一种车载通信设备电磁兼容性预测方法

宋丙鑫，路宏敏，李敏玥，孟晓姣，万健鹏

(西安电子科技大学 电子工程学院,陕西 西安 710071)

现代化战争已经升级为“海、陆、空、天、电磁”五位一体的多方面战争，电磁对抗和信息干扰在战争中的地位日益凸显。随着电子设备的广泛使用，设备间的电磁兼容性逐渐引起重视[1-5]。车载平台在有限的空间安装了众多通信设备[6]，包括发射电台、接收电台、导航设备和蓝牙设备等，导致车载平台的电磁兼容性问题日益严重。本文提出了一种车载通信设备电磁兼容性预测方法，给出了详细的预测流程和一个预测算例，该方法能够在车辆设计之初对其电磁兼容性做出预测。

1 电磁兼容性预测的原理

电磁兼容是指[7]设备(分系统、系统)在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态，即该设备不会由于受到处于同一电磁环境中其他设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级，其也不会使同一电磁环境中的其他设备(分系统、系统)因受其电磁发射而导致或遭受不允许的降级。

电磁干扰的三要素包括干扰源、干扰耦合途径和敏感设备。比较干扰源耦合到敏感设备处的有效干扰功率和敏感设备的灵敏度，可以得到敏感设备的受扰程度[8]，据此建立干扰余量计算模型[9-13]

IM(f,t)=PE(f,t)-S(f)

(1)

式中，IM(f,t)为设备的干扰余量，单位为dB；PE(f,t)为干扰源耦合到敏感设备处的有效干扰功率，单位为dBm；S(f)为接收机的灵敏度，单位为dBm。

图1 干扰信号传播示意图

干扰信号的传播示意图如图1所示，接收机射频输入端的有效干扰功率按式(2)计算。

PE=PT+GT+GR-L

(2)

式中，PE为有效干扰功率；PT为干扰设备的输出功率；GT为发射天线在敏感设备方向上的增益；GR为接收天线在干扰设备方向的增益；L为路径传播损耗。

多个干扰设备同时工作时，干扰余量计算如下

(3)

式中，PEi(f,t) 为第i个干扰设备的有效干扰功率；m为干扰设备总个数。

若IM(f,t) >0,表示存在潜在干扰；IM(f,t)<0,表示处于兼容状态；IM(f,t)=0,表示设备处于兼容的临界状态。

在实际评估中，对干扰功率的计算存在一定的近似，接收机的灵敏度也容易受环境影响，按照上述准则判断存在一定的干扰风险，需要考虑一定的安全裕度。可根据不同设备的要求制定不同的安全余量，或根据标准[14]制定安全余量：(1)对于安全或者完成任务有关键性影响的功能，干扰余量应小于-6 dB；(2)对于需确保系统安全的电起爆装置，其最大不发火激励的干扰余量应小于-16.5 dB，其他电起爆装置的最大不发火激励的干扰余量应小于-6 dB。

传统的电磁兼容性预测为四级筛选：快速筛选、幅度筛选、频率筛选和详细计算，其对所有的发射机和接收机逐对进行电磁兼容性预测[15]。

但现代车载设备种类多、信号形式多样、作战任务复杂，传统的电磁兼容性预测方法虽应用广泛，却存在几个问题：(1)没有考虑多个干扰设备同时作用下对敏感设备干扰量的叠加；(2)没有考虑接收机输入端交调、互调对接收机的影响；(3)车载接收机的性能评价指标多为信噪比、误码率、通信距离等，基于干扰余量的评价不够准确。因此，为应对更加复杂的应用要求，需要对传统方法进行进一步的提升和改进。

2 改进的电磁兼容性评估方法

改进的电磁兼容评估方法分为快速筛选、幅度筛选、频率筛选、详细计算和性能分析。假定某集群车载平台共有m台发射机和n台接收机，将发射机编号为Ti，接收机编号为Rj，其中，i=1,2,3,…,m；j=1,2,3,…,n。

2.1 快速筛选

选择一个接收机Ri，根据工作时间、工作覆盖区域、功率大小等因素保守地对发射机快速筛选，把能够对接收机Ri造成威胁的发射机保留下来。逐个考虑保留下来的发射机与接收机Ri之间的基波干扰余量(Fundamental Interference Margin，FIM)、发射机干扰余量(Transmitter Interference Margin，TIM)、接收机干扰余量(Receiver Interference Margin，RIM)和乱真干扰余量(Spurious Interference Margin，SIM)。对于这4种干扰余量是否存在的判据如下：若 |f1-f2|≤0.2f2，其中f1为发射机的中心频率，f2为接收机的中心频率，则需要考虑FIM；若f1<10f2&f1>0.1f2，则需要考虑TIM；若f2<10f1&f2>0.1f1，则需要考虑RIM；若0.1f1<10f2&10f1>0.1f2，则需要考虑SIM。

在快速筛选中，首先计算FIM，如果FIM小于规定余量则不存在干扰，不需要计算其他3种干扰余量，所选发射机干扰余量计算结束；否则，继续计算TIM和RIM。若两者中有一个高于安全余量，则继续计算SIM，否则不计算SIM。

这一阶段筛选完后，把存在任意一种干扰余量的发射机保留到下一阶段进行幅度筛选。如果没有保留下来的发射机，则结束对接收机Ri的预测，继续预测下一台接收机Ri+1。

2.2 幅度筛选

在这一阶段，假定发射机和接收机之间频率对准、天线最大方向对准、天线极化匹配、链路阻抗匹配、接收机对干扰信号呈现最小的抑制，计算上一阶段保留下来的发射机对接收机Ri的干扰余量。

采用自由空间传播损耗模型计算传播损耗

LP=32.4+20lgf+20lgD

(4)

式中，LP是传播损耗，单位为dB；f是干扰信号的频率，单位为MHz；D是发射机到接收机的距离，单位为km。

根据发射机功率和自由空间传播损耗计算干扰余量。若干扰余量大于安全余量，将发射机保留到下一阶段进行频率筛选；否则，结束本接收机的预测，继续预测下一台接收机Ri+1。

2.3 频率筛选

分析保留下来的发射机与接收机Ri的工作频率间隔和带宽，计算发射机与接收机之间的基波干扰、谐波干扰、互调干扰，从频域将不可能构成干扰的发射机筛选掉。

当发射机与接收机之间的频率间隔满足式(5)，将产生基波干扰

(5)

式中，fT为发射机工作频率；fR为接收机工作频率；BT为发射机带宽；BR为接收机带宽。

当发射机与接收机之间的频率间隔满足式(6)，将产生谐波干扰

(6)

式中，nfT为发射机n次谐波的频率；BTn是发射机n次谐波的带宽。

当存在多个干扰源时，不同干扰源在接收机中会发生互调。三阶互调产物功率较低，对接收机的影响忽略不计，故只考虑三阶以下的互调。当干扰源的频率满足式(7)时，将产生互调干扰

(7)

式中，mfT1为发射机T1的m次谐波频率；nfT2为发射机T2的n次谐波频率；BT1m为发射机T1的m次谐波的带宽；BT2n为发射机T2的n次谐波的带宽。

频率筛选后可能仍有构成干扰的发射机，则进行下一阶段详细计算；否则，结束本接收机的预测，继续预测下一台接收机Ri+1。

2.4 详细计算

保留到这一阶段的发射机极有可能对接收机造成干扰，需要详细计算发射机功率、传播损耗、路径损耗等，最终得到准确的干扰余量与规定的安全余量作比较，给出干扰的判断结果。

对于产生谐波干扰的发射机，需要计算其谐波发射功率。谐波发射功率随着谐波次数增加而快速减小，只考虑5次以下谐波，谐波功率按照式(8)计算。

PT(N)=PT+AlgN+B

(8)

式中，PT(N)为发射机的N次谐波功率；PT为发射机基波功率；A和B为常数，根据表1取值；N为谐波次数。

表1 常数A、B取值

调用提前测得的发射机与接收机间传播损耗模型和收发天线方向图进行干扰量的详细计算。对于没有提前测得的传播模型，根据实际环境选用ITU-RP建议模型进行计算，最终计算的有效干扰功率为

PE=PT+GT+GR-LP-LD-LC

(9)

式中，LP是发射机与接收机间的传播损耗；LD为最大方向失配损耗；LC为极化失配损耗。

将每种干扰的干扰量叠加得到总干扰量

(10)

式中，P为总干扰量；PEi为第i个干扰类型在接收机端口的干扰量；k为干扰的个数。干扰可以是基波干扰、谐波干扰或互调干扰。

根据式(3)计算干扰余量，若干扰余量大于规定余量，则进行性能分析；否则，结束本接收机的预测，继续预测下一台接收机Ri+1。

2.5 性能分析

这一阶段选取接收机的关键性能指标对其受扰后的性能进行评估，给出受扰后设备性能降低的程度。考虑对通信接收机的重要程度，这里依次选择话音清晰度、通信距离和误码率指标进行分析。

信噪比反映了接收机输入端口信号的质量，考虑干扰信号的功率[16]，信噪比计算式为

(11)

式中，SNR(Signal to Noise Ratio)为接收机的信噪比；S为有用信号功率；N为噪声功率；P为干扰信号的总功率。

对于通信接收机，话音清晰度是评价其性能的关键指标，其与信噪比的关系为

C=-1.26×10-5r3+2.93×10-4r2+2.57×10-2r+0.31

(12)

式中，C为话音清晰度；r为接收机的信噪比。当r>40 dB时，C=1；当r<-20 dB时，C=0。

通信距离是评价接收机性能的又一关键指标，测量接收机受扰后灵敏度降级量，继而算出通信距离的减小率来评价干扰对通信距离的影响

Δd=(1-10-ΔS/20)×100%

(13)

式中，Δd是通信距离的减小率；ΔS是灵敏度的降低量，单位为dB。

对于数字接收设备，性能分析最终要计算出接收设备的误码率(Bit Error Rate，BER)。采用相干解调的二进制数字通信系统误码率和信噪比的关系如表2所示。

表2 误码率公式

表2中，erfc为互补误差函数，其按下式计算。

(14)

根据上述3个关键指标计算出接收机受干扰的性能降级程度，将结果保存记录。

选择下一个接收机同样按照上面的流程进行电磁兼容性预测，直到把所有接收机都预测一遍，最后得到整车的电磁兼容性预测结果。

改进的电磁兼容性预测流程如图2所示。该方法在计算干扰余量时同时筛选所有发射机，考虑了不同干扰源的互调和干扰量的叠加，给出了受扰后设备性能降级的计算模型，预测结果更加准确和全面。

3 实例

已知某作战集群有一部短波发射电台、两部超短波发射电台和两部接收电台，设备参数如表3所示。

表3 车载发射机和接收机参数

下面对上述发射机和接收机的电磁兼容性进行预测。

根据本文提出的电磁兼容性预测方法，首先对接收机C的受扰情况进行预测。

发射机A、B和接收机C处于同一集群内，空间距离较近。另外，通信战车工况多、作战任务复杂，3部发射机与接收机均可能同时工作，所以接收机C有可能被干扰，需进行幅度筛选。

发射机A、B与接收机C的距离均为2 km，按照式(4)计算得两部发射机到接收机C的自由空间传播损耗分别为70.4 dB和66.4 dB，到达接收机C天线端口的有效干扰功率分别为-30.4 dBm和-26.4 dBm，接收机的安全余量为-6 dB，干扰余量明显大于安全余量，需进行频率筛选。

根据式(5)～式(7)，经分析知发射机A的三次谐波频率与接收机C的工作频率对准，可能构成干扰；发射机B与接收机C不存在频率干扰。保留发射机A与接收机C，使用ADS(Advanced Design System)仿真接收机C的受扰情况。

发射机A对接收机C的干扰仿真模型如图3所示。接收机C正常接收的信号经功分器分成两路：一路正常解调输出；另一路与发射机A的信号功率合成后再送入接收机解调输出。两条解调链路的输出频谱如图4和图5所示，d_out代表干扰链路的输出功率，sig_out代表正常链路的输出功率。由图可以看出，干扰链路在120 MHz的输出功率比正常接收链路高6.018 dB，接收机C受到了发射机A的3次谐波干扰。

图3 谐波干扰仿真

图4 干扰链路输出频谱

图5 正常链路输出频谱

发射机A与接收机C天线的增益均为3.5 dB，路径传播损耗为70.4 dB，天线最大方向失配损耗和极化失配损耗均为3 dB。经式(8)和式(9)计算得出发射机A三次谐波的有效干扰功率为-97.6 dBm，根据式(3)得到干扰余量为9.4 dB，接收机C受到了干扰。

对受扰后接收机C的性能进行分析后发现，接收机C信号功率为-92 dBm，未加干扰时信噪比为15 dB，采用二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)方式通信。加入干扰信号后，经式(11)计算得信噪比近似为5.6 dB。

根据式(12)计算得出未加干扰时话音清晰度为0.72，受扰后的话音清晰度为0.46，话音清晰度降低了36%。

在-97.6 dBm的干扰功率下接收机的灵敏度降低了5 dB，据式(13)算出接收机C的通信距离减小率为43.7%。

在Simulink中搭建高斯白噪声信道BPSK通信系统对接收机C的误码率进行仿真。搭建的模型如图6所示，仿真得到误码率随信噪比的变化曲线如图7所示。在5.6 dB的信噪比下，接收机C的误码率为4.2×10-3，而语音信号的误码率门限为1× 10-4，干扰使误码率发生了恶化。

接收机C的话音清晰度、通信距离在受扰后出现了较大的性能降级，误码率超出了误码率门限一个数量级。接收机C受到了中度干扰，需要使用电磁兼容性设计改善其性能。

对接收机C的评估结束，依据上述流程依次对接收机D进行评估。经验证，接收机D未受到干扰。对该集群上装接收机的电磁兼容性预测结果与实际情况一致，本文提出的预测方法得到了验证。通过与文献[5]和文献[12]电磁兼容性预测结果的对比，本文提出的方法在计算干扰余量时同时筛选所有发射机，考虑了不同干扰源的互调和干扰量的叠加， 给出了受扰后设备性能降级的计算模型，预测结果更加准确和全面。

图6 高斯白噪声信道下BPSK通信系统模型

图7 BPSK通信系统误码率

4 结束语

本文提出了一种车载通信设备电磁兼容性预测方法，其主要分为快速筛选、幅度筛选、频率筛选、详细计算和性能分析5个部分。在计算干扰余量时考虑了不同干扰源的互调和干扰量的叠加，选取关键指标对通信设备受扰后的性能降级进行了分析。在对某车载通信设备电磁兼容性预测中，接收机C的干扰余量为9.4 dB，受扰后话音清晰度降低了36%，通信距离减小了43.7%，误码率为4.2×10-3，说明其受到了中度干扰，而接收机D未受到干扰。预测结果贴合实际情况，验证了本文提出的电磁兼容性预测方法的可行性和准确性，为车载通信设备电磁兼容性预测提供了有益的参考。