全厚德,趙 波,尹中秋,何 豐

(1.軍械工程學(xué)院 信息工程系,石家莊050003;2.總參信息化部駐石家莊地區(qū)軍事代表室, 石家莊050003;

3.解放軍駐一二四廠軍事代表室, 鄭州450062)

1 引 言

隨著電磁環(huán)境的日益復(fù)雜,車載、艦載、機(jī)載通信系統(tǒng)一般同時(shí)裝配多部短波、超短波跳頻電臺,當(dāng)這些電臺同時(shí)在一狹小區(qū)域內(nèi)工作時(shí),由于天線間距很近,發(fā)射機(jī)和鄰近接收機(jī)的收發(fā)電平相差很大(可超過100 dB),會產(chǎn)生嚴(yán)重的共址干擾,特別是多部電臺同時(shí)跳頻工作(參與不同的跳頻群網(wǎng))時(shí),會導(dǎo)致更為嚴(yán)重的網(wǎng)間及網(wǎng)內(nèi)干擾,導(dǎo)致接收機(jī)阻塞或減敏[1]。共址干擾的定量分析是復(fù)雜通信系統(tǒng)工作的重要組成部分,它一方面為現(xiàn)有通信系統(tǒng)跳頻組網(wǎng)性能的評估,以及跳頻電臺工作參數(shù)的分配提供了理論依據(jù)[2],另一方面也為未來通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、電臺的配置提供了有力的指導(dǎo)。

針對共址干擾下的跳頻電臺組網(wǎng)問題,國內(nèi)外缺乏較為系統(tǒng)、全面的研究,僅僅側(cè)重某一方面,例如:共址環(huán)境中的天線耦合度預(yù)測、天線布局優(yōu)化、共址干擾抑制和消除,設(shè)計(jì)低碰撞的跳頻序列,以及對跳頻碰撞模型的研究[2-6]。文獻(xiàn)[7]實(shí)現(xiàn)了3 種干擾條件下的誤碼率計(jì)算,其模型反映了共址干擾,但只適合于兩部電臺間一對一的干擾模式。文獻(xiàn)[8]提出了干擾概率的概念,將定頻干擾帶寬引入干擾概率的計(jì)算,但模型只是將干擾帶寬與工作帶寬相比,無法考慮頻表分配對干擾概率的影響。文獻(xiàn)[9]在干擾概率基礎(chǔ)上,通過與VHF 跳頻方式相結(jié)合,對跳頻組網(wǎng)性能進(jìn)行了分析和優(yōu)化,但干擾條件的設(shè)定僅依賴于頻率間距,缺乏對電臺實(shí)際性能的研究,而且干擾概率無法代替數(shù)字通信中的誤碼率指標(biāo)。已有文獻(xiàn)針對共址電臺開展了很多研究,但模型相對簡單,既缺乏系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)作為支撐,也沒有對天線、電臺、跳頻等因素進(jìn)行全面、深入的分析與研究。

本文以車載HF 電臺為對象,在大量實(shí)驗(yàn)和理論分析基礎(chǔ)上,建立了定頻模式下的共址干擾分析模型。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合HF 跳頻組網(wǎng)方式,提出了跳頻系統(tǒng)的誤碼率計(jì)算方法,深入分析了共址條件下,影響跳頻組網(wǎng)性能的主要因素,為通信系統(tǒng)配置和設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

2 HF 電臺共址干擾分析

2.1 共址工作平臺

在車載通信系統(tǒng)中,共址工作的無線電臺有圖1 中的兩種情形。在圖1(a)中,兩部無線電臺在同一輛車載平臺上,天線之間的間距固定,一部作為共址接收機(jī)與遠(yuǎn)端的發(fā)射機(jī)正常通信,一部作為共址的干擾發(fā)射機(jī)。在圖1(b)中,兩部共址無線電臺在間距為dx 的兩輛車載平臺上,天線間距dx 可變。

如圖1 所示,共址工作的無線電臺距離很近,干擾機(jī)會對鄰近的接收機(jī)產(chǎn)生較強(qiáng)的干擾信號,從而導(dǎo)致接收機(jī)工作性能下降。在數(shù)字通信系統(tǒng)中,誤碼率(BER)是衡量數(shù)據(jù)傳輸正確性的重要指標(biāo),這里以BER 為目標(biāo),對共址干擾中的主要影響因素進(jìn)行定量分析。

圖1 共址干擾下的無線電臺Fig.1 Radios under CI

2.2 主要影響因素

耦合度是判斷天線間干擾程度和電臺間射頻傳輸損耗的重要參數(shù),同時(shí)也是計(jì)算共址BER 的前提條件。針對圖1 中的兩種情形,文獻(xiàn)[10-13]中已經(jīng)進(jìn)行了研究。其中,圖1(a)中的情形可以采用實(shí)驗(yàn)的方式得到近場區(qū)(菲涅耳區(qū)域)的天線耦合度,圖1(b)的情形則采用自由空間傳播方式計(jì)算功率耦合度。

圖2 是針對HF 電臺的兩種不同天線,在圖1(a)所示環(huán)境中,得到的不同工作頻點(diǎn)下耦合度的統(tǒng)計(jì)均值曲線。

圖2 HF 電臺耦合度統(tǒng)計(jì)均值曲線Fig.2 Coupling statistical curve of HF radio

假設(shè)共址干擾機(jī)發(fā)射功率為Ps,正常通信電臺在接收機(jī)處的信號大小為Pr,功率耦合度為C,則干擾電臺在接收機(jī)端的干擾功率為

通常Pr基本恒定,因此,共址干擾的影響主要決定于共址工作電臺之間的頻率間隔Δf,以及干擾與信號功率之差:

同時(shí),接收電臺的頻率選擇性、敏感度門限等,以及環(huán)境噪聲,也會對BER 指標(biāo)產(chǎn)生影響。因此,共址干擾的主要影響因素有:與空間域相關(guān)的耦合度,與能量域相關(guān)的電臺收發(fā)特性和環(huán)境噪聲,以及與頻率域相關(guān)的頻率間隔。

2.3 實(shí)驗(yàn)平臺和理論模型

為了深入分析共址干擾對BER 的影響,在定頻模式下,分別從實(shí)驗(yàn)和理論兩方面出發(fā)對BER、Δf和Δp 等參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了研究,從而為跳頻組網(wǎng)分析奠定基礎(chǔ)。

文獻(xiàn)[10]建立了圖3 所示的有線實(shí)驗(yàn)平臺,通過改變共址電臺頻率間隔、信號、干擾功率,對不同狀態(tài)下的誤碼率指標(biāo)進(jìn)行了測試,從而對BER、Δf和Δp 三者之間的關(guān)系進(jìn)行了深入的分析與研究。

圖3 共址干擾下的誤碼率測試平臺Fig.3 BER test platform under CI

采用有線連接方式的優(yōu)點(diǎn)是所有指標(biāo)都是可控、可調(diào)節(jié)的,實(shí)驗(yàn)具有真實(shí)性、可重復(fù)性。平臺主要由電臺、固定衰減器、數(shù)控衰減器、功率合成器、耦合器等構(gòu)成。為了防止功率泄露影響測試結(jié)果,將共址接收機(jī)置于電磁屏蔽室內(nèi),其他電臺置于屏蔽室外,分別作為通信電臺和共址干擾電臺。

理論方面則按照圖4 所示模型,在文獻(xiàn)[12-13]中對BER 性能進(jìn)行了深入研究。

圖4 定頻模式下的共址干擾分析模型Fig.4 CI analysis model of fixed frequency model

2.4 共址安全帶寬分析

為了衡量共址干擾信號的有效覆蓋范圍,引入共址安全帶寬的概念來分析干擾對頻率域的影響。設(shè)發(fā)射機(jī)的發(fā)射頻率為f T,接收機(jī)的調(diào)諧頻率fR,在電磁干擾的臨界情況下,發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的最小頻率間隔為

如果fT>fR,定義Δf min為共址干擾的下限安全帶寬,即接收電臺為了避免干擾需要向下偏離發(fā)射中心頻率的間隔;相反,則定義為共址干擾的上限安全帶寬。

以HF 電臺為例,依據(jù)圖3 中的平臺和圖4 中的模型對共址干擾下的重要指標(biāo)進(jìn)行研究。HF 數(shù)據(jù)BER 容限一般為1×10-4[14],因此,這里以1×10-4作為臨界狀態(tài),給出了Δp 與Δf 之間的理論和實(shí)驗(yàn)擬合曲線,如圖5 所示。

圖5 Δp 與Δf 的關(guān)系曲線Fig.5 Relational curve between Δp and Δf

從圖5 可以看出,當(dāng)BER 一定時(shí),隨著Δp 的增加,所要求的Δf 也逐漸增加。當(dāng)Δp 確定時(shí),通過繪制BER 的擬合曲線,可得到所要求的最低頻率間隔Δf min,即共址安全帶寬。要保持BER 在指定容限之下,工作頻率必須大于Δfmin;反之,當(dāng)頻率間隔小于Δf min時(shí),認(rèn)為工作頻點(diǎn)被干擾臺覆蓋,處于干擾有效區(qū)間。

3 誤碼率計(jì)算模型

3.1 跳頻組網(wǎng)分析條件

(1)假設(shè)有L 輛通信車在同一地點(diǎn)展開工作,每輛車配有nL部HF 電臺,單車上的每部電臺分別與遠(yuǎn)端電臺組成nL個(gè)跳頻通信網(wǎng)進(jìn)行通信,同時(shí)存在同車和車際間共址干擾;

(2)HF 電臺采用天波傳播,由于電離層的時(shí)變特性,存在所謂的頻率“窗口現(xiàn)象”,導(dǎo)致不同方向通信的頻率帶寬一般在50 ～500 kHz和1 MHz范圍[14],所以在不同的環(huán)境和時(shí)段下,HF 通信一般采用窄帶跳頻;

(3)跳頻序列由偽碼發(fā)生器隨機(jī)產(chǎn)生,跳頻間隔為ΔF,跳頻頻表的頻率點(diǎn)數(shù)為N,則在每一瞬時(shí),電臺i 落在N 個(gè)跳頻點(diǎn)上的第j 個(gè)頻點(diǎn)的事件呈等概率分布,受窄帶跳頻的限制,共址工作的各電臺都在同樣N 個(gè)跳頻點(diǎn)上工作,跳頻狀態(tài)相互獨(dú)立;

(4)若系統(tǒng)內(nèi)共有n 部電臺,而跳頻系統(tǒng)在每一工作瞬時(shí)是否受到干擾是一確定事件,可按定頻模式進(jìn)行分析,相應(yīng)地引入瞬時(shí)干擾判據(jù);

(5)通過實(shí)驗(yàn)和理論分析,可以在已知耦合度、干擾功率、信號功率、BER 容限等參數(shù)的基礎(chǔ)上,確定共址安全帶寬Δfmin,則瞬時(shí)干擾判據(jù)為:在某時(shí)刻t,若某受試臺工作于頻點(diǎn)fi,而干擾臺工作于頻點(diǎn)fj時(shí),若,則受試臺在該瞬時(shí)被干擾。

3.2 誤碼率計(jì)算

跳頻系統(tǒng)受干擾時(shí),誤碼率可以近似為[14]

其中,J 為受干擾頻點(diǎn)數(shù),N 為跳頻點(diǎn)數(shù)目,這里以第i 部電臺為對象,將其看作受試臺,其余n -1 部看作干擾臺,計(jì)算受試臺i 的受擾頻點(diǎn)J 。

在某一時(shí)刻,n-1 部干擾臺對應(yīng)的瞬時(shí)跳頻點(diǎn)分別為{fj1,fj2, …,fjn-1},每一部干擾臺對應(yīng)的頻點(diǎn)覆蓋范圍Δfmin由公式(1)～(3)決定。公式(1)中的耦合度C,對應(yīng)圖1 有下面兩種計(jì)算方法:

或者

式中,W 為近場耦合度的擬合曲線,dx 為電臺間距,f j 為瞬時(shí)工作頻率,Gt、Gr 分別為天線的發(fā)射和接收增益。

此時(shí),干擾臺k 工作在頻點(diǎn)fjk,對應(yīng)頻點(diǎn)覆蓋范圍為Δfkmin,干擾臺k 對鄰近工作頻點(diǎn)的干擾覆蓋范圍為

為了避免共址干擾,這里采用頻點(diǎn)數(shù)目向上取整的方式。因此,干擾臺k 的有效干擾頻點(diǎn)集合為

設(shè)窄帶跳頻的所有的工作頻點(diǎn)為

因此,干擾臺k 對受試臺i 在此刻的干擾頻點(diǎn)為

即,對集合Gk和F 求交集,判斷干擾臺k 在此刻占用了多少有效工作頻點(diǎn)。

依據(jù)上述分析條件,受試臺i 在任意一個(gè)時(shí)刻,受到干擾的頻點(diǎn)集合為

采用集合的方式,是考慮到頻點(diǎn)可能重合的情形。因此,干擾頻點(diǎn)個(gè)數(shù)為

其中,M 是計(jì)算集合中的頻點(diǎn)數(shù)量,Jj1j2…jn-1是任意某一時(shí)刻受試臺i 受干擾頻點(diǎn)的個(gè)數(shù),公式中隱含的自變量是n-1 部干擾臺的瞬時(shí)工作頻點(diǎn){fj1,fj2,…,fjn-1}。為了得到受試臺i 受干擾頻點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)均值,需要考慮n -1 部干擾臺,工作在所有N 個(gè)頻點(diǎn)的情形。因此,受試臺i 受干擾頻點(diǎn)數(shù)的統(tǒng)計(jì)均值為

通過公式(1)～(13)可以得到任意受試臺的誤碼率指標(biāo),需要注意的是,在實(shí)際中,必須考慮解碼、解交織對誤碼率的改進(jìn),通過與電臺的工作方式相結(jié)合[10],才能得到實(shí)際的誤碼率。

4 實(shí)例分析

假設(shè)通信系統(tǒng)通常配置2 ～4 輛車載平臺,每輛車的HF 電臺為1 ～3 臺。一般情況下,每部電臺跳頻頻表的頻率點(diǎn)數(shù)N 取值為32、64,跳頻間隔ΔF 對應(yīng)不同的N 取值為2 ～8 kHz[14]。這里主要對共址干擾嚴(yán)重的情況進(jìn)行分析,以配置3 或4 輛車為例,對車載電臺配置為T={2,2,1}、T ={2,2,2}、T ={2,2,1,3}、T ={2,2,2,2}幾種情形進(jìn)行性能評估,并給出合理的參數(shù)配置。其中T ={2,2,1}和T ={2,2,2}是指系統(tǒng)有3 輛車,分別記為T-1、T-2、T-3,集合中的數(shù)值為每輛車配置的HF 電臺數(shù)量,同樣的,T ={2,2,1,3}和T={2,2,2,2}是指系統(tǒng)有4 輛車。電臺采用RS 編碼,分組交織的工作方式對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,車輛之間的距離矩陣(單位為m)為

其中,D3、D4分別為站點(diǎn)配置3、4 輛車時(shí),車輛兩兩之間的距離參數(shù)。下面分別對這4 種系統(tǒng)配置下的BER 性能進(jìn)行分析,針對不同的系統(tǒng)配置,選擇合理的N、ΔF 取值范圍。

首先以T ={2,2,1}的情形為例,給出不同N、ΔF 取值下的BER,表1 對應(yīng)不同N、ΔF 時(shí)解碼、解交織后的BER。按照T -1、T -2、T -3 的順序給出5 部電臺的結(jié)果,其中T-1、 T -2 上有2 部同車電臺, T -3 上僅有1 部電臺, 計(jì)算結(jié)果由公式(4)得到。

表1 不同N、ΔF 下的BER指標(biāo)Table 1 BER under different N,ΔF values

從表1 的BER 可以看出,T -1 和T -2 上4 部電臺的結(jié)果基本相同,這是因?yàn)檫@兩輛車上都有2部HF 電臺,對這兩部電臺來說,都存在1 臺同車干擾和3 臺車際間干擾,而且同車干擾時(shí)的天線類型、間距等因素基本相同,因此這4 部電臺的BER 結(jié)果基本一致。只是由于車際間干擾中距離矩陣D 的不同,在個(gè)別頻率間隔上的結(jié)果有所區(qū)別,但與同車干擾相比車際間干擾的影響較小。HF 數(shù)據(jù)BER 容限為1×10-4,在T={2,2,1}配置下系統(tǒng)要正常工作,當(dāng)N=32 時(shí)ΔF 只能取8 kHz,而N =64 時(shí)ΔF可以取4 ～8 kHz。

在表1 中,由于T -3 車上只有1 部電臺, 當(dāng)ΔF 取值為2 kHz、4 kHz、8 kHz時(shí),它的BER 明顯小于前面4 部電臺的結(jié)果,這是因?yàn)樵谶@3 個(gè)頻率間隔取值上,車際間干擾的影響小于同車干擾,而在6 kHz取值時(shí),車際間干擾的影響與同車干擾基本相同,這可以通過觀察這兩種干擾的頻率覆蓋范圍得到。為此,依據(jù)公式(7),表2 給出了N 取值32、64,ΔF 取值2 kHz、8 kHz時(shí)的同車、車際間干擾的頻率覆蓋數(shù)量,結(jié)果同樣按照T-1、T -2、T -3 的順序給出。

表2 不同N、ΔF 下的頻率覆蓋Table 2 Frequency cover under different N,ΔF values

通過表2 可以看出,車際間干擾的頻率覆蓋數(shù)量大于同車干擾,但這并不代表車際間干擾影響較大。以N=32、ΔF=2 kHz為例,T -1 車上第1 部電臺的車際間干擾頻率覆數(shù)量為14.23,但這是T -2車上的2 部電臺和T -3 車上的1 部電臺共同干擾的結(jié)果,平均每部電臺的干擾約為4.74 個(gè)頻率點(diǎn)。同車干擾則來自T -1 車上的另1 部電臺,頻率數(shù)量為7.50,因此同車干擾的影響是大于車際間干擾影響的。值得注意的是,總干擾的頻率覆蓋數(shù)量要小于同車、車際間干擾數(shù)量之和,這是由于兩種干擾的頻率覆蓋點(diǎn)存在重合,因此公式(10)采用集合的方式以消除相同頻率點(diǎn)。

同樣地,當(dāng)系統(tǒng)配置為T ={2,2,2}、T={2,2,1,3}和T ={2,2,2,2}時(shí),也可以得到不同N、ΔF 取值下的BER 和頻率覆蓋,這里給出不同系統(tǒng)配置下可用的N、ΔF 參數(shù),見表3。

表3 不同系統(tǒng)配置下N、ΔF 的取值Table 3 N,ΔF values under different configurations

從表3 可以看出,當(dāng)N 取32 時(shí),在T ={2,2,2}、T={2,2,1,3}、T ={2,2,2,2}系統(tǒng)配置下, ΔF只有取8 kHz共址電臺才能正常工作,而N 取64 時(shí),T={2,2,2}的ΔF 可以取5 ～8 kHz,即N 的變化有效的緩解了共址干擾。當(dāng)增加2 部共址電臺,使系統(tǒng)配置成為T={2,2,1,3}或者T={2,2,2,2}時(shí),N取64 很難使ΔF 的取值范圍有所增加,很明顯這時(shí)需要更大的跳頻頻率點(diǎn)數(shù)來緩解共址干擾,但現(xiàn)有電臺很少超過64 個(gè)頻點(diǎn),這在以后的共址設(shè)計(jì)中,必須加以考慮。

5 結(jié)束語

總之,HF 電臺在車載組網(wǎng)環(huán)境中面臨著嚴(yán)重的共址干擾,針對系統(tǒng)的級別和配置,必須依據(jù)共址誤碼率計(jì)算模型,選擇合理的跳頻點(diǎn)數(shù)和頻率間隔,以避免共址干擾的影響,才能保障通信順暢。此外,在現(xiàn)有車載電臺形式下,跳頻點(diǎn)數(shù)和頻率間隔的取值受到了共址干擾的限制,這在一定程度上降低了組網(wǎng)電臺的抗干擾能力,因此,在以后的車載電臺設(shè)計(jì)中,需要通過增加隔離度,使用共址濾波器等方式,緩解共址干擾的影響,從而增強(qiáng)抗敵對干擾的能力。

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