馬振洋，史超翰 ，丁 橋，周仁平，毛新勝

(1.中國民航大學安全科學與工程學院，天津，300300；2.中電科航空電子有限公司，成都，611731)

隨著航空電子技術的發(fā)展，機載設備所處的電磁環(huán)境日益復雜，加之全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的不斷完善[1-3]，同頻和鄰頻的電磁信號越來越多，使銥星機載接收機的工作條件更加苛刻[4-6]，因此其電磁防護受到重點關注，對銥星機載設備的接收信號進行電磁干擾分析更有重要意義。

文獻[7]提出了利用銥星機會信號實現(xiàn)定位的方法，采用FFT和最大似然估計方法對銥星單音信號進行有效多普勒頻移測量；文獻[8]提出利用STL信號實現(xiàn)非合作導航定位算法，采集銥星信號后對其中STL信號部分進行解調，從時域和頻域分析其定位誤差；文獻[9]提出了融合Orbcomm和Iridium衛(wèi)星的時分和頻分多址信號的接收器架構，結合EKF實現(xiàn)定位；文獻[10]從可見衛(wèi)星數(shù)量和幾何精度稀釋兩個方面對銥星的導航性能進行了仿真分析，并與其他導航系統(tǒng)進行了對比；文獻[11]提出一種減輕銥星信號所受射頻干擾的算法，仿真對比了應用算法前后信號的完整性；文獻[12]用誤碼率計算對銥星上行鏈路產生有效干擾的功率要求，并用Matlab仿真了誤碼率和干擾功率的關系。

以上文獻主要研究了利用銥星實現(xiàn)定位的方法、銥星導航性能的分析及抗干擾算法的優(yōu)化，分析了上行鏈路的有效干擾功率，但并未關注機載設備接收鏈路的抗干擾情況，因此本文評估了銥星機載設備接收下行信號時受到不同干擾的誤信率。通過隔離度分析和接收過程建模，首次仿真了不同占空比、頻率的干擾對接收信號的影響，并進行了話音質量測試。

1 理論基礎

1.1 隔離度

接收系統(tǒng)所受的射頻干擾主要有鄰頻、阻塞、互調3種，外部干擾通過天線耦合進入接收機。在研究不同干擾對銥星下行信號的影響前，需確定銥星機載天線對不同干擾的接收程度，因此首先分析天線間隔離度。

通常天線間的隔離分為水平、垂直、組合梯形3種方式，由導航天線在飛機上的安裝位置可知，水平隔離為主要工作場景。

干擾耦合模型見圖1，干擾信號從發(fā)射機射頻端口經(jīng)發(fā)射通道、發(fā)射饋電系統(tǒng)、發(fā)射天線、空間傳輸路徑到達接收天線，進入接收饋電系統(tǒng)、接收通道。

圖1 天線耦合模型

不考慮機身的屏蔽效應等，兩天線端口隔離度計算公式為[13]：

PC=Pt-Pr=L+Lp-D1-D2

(1)

式中：Pt和Pr分別為發(fā)射機和接收機端口輸出或輸入的干擾功率；L為線纜損耗，取典型值3 dB；D1和D2分別為兩天線連線方向上各自的增益；Lp為自由空間傳輸損耗。

Lp=32.45+20lgF+20lgD

(2)

式中：F為工作頻率，MHz；D為傳輸距離，km。

根據(jù)實際裝機的天線間距，以2 m(最惡劣情況)為參考，增加4 m和8 m以觀察隔離度隨距離變化情況;根據(jù)銥星的用戶鏈路頻段，頻率范圍為1 614～1 626 MHz。

則上述公式簡化為：

PC=-3.2+20lg(FD)

(3)

計算結果見表1。

表1 天線隔離度理論計算值

1.2 誤信率

銥星下行鏈路傳輸90 ms的突發(fā)信號，由2.6 ms無調制單音信號、BPSK調制獨立字、QPSK調制數(shù)據(jù)信息組成。其數(shù)據(jù)傳輸速率為50 kbps，信號模型為[14]：

s(t)=Ab(t-τ)exp(jωt)+n(t)

(4)

式中：b(t)為發(fā)射數(shù)據(jù)碼片頻率，常見值為1 023ω；τ為碼片周期；A與接收機響應、路徑損失等相關；n(t)為AWGN。

在無外加干擾時，下行信號的載噪比表達式為[15]：

(5)

式中：PEIRP為等效全向輻射功率；G為接收天線的增益；T為接收系統(tǒng)噪聲溫度；K為玻爾茲曼常數(shù)。

加入干擾后，載噪比的表達式變?yōu)閇16]：

(6)

式中：R為擴頻碼速率，常見值為1.023 Mbit/s;j/s為干信比;Q為抗干擾品質因數(shù)。

QPSK調制下信號的誤碼率為：

(7)

根據(jù)機載設備的實際工作環(huán)境，處于同頻和鄰頻的導航信號對其影響較大，此外還有信道中的噪聲，這些信號調制方式包括BPSK、QPSK等，因此主要考慮寬帶干擾和窄帶干擾下接收鏈路信號的性能。一般而言，干擾對信號的影響與其功率、重疊頻率呈正相關，接收機的內部架構也使得不同調制方式的干擾帶來的影響不同。

2 仿真建模

2.1 隔離度的建模

由于銥星機載天線工作在L波段，主要考慮同頻和鄰頻的外部干擾信號，因此采用某L波段天線為發(fā)射端，銥星天線為接收端，進行隔離度建模。

將機身模擬為直徑1.2 m的金屬平面。根據(jù)實際所用型號天線，在HFSS中建立天線模型，見圖2。L波段天線采用單層結構，正方形貼片邊長為22.5 cm，每邊中點處分別加寬度為4 cm、長度為3 cm和6 cm的短截線，介質基板的材料為Arlon AD450，相對介電常數(shù)為4.5，采用同軸線饋電，饋電點在對角線距離中心6.75 cm處,過孔直徑為3 cm。兩天線水平放置。仿真時端口類型設為集總端口，饋入功率為1 mW，輻射邊界為空氣腔，采用Interpolating求解器。結果如圖3。

(a)L波段天線

圖3 隔離度仿真結果

可以看出，兩天線間的隔離度受到天線間距、相對位置、信號頻率、干擾頻率等因素的影響。

同一距離下，帶內干擾的頻率改變對隔離度影響很小，天線對干擾信號的接收沒有明顯差異；但隨距離加倍，隔離度增加約6 dB，與計算結果一致；相同功率和距離下，銥星天線對不同頻率的帶內干擾信號未呈現(xiàn)明顯選擇性。

2.2 誤信率的仿真

銥星下行鏈路信號的結構及接收過程示意見圖4。該突發(fā)信號包括無調制的單音信號、BPSK調制獨立字和經(jīng)DQPSK調制的數(shù)據(jù)信息三部分。數(shù)據(jù)采用 DQPSK 調制，再與經(jīng)BPSK調制的獨立字組合，經(jīng)根升余弦濾波器整形，再前置2.6 ms的無調制單音信號，最后上變頻[17]。信號經(jīng)天線進入接收機，輸入回路選擇特定頻率信號，變頻電路將載波變?yōu)楣潭ㄖ蓄l，中頻信號經(jīng)放大后由檢波電路提取有用信號。部分參數(shù)見表2，計算不同頻率、占空比的干擾下接收信號的誤信率，結果見圖5。

圖4 銥星用戶下行鏈路信號結構

表2 接收過程部分參數(shù)

(a)不同占空比下BPSK干擾的誤信率

可以看出，脈沖BPSK干擾下接收信號的誤信率隨干擾的占空比的增加而增加。帶內和帶外的白噪聲干擾和BPSK干擾對接收信號的影響程度幾乎一致，其值在5.3%～5.5%之間；寬帶和窄帶干擾對信號的影響程度與干擾頻率、干擾帶寬、干擾與有用信號的重疊程度有關。帶內和帶外的單音干擾對接收信號的影響隨頻率變化明顯，在1 618 MHz，1 626 MHz 兩個頻點最大，在1 615 MHz時最小，接收信號的誤信率分別為7.1%、9.1%、5%。

3 實驗方案

3.1 隔離度實驗方案

實驗框圖見圖6。在空曠場地搭建實測平臺，以L波段天線作為發(fā)射端，銥星天線作為接收端，兩天線置于金屬圓盤上，通過線纜與信號源、頻譜儀連接。固定信號源功率，改變信號源頻率和天線間距，使用頻譜分析儀讀取接收功率。

圖6 隔離度實驗框圖

3.2 誤信率實驗方案

實驗框圖見圖7，實驗布置見圖8，實驗設備型號見表3。在空曠場地搭建實測平臺，測試線路損耗后連接設備、疊加特定功率的干擾并調整信號源類型，使用銥星設備撥號，記錄通話質量隨干擾頻率和占空比的變化過程。銥星下行信號由銥星機載天線對星獲取后送入耦合器的直流端，干擾信號由信號發(fā)生器產生后送入耦合端，銥星機載設備接在輸出端。語音測試以固定速度循環(huán)報數(shù)。信號源頻率包括帶外頻點1 575 MHz、1 614 MHz、1 615 MHz，以及帶內1 616～1 626 MHz部分頻點。干擾種類包括寬帶干擾(BPSK和白噪聲)和窄帶干擾(單音信號)。

圖7 抗干擾實驗框圖

(a)機載銥星收發(fā)機

表3 實驗設備和型號

評估接收信號的受干擾情況時，需選取接收機的關鍵性能指標，一般選擇話音清晰度和誤碼率進行分析[18]。除外部干擾，誤碼率還與接收機內部濾波器群時延、IQ不均衡度等有關。

根據(jù)RTCA DO-262E及所用接收機參數(shù)，當設置干擾功率為典型值時，認為接收機內部器件的非線性效應等可以忽略。話音清晰度除與誤信率相關，還受設備質量、傳輸網(wǎng)絡的影響。不考慮其他因素，選擇誤信率量化描述語音清晰程度，量化方式采取移動通信標準。

4 測試分析

4.1 隔離度測試

連接設備后配置信號源功率為0 dBm，帶寬為1 kHz，在不同頻率下依次調整距離，記錄頻譜分析儀示數(shù)。天線距地面高度1.15 m，金屬板直徑1.2 m，線損2.1 dB。

4.1.1 結果對比

實測與仿真對比結果見圖9。

圖9 隔離度的仿真與實測對比

4.1.2 結果分析

在相同的頻率條件下，隔離度隨著間距的增加而增大；在相同的間距條件下，隔離度隨著頻率的增加而增大。在相同間距和功率下，不同頻率的帶內干擾下隔離度差異不大，即銥星天線對此沒有明顯選擇性。

4.2 占空比測試

測試直通、耦合路徑的線損后連接設備，配置信號源調制類型為BPSK、中心頻率1 615 MHz、符號率4.08 Msps、幅度16 dBm；脈沖發(fā)射周期1 s，初始脈寬為100 ms。逐漸增加占空比，使用銥星設備撥號并循環(huán)報數(shù)，記錄通話質量。直流通路衰減1.6 dB，耦合通路衰減32.7 dB。

4.2.1 結果對比

實測與仿真對比結果見圖10。

圖10 占空比變化的仿真與實測對比

4.2.2 結果分析

脈沖BPSK干擾在不同占空比下影響不同。隨占空比增加，品質因數(shù)減小，導致載噪比減小，誤信率增加，干擾逐漸嚴重。當占空比大于0.4后誤信率增加較快，最大值為18.1%。

4.3 抗干擾測試

4.3.1 寬帶干擾測試

測試直通、耦合路徑的線損后連接設備，配置信號源為脈沖調制，周期為10 s、脈寬為2 s、輸出功率16 dBm、根余弦濾波器系數(shù)0.5。分別設定不同中心頻率、符號率的BPSK干擾和不同中心頻率、帶寬的寬帶白噪聲干擾。使用銥星設備撥號并循環(huán)報數(shù)，記錄通話質量。直通路徑損耗1.7 dB，耦合路徑損耗32.9 dB。

4.3.2 窄帶干擾測試

連接設備并配置信號源為連續(xù)發(fā)射、單音信號、輸出功率為16 dBm。使用銥星設備撥號并循環(huán)報數(shù)，記錄通話質量。

4.3.3 結果對比

實測與仿真對比結果見圖11。

圖11 不同干擾的仿真與實測對比

4.3.4 結果分析

不同類型寬帶干擾信號對接收信號的影響近似，其誤信率范圍為6.3%～6.5%。結合公式，誤信率應在干擾和有用信號頻率重疊程度最大時達到最高。帶內和帶外的寬帶干擾對接收信號的影響近似。

窄帶干擾對誤信率的影響小于寬帶干擾，帶內單音干擾造成的誤信率變化趨勢為先下降后上升。干擾程度與干擾頻率有關，因此載噪比和誤信率呈現(xiàn)波動性，當干擾頻率在有用信號功率譜峰值附近時品質因數(shù)的值減小。

4.5 測試結論

圖9、10、11分別對比了實測和仿真、計算的結果，由于實測過程存在溫度變化等因素，且仿真未考慮極化損耗、電磁波的二次輻射等，二者趨勢相同、數(shù)值不同，但足以說明上述分析的合理性。

綜合理論分析和實測結果，對比不同占空比、頻率下的干擾對銥星下行鏈路信號誤信率的影響，可以發(fā)現(xiàn)：相同功率水平下，寬帶干擾比窄帶干擾造成的影響更明顯；不同種類的寬帶干擾造成的影響差異不大；帶內和帶外的寬帶干擾造成的影響差異不大，但窄帶干擾影響呈先減小后增加趨勢；脈沖干擾對接收信號的影響與占空比正相關。

5 結語

本文從誤信率的角度評估了銥星機載設備下行鏈路信號的抗干擾性能，并進行了實測。測試結果可能與設備型號有關，但仍能為銥星機載收發(fā)機的電磁防護設計提供一定參考。后續(xù)如能進行上機測試，則結論將更具普適性。