电磁环境下车载通信设备的抗干扰适应性分析

2020-07-09董鹏乐

环境技术 2020年3期

董鹏乐

（中铁第一勘察设计集团有限公司，西安 710000）

引言

通信技术在各领域已经发展较为完善，车载通信技术已成为车辆与外界通信的主要方式，车载通信技术利用车载通信设备实现与外部通信，车载通信设备作为车载通信技术信息传输设备[1]，可实现信息传送以及信息交流。车载通信设备主要包括数据终端设备以及语音通话设备，车载通信精度以及通信实时性是目前车载通信领域需要重视的问题。

随着科技高速发展，车载通信设备已成为车辆必不可少的设备，车载通信设备所处环境越来越复杂，车载通信设备周围存在大量电磁发射情况，车载通信设备的正常通信受电磁干扰影响越来越严重[2]。分析电磁环境下车载通信设备的抗干扰适应性已成为车载通信设备高效率运行的重点研究问题，大量不同类型的电磁干扰影响车载通信设备正常运行，抗干扰适应性研究对于提高车载通信设备频谱利用率具有重要意义[3]。适应性是指生物改变其生活方式以及自身特性适应外界环境的概念，车载通信设备抗干扰性适应性是指车载通信设备受电磁干扰影响下适应干扰的生存能力。车载通信设备在复杂电磁环境下受到干扰极大，车载通信设备的抗干扰适应性是评价车载通信设备性能的重要指标。

1 车载通信设备的抗干扰适应性

1.1 车载通信设备工作原理

车载通信设备是指应用于车辆中的通信终端，车辆中有线电视、超短波/短波电台等可与外界通信以及联通的设备均属于车载通信设备。车辆行驶过程中通过建立临时通信系统实现车辆与外界联系[4]，车辆通信设备可实现不同距离通信需求，车载通信设备工作原理如图1所示。

车载通信设备利用车载通信终端实现有线电话、短波、超短波无线网络通信，车载通信设备通过控制单元模块实现程序控制，利用控制单元模块控制短波、超短波无线通信网络、有线电网络以及移动通信网络的通信链路连接以及断开[5]，计算数据传输以及语音通话传输均通过车载通信设备的控制单元模块实现各项功能。

车载通信设备的车载通信信号处理电路模块以及控制电路模块中容易产生大量噪声，车辆行驶环境较为复杂，复杂的外部环境使车载通信设备周围存在大量电磁噪声，电磁环境下车载通信设备通信接收以及发送信号受到大量影响，影响车载通信终端设备信息交互[6-8]。采用有效的抗干扰技术去除车载通信终端受到的电磁干扰，提升车载通信设备抗干扰适应性，实现车载通信设备高质量通信。

1.2 电磁环境干扰信号类型

电磁环境中干扰主要包括白噪声干扰、雷电干扰、静电干扰以及射频无线电连续波干扰等。电磁环境干扰信号主要包括时域干扰信号以及频域干扰信号；时域干扰信号主要包括静电放电干扰、雷电造成的间接效应以及直接效应干扰；频域干扰信号主要包括噪声干扰、射频无线电连续波干扰等。

电磁环境中干扰源的频域特征、功率、时域特性以及极化域特征取决于干扰源的特征[9]，电磁环境下车载通信设备干扰信号主要包括以下几种：

1）单频连续波干扰

单频连续波干扰的时域可通过以下公式表示：

A(d)表示时域信号。

单频连续波干扰的频域可通过以下公式表示：

2）单脉冲雷达干扰

图1 车载通信设备工作原理

单脉冲雷达干扰公式如下：

式中：

ε0与Hd—载频以及发射机峰值功率；

Ld与gdτ—发射综合损耗以及发射天线方向图；

3）多频连续波干扰

多频连续波干扰的时域信号公式如下：

4）电磁脉冲干扰

利用高斯脉冲以及双指数模型可有效表示电磁干扰信号中的电磁脉冲干扰[10]，利用双指数模型表示电磁脉冲干扰时域公式如下：

利用双指数模型表示电磁脉冲干扰的频域公式如下：

利用高斯脉冲表示电磁脉冲干扰的时域公式如下：

利用高斯脉冲表示d=d0时的电磁脉冲干扰的频域公式如下：

式中：

τ—高斯脉冲宽度常数。

5）宽带噪声干扰

窄带系统有白噪声经过的过程为宽带噪声干扰[11]，其公式如下：

式中：

λ、HJ—工作波长以及干扰机发射平均功率；

LJ、Lr—干扰天线发射信号的极化损耗以及系统综合损耗；

Rj—接收设备与干扰机间距以及干扰方向上接收方向的电压变化量；

gJ、BWj—干扰天线变化量以及干扰信号带宽；

BWr、kRF—接收机带宽以及射频电压放大倍数；

εl、GIF、LIF分别表示中频、中频与变量的损耗之和。

6）线性调频雷达干扰

式中：

v(d)—由矩阵脉冲形成的脉冲串即复调制函数，其数量与宽度分别为NH以及HD。

脉间捷变和线性调频公式如下：

式中：

εk与Dr—第k个脉冲的角频率变量以及脉冲重复的时间间隔；

µ(t)—调制函数。

1.3 波束赋形技术抗干扰方法

空域的天线抗干扰技术可有效避免车载通信设备受到电磁环境中宽带干扰、窄带干扰以及人为恶意压制式干扰[12]，选取波束赋形技术的空域技术提升电磁环境下车载通信设备的抗干扰适应性。

通过采样加权求和操作空间传感器，提升车载通信设备于不同方向传播信号，令其避免电磁环境下不同干扰物质干扰，提升车载通信设备适应性过程即波束形成过程，波束形成过程以采集波场特征参数以及多径信号实现空域滤波目的[13]。

设存在阵元数量为N，将其以相同的d为间距放置于通信空间中，将阵列法线方向与来波方向夹角以参考阵元1定义，形成波束输出信号公式如下：

式中：

H、q分别表示共轭转置与空域权值。

时间为l时，阵列输出用表示。

式中：

n(l)—噪声矢量

sk(l)、T—第i个窄带信号复包络以及转置，

阵列的方向矩阵公式如下：

阵列导向矢量以及方向向量公式如下：

导向矢量在窄带传播过程中仅与波的传播方向以及阵列的几何结构相关[14，15]。

主瓣方向约束准δ0情况下，可得公式如下：

公式（16）即为空域匹配权，令δ1，δ2，…，δk的导向矢量带入公式（16），获取波束数量为K。

利用正交矩阵以及离散傅氏变换矩阵巴特勒矩阵可表示如下：

D为巴特勒矩阵，且满足

利用巴特勒变换矩阵可实现阵元域转换至波束域，提升电磁环境下车载通信设备的抗干扰适应性。

2 实验分析

为检测本文研究电磁环境下车载通信设备的抗干扰适应性提升车载通信设备抗干扰适应性有效性，选取操作系统为WINDOWS XP的计算机利用MATLAB软件设置车载通信设备工作环境，并模拟不同类型的电磁干扰环境，检测车载通信设备抗干扰适应性。

车载通信设备原始通信信号如图2所示。

利用信号发生器将带干扰的电磁信号输入车载通信设备通信接口，加入电磁干扰信号后通信信号如图3所示。

图2 原始通信信号

图3 加入电磁干扰后通信信号

采用本文方法提升车载通信设备抗干扰适应性后的通信信号如图4所示。

图4 本文方法处理后通信信号

通过以上实验结果可以看出，采用本文方法处理加入电磁干扰信号后通信信号，加入的电磁干扰信号被有效抑制，最终通信信号较为光滑，且尖峰处有用的通信信息可完整保留，说明本文方法可有效抑制通信信道中加入的电磁干扰噪声，电磁环境下车载通信设备抗干扰适应性被有效提升。

统计采用本文方法提升电磁环境下抗干扰适应性车载通信设备的基波发射带宽，基波发射带宽指由于基波发射引起的车载通信设备受附近噪声影响频带宽度增加情况。为直观统计本文方法抗干扰性能，将本文方法与同时收发认知方法、电磁拓扑方法以及均匀圆形天线阵方法对比，对比结果如图5所示。

通过图5实验结果可以看出，采用本文方法的车载通信设备的基波发射带宽明显低于采用另三种方法的车载通信设备基波发射带宽，说明采用本文方法的车载通信设备受附近噪声影响频带宽度增加幅度较低，进一步说明采用本文方法的车载通信设备受附近电磁环境噪声影响较小。

图5 基波发射带宽对比

统计采用不同方法的车载通信设备谐波抑制比，由于电路非线性令车载通信设备产生谐波干扰，谐波抑制比是指车载通信设备对谐波干扰抑制能力。谐波抑制比是评价车载通信设备通信性能的重要指标，通过电台辐射发射特性测试可获取不同方法下车载通信设备谐波抑制比，采用不同方法的车载通信设备谐波抑制比对比结果如图6所示。

图6 谐波抑制比对比结果

通过定量评价指标谐波抑制比对比结果可以看出，采用本文方法的车载通信设备谐波抑制比明显高于采用另三种方法的车载通信设备，实验结果说明采用本文方法的车载通信设备抑制电磁环境谐波干扰能力明显优于采用另三种方法的车载通信设备。

灵敏度是体现电磁环境下车载通信设备接收微弱信号能力的重要评价指标，利用车载通信设备的灵敏度作为评价设备整体性能指标，通过定向耦合器可测量车载通信设备接收机灵敏度，采用不同方法的车载通信设备灵敏度对比结果如图7所示。

通过图7实验结果可以看出，采用本文方法的车载通信设备灵敏度明显高于另三种方法，采用本文方法的车载通信设备在电磁环境下信号微弱时数据接受能力明显高于另三种方法，再次验证本文方法提升电磁环境下车载通信设备抗干扰适应性能力。

图7 灵敏度对比结果

表1 贴近度对比

利用贴近度评价车载通信设备在不同电磁环境干扰信号下抗干扰适应性，设置贴近度范围为[0，1]，贴近度为0时，表明车载通信设备对电磁环境干扰信号适应性最差，即车载通信设备无法正常工作；贴近度为1时，表明车载通信设备对电磁环境干扰信号适应性最高，即车辆通信设备不受电磁环境干扰影响或影响极小，车载通信设备各项工作均可正常运行。不同方法抗干扰适应性贴近度对比结果如表1所示。

通过表1实验结果可以看出，不同电磁干扰噪声情况下，采用本文方法的车载通信设备适应性贴近度均高于0.9，说明本文方法在不同电磁干扰噪声下均可保持良好的通信性能，实验结果再次验证本文方法提升电磁环境下车载通信设备抗干扰适应性有效性。