董鵬樂

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，西安 710000）

引言

通信技術(shù)在各領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展較為完善，車載通信技術(shù)已成為車輛與外界通信的主要方式，車載通信技術(shù)利用車載通信設(shè)備實(shí)現(xiàn)與外部通信，車載通信設(shè)備作為車載通信技術(shù)信息傳輸設(shè)備[1]，可實(shí)現(xiàn)信息傳送以及信息交流。車載通信設(shè)備主要包括數(shù)據(jù)終端設(shè)備以及語音通話設(shè)備，車載通信精度以及通信實(shí)時(shí)性是目前車載通信領(lǐng)域需要重視的問題。

隨著科技高速發(fā)展，車載通信設(shè)備已成為車輛必不可少的設(shè)備，車載通信設(shè)備所處環(huán)境越來越復(fù)雜，車載通信設(shè)備周圍存在大量電磁發(fā)射情況，車載通信設(shè)備的正常通信受電磁干擾影響越來越嚴(yán)重[2]。分析電磁環(huán)境下車載通信設(shè)備的抗干擾適應(yīng)性已成為車載通信設(shè)備高效率運(yùn)行的重點(diǎn)研究問題，大量不同類型的電磁干擾影響車載通信設(shè)備正常運(yùn)行，抗干擾適應(yīng)性研究對于提高車載通信設(shè)備頻譜利用率具有重要意義[3]。適應(yīng)性是指生物改變其生活方式以及自身特性適應(yīng)外界環(huán)境的概念，車載通信設(shè)備抗干擾性適應(yīng)性是指車載通信設(shè)備受電磁干擾影響下適應(yīng)干擾的生存能力。車載通信設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境下受到干擾極大，車載通信設(shè)備的抗干擾適應(yīng)性是評價(jià)車載通信設(shè)備性能的重要指標(biāo)。

1 車載通信設(shè)備的抗干擾適應(yīng)性

1.1 車載通信設(shè)備工作原理

車載通信設(shè)備是指應(yīng)用于車輛中的通信終端，車輛中有線電視、超短波/短波電臺等可與外界通信以及聯(lián)通的設(shè)備均屬于車載通信設(shè)備。車輛行駛過程中通過建立臨時(shí)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)車輛與外界聯(lián)系[4]，車輛通信設(shè)備可實(shí)現(xiàn)不同距離通信需求，車載通信設(shè)備工作原理如圖1所示。

車載通信設(shè)備利用車載通信終端實(shí)現(xiàn)有線電話、短波、超短波無線網(wǎng)絡(luò)通信，車載通信設(shè)備通過控制單元模塊實(shí)現(xiàn)程序控制，利用控制單元模塊控制短波、超短波無線通信網(wǎng)絡(luò)、有線電網(wǎng)絡(luò)以及移動通信網(wǎng)絡(luò)的通信鏈路連接以及斷開[5]，計(jì)算數(shù)據(jù)傳輸以及語音通話傳輸均通過車載通信設(shè)備的控制單元模塊實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。

車載通信設(shè)備的車載通信信號處理電路模塊以及控制電路模塊中容易產(chǎn)生大量噪聲，車輛行駛環(huán)境較為復(fù)雜，復(fù)雜的外部環(huán)境使車載通信設(shè)備周圍存在大量電磁噪聲，電磁環(huán)境下車載通信設(shè)備通信接收以及發(fā)送信號受到大量影響，影響車載通信終端設(shè)備信息交互[6-8]。采用有效的抗干擾技術(shù)去除車載通信終端受到的電磁干擾，提升車載通信設(shè)備抗干擾適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)車載通信設(shè)備高質(zhì)量通信。

1.2 電磁環(huán)境干擾信號類型

電磁環(huán)境中干擾主要包括白噪聲干擾、雷電干擾、靜電干擾以及射頻無線電連續(xù)波干擾等。電磁環(huán)境干擾信號主要包括時(shí)域干擾信號以及頻域干擾信號；時(shí)域干擾信號主要包括靜電放電干擾、雷電造成的間接效應(yīng)以及直接效應(yīng)干擾；頻域干擾信號主要包括噪聲干擾、射頻無線電連續(xù)波干擾等。

電磁環(huán)境中干擾源的頻域特征、功率、時(shí)域特性以及極化域特征取決于干擾源的特征[9]，電磁環(huán)境下車載通信設(shè)備干擾信號主要包括以下幾種：

1）單頻連續(xù)波干擾

單頻連續(xù)波干擾的時(shí)域可通過以下公式表示：

A(d)表示時(shí)域信號。

單頻連續(xù)波干擾的頻域可通過以下公式表示：

2）單脈沖雷達(dá)干擾

圖1 車載通信設(shè)備工作原理

單脈沖雷達(dá)干擾公式如下：

式中：

ε0與Hd—載頻以及發(fā)射機(jī)峰值功率；

Ld與gdτ—發(fā)射綜合損耗以及發(fā)射天線方向圖；

3）多頻連續(xù)波干擾

多頻連續(xù)波干擾的時(shí)域信號公式如下：

4）電磁脈沖干擾

利用高斯脈沖以及雙指數(shù)模型可有效表示電磁干擾信號中的電磁脈沖干擾[10]，利用雙指數(shù)模型表示電磁脈沖干擾時(shí)域公式如下：

利用雙指數(shù)模型表示電磁脈沖干擾的頻域公式如下：

利用高斯脈沖表示電磁脈沖干擾的時(shí)域公式如下：

利用高斯脈沖表示d=d0時(shí)的電磁脈沖干擾的頻域公式如下：

式中：

τ—高斯脈沖寬度常數(shù)。

5）寬帶噪聲干擾

窄帶系統(tǒng)有白噪聲經(jīng)過的過程為寬帶噪聲干擾[11]，其公式如下：

式中：

λ、HJ—工作波長以及干擾機(jī)發(fā)射平均功率；

LJ、Lr—干擾天線發(fā)射信號的極化損耗以及系統(tǒng)綜合損耗；

Rj—接收設(shè)備與干擾機(jī)間距以及干擾方向上接收方向的電壓變化量；

gJ、BWj—干擾天線變化量以及干擾信號帶寬；

BWr、kRF—接收機(jī)帶寬以及射頻電壓放大倍數(shù)；

εl、GIF、LIF分別表示中頻、中頻與變量的損耗之和。

6）線性調(diào)頻雷達(dá)干擾

式中：

v(d)—由矩陣脈沖形成的脈沖串即復(fù)調(diào)制函數(shù)，其數(shù)量與寬度分別為NH以及HD。

脈間捷變和線性調(diào)頻公式如下：

式中：

εk與Dr—第k個(gè)脈沖的角頻率變量以及脈沖重復(fù)的時(shí)間間隔；

μ(t)—調(diào)制函數(shù)。

1.3 波束賦形技術(shù)抗干擾方法

空域的天線抗干擾技術(shù)可有效避免車載通信設(shè)備受到電磁環(huán)境中寬帶干擾、窄帶干擾以及人為惡意壓制式干擾[12]，選取波束賦形技術(shù)的空域技術(shù)提升電磁環(huán)境下車載通信設(shè)備的抗干擾適應(yīng)性。

通過采樣加權(quán)求和操作空間傳感器，提升車載通信設(shè)備于不同方向傳播信號，令其避免電磁環(huán)境下不同干擾物質(zhì)干擾，提升車載通信設(shè)備適應(yīng)性過程即波束形成過程，波束形成過程以采集波場特征參數(shù)以及多徑信號實(shí)現(xiàn)空域?yàn)V波目的[13]。

設(shè)存在陣元數(shù)量為N，將其以相同的d為間距放置于通信空間中，將陣列法線方向與來波方向夾角以參考陣元1定義，形成波束輸出信號公式如下：

式中：

H、q分別表示共軛轉(zhuǎn)置與空域權(quán)值。

時(shí)間為l時(shí)，陣列輸出用表示。

式中：

n(l)—噪聲矢量

sk(l)、T—第i個(gè)窄帶信號復(fù)包絡(luò)以及轉(zhuǎn)置，

陣列的方向矩陣公式如下：

陣列導(dǎo)向矢量以及方向向量公式如下：

導(dǎo)向矢量在窄帶傳播過程中僅與波的傳播方向以及陣列的幾何結(jié)構(gòu)相關(guān)[14，15]。

主瓣方向約束準(zhǔn)δ0情況下，可得公式如下：

公式（16）即為空域匹配權(quán)，令δ1，δ2，…，δk的導(dǎo)向矢量帶入公式（16），獲取波束數(shù)量為K。

利用正交矩陣以及離散傅氏變換矩陣巴特勒矩陣可表示如下：

D為巴特勒矩陣，且滿足

利用巴特勒變換矩陣可實(shí)現(xiàn)陣元域轉(zhuǎn)換至波束域，提升電磁環(huán)境下車載通信設(shè)備的抗干擾適應(yīng)性。

2 實(shí)驗(yàn)分析

為檢測本文研究電磁環(huán)境下車載通信設(shè)備的抗干擾適應(yīng)性提升車載通信設(shè)備抗干擾適應(yīng)性有效性，選取操作系統(tǒng)為WINDOWS XP的計(jì)算機(jī)利用MATLAB軟件設(shè)置車載通信設(shè)備工作環(huán)境，并模擬不同類型的電磁干擾環(huán)境，檢測車載通信設(shè)備抗干擾適應(yīng)性。

車載通信設(shè)備原始通信信號如圖2所示。

利用信號發(fā)生器將帶干擾的電磁信號輸入車載通信設(shè)備通信接口，加入電磁干擾信號后通信信號如圖3所示。

圖2 原始通信信號

圖3 加入電磁干擾后通信信號

采用本文方法提升車載通信設(shè)備抗干擾適應(yīng)性后的通信信號如圖4所示。

圖4 本文方法處理后通信信號

通過以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用本文方法處理加入電磁干擾信號后通信信號，加入的電磁干擾信號被有效抑制，最終通信信號較為光滑，且尖峰處有用的通信信息可完整保留，說明本文方法可有效抑制通信信道中加入的電磁干擾噪聲，電磁環(huán)境下車載通信設(shè)備抗干擾適應(yīng)性被有效提升。

統(tǒng)計(jì)采用本文方法提升電磁環(huán)境下抗干擾適應(yīng)性車載通信設(shè)備的基波發(fā)射帶寬，基波發(fā)射帶寬指由于基波發(fā)射引起的車載通信設(shè)備受附近噪聲影響頻帶寬度增加情況。為直觀統(tǒng)計(jì)本文方法抗干擾性能，將本文方法與同時(shí)收發(fā)認(rèn)知方法、電磁拓?fù)浞椒ㄒ约熬鶆驁A形天線陣方法對比，對比結(jié)果如圖5所示。

通過圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用本文方法的車載通信設(shè)備的基波發(fā)射帶寬明顯低于采用另三種方法的車載通信設(shè)備基波發(fā)射帶寬，說明采用本文方法的車載通信設(shè)備受附近噪聲影響頻帶寬度增加幅度較低，進(jìn)一步說明采用本文方法的車載通信設(shè)備受附近電磁環(huán)境噪聲影響較小。

圖5 基波發(fā)射帶寬對比

統(tǒng)計(jì)采用不同方法的車載通信設(shè)備諧波抑制比，由于電路非線性令車載通信設(shè)備產(chǎn)生諧波干擾，諧波抑制比是指車載通信設(shè)備對諧波干擾抑制能力。諧波抑制比是評價(jià)車載通信設(shè)備通信性能的重要指標(biāo)，通過電臺輻射發(fā)射特性測試可獲取不同方法下車載通信設(shè)備諧波抑制比，采用不同方法的車載通信設(shè)備諧波抑制比對比結(jié)果如圖6所示。

圖6 諧波抑制比對比結(jié)果

通過定量評價(jià)指標(biāo)諧波抑制比對比結(jié)果可以看出，采用本文方法的車載通信設(shè)備諧波抑制比明顯高于采用另三種方法的車載通信設(shè)備，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明采用本文方法的車載通信設(shè)備抑制電磁環(huán)境諧波干擾能力明顯優(yōu)于采用另三種方法的車載通信設(shè)備。

靈敏度是體現(xiàn)電磁環(huán)境下車載通信設(shè)備接收微弱信號能力的重要評價(jià)指標(biāo)，利用車載通信設(shè)備的靈敏度作為評價(jià)設(shè)備整體性能指標(biāo)，通過定向耦合器可測量車載通信設(shè)備接收機(jī)靈敏度，采用不同方法的車載通信設(shè)備靈敏度對比結(jié)果如圖7所示。

通過圖7實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用本文方法的車載通信設(shè)備靈敏度明顯高于另三種方法，采用本文方法的車載通信設(shè)備在電磁環(huán)境下信號微弱時(shí)數(shù)據(jù)接受能力明顯高于另三種方法，再次驗(yàn)證本文方法提升電磁環(huán)境下車載通信設(shè)備抗干擾適應(yīng)性能力。

圖7 靈敏度對比結(jié)果

表1 貼近度對比

利用貼近度評價(jià)車載通信設(shè)備在不同電磁環(huán)境干擾信號下抗干擾適應(yīng)性，設(shè)置貼近度范圍為[0，1]，貼近度為0時(shí)，表明車載通信設(shè)備對電磁環(huán)境干擾信號適應(yīng)性最差，即車載通信設(shè)備無法正常工作；貼近度為1時(shí)，表明車載通信設(shè)備對電磁環(huán)境干擾信號適應(yīng)性最高，即車輛通信設(shè)備不受電磁環(huán)境干擾影響或影響極小，車載通信設(shè)備各項(xiàng)工作均可正常運(yùn)行。不同方法抗干擾適應(yīng)性貼近度對比結(jié)果如表1所示。

通過表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，不同電磁干擾噪聲情況下，采用本文方法的車載通信設(shè)備適應(yīng)性貼近度均高于0.9，說明本文方法在不同電磁干擾噪聲下均可保持良好的通信性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果再次驗(yàn)證本文方法提升電磁環(huán)境下車載通信設(shè)備抗干擾適應(yīng)性有效性。

3 結(jié)論

利用波束賦形技術(shù)抗干擾方法有效提升電磁環(huán)境下車載通信設(shè)備的抗干擾適應(yīng)性，并通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證采用該方法的車載通信設(shè)備具有很好的抗復(fù)雜電磁環(huán)境干擾信號效果，可有效抑制電磁環(huán)境下干擾信號，提升車載通信設(shè)備通信質(zhì)量，可應(yīng)用于車載通信設(shè)備實(shí)際應(yīng)用中。