萬健鵬，路宏敏，劉國華，李 敏

(西安電子科技大學(xué) 電子工程學(xué)院,陜西 西安 710071)

現(xiàn)代地面車載通信系統(tǒng)上裝備了大量成套的電子電氣設(shè)備，這些設(shè)備與系統(tǒng)為地面車輛提供了通訊、指揮、導(dǎo)航、預(yù)警、跟蹤、武器系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)分析處理的能力。大量設(shè)備在車輛內(nèi)部形成了一個復(fù)雜的電磁場環(huán)境，這種電磁干擾(Electromagnetic Interference，EMI)環(huán)境會導(dǎo)致許多電磁兼容(Electromagnetic Compatibility，EMC)問題[1-5]，例如通信距離縮短以及通信質(zhì)量下降。此時，系統(tǒng)間的電磁兼容性問題就變得尤為突出。

針對車載通信系統(tǒng)間的電磁兼容問題，采用傳統(tǒng)的四級篩選方法進(jìn)行電磁干擾余量評估，會出現(xiàn)評估模型不適用的情況，評估結(jié)果無法反應(yīng)通信系統(tǒng)降級程度[6]。因此，有必要對傳統(tǒng)的四級篩選法方法進(jìn)行改進(jìn)，對車載通信系統(tǒng)進(jìn)行更為精確、高效、全面的電磁干擾余量評估。

1 系統(tǒng)電磁兼容原理

電磁兼容三要素[7]包括電磁干擾源、干擾傳播路徑和敏感設(shè)備。如圖1所示，通過比較干擾源耦合到敏感設(shè)備處的有效干擾功率和敏感設(shè)備的靈敏度，可以得到敏感設(shè)備的受擾程度[8]，據(jù)此建立的干擾余量(Interference Margin，IM)計算模型[9]為

圖1 電磁兼容三要素Figure 1. Three elements of EMC

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

(1)

式中，IM(f,t)為敏感設(shè)備受到的干擾余量，單位為dB；PE(f,t)為干擾源耦合到敏感設(shè)備射頻端口的有效干擾功率，單位為dBm；S(f)為敏感設(shè)備的靈敏度，單位為dBm。

2 超短波接收機減敏模型

接收機的靈敏度表示接收機可解調(diào)的最小信號強度，同噪聲系數(shù)、帶寬和溫度有關(guān)。接收機靈敏度[10]計算式為

Sref=kT+10logB+SNR+NF

(2)

式中，Sref代表靈敏度，單位dBm；k是玻爾茲曼常數(shù)，大小為1.38×10-23J·K-1；T是熱力學(xué)溫度，單位為K；B代表接收機工作帶寬，單位為Hz；SNR(Signal to Noise Ratio)代表輸出信噪比，單位為dB；NF代表噪聲系數(shù)，單位為dB。

超短波接收機前端系統(tǒng)如圖2所示。50 Ω系統(tǒng)天線端口干擾電平與干擾功率的關(guān)系按式(3)進(jìn)行換算。

圖2 超短波接收機前端系統(tǒng)框圖Figure 2. Block diagram of VHF receiver front end system

I=V-107

(3)

式中，V為接收機天線端口干擾電平，單位為dBuV；I為接收機前端干擾功率，單位為dBm。

接收機減敏機理[11]如圖3所示，當(dāng)接收機的輸入端有一個或多個與基頻鄰近的干擾信號時，干擾信號會在接收機射頻前端的混頻器與本振信號發(fā)生倒易混頻，造成接收機底噪的抬升[12]，導(dǎo)致接收機輸出信噪比降低。當(dāng)收到強干擾信號后，接收機會產(chǎn)生非線性效應(yīng)，此時干擾信號會讓接收機前端的小信號放大器的噪聲系數(shù)增加。根據(jù)噪聲系數(shù)級聯(lián)公式可知，接收機整體的噪聲系數(shù)增加將導(dǎo)致接收機靈敏度下降。受擾后接收機的靈敏度計算式為

圖3 靈敏度下降過程Figure 3. The decline process of sensitivity

Snow=Sref+(SNRnow-SNRref)+(NFnow-NFref)

(4)

式中，Snow為接收機受擾后靈敏度；Sref為未受擾時接收機靈敏度；SNRnow為受擾后輸出信噪比； SNRref為無干擾時輸出信噪比；NFnow為受擾后的噪聲系數(shù)；NFref為無干擾時的噪聲系數(shù)；Imax為干擾信號峰值功率；Isat為接收機靈敏度下降6 dB的干擾信號峰值功率。

預(yù)測靈敏度與實測數(shù)據(jù)的誤差計算式為

erro=|Snow-Smea|

(5)

式中，Smea為超短波接收機實測靈敏度。

將模型預(yù)測的靈敏度與實測數(shù)據(jù)對比，誤差結(jié)果如圖4所示。在所測的62個頻點中，71%的頻點預(yù)測靈敏度誤差在3 dB以內(nèi)。該減敏模型能通過天線端口干擾信號峰值電平有效地預(yù)測接收機受擾后的靈敏度。受擾后接收機的減敏量為

圖4 預(yù)測誤差Figure 4. Prediction errors

ΔS=Snow-Sref

(6)

式中，ΔS為減敏量，單位為dB。

3 干擾余量評估方法

對于系統(tǒng)級EMI進(jìn)行評估時，首先應(yīng)該確定評估標(biāo)準(zhǔn)。在該模型中，車載通信系統(tǒng)的電磁干擾環(huán)境可分為3個等級：IM>0表示系統(tǒng)存在潛在的電磁干擾環(huán)境；IM=0表示系統(tǒng)處于臨界干擾；IM<0表示系統(tǒng)處于兼容狀態(tài)。

干擾余量評估流程如圖5所示，該模型可用于計算車載通信系統(tǒng)的干擾余量，通過通信距離、信噪比、誤碼率3個指標(biāo)對整個車載通信系統(tǒng)的通信性能進(jìn)行定量評估。

圖5 干擾余量評估流程Figure 5. Interference margin assessment process

3.1 工作條件評估

在工作條件評估這一階段，首先評估車載通信系統(tǒng)中接收機的實際工作條件，包括空間條件和時間條件[13]。空間條件主要反映系統(tǒng)的空間物理特性，例如空間布局和物理距離。時間條件則反映系統(tǒng)的時間物理特性，例如運行時發(fā)生沖突的可能性。在該模型中，布局空間是否擁擠，設(shè)備之間的物理距離是否有限，設(shè)備之間工作時是否會發(fā)生沖突，這些都是第一級EMI評估的依據(jù)。

如果滿足其中任何一個條件，則第一級EMI評估結(jié)果為IM>0，說明可能存在潛在的EMI環(huán)境，需要進(jìn)行下一級評估。

3.2 工作頻率評估

在工作頻率評估這一階段，主要針對信號頻譜中的頻率沖突問題進(jìn)行評估。一般來說，接收機可接收3種類型的電磁干擾：基波干擾、諧波干擾、互調(diào)干擾[14]。因此，第二級評估主要針對這些類型的干擾，并據(jù)此定義了IM準(zhǔn)則方程。通過這些IM準(zhǔn)則方程可判斷電磁干擾的類型。

基波干擾的IM準(zhǔn)則方程為

(7)

式中，fT為發(fā)射機工作頻率；fR為接收機工作頻率；BT為發(fā)射機帶寬；BR為接收機帶寬。

諧波干擾的IM準(zhǔn)則方程為

(8)

式中，BnT為發(fā)射機的n次諧波帶寬。

互調(diào)干擾的IM準(zhǔn)則方程

(9)

式中，fT1和fT1為兩種不同發(fā)射機的基波信號頻率；BmT1和BnT2為這兩種發(fā)射機的m次諧波和n次諧波對應(yīng)的帶寬，一般m+n小于5。

第二級評估按上述計算式進(jìn)行。若滿足任何等式，則第二級評估結(jié)果為IM>0，說明存在潛在的EMI環(huán)境，需要進(jìn)行第三級評估。

3.3 信號功率評估

在信號功率評估這一階段，需要計算發(fā)射機對接收機造成的干擾量。干擾量是指干擾發(fā)射機耦合到接收機上功率的大小[15]，其大小與發(fā)射機的發(fā)射特性、接收機的接收特性、收發(fā)天線間的耦合度、環(huán)境噪聲[16]等因素都有關(guān)。

發(fā)射機對接收機的干擾計算模型如圖6所示。其中，發(fā)射機功率為Pt，接收機收到的功率為Pr，發(fā)射機和接收機的饋電網(wǎng)絡(luò)效率分別為ηt和ηr，發(fā)射天線和接收天線間的耦合度為CP。設(shè)發(fā)射和接收天線的增益分別為Gt和Gr，發(fā)射機和接收機到饋電網(wǎng)絡(luò)的反射系數(shù)分別為Γt和Γr。

圖6 發(fā)射機對接收機的干擾計算模型Figure 6. The calculation model of transmitter to receiver interference

(1)基波干擾的干擾功率為

ηr(1-|Γr|2)

(10)

(2)諧波干擾的干擾功率為

(11)

式中，Δ為諧波抑制量，計算式如下

Δ=algN+b

(12)

式中，N為諧波次數(shù)；a和b為常數(shù)，根據(jù)表1取值。

表1 常數(shù)a和b的取值Table 1. The values of the constants a and b

(3)互調(diào)干擾的干擾功率為

Pr=2A+B+D-60lg(Δf)

(13)

式中，Δf=0.5×(|f1-f0|+|f2-f0|)；f1和f2為兩個干擾信號的頻率；f0為諧波頻率；A為距離接收機較近的發(fā)射機的干擾量；B為距離接收機較遠(yuǎn)的發(fā)射機的干擾量，均按照基波干擾量的計算方法得到；D為互調(diào)系數(shù)。

在這一階段，考慮到系統(tǒng)中存在的所有干擾源，在接收機工作帶寬內(nèi)，若干擾信號同頻，則接收機的總干擾量為

(14)

式中，P為總干擾量；Pn為第n個干擾類型在接收機端口的干擾量；N為干擾的個數(shù)。

若干擾信號頻率差小于接收機的工作帶寬，需要計算接收機干擾信號的峰值功率。接收機干擾信號的峰值功率計算如下

Pmax=MAX{P1,P2,…,Pn}

(15)

式中，Pmax為接收機端口峰值功率；Pn為第n個干擾類型在接收機端口的干擾量。

將接收機的總干擾功率或峰值干擾功率與接收機靈敏度進(jìn)行對比，如若干擾功率大于接收機靈敏度，則第三級評估結(jié)果為IM>0，說明存在潛在的EMI環(huán)境，需要進(jìn)行下一級評估。

3.4 通信性能評估

在通信性能評估這一階段，首先通過上一級的干擾信號功率對接收機受擾后的靈敏度進(jìn)行計算；然后對接收機的通信距離與模擬信號的信噪比或數(shù)字信號的誤碼(Bit Error Rate,BER)率進(jìn)行評估。

受到干擾后，接收機的靈敏度會降低，為了維持正?？煽客ㄐ?，工作信號在傳播中可容許的最大傳播損耗減小，進(jìn)而導(dǎo)致實際通信距離減小。通信距離與接收機靈敏度[17]的關(guān)系為

Pt+Gt+Gr-Lt-Lr-S=Ls

(16)

式中，Pt為發(fā)射機功率，單位為dBm；Gt、Gr分別為發(fā)射天線、接收天線增益，單位為dB；Lt、Lr分別為發(fā)射機和接收機的饋電損耗，單位為dB；S為接收機靈敏度；Ls為傳播損耗單位為dB。

根據(jù)實際工作環(huán)境，選取合適的傳播模型，帶入傳播模型便可算出接收機受擾后的實際通信距離。自由空間與地面模型通信距離減小率與減敏量的關(guān)系按式(17)、式(18)計算

Δd1=(1-10-ΔS/20)×100%

(17)

Δd2=(1-10-ΔS/40)×100%

(18)

式中，Δd1是自由空間傳播通信距離減小率；Δd2是地面?zhèn)鞑ネㄐ啪嚯x減小率；ΔS是減敏量。

對于模擬信號，信噪比是評價其性能的關(guān)鍵指標(biāo)。接收機受到干擾時，可以使用信號與干擾加噪聲比來衡量信號質(zhì)量。信噪比計算式為

(19)

式中，SNR為接收機的信噪比；S為有用信號功率；N為噪聲功率；I為干擾信號功率。

對于數(shù)字信號，誤碼率是評價其性能的關(guān)鍵指標(biāo)。對于數(shù)字通信系統(tǒng)，誤碼率可以直接衡量數(shù)字通信系統(tǒng)的可靠性。車載通信系統(tǒng)的許多因素都會對信號的誤碼率產(chǎn)生影響，例如調(diào)制類型、信道編碼模式、信道模型。

4 實例應(yīng)用

本文通過一個車載通信系統(tǒng)干擾余量評估的算例來驗證本文提出的評估方法的有效性。

已知某作戰(zhàn)集群工作在平原環(huán)境[18-19]，平原的起伏高度h=1 m。平原環(huán)境模型如圖7所示，在該平原作戰(zhàn)環(huán)境下有兩輛通信車和一輛干擾車，3輛車均以10 m·s-1的速度運動。通訊車2與干擾車3距離有700 m。通訊車1上裝有一部工作電臺，即超短波電臺VHF1(Very High Frequency，VHF)，VHF1發(fā)。通訊車2上裝有兩部工作電臺，即超短波電臺VHF2和短波電臺HF3，VHF2收，HF3發(fā)。干擾車3上裝有一部超短波電臺VHF4，VHF4發(fā)。詳細(xì)工作參數(shù)如表2所示。

圖7 平原環(huán)境模型Figure 7. Plain environment model

表2 車載發(fā)射機和接收機參數(shù)Table 2. Parameters of vehicular transmitter and receiver

根據(jù)本文提出的電磁兼容性預(yù)測方法，對接收機VHF2的受擾情況進(jìn)行評估。

在第一級，VHF2和HF3工作在在同一輛車輛上，VHF2與VHF4相距較近，3部車載電臺均可能同時工作，所以VHF2極有可能被干擾，不滿足空間條件和時間條件，電磁兼容評估結(jié)果為IM>0，表明系統(tǒng)中存在潛在的電磁干擾環(huán)境，需要進(jìn)行工作頻率評估。

在第二級，利用表2中所列的信息，按照式(7)～式(9)對工作頻率進(jìn)行評估。VHF4對VHF2不存在干擾， HF3對VHF2存在三次諧波干擾，電磁兼容評估結(jié)果為 IM>0，表明系統(tǒng)中存在潛在的電磁干擾環(huán)境，需要進(jìn)行信號功率評估。

在第三級，對諧波干擾量進(jìn)行計算。根據(jù)文獻(xiàn)[18]可知HF3對VHF2的天線耦合度為-35.3 dB。利用表2所列的信息，根據(jù)式(11)可計算出諧波干擾量為-105.3 dBm。因只存在諧波干擾，由式(15)可知接收機干擾信號峰值功率為-105.3 dBm，高于接收機靈敏度。通過式(1)計算干擾余量為10.7 dB，電磁兼容評估結(jié)果為IM>0，需要進(jìn)行通信性能評估。

在通信性能評估階段，已知VHF2電臺采用二進(jìn)制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)方式通信，無干擾時輸出信噪比為12 dB。

由式(4)可計算出接收機受擾后的靈敏度為-108.5 dB。根據(jù)的文獻(xiàn)[18]平原傳輸損耗模型，由式(16)計算出接收機此時的實際通信距離為13.58 km。根據(jù)式(19)可計算出此時接收機的輸出信噪比為7.2 dB。

為了模擬車輛移動或障礙物引起的信號衰減效應(yīng)，在Simulink中搭建萊斯信道，對BPSK通信系統(tǒng)不同信道編碼方式下的誤碼率進(jìn)行仿真。在萊斯信道下搭建的模型如圖8所示，萊斯信道采用Jakes衰落模型，直射路徑多普勒頻移設(shè)置為1 Hz，萊斯信道K因子為3。

圖8 萊斯信道下BPSK通信系統(tǒng)模型Figure 8. BPSK communication system model under Rician channel

由圖9可知，BPSK通信系統(tǒng)在萊斯信道下，干擾余量越大，誤碼率越高。信道編碼可以有效降低誤碼率，改善通信性能。卷積編碼和線性編碼相較于漢明編碼和BCH編碼，可以在干擾余量較小的情況下達(dá)到較好的通信性能。通過仿真結(jié)果可知，干擾余量為10.7 dB時，VHF2電臺采用Linear編碼時的誤碼率為6.1×10-3。

圖9 萊斯信道下不同編碼方式誤碼率Figure 9.BER of different coding methods under Rician channel

5 與傳統(tǒng)評估方法的比較分析

為了驗證所提出評估方法的有效性，本文采用文獻(xiàn)[18]中的發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，并與傳統(tǒng)評估方法進(jìn)行對比分析，預(yù)測結(jié)果如表3所示。

表3 預(yù)測結(jié)果對比Table 3. Comparison of prediction results

傳統(tǒng)的四級篩選法分為快速篩選、幅度篩選、 頻率篩選和詳細(xì)計算與性能分析。傳統(tǒng)方法只考慮單個發(fā)射機對接收機的影響，逐個計算干擾收-發(fā)對的基波干擾余量、發(fā)射機干擾余量、接收機干擾余量(Receiver Interference Margin，RIM)、亂真干擾余量(Spurious Interference Margin，SIM)。與傳統(tǒng)方法相比，本文的評估方法考慮了多個干擾源同時工作時，對接收機造成干擾量的疊加，通過分析干擾量對接收機靈敏度的影響，在通信性能評估階段選取了通信距離、信噪比、誤碼率3個指標(biāo)對車載通信系統(tǒng)受擾后的性能降級進(jìn)行了分析。由表3可見，本文提出的方法適用性更廣，評估結(jié)果更加精確，能夠直觀地體現(xiàn)出通信系統(tǒng)受擾后性能的變化情況。

6 結(jié)束語

本文提出了一種車載通信系統(tǒng)電磁干擾余量評估模型。該模型評估流程依次分為工作條件評估、工作頻率評估、信號功率評估、通信性能評估。在對某車載通信系統(tǒng)進(jìn)行電磁干擾余量評估中，該車接收機前端的干擾信號功率為-105.3 dBm，減敏模型預(yù)測靈敏度為-108.5 dBm。此時車載接收機的干擾余量為10.7 dB，受擾后的信噪比為7.2 dB，通信距離減小了45.6%，誤碼率為6.1×10-3。本文的預(yù)測結(jié)果貼合實際情況，證明了本文干擾余量評估模型的有效性和全面性，為車載通信系統(tǒng)電磁干擾余量評估提供了參考。