超短波無(wú)線電測(cè)向系統(tǒng)抗干擾能力評(píng)估方法研究

國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心 王敬燾

一、引言

在超短波頻段，無(wú)線電技術(shù)應(yīng)用最為豐富，頻譜資源最為緊張，電磁環(huán)境也最為復(fù)雜，因而維護(hù)好超短波頻段的電波秩序、保證合法用戶的權(quán)利和頻譜資源的有效利用，成了各級(jí)無(wú)線電管理機(jī)構(gòu)的重點(diǎn)工作任務(wù)之一。在此頻段最常使用的無(wú)線電管理技術(shù)裝備即為超短波無(wú)線電測(cè)向系統(tǒng)，它在干擾查找和日常任務(wù)執(zhí)行當(dāng)中發(fā)揮了不可替代的重要作用，因而其性能的優(yōu)劣，尤其是抗干擾能力的好壞將直接影響到無(wú)線電管理部門執(zhí)行任務(wù)的質(zhì)量和速度。

二、系統(tǒng)概述

超短波無(wú)線電測(cè)向系統(tǒng)是指固定架設(shè)或臨時(shí)架設(shè)在某一較高地理位置，對(duì)在附近一定區(qū)域內(nèi)工作的、在30MHz～3000MHz頻段的無(wú)線電信號(hào)輻射源進(jìn)行測(cè)量并顯示信號(hào)方位等測(cè)量信息的無(wú)線電測(cè)量系統(tǒng)，它一般由測(cè)向天線、測(cè)向信道接收機(jī)和測(cè)向終端處理機(jī)三部分組成（見圖1）。

測(cè)向天線通常包括天線單元和天線信號(hào)前置預(yù)處理器兩部分。天線接收無(wú)線電信號(hào)，且含有各陣元間的幅度差或相位差信息。天線信號(hào)前置預(yù)處理單元對(duì)定向天線單元中各天線元輸出的射頻信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，保證定向天線單元輸出的電壓與來(lái)波方位或空間角度之間有穩(wěn)定的幅度或相位關(guān)系。

測(cè)向信道接收機(jī)用于對(duì)測(cè)向天線輸出信號(hào)進(jìn)行選擇、放大、變換等，使之適應(yīng)后面測(cè)向終端處理機(jī)對(duì)信號(hào)的技術(shù)要求。根據(jù)測(cè)向方法的不同和測(cè)試需要，測(cè)向接收機(jī)可以選擇單信道、雙信道或多信道接收機(jī)。通常雙信道接收機(jī)采用共用本振的方式，以確保多信道之間相位特性的一致性。

測(cè)向終端處理機(jī)包括方位信息處理與顯示單元及監(jiān)控單元，包括A/D轉(zhuǎn)換、高速DSP及工控機(jī)。方位信息處理與顯示單元將測(cè)向信道接收機(jī)輸出信號(hào)中所包含的來(lái)波方位信息提取出來(lái)，并進(jìn)行分析處理，最后按照指定的格式和方式顯示出來(lái)。監(jiān)控單元對(duì)測(cè)向天線、測(cè)向信道接收機(jī)、方位信息處理與顯示單元等各部分的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視與控制。

三、主要性能指標(biāo)

對(duì)測(cè)向系統(tǒng)性能指標(biāo)的描述有很多參數(shù)，從技術(shù)角度分析，可以歸納為以下幾個(gè)方面：

（1）測(cè)向靈敏度。也稱為測(cè)向接收靈敏度，指在規(guī)定的測(cè)向誤差范圍內(nèi)，測(cè)向系統(tǒng)能測(cè)定輻射源方向的最小信號(hào)的場(chǎng)強(qiáng)或功率。它是一個(gè)與允許測(cè)向誤差有關(guān)的指標(biāo)，在給出測(cè)向靈敏度指標(biāo)的同時(shí)，還要注明所容忍的測(cè)向誤差。

（2）測(cè)向精度。也稱測(cè)向準(zhǔn)確度，指測(cè)向系統(tǒng)測(cè)得的來(lái)波方向與被測(cè)輻射源的真實(shí)方位之間的角度差，一般用均方根值表示。測(cè)向精度越高越好，或者說(shuō)測(cè)向誤差越小越好。

（3）工作頻率范圍。是指測(cè)向系統(tǒng)在正常工作條件下，從最低工作頻率到最高工作頻率的覆蓋頻率范圍，也稱為測(cè)向系統(tǒng)的頻率覆蓋范圍，在此范圍內(nèi)要不低于標(biāo)稱的工作指標(biāo)。

（4）處理帶寬和頻率分辨力。不同體制和調(diào)制樣式的無(wú)線電通信信號(hào)，通常占據(jù)不同的信號(hào)帶寬，這就要求測(cè)向信道接收機(jī)能夠選擇不同的處理帶寬與之相適應(yīng)。頻率分辨力是衡量測(cè)向系統(tǒng)從頻率上選擇區(qū)分兩個(gè)相鄰近信號(hào)的能力，主要取決于測(cè)向系統(tǒng)的最小處理帶寬或信道接收機(jī)中頻選擇帶寬的最小值，以及其中頻濾波器的矩形系數(shù)。

（5）抗干擾性。測(cè)向系統(tǒng)抗干擾性指標(biāo)包括兩個(gè)方面的內(nèi)涵：一個(gè)是衡量測(cè)向設(shè)備在有干擾噪聲的背景下進(jìn)行正常測(cè)向的能力，通常用測(cè)向設(shè)備在正常測(cè)向條件下所允許的最小信號(hào)來(lái)衡量。另外一個(gè)就是衡量測(cè)向系統(tǒng)在干擾環(huán)境中選擇信號(hào)、抑制干擾的能力，它用有用信號(hào)與干擾信號(hào)同時(shí)進(jìn)入測(cè)向信道接收機(jī)時(shí)所允許的最大信干比來(lái)衡量。

（6）時(shí)間特性。測(cè)向系統(tǒng)的時(shí)間特性指標(biāo)通常用測(cè)定一個(gè)目標(biāo)信號(hào)的來(lái)波方向所需的最短時(shí)間來(lái)衡量，或用每秒鐘所完成的測(cè)向次數(shù)來(lái)描述，包括測(cè)向設(shè)備截獲目標(biāo)信號(hào)后的信號(hào)建立時(shí)間與獲取方位數(shù)據(jù)所需的最短處理時(shí)間。

（7）可靠性。是衡量測(cè)向系統(tǒng)在各種惡劣的自然環(huán)境條件下無(wú)故障正常工作的質(zhì)量指標(biāo)，它包括對(duì)工作溫度范圍的要求、對(duì)濕度的要求、對(duì)沖擊振動(dòng)的要求，同時(shí)還包括工作電源標(biāo)準(zhǔn)和波動(dòng)范圍、系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)工作能力、系統(tǒng)開展工作的易操作性及自動(dòng)化程度等方面。

（8）極化誤差。指當(dāng)測(cè)向系統(tǒng)接收的電磁波不是單一極化方式的電磁波，即測(cè)向天線與入射波的極化平面有一定的角度差，入射波中包含水平極化分量和垂直極化分量時(shí)，產(chǎn)生的測(cè)向誤差。這主要是由于所用的天線體系對(duì)垂直分量和水平分量接收的方向特性圖不同造成的。

四、測(cè)向系統(tǒng)抗干擾能力分析

1. 當(dāng)前抗干擾能力指標(biāo)的不足

從當(dāng)前超短波頻段測(cè)向系統(tǒng)衡量指標(biāo)來(lái)看，測(cè)向系統(tǒng)的抗干擾能力是衡量系統(tǒng)在復(fù)雜電磁環(huán)境情況下，設(shè)備性能優(yōu)劣的一項(xiàng)極為重要的指標(biāo)，也是最關(guān)鍵的指標(biāo)（見圖2）。當(dāng)前有關(guān)于測(cè)向系統(tǒng)抗干擾能力的測(cè)試多是在環(huán)境存在干擾的情況下，無(wú)線電測(cè)向系統(tǒng)能夠保持其對(duì)待測(cè)信號(hào)測(cè)向準(zhǔn)確度的能力。根據(jù)干擾信號(hào)頻率是否落在測(cè)向設(shè)備中頻通帶的不同，分為帶內(nèi)測(cè)向抗擾度、帶外測(cè)向抗擾度，均是基于存在小信號(hào)干擾為前提的，此時(shí)測(cè)向系統(tǒng)能夠?qū)λ鶞y(cè)輻射波信號(hào)進(jìn)行測(cè)向，并達(dá)到規(guī)定的測(cè)向準(zhǔn)確度時(shí)可以允許的兩信號(hào)的差值。顯然，兩信號(hào)的差值越小，表示測(cè)向設(shè)備的測(cè)向抗擾度越佳。

在實(shí)際工作中，利用兩套指標(biāo)相近的測(cè)向系統(tǒng)對(duì)正常信號(hào)測(cè)向時(shí)，表現(xiàn)出來(lái)的性能無(wú)太大差別。但在復(fù)雜的電磁環(huán)環(huán)境中，尤其是存在大信號(hào)的情況下，表現(xiàn)的測(cè)向效果差別很大。特別是對(duì)于配有有源天線的測(cè)向天線來(lái)說(shuō)，這種差別非常明顯，有時(shí)候還是致命的，導(dǎo)致在大信號(hào)環(huán)境中根本無(wú)法工作。

因此，目前測(cè)向系統(tǒng)抗干擾能力指標(biāo)的測(cè)試已經(jīng)不能夠反映系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，必須采用一種新的方法來(lái)衡量測(cè)向系統(tǒng)的性能。

2. 接收機(jī)抗大信號(hào)能力的啟示

在監(jiān)測(cè)接收機(jī)測(cè)試中，其中一項(xiàng)指標(biāo)是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生虛假響應(yīng)的概率即監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的失真率。分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生虛假信號(hào)的重要原因是射頻前端存在多信號(hào)接收現(xiàn)象，且信號(hào)強(qiáng)度較大，導(dǎo)致射頻前端進(jìn)入非線性工作區(qū)域。要降低接收機(jī)的的失真度，就要控制多信號(hào)同時(shí)進(jìn)入接收機(jī)前端，即控制接收機(jī)前端射頻寬度，選用窄帶接收機(jī)，具有高的RF選擇性。設(shè)法減少射頻接收電路和接收機(jī)前端器件的非線性，增加它們的線性動(dòng)態(tài)范圍，不僅要提高接收機(jī)的線性動(dòng)態(tài)范圍，更要提高天線和射頻矩陣等射頻接收電路的線性動(dòng)態(tài)范圍。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的線性接收能力主要通過(guò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)二階互調(diào)截點(diǎn)、三階互調(diào)截點(diǎn)等參數(shù)來(lái)描述。

接收機(jī)中用IP2和IP3可以很順暢的表達(dá)其抗失真能力，一個(gè)很重要的有利條件就是當(dāng)其輸入兩個(gè)功率量綱的參數(shù)時(shí)，其失真后的特征仍可用功率來(lái)表示，這樣就可在閉路環(huán)境中順利測(cè)量，無(wú)太多懸念。但對(duì)于測(cè)向系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)輸入的是兩個(gè)功率量綱參數(shù)時(shí)，失真特性表征出來(lái)的參數(shù)只能是測(cè)向精度，無(wú)法和輸入?yún)?shù)具有相同量綱，因此在此領(lǐng)域一直無(wú)特別恰當(dāng)?shù)膮?shù)來(lái)評(píng)估。同時(shí)，大家以前對(duì)測(cè)向系統(tǒng)的測(cè)向精度和靈敏度更關(guān)注，也就是對(duì)小信號(hào)環(huán)境更關(guān)心，所以也就忽略了測(cè)向系統(tǒng)在大信號(hào)環(huán)境中的工作能力評(píng)估了。

3. 對(duì)新的抗干擾能力指標(biāo)的考慮

我們可以引入接收機(jī)測(cè)量互調(diào)能力的方法，問題的關(guān)鍵就是如何在輸入功率和輸出測(cè)向角度之間找到一個(gè)合適的參數(shù)，解決二者的量綱問題，則測(cè)向系統(tǒng)抗失真能力的評(píng)估問題就可以解決。為此，在測(cè)向系統(tǒng)中，我們也引入此概念，即在有較強(qiáng)干擾信號(hào)的情況下，由于測(cè)向系統(tǒng)的非線性原因在接收前端產(chǎn)生互調(diào)信號(hào)，當(dāng)互調(diào)信號(hào)到達(dá)一定強(qiáng)度時(shí)，測(cè)向系統(tǒng)將會(huì)對(duì)互調(diào)信號(hào)給出示向度。具體示意圖見圖4。

按圖4所示，第一次測(cè)試?yán)眯盘?hào)源產(chǎn)生f1信號(hào)，此時(shí)測(cè)向系統(tǒng)會(huì)給某一臨界示向度；第二次用該信號(hào)源和另一個(gè)信號(hào)源發(fā)射f1+3B和f1+6B信號(hào)，則在f1或f1+9B上會(huì)出現(xiàn)互調(diào)信號(hào)，同樣也會(huì)產(chǎn)生示向度。只要調(diào)整信號(hào)源的輸出功率，讓互調(diào)信號(hào)的示向度和第一次一樣，均為臨界數(shù)值，測(cè)試查驗(yàn)兩次信號(hào)源的功率差值，即為測(cè)向系統(tǒng)抗大信號(hào)能力的特征參數(shù)。此數(shù)值可稱為測(cè)向系統(tǒng)的互調(diào)抑制度，數(shù)值越大越好。同時(shí)，為簡(jiǎn)化測(cè)量模型，主要考察對(duì)三階一型互調(diào)信號(hào)的抑制能力。

五、測(cè)向系統(tǒng)互調(diào)抑制度的測(cè)試

對(duì)于超短波無(wú)線電測(cè)向系統(tǒng)互調(diào)抑制度的測(cè)試可以按如下方法開展：在測(cè)試場(chǎng)地中，發(fā)射系統(tǒng)1和發(fā)射系統(tǒng)2的配置相同（含天饋系統(tǒng)），方位位置相同，但高度要有所差別，以增加空間隔離度；且發(fā)射系統(tǒng)天線到被測(cè)系統(tǒng)天線之間的距離不小于5λ，λ指被測(cè)系統(tǒng)最低測(cè)試頻率的波長(zhǎng)。

1. 測(cè)試步驟

（1）設(shè)置被測(cè)系統(tǒng)的測(cè)向帶寬為B，測(cè)向頻點(diǎn)為某一測(cè)量頻點(diǎn)fi；設(shè)置發(fā)射系統(tǒng)1輸出為標(biāo)準(zhǔn)單載波信號(hào)，頻率為某一測(cè)量頻點(diǎn)fi。逐漸調(diào)整發(fā)射系統(tǒng)1輸出功率，直到被測(cè)系統(tǒng)在fi產(chǎn)生偏差為б（б一般取3°）的示向度，記錄此時(shí)發(fā)射系統(tǒng)1的輸出功率P1。

（2）保持測(cè)向系統(tǒng)設(shè)置不變；調(diào)整發(fā)射系統(tǒng)1的工作頻率為某一測(cè)量頻點(diǎn)fi+3B，調(diào)整發(fā)射系統(tǒng)2的工作頻率為某一測(cè)量頻點(diǎn)fi+6B，設(shè)置發(fā)射系統(tǒng)2輸出為標(biāo)準(zhǔn)單載波信號(hào)。在恰當(dāng)?shù)妮敵龉β蕳l件下，二者會(huì)在被測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)頻率為fi或fi+9B的三階一型接收互調(diào)信號(hào)；同時(shí)調(diào)整兩個(gè)發(fā)射系統(tǒng)的功率，直到被測(cè)系統(tǒng)在fi或fi+9B產(chǎn)生偏差為б（б一般取3°）的示向度；

（3）記錄此時(shí)發(fā)射系統(tǒng)1的輸出功率P2。發(fā)射系統(tǒng)1的輸出功率P1和P2之間的差值（以dB為單位）即為測(cè)向系統(tǒng)互調(diào)抑制度。此數(shù)值越大，則表征被測(cè)系統(tǒng)的抗互調(diào)能力越強(qiáng)。

2. 測(cè)試注意事項(xiàng)

在構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)時(shí)，由于滿足被測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)互調(diào)信號(hào)的條件是必須在測(cè)試系統(tǒng)接收端有大信號(hào)出現(xiàn)，而且兩個(gè)大信號(hào)應(yīng)該盡量純凈，因此在構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)及測(cè)試時(shí)，應(yīng)特別注意以下幾點(diǎn)：

⊙ 測(cè)試場(chǎng)地應(yīng)地面平坦，周圍沒有高大遮擋物，大小

至少要有20λ長(zhǎng)和15λ寬，以便形成開闊場(chǎng)。

⊙ 發(fā)射系統(tǒng)1和發(fā)射系統(tǒng)2的配置應(yīng)相同，并要對(duì)其輸出功率進(jìn)行校準(zhǔn)補(bǔ)償，使兩者分別發(fā)射時(shí)，被測(cè)系統(tǒng)天線處接收到的信號(hào)強(qiáng)度相同，以滿足互調(diào)信號(hào)的產(chǎn)生條件。

⊙ 發(fā)射系統(tǒng)中配備的功率放大器應(yīng)確保其性能指標(biāo)要符合要求，特別是其諧波輸出、雜散輸出和互調(diào)抑制等指標(biāo)，以確保到達(dá)被測(cè)系統(tǒng)時(shí)的信號(hào)為兩個(gè)純凈的信號(hào)，互調(diào)信號(hào)的產(chǎn)生是由被測(cè)系統(tǒng)本身的非線性原因產(chǎn)生的而不是由發(fā)射系統(tǒng)互調(diào)產(chǎn)生。

⊙ 為避免產(chǎn)生發(fā)射機(jī)互調(diào)信號(hào)，如條件允許，可在功率放大器和發(fā)射天線間加單向隔離器，阻止信號(hào)由天線進(jìn)入相鄰功率放大器內(nèi)部，切斷發(fā)射機(jī)互調(diào)產(chǎn)生的途徑。同時(shí)，為確保是接收機(jī)互調(diào)信號(hào)，應(yīng)采取技術(shù)手段對(duì)目標(biāo)信號(hào)加以驗(yàn)證。

⊙ 在測(cè)試中，由于屬于是開場(chǎng)測(cè)試，信號(hào)衰減很大，發(fā)射系統(tǒng)1和發(fā)射系統(tǒng)2發(fā)射的信號(hào)頻率不能相差太大，一般取被測(cè)系統(tǒng)測(cè)向帶寬B的3倍即可（測(cè)向帶寬一般選擇10kHz～15kHz，如果被測(cè)系統(tǒng)不支持該范圍內(nèi)的測(cè)向帶寬，則選擇大于該參數(shù)的最近數(shù)值），這樣產(chǎn)生互調(diào)信號(hào)的條件較容易滿足。同時(shí)，還要注意避開空中干擾信號(hào)。

六、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)際測(cè)試，當(dāng)發(fā)射系統(tǒng)1和發(fā)射系統(tǒng)2的發(fā)射信號(hào)達(dá)到一定功率時(shí)，被測(cè)系統(tǒng)由于自身的非線性原因?qū)?huì)產(chǎn)生互調(diào)信號(hào)，并給出示向度，驗(yàn)證了測(cè)試方法的有效性。根據(jù)測(cè)試的結(jié)果，可對(duì)超短波無(wú)線電測(cè)向系統(tǒng)抗干擾能力即抗大信號(hào)能力進(jìn)行衡量和評(píng)估，為超短波無(wú)線電測(cè)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)和性能評(píng)估提供有力的技術(shù)依據(jù)。