甚高频无线通信系统发射机互调干扰研究*

2014-02-10杨会杰王烟青陈旭锋

通信技术 2014年8期

关键词：三阶信号源干扰信号

杨会杰,王烟青,杨昭,陈旭锋

(中国洛阳电子装备试验中心,河南洛阳471003)

甚高频无线通信系统发射机互调干扰研究*

杨会杰,王烟青,杨昭,陈旭锋

(中国洛阳电子装备试验中心,河南洛阳471003)

在甚高频(VHF)无线通信系统中,发射机互调干扰已成为一个影响通信质量和通信安全的重要因素。互调干扰不仅污染了周边电磁环境,还会干扰正常通信,降低通信质量。文中研究了互调干扰的形成与危害;分析了互调干扰的测试方法;并利用搭建的互调干扰测试系统对甚高频无线发射机互调干扰进行了测试与分析;讨论了降低和消除互调干扰的措施。研究成果对于提高甚高频通信系统的抗干扰能力,实现甚高频无线通信设备科学合理的频谱规划,提高系统间电磁兼容具有重要的应用价值。

发射机互调干扰甚高频互调测试

0 引言

甚高频通信主要是指工作频段在30～300 MHz的无线通信,其应用领域包括海事通信、航空通信、调频广播、军事通信等,具有用频设备多、电磁环境复杂等特点。在甚高频无线通信过程中,通信系统可能受到互调干扰等内部原因和带外辐射等外部原因造成的干扰[1-2]。其中互调干扰是影响甚高频无线通信最为严重的干扰之一,且是可以通过主动采取措施有效抑制甚至消除的。

发射机互调干扰是指由于耦合到本信道的其它信号与本信道发射信号在发射末端相互作用而产生新的频率组合,随同本信道发射信号一起发射出去,对接收机形成的干扰[3]。发射机互调干扰在发射机信道带宽较宽时表现尤为突出,且在实际应用中并不鲜见,例如,位于同一山顶、位置较近的电视信号发射台和调频广播发射台,由于电视图像信号频谱较宽,容易使调频广播信号进入电视图像信道产生发射机互调,影响发射台的正常工作。互调干扰的测试和排查主要通过频谱分析仪进行信号频谱的分析与测量,确定干扰信号来源和类型。由于发射机互调干扰不仅严重危害发射机,降低发射机寿命,还会造成信号失真,直接影响到通信质量与通信安全。因此,研究和分析甚高频通信系统发射机互调干扰的形成机制与抑制措施,对于延长设备工作寿命,减少通信系统相互干扰,实现系统间电磁兼容具有重要意义。

1 发射机互调干扰的形成与危害

1.1 发射机互调干扰的形成

通信电路中的二极管、三极管和场效应管等器件都不是理想的线性电路器件,因此导致发射和接收通道不可能做到理想线性。当两个或多个信号进入到非线性系统中,其基波与谐波之间会混频产生新的频率分量。这些新的频率分量如果落在通带内,就会随着原始信号一起被放大发射出去,造成发射机互调干扰[4-5]。通常情况下,两部发射机的天线距离过近,水平、垂直隔离度不符合要求,而功率又足够大时,若工作频点设置不合理,很容易产生互调干扰。

非线性器件的伏安特性,可用下面的泰勒级数展开式来描述:

式中,v为加在非线性器件上的总电压,可由多个输入信号电压组成。假设v由两个频率和幅度比较接近的信号组成,即v=V1cosω1t+V2cosω2t,将v代入式(1)中,利用三角函数的积化和差公式展开并整理可得:

式中,i由直流分量项、基波项、谐波分量项和互调干扰项组成。互调干扰项的幅度与an成正比,显然互调阶数越高,引起的互调干扰越小[3]。根据互调阶数,可将互调干扰分为偶数阶互调和奇数阶互调,且随着阶数的增大,互调信号的幅度逐渐减小。在实际观测中,主要关注偶数阶互调中的二阶互调互调,以及奇数阶互调中的三阶和五阶互调。

图1所示为信号f1和信号f2及其互调产物的频谱分布图。其中f1＜f2,二阶互调信号的频率为f2±f1,幅度为a2V1V2;三阶互调信号的频率为2f1±f2、 2f2±f1,其中2f1±f2项的幅度为项的幅度为。

图1 互调干扰信号分布Fig.1 Distribution of intermodulation interference

1.2 发射机互调干扰的危害

发射机互调干扰的产生对于无线电用频设备和发射机本身来说,都会造成危害,其产生的影响主要表现在以下方面:

1)干扰正常无线通信,污染电磁环境。互调干扰信号使得发射机台站上空存在大量的无序频谱能量,污染了周边电磁环境[6-7]。当互调干扰落于接收机通带内时,又会干扰正常通信,降低通信质量。

2)降低发射机工作寿命。当发射机调试好后,其在输出电路的最佳谐振点上,当互调干扰引起发射机电路失谐时,发射机元件发热严重,便大大增加了发射机的故障率,降低了工作寿命。

3)减弱有用信号功率。通信信号发射功率是有效信号的主频功率和互调过程中产生的寄生信号功率的总和[8]。由于互调产物的功率较大,降低了发射机的有效功率,减少了系统正常的通信覆盖范围。

2 发射机互调干扰测试与分析

为了分析甚高频通信系统发射机互调干扰的分布规律,通常采用发射机和信号源与射频连接器建立发射机互调干扰测试系统,研究互调干扰信号的功率与频率分布。

2.1 互调干扰测试步骤

采用射频连接器进行模拟无线通信系统互调干扰测试的连接方式如图2所示,所需设备包括通信发射机、信号源、双定向耦合器、衰减器、50 Ω负载和频谱分析仪,其中通信发射机用于产生正常工作的射频信号,信号源用于模拟受通信发射机影响并产生互调的通信设备,信号源信号与通信发射机信号在双定向耦合器内发生耦合,通过频谱分析仪观察互调产物的分布状况。

图2 发射机互调干扰测试Fig.2 Transmitter intermodulation interference test

互调干扰测试步骤为:

1)确定测试参数,在发射机工作频段内选若干个频点作为信号源工作频率f0,对于每个工作频点,分别向上、向下各选5个频点作为通信发射机工作频率f1,频率的选择必须避免由其产生的互调信号与其它杂散信号同频。

2)保证通信发射机、信号源同其它测试设备物理连接满足阻抗匹配要求。

3)使通信发射机在测试频点f1上处于发射状态,同时信号源f0也处于发射状态,且使其发射功率与发射机额定输出功率尽可能接近,观察并记录此时f0±f1的频率及功率,即为二阶互调干扰信号,而2f0±f1、2f1±f0处的信号为三阶互调干扰,而3f0± 2f1、3f1±2f0处的信号则为五阶互调干扰。

2.2 互调干扰测试分析

在实际测试中,以某型甚高频电台做为通信发射机,工作方式为调频(FM)。以Agilent 8648B型信号发生器做为测试信号源,信号样式为单音信号。采用本文所述互调干扰测试方法,对电台的互调分布进行测试。

选择信号源测试频率f0为40 MHz、50 MHz、60 MHz和75 MHz,通信发射机信号频率为f1=f0+ Δf,取Δf=-3 MHz、-2.5 MHz、-2 MHz、-1.5 MHz、-1 MHz、1 MHz、1.5 MHz、2 MHz、2.5 MHz、3 MHz,即发射机信号为信号源信号上下各取5个频点,并使f1和f0保持足够的频率间隔,避免互调干扰信号与有用信号重叠。

保持信号源信号f0与发射机信号f1在耦合器输出端的功率相同,测量发射机信号与信号源形成的三阶互调干扰2f1-f0的功率,如图3所示。由于取f1=f0+Δf,故该三阶互调信号频率为f0+2Δf。根据1.1节分析可知,2f1+f0与2f1-f0信号具有相同的功率分布,当信号源与发射机功率相同时,2f0±f1与2f1±f0的功率也保持一致。

测试结果说明:①该发射机与信号源形成的三阶互调干扰信号的功率约在-40～-30 dBm之间,远高于同类型接收机的灵敏度(约-110 dBm),即该互调信号对于工作在该频段的其它通信设备来说是一个较强的干扰信号;②在通信发射机信号接近信号源工作频f0的过程中,互调干扰信号功率分布存在波动,略呈M形,Δf在-2～-1 MHz和1～2 MHz之间互调信号的测试结果存在极大值,即发射机信号频率接近信号源工作频率时,干扰更加严重,因此,在相近位置工作的无线电发射机应保持足够的频率间隔,避免产生严重的发射机互调干扰。

图3 三阶互调干扰信号功率分布Fig.3 Power distribution of the third-order intermodulation interference signal

改变信号源的输出功率,测量三阶互调信号受信号发射功率的影响程度,结果如图4所示。其中,取f0=50 MHz,f1=51 MHz,三阶互调信号频率为2f0±f1,即151 MHz和49 MHz。

图4 信号源发射功率与三阶互调信号功率Fig.4 Transmitter dignal powerl vs.third-order intermodulation interference signal power

该测试结果表明:①互调干扰信号功率受信号源发射功率影响,随着信号源功率的增加而增加。在本次测试过程中,发射机信号功率P1保持不变,三阶互调信号功率Pi3与信号源信号功率P0近似呈线性关系,通过曲线拟合可得:Pi3≈0.99×P0-52. 05(dBm),这与式(2)的理论分析相一致;②互调干扰信号的功率与信号源频率2f0+f1和2f0-f1无关,即同功率但不同频率的外部信号耦合进入发射系统,其产生互调干扰信号的幅度相近。因此,减少发射机互调干扰的一个重要手段就是使多个发射机之间保持足够的安全距离,降低耦合进入发射机通道的干扰信号功率,从而减少互调干扰信号的功率或者避免互调干扰的产生。

3 减少发射机互调干扰的措施

理论分析和测试结果表明,发射机互调产生了大量干扰信号,并且低阶互调信号的强度较强,对于周围无线电用频设备形成干扰,同时也降低了发射机的有用信号功率,影响系统的通信质量和通信安全,因此,研究减少发射机互调干扰的措施对于无线通信系统具有重要意义。

现有减少发射机互调干扰的主要措施可以分为两类,即改善设备性能和做好系统规划管理。在改善设备性能方面,相关研究和建议措施[4,9]主要包括:

1)改善发射机与天线馈线的匹配。

2)改善发射机末级功放的性能,提高其线性动态范围。

3)在发射机与天线间可插入单向隔离器或单向隔离器与腔体滤波器的组合器件。

在做好系统规划管理方面,主要措施包括:

1)在台站规划建设时,使电台发射机之间保证足够的水平和垂直距离。

2)合理分配频率资源,根据互调干扰产生的条件,在实际应用中,选用无互调干扰的工作频率组,尤其是注意避免二阶和三阶互调干扰。

4 结语

发射机互调干扰是影响甚高频无线通信系统通信质量和通信安全的一个重要因素。本文分析了甚高频发射机互调干扰的形成与危害,并利用搭建的互调干扰测试系统对甚高频无线发射机互调干扰进行了测试与分析,讨论了降低和消除互调干扰的措施。分析和实验结果表明,发射机互调干扰具有很强的信号功率,是造成通信质量下降和电磁环境复杂多变的一个重要因素,而且提高发射机设备性能,并做好通信系统规划管理,是减少发射机互调干扰的重要手段,对于保障无线通信系统的工作性能,实现系统间电磁兼容具有重要的应用价值。

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YANG Hui-jie(1987-),male,graduate student,assistant engineer,mainly working at communication countermeasures effect emulation.

王烟青(1976—),男,硕士研究生,高级工程师,主要研究方向为通信对抗;

WANG Yan-qing(1976-),male,graduate student,senior engineer,majoring in communication countermeasures.

杨昭(1987—),男,硕士研究生,助理工程师,主要研究方向为通信对抗效果评估;

YANG Zhao(1987-),male,graduate student,assistant engineer,mainly working at communication countermeasures effect emulation.

陈旭锋(1982—),男,学士,工程师,主要研究方向为通信对抗。

WANG Yan-qing(1982-),male,B.Sci.,engineer,majoring in communication countermeasures.

Study on Transmitter Intermodulation Interference for VHF Radio Communication Systems

YANG Hui-jie,WANG Yan-qing,YANG Zhao,Chen Xu-feng
(Luoyang Electronic Equipment Test Center of China,LuoyangHenan471003,China)

In very high frequency(VHF)radio communication systems,the transmitter intermodulation interference has become an important factor affecting the quality and safety of communications.Intermodulation interference not only pollutes the electromagnetic environment,but also interferes with the normal communications.This paper studies the formation mechanism and harm of VHF transmitter intermodulation interference,and analyzes the test method and test results,then the suppression measures for transmitter intermodulation interference are proposed,which have the important application value in improving antiinterference ability of VHF communication systems and achieving reasonable spectrum layout and electromagnetic compatibility.

transmitter intermodulation interference;VHF;intermodulation test

TN914.1

1002-0802(2014)08-0865-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.08.005