共址干扰下的车载跳频电台误码率计算与分析

全厚德,赵 波,尹中秋,何 丰

(1.军械工程学院 信息工程系,石家庄050003;2.总参信息化部驻石家庄地区军事代表室, 石家庄050003;

3.解放军驻一二四厂军事代表室, 郑州450062)

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100 dB),会产生严重的共址干扰,特别是多部电台同时跳频工作(参与不同的跳频群网)时,会导致更为严重的网间及网内干扰,导致接收机阻塞或减敏[1]。共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分配提供了理论依据[2],另一方面也为未来通信系统的设计、电台的配置提供了有力的指导。

针对共址干扰下的跳频电台组网问题,国内外缺乏较为系统、全面的研究,仅仅侧重某一方面,例如:共址环境中的天线耦合度预测、天线布局优化、共址干扰抑制和消除,设计低碰撞的跳频序列,以及对跳频碰撞模型的研究[2-6]。文献[7]实现了3 种干扰条件下的误码率计算,其模型反映了共址干扰,但只适合于两部电台间一对一的干扰模式。文献[8]提出了干扰概率的概念,将定频干扰带宽引入干扰概率的计算,但模型只是将干扰带宽与工作带宽相比,无法考虑频表分配对干扰概率的影响。文献[9]在干扰概率基础上,通过与VHF 跳频方式相结合,对跳频组网性能进行了分析和优化,但干扰条件的设定仅依赖于频率间距,缺乏对电台实际性能的研究,而且干扰概率无法代替数字通信中的误码率指标。已有文献针对共址电台开展了很多研究,但模型相对简单,既缺乏系统的实验作为支撑,也没有对天线、电台、跳频等因素进行全面、深入的分析与研究。

本文以车载HF 电台为对象,在大量实验和理论分析基础上,建立了定频模式下的共址干扰分析模型。在此基础上,结合HF 跳频组网方式,提出了跳频系统的误码率计算方法,深入分析了共址条件下,影响跳频组网性能的主要因素,为通信系统配置和设计奠定了基础。

2 HF 电台共址干扰分析

2.1 共址工作平台

在车载通信系统中,共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车载平台上,天线之间的间距固定,一部作为共址接收机与远端的发射机正常通信,一部作为共址的干扰发射机。在图1(b)中,两部共址无线电台在间距为dx 的两辆车载平台上,天线间距dx 可变。

如图1 所示,共址工作的无线电台距离很近,干扰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。在数字通信系统中,误码率(BER)是衡量数据传输正确性的重要指标,这里以BER 为目标,对共址干扰中的主要影响因素进行定量分析。

图1 共址干扰下的无线电台Fig.1 Radios under CI

2.2 主要影响因素

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,同时也是计算共址BER 的前提条件。针对图1 中的两种情形,文献[10-13]中已经进行了研究。其中,图1(a)中的情形可以采用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。

图2 是针对HF 电台的两种不同天线,在图1(a)所示环境中,得到的不同工作频点下耦合度的统计均值曲线。

图2 HF 电台耦合度统计均值曲线Fig.2 Coupling statistical curve of HF radio

假设共址干扰机发射功率为Ps,正常通信电台在接收机处的信号大小为Pr,功率耦合度为C,则干扰电台在接收机端的干扰功率为

通常Pr基本恒定,因此,共址干扰的影响主要决定于共址工作电台之间的频率间隔Δf,以及干扰与信号功率之差:

同时,接收电台的频率选择性、敏感度门限等,以及环境噪声,也会对BER 指标产生影响。因此,共址干扰的主要影响因素有:与空间域相关的耦合度,与能量域相关的电台收发特性和环境噪声,以及与频率域相关的频率间隔。

2.3 实验平台和理论模型

为了深入分析共址干扰对BER 的影响,在定频模式下,分别从实验和理论两方面出发对BER、Δf和Δp 等参数之间的关系进行了研究,从而为跳频组网分析奠定基础。

文献[10]建立了图3 所示的有线实验平台,通过改变共址电台频率间隔、信号、干扰功率,对不同状态下的误码率指标进行了测试,从而对BER、Δf和Δp 三者之间的关系进行了深入的分析与研究。

图3 共址干扰下的误码率测试平台Fig.3 BER test platform under CI

采用有线连接方式的优点是所有指标都是可控、可调节的,实验具有真实性、可重复性。平台主要由电台、固定衰减器、数控衰减器、功率合成器、耦合器等构成。为了防止功率泄露影响测试结果,将共址接收机置于电磁屏蔽室内,其他电台置于屏蔽室外,分别作为通信电台和共址干扰电台。

理论方面则按照图4 所示模型,在文献[12-13]中对BER 性能进行了深入研究。

图4 定频模式下的共址干扰分析模型Fig.4 CI analysis model of fixed frequency model

2.4 共址安全带宽分析

为了衡量共址干扰信号的有效覆盖范围,引入共址安全带宽的概念来分析干扰对频率域的影响。设发射机的发射频率为f T,接收机的调谐频率fR,在电磁干扰的临界情况下,发射机和接收机之间的最小频率间隔为

如果fT>fR,定义Δf min为共址干扰的下限安全带宽,即接收电台为了避免干扰需要向下偏离发射中心频率的间隔;相反,则定义为共址干扰的上限安全带宽。

以HF 电台为例,依据图3 中的平台和图4 中的模型对共址干扰下的重要指标进行研究。HF 数据BER 容限一般为1×10-4[14],因此,这里以1×10-4作为临界状态,给出了Δp 与Δf 之间的理论和实验拟合曲线,如图5 所示。

图5 Δp 与Δf 的关系曲线Fig.5 Relational curve between Δp and Δf

从图5 可以看出,当BER 一定时,随着Δp 的增加,所要求的Δf 也逐渐增加。当Δp 确定时,通过绘制BER 的拟合曲线,可得到所要求的最低频率间隔Δf min,即共址安全带宽。要保持BER 在指定容限之下,工作频率必须大于Δfmin;反之,当频率间隔小于Δf min时,认为工作频点被干扰台覆盖,处于干扰有效区间。

3 误码率计算模型

3.1 跳频组网分析条件

(1)假设有L 辆通信车在同一地点展开工作,每辆车配有nL部HF 电台,单车上的每部电台分别与远端电台组成nL个跳频通信网进行通信,同时存在同车和车际间共址干扰;

(2)HF 电台采用天波传播,由于电离层的时变特性,存在所谓的频率“窗口现象”,导致不同方向通信的频率带宽一般在50 ～500 kHz和1 MHz范围[14],所以在不同的环境和时段下,HF 通信一般采用窄带跳频;

(3)跳频序列由伪码发生器随机产生,跳频间隔为ΔF,跳频频表的频率点数为N,则在每一瞬时,电台i 落在N 个跳频点上的第j 个频点的事件呈等概率分布,受窄带跳频的限制,共址工作的各电台都在同样N 个跳频点上工作,跳频状态相互独立;

(4)若系统内共有n 部电台,而跳频系统在每一工作瞬时是否受到干扰是一确定事件,可按定频模式进行分析,相应地引入瞬时干扰判据;

(5)通过实验和理论分析,可以在已知耦合度、干扰功率、信号功率、BER 容限等参数的基础上,确定共址安全带宽Δfmin,则瞬时干扰判据为:在某时刻t,若某受试台工作于频点fi,而干扰台工作于频点fj时,若,则受试台在该瞬时被干扰。

3.2 误码率计算

跳频系统受干扰时,误码率可以近似为[14]

其中,J 为受干扰频点数,N 为跳频点数目,这里以第i 部电台为对象,将其看作受试台,其余n -1 部看作干扰台,计算受试台i 的受扰频点J 。

在某一时刻,n-1 部干扰台对应的瞬时跳频点分别为{fj1,fj2, …,fjn-1},每一部干扰台对应的频点覆盖范围Δfmin由公式(1)～(3)决定。公式(1)中的耦合度C,对应图1 有下面两种计算方法:

或者

式中,W 为近场耦合度的拟合曲线,dx 为电台间距,f j 为瞬时工作频率,Gt、Gr 分别为天线的发射和接收增益。

此时,干扰台k 工作在频点fjk,对应频点覆盖范围为Δfkmin,干扰台k 对邻近工作频点的干扰覆盖范围为

为了避免共址干扰,这里采用频点数目向上取整的方式。因此,干扰台k 的有效干扰频点集合为

设窄带跳频的所有的工作频点为

因此,干扰台k 对受试台i 在此刻的干扰频点为

即,对集合Gk和F 求交集,判断干扰台k 在此刻占用了多少有效工作频点。

依据上述分析条件,受试台i 在任意一个时刻,受到干扰的频点集合为

采用集合的方式,是考虑到频点可能重合的情形。因此,干扰频点个数为

其中,M 是计算集合中的频点数量,Jj1j2…jn-1是任意某一时刻受试台i 受干扰频点的个数,公式中隐含的自变量是n-1 部干扰台的瞬时工作频点{fj1,fj2,…,fjn-1}。为了得到受试台i 受干扰频点的统计均值,需要考虑n -1 部干扰台,工作在所有N 个频点的情形。因此,受试台i 受干扰频点数的统计均值为

通过公式(1)～(13)可以得到任意受试台的误码率指标,需要注意的是,在实际中,必须考虑解码、解交织对误码率的改进,通过与电台的工作方式相结合[10],才能得到实际的误码率。

4 实例分析

假设通信系统通常配置2 ～4 辆车载平台,每辆车的HF 电台为1 ～3 台。一般情况下,每部电台跳频频表的频率点数N 取值为32、64,跳频间隔ΔF 对应不同的N 取值为2 ～8 kHz[14]。这里主要对共址干扰严重的情况进行分析,以配置3 或4 辆车为例,对车载电台配置为T={2,2,1}、T ={2,2,2}、T ={2,2,1,3}、T ={2,2,2,2}几种情形进行性能评估,并给出合理的参数配置。其中T ={2,2,1}和T ={2,2,2}是指系统有3 辆车,分别记为T-1、T-2、T-3,集合中的数值为每辆车配置的HF 电台数量,同样的,T ={2,2,1,3}和T={2,2,2,2}是指系统有4 辆车。电台采用RS 编码,分组交织的工作方式对数据进行处理,车辆之间的距离矩阵(单位为m)为

其中,D3、D4分别为站点配置3、4 辆车时,车辆两两之间的距离参数。下面分别对这4 种系统配置下的BER 性能进行分析,针对不同的系统配置,选择合理的N、ΔF 取值范围。

首先以T ={2,2,1}的情形为例,给出不同N、ΔF 取值下的BER,表1 对应不同N、ΔF 时解码、解交织后的BER。按照T -1、T -2、T -3 的顺序给出5 部电台的结果,其中T-1、 T -2 上有2 部同车电台, T -3 上仅有1 部电台, 计算结果由公式(4)得到。

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

从表1 的BER 可以看出,T -1 和T -2 上4 部电台的结果基本相同,这是因为这两辆车上都有2部HF 电台,对这两部电台来说,都存在1 台同车干扰和3 台车际间干扰,而且同车干扰时的天线类型、间距等因素基本相同,因此这4 部电台的BER 结果基本一致。只是由于车际间干扰中距离矩阵D 的不同,在个别频率间隔上的结果有所区别,但与同车干扰相比车际间干扰的影响较小。HF 数据BER 容限为1×10-4,在T={2,2,1}配置下系统要正常工作,当N=32 时ΔF 只能取8 kHz,而N =64 时ΔF可以取4 ～8 kHz。

在表1 中,由于T -3 车上只有1 部电台, 当ΔF 取值为2 kHz、4 kHz、8 kHz时,它的BER 明显小于前面4 部电台的结果,这是因为在这3 个频率间隔取值上,车际间干扰的影响小于同车干扰,而在6 kHz取值时,车际间干扰的影响与同车干扰基本相同,这可以通过观察这两种干扰的频率覆盖范围得到。为此,依据公式(7),表2 给出了N 取值32、64,ΔF 取值2 kHz、8 kHz时的同车、车际间干扰的频率覆盖数量,结果同样按照T-1、T -2、T -3 的顺序给出。

表2 不同N、ΔF 下的频率覆盖Table 2 Frequency cover under different N,ΔF values

通过表2 可以看出,车际间干扰的频率覆盖数量大于同车干扰,但这并不代表车际间干扰影响较大。以N=32、ΔF=2 kHz为例,T -1 车上第1 部电台的车际间干扰频率覆数量为14.23,但这是T -2车上的2 部电台和T -3 车上的1 部电台共同干扰的结果,平均每部电台的干扰约为4.74 个频率点。同车干扰则来自T -1 车上的另1 部电台,频率数量为7.50,因此同车干扰的影响是大于车际间干扰影响的。值得注意的是,总干扰的频率覆盖数量要小于同车、车际间干扰数量之和,这是由于两种干扰的频率覆盖点存在重合,因此公式(10)采用集合的方式以消除相同频率点。

同样地,当系统配置为T ={2,2,2}、T={2,2,1,3}和T ={2,2,2,2}时,也可以得到不同N、ΔF 取值下的BER 和频率覆盖,这里给出不同系统配置下可用的N、ΔF 参数,见表3。

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

从表3 可以看出,当N 取32 时,在T ={2,2,2}、T={2,2,1,3}、T ={2,2,2,2}系统配置下, ΔF只有取8 kHz共址电台才能正常工作,而N 取64 时,T={2,2,2}的ΔF 可以取5 ～8 kHz,即N 的变化有效的缓解了共址干扰。当增加2 部共址电台,使系统配置成为T={2,2,1,3}或者T={2,2,2,2}时,N取64 很难使ΔF 的取值范围有所增加,很明显这时需要更大的跳频频率点数来缓解共址干扰,但现有电台很少超过64 个频点,这在以后的共址设计中,必须加以考虑。

5 结束语

总之,HF 电台在车载组网环境中面临着严重的共址干扰,针对系统的级别和配置,必须依据共址误码率计算模型,选择合理的跳频点数和频率间隔,以避免共址干扰的影响,才能保障通信顺畅。此外,在现有车载电台形式下,跳频点数和频率间隔的取值受到了共址干扰的限制,这在一定程度上降低了组网电台的抗干扰能力,因此,在以后的车载电台设计中,需要通过增加隔离度,使用共址滤波器等方式,缓解共址干扰的影响,从而增强抗敌对干扰的能力。

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