车载超短波电台受扰程度定量分析与评估

王 雯，路宏敏，张光硕，陈冲冲，张世巍

(1.西安电子科技大学 电子工程学院，陕西 西安 710071; 2.中国北方车辆研究所，北京100072)

地面车辆装备有大量成套的电子设备，可满足通讯、指挥、导航、预警、跟踪、武器系统控制与数据分析处理等多重任务要求。但是，在装备作战能力大幅提高的同时，装备内部电磁环境愈发恶劣，车载电台作为通信车辆重要的核心部件之一，易受周围复杂电磁环境的干扰，导致其性能降低或丧失，影响战场上的指挥控制能力[1-3]。因此，研究车载通信设备在复杂电磁环境中的电磁兼容性问题显得尤为重要。

针对通信设备所面临的电磁兼容性问题，国内外研究人员展开了大量研究。文献[4]对接收机共址干扰进行了研究，基于半经验计算方法定量分析了通信系统的干扰效应。文献[5]提出了一种用于评估车载通信系统电磁兼容性的四级评估模型，对系统级EMC(Electromagnetic Compatibility)进行定性评估[6]。文献[7]对通信车辆的电磁兼容性能进行了分析，并对接收机脱敏风险认证提出若干产品规范。上述研究均从系统级角度出发，未对设备级电磁兼容问题展开讨论。文献[8]利用测试数据对接收机阻塞干扰响应进行建模研究，但未对受扰设备的应用风险进行评估。本文从设备级电磁兼容角度出发，对受扰超短波电台进行研究，并分析了接收机减敏特性，建立了天线端口干扰电压与接收机减敏量的量化模型，定量分析了该超短波电台的受干扰情况。研究结果表明，本文的量化模型具有较高的精度，88%的测试频点误差在6 dB限值范围内。同时，为综合分析车载电台的受干扰情况，从受扰电台的应用层面出发，利用本文所建立的量化模型，采用层次分析法，提出了一种可表征受扰车载电台通信效能的评估方法。实例分析证明该评估方法可直观地体现出受扰车载电台的通信效能降级情况。

1 接收机减敏特性分析

处于复杂电磁环境中的接收机，从天线接收有用信号的同时，会夹带着若干个干扰信号进入接收机内部。这些干扰信号会使接收机工作于非线性状态，导致进入接收机的有用信号增益降低，发生减敏现象[1-3]。

接收机减敏是一种非线性效应。本文选取幂级数模型[9-10]来描述接收机输入输出的非线性特性。幂级数模型是一种非线性模型，结构简单，模型系数辨识度高，与其他模型相比能更直观地表示非线性特性所带来的各阶失真。

图1 接收机简易模型

假设接收机输入端的输入信号为

Vin(t)=A1cos(w1t)+A2cos(w2t)

(1)

式中，A1cos(w1t)为从天线端口接收到的有用信号；A2cos(w2t)为从天线端口接收到的干扰信号，且A2≫A1。

接收机输出端的输出信号Vout(t)可表示为

(2)

接收机的非线性主要是由二阶以上系数不为0的项所引起的，越高次项对于输出的贡献越小。此处忽略三阶以上项所带来的非线性效应[11]，则接收机输出端的输出信号如式(3)所示。

(3)

将式(1)的输入信号代入式(3)，可得接收机的非线性输出为

Vout(t)=a1(A1cos(w1t)+A2cos(w2t))+

A1A2cos(w1t±w2t))+

(4)

式(4)中包含各阶谐波以及交调分量。由于输入干扰信号幅值远大于输入有用信号幅值，故式(4)中的微小项在输出时将被忽略，且式(4)中的各阶谐波与交调分量需经滤波器处理，则最终输出的有用信号Vout1(t)为

(5)

输出的干扰信号Vout2(t)为

(6)

上述两式中，为了符合增益压缩特点，a3一般均小于0，即输出有用信号的增益由于干扰信号的输入而减小，这将导致接收机接收微弱信号的能力降低，接收机灵敏度下降[12]，这也是接收机减敏的原理。

2 天线端口干扰电压与减敏量化模型

2.1 量化模型的建立

接收机灵敏度计算式为

S(dBm)=10lg(N)+NF+(S/N)

(7)

式中，N为系统噪声，N=KTB，室温1 Hz带宽下系统噪声为-174 dBm；NF为噪声系数；SNR为信噪比；S/N为解调信噪比。

假设无干扰时接收机灵敏度为S1，受干扰后接收机灵敏度为S2，则接收机减敏量ΔS为

ΔS=S2-S1

=NF2-NF1

(8)

式中，NF2为存在干扰时的噪声系数；NF1为无干扰时的噪声系数。

由于车载通信设备输入信噪比可维持在一个固定值上，有SNRin1=SNRin2，故式(8)可简化为式(9)。

ΔS=10lg(SNRout1)-10lg(SNRout2)

(9)

(10)

假设接收机从天线端口同时接收到的干扰信号电压为Vin2=A2cos(w2t)，功率P2=A22/(2R)，由式(5)与式(6)可知，此时接收机的输出信噪比SNRout2为

(11)

将式(10)、式(11)代入式(9)中，可得接收机减敏量与天线端口干扰电压关系式为

ΔP=-10lg(N)-10lg[(a12+6a1a3RP2+9a32R2P22)]+

(12)

式中，R=50 Ω；a1、a3的值表征接收机的非线性特性，针对不同的接收机，且a1和a3的值不同。

2.2 量化模型求解

基于某型号超短波电台在暗室内测量的天线端口干扰电压与接收机灵敏度的试验数据来求解上述量化模型。超短波电台工作频段为30～88 MHz，试验数据包含测试频点相对应的峰值干扰电压与接收机灵敏度标定值。图2为试验测试数据分布图。

(a)

采用MATLAB拟合工具箱cftool对试验数据进行拟合。本文对量化模型进行多次优化，并引入噪声因子c[13]，最终求得量化模型为

(13)

式中，a1=-0.299 2；a3=-2.875；c=0.324 8。

模型中引入噪声因子c，系统噪声增加至-116 dBm。这是由于在实际测试中，车载电台周围环境温度高于正常室温，并且试验过程中存在一定的测试误差。图3为拟合模型结果与实验数据误差分布图。从图中可以看出，绝大多数频点落在6 dB限值范围内。将量化模型拟合结果与试验数据相比较可以发现，除去3个明显误差点后，85%的测试频点量化误差在6 dB限值内，表明所求量化模型具有较高的精准度。

图3 拟合模型结果与试验数据误差分布图

2.3 量化模型验证

为验证量化模型的有效性，对上述超短波电台进行实测。本文共选取100个测试频点，测量数据包含与频点相对应的峰值干扰电压与灵敏度标定值。图4为实测数据分布图。

(a)

利用峰值干扰电压计算干扰功率，并代入量化模型式(13)中。通过量化模型计算得到的减敏量与实测数据的减敏量误差，如图5所示。

图5 模型计算结果与实测数据误差分布图

从图5可以看出，除去5个明显误差点，88%的测试频点量化误差在6 dB限值内。综上所述，所求量化模型可用于定量分析车载电台的受干扰情况。

3 受扰车载电台通信效能评估

面对车内复杂电磁环境，车载通信设备的工作状态、通信效能、功能需求等是车载通信设备通信效能评估[14]的重要内容。

3.1 评估指标

在现今作战指挥中，车载通信设备在达到最大通信距离的同时，还承担着语音通话以及信息收发等任务[15]。针对车载通信设备所承担的任务类型以及所具备的必要要求，进行受扰车载电台通信效能评估时，需选取可表征上述条件的3个关键指标[16]，包括语音清晰度指数、误码率和最大通信距离。

3.1.1 语音清晰度指数

清晰度指数(Articulation Index，AI)是用来评价语音清晰程度的一种参数[17]。通信过程中，语言的清晰程度是评定通话质量的重要指标之一，因此选用语音清晰度指数作为反映语音通话质量的性能指标。语音清晰度指数计算模型为

A(r)=

(14)

式中，r为接收机信噪比，单位为dB。

3.1.2 误码率

误码率(Symbol Error Rate，SER)是通信系统中最常用的指标，本文通过误码率来评价通信过程中信息收发的质量。误码率在通信系统中被定义为错误码元数与传输总码元数之比，是衡量信息传输质量的重要指标。针对目前通信系统中典型的调制方式，可通过现有固定表达式进行误码率计算。调制方式为2FSK情况下的误码率计算式为

(15)

式中，r为接收机信噪比，单位为dB。

3.1.3 最大通信距离

最大通信距离常被用于评估无线通信设备受干扰程度。自由空间传播的通信距离计算式为

L=32.44+20lgD+20lgf

(16)

式中，L为传播损耗，单位为dB；D为通信距离，单位为km；f为通信频率，单位为MHz。

3.2 评估方法

本文选用层次分析法[18]来评估受扰车载电台的通信效能。利用前文选取的3个关键指标来建立评估体系，然后通过计算确定各层次指标的权重值。所建评估模型如图6所示。

图6 受扰车载电台通信效能评估指标体系

通信效能为

Y=0.429×(1×A+1×B)+0.143×(1×C)

(17)

式中，A为语音清晰度指数的归一化计算值；B为数据通信误码率的归一化计算值；C为最大通信距离的归一化计算值。

通过计算，可将受扰车载电台通信效能的评估等级分为优秀、良好、合格与不合格4个等级，具体划分详见表1。

表1 通信效能评估等级

3.3 实例分析

选用试验测试中的超短波电台，该超短波电台工作在定频或跳频模式下，接收机输出最大信噪比为12 dB，输入最大射频信号功率不大于-113 dBm，在中等起伏地形下，其最大通信距离为25 km。通过实测天线端口干扰电压的幅值，利用章节2所得的量化模型可计算出接收机的减敏量，进而得出该电台各性能指标的下降情况。表2为受扰通信设备性能指标值。

表2 受扰通信设备性能指标值

对表2中评估指标的指标值进行归一化，利用上述受扰车载电台通信效能评估指标体系对该受扰车载电台进行评估。表3为受扰通信设备评估结果。

表3 受扰通信设备评估结果

在3个干扰电压中，干扰电压1的幅值最小，理论上电台受扰程度最低；干扰电压3的幅值最大，其电台受扰程度最大。通过评估计算可知，电台受干扰电压1的影响最小，其通信效能评估值最大，通信效能优秀；电台受干扰电压3的影响最大，其通信效能评估值最小，通信效能合格。上述分析结果证明了所建评估模型的有效性与可行性。

4 结束语

本文通过对接收机非线性效应以及减敏现象的分析，基于试验数据，建立了一个可直观表示接收机减敏量与天线端口干扰电压关系的量化模型。所建模型量化结果与实测数据误差分析表明，超过85%的测试频点的误差量保持在6 dB限值内，模型具有较高精度，可用于定量分析车载电台在车内复杂电磁环境中的受干扰情况。基于所建立量化模型，本文从实际应用角度出发，采用层次分析法提出了一种可表征受扰车载电台通信效能的评估方法，通过实例验证了该评估方法的有效性和可行性，评估结果可直观反映受扰车载电台的受干扰程度。