跳頻通信電臺(tái)共址干擾及其抑制技術(shù)

王偉勤

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

現(xiàn)代軍事戰(zhàn)術(shù)指揮和控制越來越依賴于無線通信技術(shù)的發(fā)展,在飛機(jī)、艦船或戰(zhàn)車等同一平臺(tái)上往往配置有多種通信系統(tǒng),包括HF、VHF、UHF以及衛(wèi)星通信等多個(gè)頻段的通信設(shè)備,并且同一頻段的通信設(shè)備可能也有好幾套。美軍的幾種在役大型通信平臺(tái)如E-2C、E-3A、E-3B、E-8A 等預(yù)警機(jī),機(jī)載戰(zhàn)場(chǎng)指揮控制中心(ABCCC)以及水陸兩棲遠(yuǎn)征戰(zhàn)車(EFV)等[1],有些平臺(tái)裝備的電臺(tái)達(dá)20套以上。多部通信電臺(tái)近距離同時(shí)工作時(shí)將出現(xiàn)嚴(yán)重的共址干擾問題,對(duì)戰(zhàn)術(shù)無線電通信帶來極大的不利影響,造成通信質(zhì)量嚴(yán)重下降甚至通信聯(lián)絡(luò)完全中斷。

2 共址干擾的形成

共址干擾主要由通信電臺(tái)天線的輻射干擾引起。由于平臺(tái)內(nèi)通信電臺(tái)繁多,空間有限,通信電臺(tái)的天線布置非常密集,例如,在EFV的車頂布置有8根VHF電臺(tái)天線和1根HF電臺(tái)天線,如圖1[2]所示。

圖1 美軍遠(yuǎn)征戰(zhàn)車(EFV)天線布局Fig.1 Antenna layout of EFV

當(dāng)一個(gè)電臺(tái)處于接收,同時(shí)有一個(gè)電臺(tái)發(fā)射時(shí),對(duì)接收機(jī)主要從以下幾個(gè)方面形成影響。

(1)基頻干擾

接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的收發(fā)電平相差較大,假如,發(fā)射機(jī)的發(fā)射電平為50 W(47dBm),接收機(jī)的靈敏度通常小于-100dBm,兩者相差近150dB,而收發(fā)天線間的隔離度有限(對(duì)于車載平臺(tái)一般只有10～25dB),如果收發(fā)頻率相同或接近時(shí),則如此大的信號(hào)進(jìn)入接收機(jī),超過接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍,極易造成接收機(jī)信道阻塞,導(dǎo)致無線通信的徹底癱瘓。即使收發(fā)頻率不同,也可能因強(qiáng)干擾信號(hào)的存在,由于接收機(jī)前端的非線性,從而造成接收機(jī)對(duì)有用信號(hào)的增益下降,即減敏現(xiàn)象。

(2)諧波干擾

除發(fā)射機(jī)的基波會(huì)對(duì)接收機(jī)造成干擾外,如果發(fā)射機(jī)的諧波與接收機(jī)頻率相近,也會(huì)對(duì)接收機(jī)形成干擾。諧波干擾不僅發(fā)生在同一個(gè)頻段的通信電臺(tái)間,對(duì)不同頻段的電臺(tái)間也可能發(fā)生,比如HF電臺(tái)的諧波干擾VHF電臺(tái),VHF電臺(tái)的諧波干擾UHF電臺(tái)。

(3)寬帶噪聲

發(fā)射機(jī)不僅發(fā)射基頻和諧波信號(hào),還有帶外射頻能量(即寬帶噪聲)的發(fā)射,發(fā)射機(jī)的噪聲增大了共址接收機(jī)的背景噪聲,可能降低接收機(jī)的性能。

如果在一個(gè)電臺(tái)接收的同時(shí)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的電臺(tái)發(fā)射,則情況就變得更復(fù)雜一些,除前面的幾種干擾情況外,還有以下干擾的發(fā)生。

(1)互調(diào)干擾

發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都可能產(chǎn)生互調(diào)。

當(dāng)一臺(tái)發(fā)射機(jī)的發(fā)射信號(hào)通過天線耦合到另一臺(tái)發(fā)射機(jī)內(nèi)時(shí),由于發(fā)射機(jī)末級(jí)變頻器、功放等的非線性,可能會(huì)形成其它頻率的發(fā)射,即互調(diào)?；フ{(diào)頻率fs可以表示為

式中,f1和f2為兩個(gè)發(fā)射機(jī)的發(fā)射頻率,m和n是整數(shù)?；フ{(diào)干擾中通常三階互調(diào)最為嚴(yán)重。

對(duì)于接收機(jī)來說,當(dāng)兩個(gè)發(fā)射強(qiáng)信號(hào)同時(shí)進(jìn)入接收機(jī)前端時(shí),由于放大器、混頻器的非線性,接收機(jī)也可能產(chǎn)生互調(diào)產(chǎn)物,互調(diào)頻率同式(1)。

(2)交調(diào)干擾

對(duì)于接收機(jī)來說,當(dāng)兩個(gè)發(fā)射信號(hào)同時(shí)進(jìn)入接收機(jī)前端時(shí),不僅可能產(chǎn)生互調(diào),還可能產(chǎn)生無用信號(hào)對(duì)有用載波的調(diào)制,即交調(diào)。

3 共址干擾對(duì)跳頻通信的影響

3.1 誤碼率的增大

共址干擾的影響可以從很多方面來體現(xiàn)。其中最明顯的是共址干擾使得電臺(tái)系統(tǒng)的性能降級(jí),也就是SINAD降低了,從而增大了誤碼率(BER)。

因電臺(tái)發(fā)射信號(hào)都占有一定的射頻帶寬,某超短波電臺(tái)的典型發(fā)射頻譜見圖2,其發(fā)射功率為50 W(47dBm),如果接收機(jī)的有用信號(hào)電平為-92dBm,那么它們之間相差139dB,考慮收發(fā)天線間的隔離度為20dB,則收發(fā)還需要119dB的隔離才不影響接收機(jī)的正常接收[3]。從圖2可以看出,達(dá)到這119dB的隔離,要求收發(fā)頻率間必須有2×0.9MHz的頻率間隔。

圖2 VHF電臺(tái)的發(fā)射頻譜Fig.2 Transmitting signal spectrum of a VHF radio

如果同一個(gè)平臺(tái)中,有兩個(gè)都在30～50MHz的跳頻網(wǎng)工作,它們使用不同跳頻圖案,但跳頻頻率在該頻段內(nèi)均勻隨機(jī)出現(xiàn),那么兩個(gè)跳頻網(wǎng)發(fā)生頻率碰撞的概率Pc=2×0.9/(50-30)=0.09;如果在該頻段有多個(gè)跳頻網(wǎng)同時(shí)工作,則頻率碰撞概率用下式計(jì)算:

式中,n為平臺(tái)中同時(shí)工作的跳頻網(wǎng)數(shù)量,Pc為有2個(gè)跳頻網(wǎng)同時(shí)工作時(shí)的碰撞概率,PC為有n個(gè)跳頻網(wǎng)同時(shí)工作時(shí)的碰撞概率。

從式(2)可以計(jì)算得到:有3個(gè)共址跳頻網(wǎng)同時(shí)工作時(shí)的碰撞概率PC為0.17,有4個(gè)共址跳頻網(wǎng)同時(shí)工作時(shí)的碰撞概率PC為0.27。如果選擇在30～88MHz全頻段跳頻,則碰撞概率將會(huì)減小,如圖3所示。

圖3 共址跳頻碰撞概率Fig.3 Probability of a hit occuring in cosite FH

當(dāng)跳頻網(wǎng)發(fā)射頻率碰撞時(shí),如果一個(gè)處于發(fā)射,另一個(gè)處于接收,那么接收電臺(tái)就可能出現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)誤碼。如果碰撞概率較大,則誤碼率肯定也就隨之增大,數(shù)字通信中一般將10%的誤碼率認(rèn)為是話音可懂度的門限。在有多個(gè)共址發(fā)射機(jī)同時(shí)工作時(shí),特別是如果它們都在某一小段頻率跳頻時(shí),對(duì)通信話音的影響是非常大的。

3.2 通信距離的減少

在工程上,我們常用減敏度來衡量共址干擾的影響程度。共址減敏度是這樣定義的:為達(dá)到同樣系統(tǒng)性能,接收機(jī)在有干擾時(shí)要求的接收信號(hào)電平(RSL)相比沒有干擾時(shí)的接收信號(hào)電平的增量。例如,給定要求(10%)的誤碼率,在沒有干擾時(shí)需要接收信號(hào)電平 P0,有干擾情況下需要接收信號(hào)電平P1,那么共址干擾的減敏度D(單位dB)將是:

但是,發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率是一定的,在不能增大發(fā)射機(jī)功率的情況下,接收機(jī)出現(xiàn)了減敏,表現(xiàn)出來的直接影響則是實(shí)際通信距離的下降。

由于接收機(jī)的接收靈敏度是一定的,在發(fā)射機(jī)已知發(fā)射功率情況下,其通信距離決定于通信的最大路徑損耗,因此,D可以等效為L(zhǎng)P1-LP0。

通信的最大路徑損耗通常是一個(gè)與地形、環(huán)境相關(guān)的模型函數(shù),所有這些傳輸模型預(yù)測(cè)的結(jié)果都將界于一個(gè)上下界之間。

傳輸損耗的下界是由自由空間傳輸模型定義的,其與距離的平方(R2)成正比,因此,對(duì)于某一減敏度D,通信距離減小值可由下式得到:

傳輸損耗的上界是由地面?zhèn)鬏斈Ｐ投x的,其與距離的四次方(R4)成正比。因此,對(duì)于某一減敏度,通信距離減小值可由下式得到:

圖4所示的是由這兩種傳輸模型得出的通信距離減少量(用百分比表示)的比較,實(shí)際的減少量應(yīng)在這兩條曲線之間。由圖可知,對(duì)于6dB的減敏度,通信距離將減小到無干擾情況下的50%～70%。這種方法并沒有得出具體的距離,但是給出了距離減小量的預(yù)計(jì)值。如果要得出一個(gè)通信距離的絕對(duì)數(shù)值,就必須用近似傳輸模型計(jì)算出實(shí)際的路徑損耗。

圖4 減敏度與通信距離的關(guān)系Fig.4 Relative range degradation due to desensitization

據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),一臺(tái)共址發(fā)射機(jī)的發(fā)射將減小接收機(jī)50%的通信距離,兩臺(tái)共址發(fā)射機(jī)同時(shí)發(fā)射時(shí)通信距離將降低75%,3臺(tái)共址發(fā)射機(jī)同時(shí)發(fā)射時(shí)通信距離降低將超過90%,即由30km降低到3km以下[4]。由此可見,共址干擾對(duì)無線通信距離的影響非常嚴(yán)重。

4 跳頻通信共址干擾抑制技術(shù)

4.1 天線布局設(shè)計(jì)

天線布局設(shè)計(jì)的目的充分利用平臺(tái)的空間隔離,通過增大天線間的隔離度來減小收發(fā)電臺(tái)間的干擾。但在平臺(tái)有限的空間內(nèi),天線布局具有較大的局限性,特別是在一些戰(zhàn)車系統(tǒng)中,為了保證達(dá)到足夠的通信距離,天線布置通?？紤]在車體最高的一層平臺(tái),但是這一層平臺(tái)空間就更為狹小,一般都只有幾平方。例如,在某指揮通信車上,需要布置4根天線,為了達(dá)到最大的隔離度,4根天線分別布置在車頂?shù)?4個(gè)角上,如圖5,相距最遠(yuǎn)的2、4兩根天線間的天線隔離度能達(dá)到20～25dB,而相距最近的3、4兩根天線間的天線隔離度僅只有10～15dB。對(duì)于其它車輛,如果天線再多,布置起來就更難,因此通過天線布局增大天線隔離度的方法有限。

圖5 某通信指揮車的天線布局和隔離度Fig.5 Antenna layout and isolation of a C2vehicle

對(duì)于機(jī)載平臺(tái),天線布局設(shè)計(jì)時(shí)還可以利用飛機(jī)機(jī)身的物理隔離,將天線布置在飛機(jī)的機(jī)腹、機(jī)背及兩側(cè)。利用天線的極化方式,分成水平布置和垂直布置等,都可以進(jìn)一步增大天線間的隔離度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),大中型飛機(jī)機(jī)腹和機(jī)背天線的隔離度可以達(dá)到50dB。

4.2 頻率管理技術(shù)

在系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)中,頻率管理是非常有效的一種方法,目前,國(guó)內(nèi)外在這方面的研究較多。

(1)分時(shí)工作

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期對(duì)系統(tǒng)各用頻設(shè)備進(jìn)行分析,如果可能存在干擾而又無法通過其它方式進(jìn)行解決時(shí),就可能對(duì)相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行分時(shí)工作。此方法較為常用,特別是在一些偵察干擾機(jī)中就可能采用此方法,在機(jī)上通信電臺(tái)工作時(shí),干擾發(fā)射機(jī)不開機(jī)工作。

(2)分頻工作

它通過實(shí)時(shí)頻率檢測(cè)、頻率資源動(dòng)態(tài)分配等一系列過程進(jìn)行頻率分配。對(duì)于使用點(diǎn)頻工作的系統(tǒng),進(jìn)行頻率分配較容易,它通過分配不同的工作頻率段、避開諧波、調(diào)整通信頻率間的間隔等方式進(jìn)行頻率分配。

(3)同步正交跳頻

對(duì)于跳頻通信,如果系統(tǒng)中有幾個(gè)跳頻通信電臺(tái),可以采用分段跳頻,但此方法減少了每個(gè)跳頻通信電臺(tái)的頻率使用率,較容易受到敵方的有意干擾。

另外,可以采用同步正交跳頻的方式,即幾個(gè)跳頻通信電臺(tái)都在全頻段內(nèi)進(jìn)行跳頻,但通過設(shè)定不同的跳頻圖案,通過同步控制使每個(gè)設(shè)備在同一時(shí)刻其頻率有一定的間隔,從而不會(huì)發(fā)生碰撞,減少誤碼的發(fā)生。

4.3 跳頻濾波技術(shù)

在發(fā)射機(jī)功放后使用帶通濾波器可以減少發(fā)射機(jī)的諧波與雜波發(fā)射,從而減小對(duì)其它接收機(jī)的影響;在接收機(jī)前端使用帶通濾波器也同樣能起到減少干擾的作用。

但由于濾波器的通帶較寬,在整個(gè)工作頻率的信號(hào)都能通過,因此對(duì)減小共址干擾所起的作用有限,這就需要采用調(diào)諧濾波器,讓濾波器的通帶變窄,僅允許當(dāng)前工作頻率通過,這就能對(duì)減少共址干擾起到更好的作用。對(duì)于跳頻通信,則需要濾波器的調(diào)諧頻率能夠按照通信電臺(tái)相同的跳頻圖案快速地改變,從而降低帶外干擾。

跳頻濾波器按照實(shí)現(xiàn)方案可以分為單元組合式濾波器組、使用可變參數(shù)器件式濾波器、數(shù)字式濾波器、數(shù)字調(diào)諧式濾波器等幾種[5]。

4.4 共用天線射頻分配技術(shù)

在平臺(tái)上天線眾多,在很難增大天線間隔離度的情況下,可以通過共用天線,即使多個(gè)同頻段甚至不同頻段的通信設(shè)備共用一個(gè)接收天線和一個(gè)發(fā)射天線,如圖6[4],以減少平臺(tái)中的天線數(shù)量,從而增加天線間的隔離度。

圖6 共用天線射頻分配示意圖Fig.6 RF distribution of co-antenna

共用天線射頻分配技術(shù)是跳頻濾波器的進(jìn)一步發(fā)展,其關(guān)鍵是采用濾波器組將多個(gè)波形分離成不同的頻率以克服傳統(tǒng)射頻分配系統(tǒng)中的互調(diào)問題。

4.5 自適應(yīng)干擾對(duì)消技術(shù)

共址干擾由于干擾發(fā)射機(jī)和被干擾接收機(jī)處于同一平臺(tái),并且在某一時(shí)刻,其干擾頻率均是具有一定中心頻率的窄帶信號(hào),因此可以很方便地從發(fā)射機(jī)中取得干擾信號(hào)的信息。

干擾對(duì)消即是在發(fā)射端耦合取樣,通過矢量調(diào)制器調(diào)整信號(hào)的幅度和相位,使其與接收天線收到的干擾信號(hào)等幅反相,將落入接收機(jī)端口的強(qiáng)干擾信號(hào)抵消,在不降低頻譜資源利用率的情況下,抑制共址收發(fā)天線間的耦合干擾(可達(dá)到60～80dB[6]),如圖7,使其不至于干擾該接收機(jī)在其工作頻率的正常接收。如果平臺(tái)中有多個(gè)共址發(fā)射機(jī)和接收機(jī),則采用多路干擾對(duì)消的方式實(shí)現(xiàn)。圖8是一個(gè)8路干擾對(duì)消系統(tǒng)的原理框圖及實(shí)物[7]。

圖7 干擾對(duì)消器原理圖及效果Fig.7 Schematic diagram of interference canceller and its effect

圖8 8路干擾對(duì)消器系統(tǒng)Fig.8 An 8-channel canceller

5 結(jié)束語

本文通過分析跳頻通信電臺(tái)共址干擾的形成以及共址干擾對(duì)跳頻通信的影響,提出了解決跳頻通信共址干擾的技術(shù)措施。這些措施結(jié)合使用,可以很好地解決機(jī)載平臺(tái)或車載平臺(tái)配置多部跳頻電臺(tái)時(shí)的共址干擾電磁兼容問題。

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