一种基于正交设计的通信抗干扰性能试验与评估方法

殷 璐

（解放军91404 部队，河北 秦皇岛 066001）

0 引言

随着电子、计算机、数字信号处理等技术的快速发展，通信对抗装备的作战效能越来越强，无线通信装备面临的干扰环境越来越严峻［1］，为了准确评价无线通信装备在未来信息化战场电磁环境下的战术技术性能，需要对装备的抗干扰性能进行全面的测试。无线通信装备的使用效能受多个因素的影响，这些因素对装备的影响程度各不相同，而且各因素不同水平的组合数量非常大，如影响因素有5个，每个因素有3 种水平，其组合数量为243 个，完成全部因素水平组合的试验与评估计算非常困难。为了通过有限的测试次数得到更多有价值的试验数据，需要采用正交试验设计等试验优化技术，高效费比地完成抗干扰性能试验［2］。

本文提出了一种基于正交试验设计的无线通信装备抗干扰性能试验与结果评估方法，用探索性数据分析的方法，对各种试验因素产生的结果进行整体研究，分析各因素对结果的影响，全面比较各因素的相对重要性和显著性，并引入了方差分析中的SNK 多重比较法，对试验因素的参数设置进行检验，从而实现试验设计的优化和各试验因素的准确评估。

1 抗干扰性能试验

无线通信装备抗干扰性能试验的目的是对无线通信装备的抗干扰性能或复杂电磁环境适应性进行鉴定，检验其是否满足作战的使用要求［3-4］。抗干扰性能试验按试验场地划分可分为外场试验和内场仿真试验。

外场试验是在接近实战的地理环境和电磁环境下进行的试验，试验时被试装备按照野外或海上实际使用条件部署，通信信号和干扰信号的传播损耗、接收增益等比较接近实际，对装备抗干扰性能的评估最大程度地贴近实战［5］。内场仿真试验是基于控制理论、计算机技术、微波暗室技术的，利用相关系统模型对无线通信装备进行的抗干扰试验［6-7］，按照信号引入方式又可分为辐射式和注入式［8］。

本文以针对跳频通信电台的注入式仿真试验为例，说明无线通信装备抗干扰性能试验设计和定量评估方法。试验中跳频通信电台、干扰设备和电磁频谱监测设备均连接在射频耦合网络上，通信双方的电台以跳频工作方式进行数据通信，干扰设备产生一定带宽和功率的噪声调制信号来模拟拦阻式干扰，频谱监测设备对试验环境中的通信信号和干扰信号进行监测，该试验环境和条件可控，通过分别设置不同的干扰带宽、干扰功率和电台的传输速率，可以考察上述3 个因素对电台传输质量的影响。

2 正交试验设计

无论是外场试验，还是内场仿真试验，为充分检验装备在干扰信号环境下的可靠性和可用性，装备的通信参数和干扰装备的工作参数需要在一定范围内改变，而在外场试验和内场辐射式仿真试验中，通信距离和干扰距离也需要调整以构建不同干信比的干扰态势。上述因素的水平数一般多于2个，如果对每种因素的每个水平都相互组合进行全面试验，试验次数是惊人的，而且随着因素数量的增加，试验次数增加得更快，另外还要用相当长的时间对试验数据进行统计分析，为了通过有限的试验次数和计算代价获得更多有价值的试验信息，需要采用正交试验设计来安排试验。

正交试验设计是一种研究多因素多水平的试验设计方法，利用正交表科学地安排多因素试验。正交试验设计能够在试验的全部处理组合中，仅挑选部分有代表性的水平组合进行测试［9］。

2.1 确定试验目的

任何一个试验都是为了解决某个问题，或为了得到某个结论而进行的，所以进行试验设计前应该明确试验目的。在复杂的电磁干扰环境中，无线通信设备的传输质量受多种因素的影响，采用正交试验设计来组织无线通信装备抗干扰性能试验的目的，就是确定各因素对传输质量的影响大小，通过定量分析发现装备的弱点，提高其在干扰条件下的可靠性和可用性。

衡量通信传输质量的指标有语音指标和数据通信指标两类，语音指标是以人为主体对通信话音的质量进行主观评估，是由专家对被测通信装备的话音音质进行评分来得到的，常用的语音指标有诊断押韵测试（DRT）得分、平均意见得分（MOS）等；数据通信指标是在试验中以某种手段采集一定的测试数据并进一步量化，以对通信抗干扰效果进行衡量，常用的数据通信指标有误码率、分组传输成功率、丢包率等。由于我们设计的试验环境数据容易获取，采用分组产生成功率来衡量通信传输质量。

2.2 选定试验因素及水平

试验中需要考虑的对试验结果可能有影响的变量称为因素，而每个因素可能处的状态称为因素的水平。由于试验条件所限，影响试验结果的因素不可能全面考察，所以应在试验设计时进行具体分析，并根据试验目的，选出主要因素，忽略次要因素，以减少要考察的因素数，避免加大无效试验工作量。确定因素的水平数时，重要因素水平数可多取，各因素的水平数值应适当拉开，以利于对试验结果的分析处理，当各因素的水平数相等时，试验数据的处理较方便。

在设计的跳频通信电台的注入式仿真试验中，选取了传输速率、干信比和干扰带宽3 个试验因素来考察其对电台传输质量的影响大小。其中可以通过设置电台以3 种不同的传输速率分别进行试验，来改变传输速率的因素水平；通过调整干扰信号功率，使干信比因素的水平在0～5 dB 范围内变化；通过设置干扰设备不同的干扰带宽，使其占跳频带宽的比例依次为高中低3 个水平。试验考察的3 个因素和具体水平如表1 所示。

表1 试验因素和水平设置表

2.3 利用正交表设计试验

表2 4 因素3 水平正交表

正交表是根据正交原理设计的已规范化的表格。表2 是一个4 因素3 水平正交表，可用符号表示为L9（34），其中L 为正交表代号，下标9 为正交表的行数，即需要进行的试验次数，3 为因素水平数，4为正交表的列数，即最多可安排的因素个数。具有以下两个特点：1）每一列中不同数字出现的次数相同；2）任意两列中，同一行的数字搭配次数是相同的。

在试验中，传输速率、干信比和干扰带宽3 个试验因素各有3 个水平，全部遍历各因素水平的组合，需要进行27 次试验，而按照表2 所示的正交表安排试验时，由于试验点能够分布均匀，具有代表性，只需要进行9 次试验。

根据因素数和水平数来选择合适的正交表。一般要求，因素数小于或等于正交表列数，因素水平数与正交表对应的水平数一致，在满足上述条件的前提下，可选择较小的表，然后将试验因素安排到所选正交表相应的列中。当试验因素数少于正交表的列数，表中会有空列，如不考虑交互作用，空列可作为误差列，其位置可放置在中间或靠后。

2.4 确定试验方案

将试验的3 个因素传输速率、干信比和干扰带宽作为表2 的前3 列，每列的水平按照表1 对号入座来确定各因素的参数设置，就得到了试验方案，表3 的上半部分为9 次试验的参数设置和每次试验的结果（测试得到的分组传输成功率）。

表3 4 因素3 水平正交表

3 试验结果分析与评估

3.1 试验结果的极差分析

表3 中的k1、k2和k3分别表示各因素的1、2、3 水平对应的试验结果的平均值；而同一列中，k值最大值与最小值之差称为极差R。各列的极差反映了该列因素的水平改变时，试验结果的变动幅度。极差越大，表示该列因素对试验结果的影响越大，在本试验中，干扰带宽的极差最大，干信比的极差最小，表明干扰带宽对分组传输成功率指标的影响最大，传输速率次之，干信比的影响最小，这与图1 中3 个因素的主效应图展示的是一致的，图中可见干扰带宽在其3 个水平间改变时，分组成功率指标的变动最大；下页图2 为3 个因素两两间的交互效应图，可见干信比与其他两个因素均有交互作用。

图1 3 个因素的主效应图

3.2 试验结果的方差分析

极差分析法只能定性地估计各因素对试验结果的影响程度，而且不能估计试验过程中存在的误差大小，需要采用方差分析的方法进一步分析试验结果，将试验因素水平改变所引起的试验结果的差异与误差的波动区分开来。对于正交试验结果数据的方差分析，其基本思路是将数据的总离差平方和分解成各因素的离差平方和以及误差引起的离差平方和，并根据各自的自由度构造F 统计量，进行F检验［10］，以判断各因素的作用是否显著。

试验中，总离差平方可以分解如下：

以显著性水平0.05，对F 统计量进行F 检验，就可以对传输速率因素的影响进行定量判别。同理可对干信比和干扰带宽因素进行F 检验，得到的结果见表4，从中可以看出，传输速率、干信比和干扰带宽3 个因素水平的改变对试验结果均有显著影响，显著性的排序依次为干扰带宽、传输速率和干信比，这与极差分析法的定性结果一致。

表4 方差分析表

3.3 方差分析结果的进一步分析

图2 显示干信比与其他两个因素有交互作用，但由于误差的离差平方和较小，故试验设计中未考虑交互作用的离差平方和也较小［11］，对于误差平方和较大的情况，则要考虑因素间的交互作用重新设计正交表组织试验。试验中干信比因素对试验结果的影响显著，显著性达到0.011，但这并不意味着干信比因素的3 个水平中任意两个水平的结果间均存在显著差异，可以通过多重比较法来确定干信比参数的设置是否存在问题。SAS、SPSS 或MINITAB等软件提供了多种多重比较的方法［12］，比如LSD法、SNK 法、REGWQ 法、Bonferroni 法等，选用SNK法对干信比因素的3 个水平的试验结果进行比较，因为SNK 法在控制假阴性上比其他方法更严格，更容易检出各组数据间的差异，其基本思路是将各组数据的平均数之差与最小差异统计量比较，进而作出统计推断。通过SAS 软件的lsmeans 命令对3 组数据进行了比较，结果表明干信比参数取3 dB 和5 dB 的两组数据间无显著差异，这说明干信比为3 dB时，干扰信号已经能够有效压制数据通信。

图2 3 个因素的交互效应图

4 结论

本文提出的无线通信装备抗干扰性能试验设计与结果评估方法，基于正交试验设计进行试验设计，并利用探索性数据分析的方法对各种试验因素进行分析和比较。通过一个针对跳频通信电台的注入式仿真试验设计为案例，说明了实现方法的步骤，结果表明该方法提高了试验设计与实施的工作效率，能够实现对各试验因素的准确分析和评估，进而完成对装备抗干扰性能的评估，具有一定军事应用价值。