王 雯，路宏敏，張光碩，陳沖沖，張世巍

(1.西安電子科技大學 電子工程學院，陜西 西安 710071; 2.中國北方車輛研究所，北京100072)

地面車輛裝備有大量成套的電子設(shè)備，可滿足通訊、指揮、導(dǎo)航、預(yù)警、跟蹤、武器系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)分析處理等多重任務(wù)要求。但是，在裝備作戰(zhàn)能力大幅提高的同時，裝備內(nèi)部電磁環(huán)境愈發(fā)惡劣，車載電臺作為通信車輛重要的核心部件之一，易受周圍復(fù)雜電磁環(huán)境的干擾，導(dǎo)致其性能降低或喪失，影響戰(zhàn)場上的指揮控制能力[1-3]。因此，研究車載通信設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境中的電磁兼容性問題顯得尤為重要。

針對通信設(shè)備所面臨的電磁兼容性問題，國內(nèi)外研究人員展開了大量研究。文獻[4]對接收機共址干擾進行了研究，基于半經(jīng)驗計算方法定量分析了通信系統(tǒng)的干擾效應(yīng)。文獻[5]提出了一種用于評估車載通信系統(tǒng)電磁兼容性的四級評估模型，對系統(tǒng)級EMC(Electromagnetic Compatibility)進行定性評估[6]。文獻[7]對通信車輛的電磁兼容性能進行了分析，并對接收機脫敏風險認證提出若干產(chǎn)品規(guī)范。上述研究均從系統(tǒng)級角度出發(fā)，未對設(shè)備級電磁兼容問題展開討論。文獻[8]利用測試數(shù)據(jù)對接收機阻塞干擾響應(yīng)進行建模研究，但未對受擾設(shè)備的應(yīng)用風險進行評估。本文從設(shè)備級電磁兼容角度出發(fā)，對受擾超短波電臺進行研究，并分析了接收機減敏特性，建立了天線端口干擾電壓與接收機減敏量的量化模型，定量分析了該超短波電臺的受干擾情況。研究結(jié)果表明，本文的量化模型具有較高的精度，88%的測試頻點誤差在6 dB限值范圍內(nèi)。同時，為綜合分析車載電臺的受干擾情況，從受擾電臺的應(yīng)用層面出發(fā)，利用本文所建立的量化模型，采用層次分析法，提出了一種可表征受擾車載電臺通信效能的評估方法。實例分析證明該評估方法可直觀地體現(xiàn)出受擾車載電臺的通信效能降級情況。

1 接收機減敏特性分析

處于復(fù)雜電磁環(huán)境中的接收機，從天線接收有用信號的同時，會夾帶著若干個干擾信號進入接收機內(nèi)部。這些干擾信號會使接收機工作于非線性狀態(tài)，導(dǎo)致進入接收機的有用信號增益降低，發(fā)生減敏現(xiàn)象[1-3]。

接收機減敏是一種非線性效應(yīng)。本文選取冪級數(shù)模型[9-10]來描述接收機輸入輸出的非線性特性。冪級數(shù)模型是一種非線性模型，結(jié)構(gòu)簡單，模型系數(shù)辨識度高，與其他模型相比能更直觀地表示非線性特性所帶來的各階失真。

圖1 接收機簡易模型

假設(shè)接收機輸入端的輸入信號為

Vin(t)=A1cos(w1t)+A2cos(w2t)

(1)

式中，A1cos(w1t)為從天線端口接收到的有用信號；A2cos(w2t)為從天線端口接收到的干擾信號，且A2?A1。

接收機輸出端的輸出信號Vout(t)可表示為

(2)

接收機的非線性主要是由二階以上系數(shù)不為0的項所引起的，越高次項對于輸出的貢獻越小。此處忽略三階以上項所帶來的非線性效應(yīng)[11]，則接收機輸出端的輸出信號如式(3)所示。

(3)

將式(1)的輸入信號代入式(3)，可得接收機的非線性輸出為

Vout(t)=a1(A1cos(w1t)+A2cos(w2t))+

A1A2cos(w1t±w2t))+

(4)

式(4)中包含各階諧波以及交調(diào)分量。由于輸入干擾信號幅值遠大于輸入有用信號幅值，故式(4)中的微小項在輸出時將被忽略，且式(4)中的各階諧波與交調(diào)分量需經(jīng)濾波器處理，則最終輸出的有用信號Vout1(t)為

(5)

輸出的干擾信號Vout2(t)為

(6)

上述兩式中，為了符合增益壓縮特點，a3一般均小于0，即輸出有用信號的增益由于干擾信號的輸入而減小，這將導(dǎo)致接收機接收微弱信號的能力降低，接收機靈敏度下降[12]，這也是接收機減敏的原理。

2 天線端口干擾電壓與減敏量化模型

2.1 量化模型的建立

接收機靈敏度計算式為

S(dBm)=10lg(N)+NF+(S/N)

(7)

式中，N為系統(tǒng)噪聲，N=KTB，室溫1 Hz帶寬下系統(tǒng)噪聲為-174 dBm；NF為噪聲系數(shù)；SNR為信噪比；S/N為解調(diào)信噪比。

假設(shè)無干擾時接收機靈敏度為S1，受干擾后接收機靈敏度為S2，則接收機減敏量ΔS為

ΔS=S2-S1

=NF2-NF1

(8)

式中，NF2為存在干擾時的噪聲系數(shù)；NF1為無干擾時的噪聲系數(shù)。

由于車載通信設(shè)備輸入信噪比可維持在一個固定值上，有SNRin1=SNRin2，故式(8)可簡化為式(9)。

ΔS=10lg(SNRout1)-10lg(SNRout2)

(9)

(10)

假設(shè)接收機從天線端口同時接收到的干擾信號電壓為Vin2=A2cos(w2t)，功率P2=A22/(2R)，由式(5)與式(6)可知，此時接收機的輸出信噪比SNRout2為

(11)

將式(10)、式(11)代入式(9)中，可得接收機減敏量與天線端口干擾電壓關(guān)系式為

ΔP=-10lg(N)-10lg[(a12+6a1a3RP2+9a32R2P22)]+

(12)

式中，R=50 Ω；a1、a3的值表征接收機的非線性特性，針對不同的接收機，且a1和a3的值不同。

2.2 量化模型求解

基于某型號超短波電臺在暗室內(nèi)測量的天線端口干擾電壓與接收機靈敏度的試驗數(shù)據(jù)來求解上述量化模型。超短波電臺工作頻段為30～88 MHz，試驗數(shù)據(jù)包含測試頻點相對應(yīng)的峰值干擾電壓與接收機靈敏度標定值。圖2為試驗測試數(shù)據(jù)分布圖。

(a)

采用MATLAB擬合工具箱cftool對試驗數(shù)據(jù)進行擬合。本文對量化模型進行多次優(yōu)化，并引入噪聲因子c[13]，最終求得量化模型為

(13)

式中，a1=-0.299 2；a3=-2.875；c=0.324 8。

模型中引入噪聲因子c，系統(tǒng)噪聲增加至-116 dBm。這是由于在實際測試中，車載電臺周圍環(huán)境溫度高于正常室溫，并且試驗過程中存在一定的測試誤差。圖3為擬合模型結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)誤差分布圖。從圖中可以看出，絕大多數(shù)頻點落在6 dB限值范圍內(nèi)。將量化模型擬合結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)相比較可以發(fā)現(xiàn)，除去3個明顯誤差點后，85%的測試頻點量化誤差在6 dB限值內(nèi)，表明所求量化模型具有較高的精準度。

圖3 擬合模型結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)誤差分布圖

2.3 量化模型驗證

為驗證量化模型的有效性，對上述超短波電臺進行實測。本文共選取100個測試頻點，測量數(shù)據(jù)包含與頻點相對應(yīng)的峰值干擾電壓與靈敏度標定值。圖4為實測數(shù)據(jù)分布圖。

(a)

利用峰值干擾電壓計算干擾功率，并代入量化模型式(13)中。通過量化模型計算得到的減敏量與實測數(shù)據(jù)的減敏量誤差，如圖5所示。

圖5 模型計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)誤差分布圖

從圖5可以看出，除去5個明顯誤差點，88%的測試頻點量化誤差在6 dB限值內(nèi)。綜上所述，所求量化模型可用于定量分析車載電臺的受干擾情況。

3 受擾車載電臺通信效能評估

面對車內(nèi)復(fù)雜電磁環(huán)境，車載通信設(shè)備的工作狀態(tài)、通信效能、功能需求等是車載通信設(shè)備通信效能評估[14]的重要內(nèi)容。

3.1 評估指標

在現(xiàn)今作戰(zhàn)指揮中，車載通信設(shè)備在達到最大通信距離的同時，還承擔著語音通話以及信息收發(fā)等任務(wù)[15]。針對車載通信設(shè)備所承擔的任務(wù)類型以及所具備的必要要求，進行受擾車載電臺通信效能評估時，需選取可表征上述條件的3個關(guān)鍵指標[16]，包括語音清晰度指數(shù)、誤碼率和最大通信距離。

3.1.1 語音清晰度指數(shù)

清晰度指數(shù)(Articulation Index，AI)是用來評價語音清晰程度的一種參數(shù)[17]。通信過程中，語言的清晰程度是評定通話質(zhì)量的重要指標之一，因此選用語音清晰度指數(shù)作為反映語音通話質(zhì)量的性能指標。語音清晰度指數(shù)計算模型為

A(r)=

(14)

式中，r為接收機信噪比，單位為dB。

3.1.2 誤碼率

誤碼率(Symbol Error Rate，SER)是通信系統(tǒng)中最常用的指標，本文通過誤碼率來評價通信過程中信息收發(fā)的質(zhì)量。誤碼率在通信系統(tǒng)中被定義為錯誤碼元數(shù)與傳輸總碼元數(shù)之比，是衡量信息傳輸質(zhì)量的重要指標。針對目前通信系統(tǒng)中典型的調(diào)制方式，可通過現(xiàn)有固定表達式進行誤碼率計算。調(diào)制方式為2FSK情況下的誤碼率計算式為

(15)

式中，r為接收機信噪比，單位為dB。

3.1.3 最大通信距離

最大通信距離常被用于評估無線通信設(shè)備受干擾程度。自由空間傳播的通信距離計算式為

L=32.44+20lgD+20lgf

(16)

式中，L為傳播損耗，單位為dB；D為通信距離，單位為km；f為通信頻率，單位為MHz。

3.2 評估方法

本文選用層次分析法[18]來評估受擾車載電臺的通信效能。利用前文選取的3個關(guān)鍵指標來建立評估體系，然后通過計算確定各層次指標的權(quán)重值。所建評估模型如圖6所示。

圖6 受擾車載電臺通信效能評估指標體系

通信效能為

Y=0.429×(1×A+1×B)+0.143×(1×C)

(17)

式中，A為語音清晰度指數(shù)的歸一化計算值；B為數(shù)據(jù)通信誤碼率的歸一化計算值；C為最大通信距離的歸一化計算值。

通過計算，可將受擾車載電臺通信效能的評估等級分為優(yōu)秀、良好、合格與不合格4個等級，具體劃分詳見表1。

表1 通信效能評估等級

3.3 實例分析

選用試驗測試中的超短波電臺，該超短波電臺工作在定頻或跳頻模式下，接收機輸出最大信噪比為12 dB，輸入最大射頻信號功率不大于-113 dBm，在中等起伏地形下，其最大通信距離為25 km。通過實測天線端口干擾電壓的幅值，利用章節(jié)2所得的量化模型可計算出接收機的減敏量，進而得出該電臺各性能指標的下降情況。表2為受擾通信設(shè)備性能指標值。

表2 受擾通信設(shè)備性能指標值

對表2中評估指標的指標值進行歸一化，利用上述受擾車載電臺通信效能評估指標體系對該受擾車載電臺進行評估。表3為受擾通信設(shè)備評估結(jié)果。

表3 受擾通信設(shè)備評估結(jié)果

在3個干擾電壓中，干擾電壓1的幅值最小，理論上電臺受擾程度最低；干擾電壓3的幅值最大，其電臺受擾程度最大。通過評估計算可知，電臺受干擾電壓1的影響最小，其通信效能評估值最大，通信效能優(yōu)秀；電臺受干擾電壓3的影響最大，其通信效能評估值最小，通信效能合格。上述分析結(jié)果證明了所建評估模型的有效性與可行性。

4 結(jié)束語

本文通過對接收機非線性效應(yīng)以及減敏現(xiàn)象的分析，基于試驗數(shù)據(jù)，建立了一個可直觀表示接收機減敏量與天線端口干擾電壓關(guān)系的量化模型。所建模型量化結(jié)果與實測數(shù)據(jù)誤差分析表明，超過85%的測試頻點的誤差量保持在6 dB限值內(nèi)，模型具有較高精度，可用于定量分析車載電臺在車內(nèi)復(fù)雜電磁環(huán)境中的受干擾情況。基于所建立量化模型，本文從實際應(yīng)用角度出發(fā)，采用層次分析法提出了一種可表征受擾車載電臺通信效能的評估方法，通過實例驗證了該評估方法的有效性和可行性，評估結(jié)果可直觀反映受擾車載電臺的受干擾程度。