无线电同址干扰定量分析方法研究

赵 波 全厚德 崔佩璋

（军械工程学院光学与电子工程系，河北 石家庄 050003）

1.引 言

随着电磁环境的日益复杂，车载、舰载、机载通信系统一般同时装配多部短波、超短波跳频电台，当这些电台同时在一狭小区域内工作时，由于天线间距很近，发射机和邻近接收机的收发电平相差很大（可超过100dB），会产生严重的同址干扰，导致接收机阻塞或减敏［1］。同址干扰的定量分析是复杂通信系统工作的重要组成部分，它一方面为现有通信系统跳频组网性能的评估，以及跳频电台工作参数的合理分配提供了理论依据，另一方面也为将来通信系统的设计和电台的配置提供了有力的指导。

同址干扰的定量分析极为复杂，涉及到天线耦合度计算、传输损耗估计、电台射频前端分析等许多知识［2－4］，更重要的是需要大量的实验数据进行验证。鉴于此，国内对这一问题的研究尚属空白。现有的文献仅仅是从电磁兼容、天线间耦合度预测、天线布局优化等方面进行分析［4－7］。相对而言，国外对同址干扰的研究起步较早，在20世纪70年代ITT研究院的电磁兼容中心就发布了共址分析模型（Cosite Analysis Model），同时期的还有亚特兰大综合电子研究公司开发的舰船电磁兼容分析（SEMCA）和Litton公司开发的干扰预测模型（IPM）等软件，以及 UNIsite公司最新开发的 UNIstar［8－9］，同时，国外通过大量实验，分别从电磁兼容、同址干扰抑制和消除、复杂天线平台建模、天线位置优化等方面进行了研究［9－11］，但是，这些研究都仅限于同址干扰的某一方面，没有综合考虑各方面的因素，建立比较完整、系统的同址干扰分析模型。

以车载通信系统为对象，按照理论为主，实验为辅的方式，构建了同址干扰分析模型。首先在同址干扰平台上，通过大量实验和仿真得到了功率耦合度指标，接着，对接收机性能，特别是针对同址干扰的滤波、抑制性能进行了分析，最后，对电台常用的调制、编码、交织模式进行了深入研究，综合以上所有因素构建了无线电同址干扰的定量分析模型。同时，为了验证模型的准确性，以误码率为目标，通过功率衰减、合成、监测等器件，建立了同址干扰下的有线平台进行验证。结果表明：模型的建立为深入分析误码率、干扰功率、信号功率、工作频率等参数之间的关系奠定了基础。

2.同址干扰问题分析

2.1 同址干扰平台

在车载通信系统中，同址工作的无线电台有图1中的两种情形。在图1（a）中，两部无线电台在同一辆战术电台车上，天线之间的间距固定，一部作为同址接收机与远端的发射机正常通信，一部作为同址的干扰发射机。在图1（b）中，两部共址无线电台在间距为dx的两辆战术电台车上，天线间距dx可变。

如图1所示，同址工作的无线电台距离很近，发射机会对邻近的接收机产生较强的干扰信号，从而导致接收机工作性能下降。数据传输作为电台最为重要的功能，同址干扰对数据传输的影响是我们十分关心的问题。为了定量分析同址干扰的影响，必须深入分析同址电台的工作频率、发射功率、接收机性能等多方面的因素，建立合理的同址干扰模型。

2.2 耦合度

耦合度是判断天线间干扰程度和电台间射频传输损耗的重要参数，同址发射机耦合到同址接收机中的干扰功率大小，是分析误码率的重要指标。针对图1中的两种工作平台，已经在前面的文章中进行了分析和研究［12］，其中，图1（a）中的情形可以采用耦合实验的方式得到近场区（菲涅耳区域）的天线耦合度，图1（b）的情形则采用自由空间传播方式计算功率耦合度。表1是图1（a）中，针对两种不同天线，在不同工作频点下的耦合度统计均值。

表1 近场区耦合度统计

假设同址干扰台发射功率为Psend，正常通信电台在接收机处的信号大小为Prec，功率耦合度为C，可以得到干扰电台在接收机端的干扰功率为

在得到耦合度指标，并且已知同址电台工作参数时，Pinterference、Prec，以及同址工作电台之间的频率间隔Δf都可以得到，这时，分析的重点就是电台的接收性能对同址干扰的抑制大小。

2.3 接收机性能

在同址干扰情况下，输入同址接收机的不仅有正常的通信信号Prec，还有干扰功率Pinterference，以及环境的热噪声PNoise，为了定量计算同址干扰下的误码率，必须深入分析接收端的各个组成部分。图2是超外差式接收机模型，主要由放大器、滤波器、混频器组成。

图2 射频前端模型

图2中标出的各个数值分别是接收机射频前端组成部分的损耗、增益、噪声等，这些参数用以计算接收信号的增益以及等效噪声。图2中的中频滤波器和DSP（数字信号处理）滤波是抑制干扰的主要器件，通过计算干扰信号滤波后的功率，就可以得到进入最后解调模块的干扰功率大小，从而为计算信噪比和误码率奠定基础，这里特别需要考虑的是非线性器件的工作特性［3］。

同址工作电台之间的频率间隔Δf，决定了滤波器对干扰的抑制大小。对于滤波器性能的估计，通常有两种方法，一是根据技术说明书中给出的一些频点的衰减量，通过插值的方式拟合滤波器的性能曲线［6］，二是通过实验，对滤波性能进行估计。

3.同址干扰模型和实验平台

3.1 模型的建立

通过前面的分析，可以知道，数据误码率（BER）主要与Pinterference、Prec、Δf和接收机滤波性能等因素有关。其中，在正常通信状态下，Prec可以近似看作一个固定值，这时，可以用Δp，即干扰功率与通信信号功率之差代替Pinterference和Prec.此外，电台的调制、编码、纠错方式同样会对最终的误码率产生影响，这些都是必须综合考虑的问题。在大量实验和理论分析的基础上，构建了同址干扰的误码率分析模型［12］，如图3所示。

图3 同址干扰定量分析模型

在图3中，天线参数主要包括天线类型、同址电台天线距离、近场和远场区的划分等，同址电台工作参数主要是发射机功率、电台工作频率等，通过这些参数就可以确定在同址接收机端的Pinterference、Prec、Δf，结合接收机的性能，就可以计算进入DSP解调模块的信号、干扰功率大小，这时就可以将干扰功率等效为噪声，计算信噪比。

这里需要特别指出的是：在理论分析时，干扰信号在通过射频前端和DSP内部滤波时，要以信号频谱的方式进行拓展分析，详细计算干扰信号频谱经过滤波器衰减后的波形，最后对衰减后的干扰信号频谱的功率进行积分计算，从而得到真正进入解调模块的等效噪声。为了增加计算的准确度，干扰信号频谱可以通过频谱分析仪传输给计算机得到。

3.2 误码率分析模块

误码率分析模块是包含各种电台常用的调制方式、交织模式、编码方式的函数库，依据得到的信噪比，计算最终的误码率指标。这里以某软件无线电台为例，深入分析系统的流程。实验对象的组成如图4所示，它采用8PSK的内调制方式，以及RS编码和分组交织模式。

图4 系统组成

通过同址干扰分析模型，已经得到了输入DSP内解调部分的信噪比，下面主要对DSP内部的解调、交织、纠错性能进行研究，分析各个组成部分对误码率的影响。

对于RS［n，k］编码，能纠正的错误符号个数为t＝⎿（n－k）／2」，RS编码系统的符号误码率［13］为

式中，ps表示调制信道的误码率。当使用交织深度为q的（p，q）分组交织器时，则结果变为RS［qn，qk］码，可以纠正多达qt个符号的突发差错，则经过RS编码和字符交织之后的符号误码率为

对于MPSK解调，误码率的计算公式为［14］

当M比较大时，MPSK的误码率公式可以近似写为［14］

式中，r为信噪比。对于有些通信信道和调制方式而言，知道的不是误码率ps，而是比特差错率pb.在纯随机差错的假设条件下，可有［13］

式中，m是每个符号的比特数。

对于任意的实验对象，都存在类似的公式（1）～（6），可以用来计算同址干扰下的误码率，从而构建完整的同址干扰定量分析模型，通过选取不同的Δp、Δf等指标，深入分析同址干扰各参数之间的相互影响。

3.3 同址干扰实验平台

为了对同址干扰模型的准确性进行评估，构建了同址干扰的有线实验平台，对同址干扰下的误码率指标进行测试，分析误码率与同址电台工作频率间隔、功率大小之间的相互关系，为理论研究提供支持、验证，实验平台如图5所示。

采用有线连接方式的一大优点就是所有指标都是可控、可调节的，特别是电台的功率参数。图5中的功率合成器可同时输入多路信号，这里暂时以两路信号合成为例，分析一路干扰下误码率指标变化，以后可逐步增加。为了防止功率泄露影响测试结果，将一部电台作为同址接收机置于电磁屏蔽室内，其他两部电台置于屏蔽室外，分别作为通信电台和同址干扰电台。

图5 同址干扰下的误码率测试平台

误码率测试的基本流程为：计算机产生测试数据送入电台，通信电台和同址干扰机两路信号都先经过100W、40dB的固定衰减器，以及小功率固定衰减器，目的是将电台功率调整到接收机合适的接收区间，数控衰减器的作用则是通过计算机控制定量调节功率，耦合器的作用是通过频谱仪监测功率调节的结果，最后，解调的数据送入计算机，计算干扰下的误码率。

3.4 测试过程

以任意一种电台为实验对象，在图5所示环境下，通过改变信号、干扰的间隔频率，以及功率大小，分析同址干扰对数据误码率的影响，实验过程如下：

1）通过调整、固定数控衰减器，使正常通信信号Prec大小固定，假设通信电台和接收机的工作频点为f0，则同址干扰机的工作频点应在f－N，…，f－1和f1，…，fN范围变化。

2）选定同址干扰机的工作频点fn，设定发射功率Pinterference，通过计算机控制通信电台和同址干扰机同时发射信号，通过一定时间的数据接收后，计算误码率。

3）调节数控衰减器，以1dBm为单位增加或者减少2）中的同址干扰机功率，重复测试，记录误码率数值，通过反复测试，找出误码率从0到0.5的变化范围。

4）改变同址干扰机工作频点fn，重复2）～3）的测试，详细记录不同频点处的误码率变化。

正常发射电台与同址接收机之间的通信，由于受到不同功率，不同频率间隔下的同址干扰机影响，使得接收机的误码率不断变化，可以看作

式中：Δf为同址干扰机与接收机的频率间隔；Δp为干扰功率Pinterference与通信功率Prec之差。

4.理论分析和实验结果比较

以图4中的软件无线电台为例，按照同址干扰的定量分析模型，对同址干扰下的重要指标进行研究，并结合图5中的有线测试平台进行实验验证，深入分析BER、Δf、Δp这几个重要参数之间的相互关系。

实验过程中可以任意选取电台工作频点f0，并逐一对其两侧频点进行干扰实验。通过改变Δf、Δp的数值，分析各参数之间的相互关系。图6是Δf一定时，BER与Δp的关系曲线。

从图6可以看出：理论和实验结果基本一致，理论分析结果的误码率会大于0.5，这与电台的调制解调方式有关，对于公式（3），误码率最大可以达到1，有的理论公式最大为0.5。对于测试电台，在实验过程中，当误码率超过0.5后会堵塞接收机前端，通信中断，所以实际测试误码率最大为0.5。在图6中，当Δf为3、5、8kHz时，BER与Δp之间都存在类似曲线，基本上当Δp变化5～10dB时，BER从0上升到0.5.对应Δf为3、5、8kHz，BER达到0.5的Δp分别约为27，43，63dB.假设短波电台频率间隔为0.1kHz，则说明当Δp为63dB时，为了避免同址干扰影响，同址发射机和接收机必须间隔80个频点以上才能正常工作。

图7是Δp一定时，BER与Δf之间的关系曲线，理论和实验结果基本一致。从图7可以看出：对于Δp为45dB，只有Δf大于7kHz，即70个工作频点时，才能基本消除同址电台之间的相互影响，当Δp为25dB时，要求Δf约为4.6kHz.

图7 BER与Δf的关系曲线

图8是BER一定时，Δp与Δf之间的关系曲线。从图8可以看出：当BER一定时，随着Δf的增加，Δp也逐渐增加。图8给出了BER为0和0.5的关系曲线，当同址电台的工作参数位于它们之间时，BER也介于二者之间。为了避免同址干扰的影响，当Δf固定时，Δp的数值应控制在BER为0的曲线下方。

图8 Δp与Δf的关系曲线

总之，在同址干扰环境中，同址发射机和接收机之间的工作频率间隔、天线之间的耦合功率大小、接收机性能等因素都会对接收机的误码率产生影响，必须综合考虑模型中各方面的因素，才能实现电台参数的合理配置，最大限度地发挥通信性能。

5.结 论

通过大量理论分析、研究，建立了以误码率为目标的同址干扰定量分析模型，通过实验平台进行了验证。该模型可以应用于车载、舰载、机载通信系统的同址干扰分析，并对参数配置、系统设计提供指导。由于跳频电台的瞬时频点难以实时把握，文中的模型和实验平台建立在定频模式基础上，下一步拟通过将分析结果与跳频序列、组网形式相结合，进一步对跳频通信、组网性能进行评估和预测。

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