。當Δp 確定時,通過繪制BER 的擬合曲線,可得到所要求的最低頻率間隔Δf min,即共址安全帶寬。要保持BER 在指定容限之下,工作頻率必須大于Δfmin;反之,當頻率間隔小于Δf min時,認為工作頻點被干擾臺覆蓋,處于干擾有效區(qū)間。

3 誤碼率計算模型

3.1 跳頻組網分析條件

(1)假設有L 輛通信車在同一地點展開工作,每輛車配有nL部HF 電臺,單車上的每部電臺分別與遠端電臺組成nL個跳頻通信網進行通信,同時存在同車和車際間共址干擾;

(2)HF 電臺采用天波傳播,由于電離層的時變特性,存在所謂的頻率“窗口現象”,導致不同方向通信的頻率帶寬一般在50 ～500 kHz和1 MHz范圍[14],所以在不同的環(huán)境和時段下,HF 通信一般采用窄帶跳頻;

(3)跳頻序列由偽碼發(fā)生器隨機產生,跳頻間隔為ΔF,跳頻頻表的頻率點數為N,則在每一瞬時,電臺i 落在N 個跳頻點上的第j 個頻點的事件呈等概率分布,受窄帶跳頻的限制,共址工作的各電臺都在同樣N 個跳頻點上工作,跳頻狀態(tài)相互獨立;

(4)若系統內共有n 部電臺,而跳頻系統在每一工作瞬時是否受到干擾是一確定事件,可按定頻模式進行分析,相應地引入瞬時干擾判據;

(5)通過實驗和理論分析,可以在已知耦合度、干擾功率、信號功率、BER 容限等參數的基礎上,確定共址安全帶寬Δfmin,則瞬時干擾判據為:在某時刻t,若某受試臺工作于頻點fi,而干擾臺工作于頻點fj時,若,則受試臺在該瞬時被干擾。

3.2 誤碼率計算

跳頻系統受干擾時,誤碼率可以近似為[14]

其中,J 為受干擾頻點數,N 為跳頻點數目,這里以第i 部電臺為對象,將其看作受試臺,其余n -1 部看作干擾臺,計算受試臺i 的受擾頻點J 。

在某一時刻,n-1 部干擾臺對應的瞬時跳頻點分別為{fj1,fj2, …,fjn-1},每一部干擾臺對應的頻點覆蓋范圍Δfmin由公式(1)～(3)決定。公式(1)中的耦合度C,對應圖1 有下面兩種計算方法:

或者

式中,W 為近場耦合度的擬合曲線,dx 為電臺間距,f j 為瞬時工作頻率,Gt、Gr 分別為天線的發(fā)射和接收增益。

此時,干擾臺k 工作在頻點fjk,對應頻點覆蓋范圍為Δfkmin,干擾臺k 對鄰近工作頻點的干擾覆蓋范圍為

為了避免共址干擾,這里采用頻點數目向上取整的方式。因此,干擾臺k 的有效干擾頻點集合為

設窄帶跳頻的所有的工作頻點為

因此,干擾臺k 對受試臺i 在此刻的干擾頻點為

即,對集合Gk和F 求交集,判斷干擾臺k 在此刻占用了多少有效工作頻點。

依據上述分析條件,受試臺i 在任意一個時刻,受到干擾的頻點集合為

采用集合的方式,是考慮到頻點可能重合的情形。因此,干擾頻點個數為

其中,M 是計算集合中的頻點數量,Jj1j2…jn-1是任意某一時刻受試臺i 受干擾頻點的個數,公式中隱含的自變量是n-1 部干擾臺的瞬時工作頻點{fj1,fj2,…,fjn-1}。為了得到受試臺i 受干擾頻點的統計均值,需要考慮n -1 部干擾臺,工作在所有N 個頻點的情形。因此,受試臺i 受干擾頻點數的統計均值為

通過公式(1)～(13)可以得到任意受試臺的誤碼率指標,需要注意的是,在實際中,必須考慮解碼、解交織對誤碼率的改進,通過與電臺的工作方式相結合[10],才能得到實際的誤碼率。

4 實例分析

假設通信系統通常配置2 ～4 輛車載平臺,每輛車的HF 電臺為1 ～3 臺。一般情況下,每部電臺跳頻頻表的頻率點數N 取值為32、64,跳頻間隔ΔF 對應不同的N 取值為2 ～8 kHz[14]。這里主要對共址干擾嚴重的情況進行分析,以配置3 或4 輛車為例,對車載電臺配置為T={2,2,1}、T ={2,2,2}、T ={2,2,1,3}、T ={2,2,2,2}幾種情形進行性能評估,并給出合理的參數配置。其中T ={2,2,1}和T ={2,2,2}是指系統有3 輛車,分別記為T-1、T-2、T-3,集合中的數值為每輛車配置的HF 電臺數量,同樣的,T ={2,2,1,3}和T={2,2,2,2}是指系統有4 輛車。電臺采用RS 編碼,分組交織的工作方式對數據進行處理,車輛之間的距離矩陣(單位為m)為

其中,D3、D4分別為站點配置3、4 輛車時,車輛兩兩之間的距離參數。下面分別對這4 種系統配置下的BER 性能進行分析,針對不同的系統配置,選擇合理的N、ΔF 取值范圍。

首先以T ={2,2,1}的情形為例,給出不同N、ΔF 取值下的BER,表1 對應不同N、ΔF 時解碼、解交織后的BER。按照T -1、T -2、T -3 的順序給出5 部電臺的結果,其中T-1、 T -2 上有2 部同車電臺, T -3 上僅有1 部電臺, 計算結果由公式(4)得到。

表1 不同N、ΔF 下的BER指標Table 1 BER under different N,ΔF values

從表1 的BER 可以看出,T -1 和T -2 上4 部電臺的結果基本相同,這是因為這兩輛車上都有2部HF 電臺,對這兩部電臺來說,都存在1 臺同車干擾和3 臺車際間干擾,而且同車干擾時的天線類型、間距等因素基本相同,因此這4 部電臺的BER 結果基本一致。只是由于車際間干擾中距離矩陣D 的不同,在個別頻率間隔上的結果有所區(qū)別,但與同車干擾相比車際間干擾的影響較小。HF 數據BER 容限為1×10-4,在T={2,2,1}配置下系統要正常工作,當N=32 時ΔF 只能取8 kHz,而N =64 時ΔF可以取4 ～8 kHz。

在表1 中,由于T -3 車上只有1 部電臺, 當ΔF 取值為2 kHz、4 kHz、8 kHz時,它的BER 明顯小于前面4 部電臺的結果,這是因為在這3 個頻率間隔取值上,車際間干擾的影響小于同車干擾,而在6 kHz取值時,車際間干擾的影響與同車干擾基本相同,這可以通過觀察這兩種干擾的頻率覆蓋范圍得到。為此,依據公式(7),表2 給出了N 取值32、64,ΔF 取值2 kHz、8 kHz時的同車、車際間干擾的頻率覆蓋數量,結果同樣按照T-1、T -2、T -3 的順序給出。

表2 不同N、ΔF 下的頻率覆蓋Table 2 Frequency cover under different N,ΔF values

通過表2 可以看出,車際間干擾的頻率覆蓋數量大于同車干擾,但這并不代表車際間干擾影響較大。以N=32、ΔF=2 kHz為例,T -1 車上第1 部電臺的車際間干擾頻率覆數量為14.23,但這是T -2車上的2 部電臺和T -3 車上的1 部電臺共同干擾的結果,平均每部電臺的干擾約為4.74 個頻率點。同車干擾則來自T -1 車上的另1 部電臺,頻率數量為7.50,因此同車干擾的影響是大于車際間干擾影響的。值得注意的是,總干擾的頻率覆蓋數量要小于同車、車際間干擾數量之和,這是由于兩種干擾的頻率覆蓋點存在重合,因此公式(10)采用集合的方式以消除相同頻率點。

同樣地,當系統配置為T ={2,2,2}、T={2,2,1,3}和T ={2,2,2,2}時,也可以得到不同N、ΔF 取值下的BER 和頻率覆蓋,這里給出不同系統配置下可用的N、ΔF 參數,見表3。

表3 不同系統配置下N、ΔF 的取值Table 3 N,ΔF values under different configurations

從表3 可以看出,當N 取32 時,在T ={2,2,2}、T={2,2,1,3}、T ={2,2,2,2}系統配置下, ΔF只有取8 kHz共址電臺才能正常工作,而N 取64 時,T={2,2,2}的ΔF 可以取5 ～8 kHz,即N 的變化有效的緩解了共址干擾。當增加2 部共址電臺,使系統配置成為T={2,2,1,3}或者T={2,2,2,2}時,N取64 很難使ΔF 的取值范圍有所增加,很明顯這時需要更大的跳頻頻率點數來緩解共址干擾,但現有電臺很少超過64 個頻點,這在以后的共址設計中,必須加以考慮。

5 結束語

總之,HF 電臺在車載組網環(huán)境中面臨著嚴重的共址干擾,針對系統的級別和配置,必須依據共址誤碼率計算模型,選擇合理的跳頻點數和頻率間隔,以避免共址干擾的影響,才能保障通信順暢。此外,在現有車載電臺形式下,跳頻點數和頻率間隔的取值受到了共址干擾的限制,這在一定程度上降低了組網電臺的抗干擾能力,因此,在以后的車載電臺設計中,需要通過增加隔離度,使用共址濾波器等方式,緩解共址干擾的影響,從而增強抗敵對干擾的能力。

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