車載通信系統(tǒng)同車多電臺互擾測試方法研究

張世巍

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

目前國內(nèi)對同車多機干擾問題的研究局限于對車載天線間耦合度的預測，在干擾的定量計算和評估方面基本屬于空白.為能夠判斷安裝在一個平臺上的多部電臺在通信時相互干擾的情況，對同車多機互擾的測試方法了進行研究.通過建立的測試方法解決在通信車等平臺上同車多機互擾的電磁兼容指標是否達到要求.測試數(shù)據(jù)可檢驗通信設備的電磁兼容性設計及通信系統(tǒng)頻譜規(guī)劃情況［1］.

1 同車多機互擾的測試方法

根據(jù)車輛內(nèi)安裝的通信設備類型及通信設備之間的相互干擾的情況制定測試方法.考慮到車輛內(nèi)安裝的通信設備主要為通信電臺，所以該測試方法的目的是考察通信電臺功率發(fā)射時同車多機互擾對其它處于接收狀態(tài)通信系統(tǒng)的干擾情況［2］.

1.1 測試方法的構建思路

依照通信系統(tǒng)的特點來構建測試方法.首先對車內(nèi)通信系統(tǒng)進行劃分，統(tǒng)計車內(nèi)安裝通信電臺的數(shù)量、工作頻段范圍、發(fā)射功率的情況.以較低工作頻率的通信設備作為干擾源依次以單獨、組合的方式進行大功率發(fā)射，相應地易受影響的通信電臺處于接收狀態(tài);使用接收設備的車載天線連接測量接收機進行干擾頻譜分布的掃描，依次測得同車多機狀態(tài)下各接收電臺工作頻段的頻譜曲線.對比干擾頻譜曲線與環(huán)境曲線的差別，確定重點干擾區(qū)域;對存在較高干擾的頻段范圍的電臺進行靈敏度檢查，驗證特征干擾頻點并判斷電臺接收信號是否受到同車多機互擾的影響.

1.2 試驗前的準備工作

對車載通信系統(tǒng)中相互影響較大的通信系統(tǒng)進行同車多機互擾測試.在進行測試之前，應完成以下準備工作:

在測量通信系統(tǒng)的頻譜發(fā)射情況之前，先了解被測設備的發(fā)射信號特征，包括發(fā)射信號頻率范圍、調(diào)制方式、信號幅值及輸出功率.盡可能清楚信號特征以便較好地選擇適當?shù)臏y量儀表及測量方法;按照測試狀態(tài)事前規(guī)劃設置跳頻頻率表、收發(fā)頻率的間隔等參數(shù);根據(jù)通信系統(tǒng)的使用習慣以及通信頻率規(guī)劃原則制定出每部通信系統(tǒng)的測試頻率范圍;對試驗場地電磁環(huán)境進行連續(xù)監(jiān)測，要求空間電磁環(huán)境穩(wěn)定.

準備試驗設備，包括測量接收機、無線電綜合測試儀、衰減器(抑制網(wǎng)絡)、三通接頭及同軸線纜若干(50Ω)、與系統(tǒng)內(nèi)接收設備通信的陪試設備(測試時與接收設備達成通信狀態(tài)，可以使用“Ping”命令，對丟包率進行統(tǒng)計).

1.3 無線通信設備相互干擾的預估

以某型號通信指揮車為例，其車內(nèi)通信設備有:低頻通信發(fā)射設備(短波電臺)、低頻通信接收設備(短波接收機)、中頻通信發(fā)射/接收設備(超短波電臺)、高頻通信/接收發(fā)射設備(Z鏈V/U信道電臺、高速數(shù)據(jù)電臺)、高頻通信接收設備(北斗、GPS).根據(jù)通信設備的工作頻段及電磁特征，預先估計通信系統(tǒng)間的相互干擾情況，制定通信系統(tǒng)干擾矩陣如表1所示.

表1 系統(tǒng)內(nèi)無線通信設備的干擾矩陣

從預估的干擾矩陣可以看出，相鄰頻段或同頻段通信設備間干擾較為嚴重，相鄰頻段的較低工作頻率設備會嚴重影響后續(xù)工作頻段的設備.例如，低頻通信發(fā)射設備對同頻接收設備干擾嚴重，對后續(xù)接收設備有較強的干擾.

1.4 同車多機互擾測試通信設備狀態(tài)的選擇

統(tǒng)計車內(nèi)安裝同車多機的數(shù)量、工作頻段范圍、發(fā)射功率的情況.根據(jù)通信電臺使用情況確定通信設備的測試狀態(tài)、發(fā)射狀態(tài)設置、接收狀態(tài)設置并形成表2的內(nèi)容.

表2 通信設備狀態(tài)設置

最低頻段的通信發(fā)射設備(短波電臺)發(fā)射功率較高，不容易受到干擾，僅考慮發(fā)射的狀態(tài).中頻通信設備(超短波電臺)考慮在接收狀態(tài)時會受到低頻及同頻設備的干擾，在發(fā)射狀態(tài)時會影響同頻及高頻的接收設備.考慮在接收狀態(tài)時高頻通信設備(V/U信道電臺、高速數(shù)據(jù)電臺)會受到中頻及同頻設備的干擾，在發(fā)射狀態(tài)時會影響同頻及更高頻的接收設備.

1.5 干擾區(qū)域的確定

在通信信號工作頻段進行頻譜掃描來確定干擾區(qū)域.使用同軸電纜將車載天線連接測量接收機進行掃頻，通過車載天線對通信信號發(fā)射頻譜分布情況進行測試.將各頻段車載天線射頻線從通訊設備射頻輸入端取下，連接測試同軸電纜，另一端連接衰減器(如果電臺基頻發(fā)射功率太大需要連接陷波濾波器)，再使用測試電纜連接至接收機.這樣構成一條測試路徑:干擾信號從車載天線至衰減器再至測量接收機.測試時接收機信號輸入端至少接入10 dB衰減器來確保射頻發(fā)射強度不確定的情況下避免EMI接收機過載，同時避免接收機產(chǎn)生的亂真響應，保證接收機有足夠的測量靈敏度測得較準確的測量結(jié)果.同頻發(fā)射測試時需要增加陷波濾波器減小基頻對接收測試設備的影響，避免接收設備的損壞.進行測試時，線纜衰減及濾波器的衰減部分在測試設置中需要進行補償.依次在接收設備的天線端口處測試，獲得各個接收頻段內(nèi)同車多機互擾頻譜分布情況.試配置如圖1所示.

圖1 通信信號干擾頻譜掃描的測試配置圖

為了便于區(qū)分測試狀態(tài)和試驗結(jié)果，按通信設備工作頻段將通信設備分為低頻、中頻、高頻設備，并分別確定其干擾區(qū)域.使用測量接收機掃描時按表3的要求設置參數(shù)，掃描步長根據(jù)車載通信系統(tǒng)的通信頻率間隔來確定.

表3 通信信號頻譜掃描測量接收機參數(shù)設置

依次以低頻、中頻、高頻接收設備對應的天線作為接收天線，低頻、中頻及其它同頻通信設備作為干擾源在其高、中、低頻段選擇3個常用的發(fā)射頻點進行功率發(fā)射，測試其干擾性.步驟如下:

1)接收設備上電，其它設備關閉，使用車載天線端口測試其環(huán)境曲線T0;

2)在同車多機測試狀態(tài)，低頻及同頻設備根據(jù)發(fā)射狀態(tài)設置進行大功率發(fā)射，使用同頻及高頻接收設備在其工作頻段測試其干擾曲線 T1，……，TN;

3)對比接收設備工作頻段的干擾曲線與環(huán)境曲線的差別，確定重點干擾區(qū)域.

值得注意的是，考慮到低頻及同頻設備同時發(fā)射時產(chǎn)生的互調(diào)干擾，當選取高、低發(fā)射頻點時，盡量保證低頻及同頻信號形成的二階互調(diào)信號(基頻相加、相減)在被測接收設備的工作頻段范圍內(nèi).

依次類推，對整車系統(tǒng)內(nèi)安裝的其它電臺進行兼容性測試，直到完成所有可能同車多機工作情況的排列組合，得到每部電臺其工作頻段范圍的干擾特征頻譜以及干擾頻點;在每個用頻設備的接收頻段內(nèi)依據(jù)曲線特征選取特征干擾點，繪制成表;在接收設備對應的干擾區(qū)域內(nèi)對其造成影響的頻點、頻段進行篩選.

1.6 干擾區(qū)域頻點、頻段的篩選

車內(nèi)各類通信系統(tǒng)組合方式較多，干擾區(qū)域內(nèi)的頻譜分布較為復雜，由于HF電臺、VHF電臺、UHF電臺的工作頻段較為集中，所以諧波干擾不可避免.在通信系統(tǒng)總體設計時，綜合分析天線耦合度、電臺發(fā)射功率、電臺接收靈敏度、空間損耗等多種因素，通過頻率規(guī)劃的手段對部分存在互擾的頻點進行規(guī)避.所以在對干擾區(qū)域的頻段進行驗證前，先確定通信系統(tǒng)同車多機工作時是否進行了頻率規(guī)劃，以及通信電臺是否默認在頻率規(guī)劃內(nèi)的頻段工作;再根據(jù)頻譜管理原則及使用習慣對干擾區(qū)域內(nèi)的頻點、頻段進行篩選.僅在通信設備最常用的工作頻段進行驗證.

主要依據(jù)以下原則進行同車多機干擾頻點的剔除、篩選:

1)固有自干擾點(通信設備的特征);

2)發(fā)射的基頻及其多次諧波;

3)由兩臺或以上發(fā)射設備在兩個或以上頻點發(fā)射時產(chǎn)生的交調(diào)、互調(diào)產(chǎn)物，為混頻后產(chǎn)生新的干擾頻點.

測試時低頻接收設備盡量設置在工作頻段中的較低頻段，中、高頻發(fā)射設備在工作頻段中較高頻點進行功率發(fā)射.低頻設備發(fā)射時避免同頻設備為接收狀態(tài).短波電臺發(fā)射時，短波接收機不工作，或者兩者都為接收狀態(tài)工作.低頻設備在較低頻點且避免在整數(shù)頻點進行大功率發(fā)射.避免在低頻設備發(fā)射的基頻及其二次三次諧波的－5～+5 MHz范圍內(nèi)測試.進行大功率發(fā)射時選擇的頻段范圍與同頻接收設備的工作頻段應間隔較大頻率，工作在同一模式不同網(wǎng)段的超短波電臺建議組建同步正交網(wǎng)絡;工作在不同模式的超短波電臺建議組建異步正交網(wǎng).

1.7 干擾區(qū)域的驗證

依次將每部設備接收狀態(tài)下測得的干擾特征頻段進行匯總，依據(jù)曲線特征選取特征干擾頻點并參考干擾區(qū)域頻點、頻段的篩選的原則進行剔除部分頻段后，繪制成表.在同車多機通信狀態(tài)下依次將上述每部用頻設備設置為接收狀態(tài)，在其工作頻段對應的干擾區(qū)域內(nèi)對其是否受到干擾影響進行驗證.

1.7.1 干擾區(qū)域驗證的要求

根據(jù)干擾區(qū)域的確定方法得到同車多機狀態(tài)下高、中、低頻接收設備工作頻段的頻譜分布圖.根據(jù)干擾區(qū)域頻點、頻段的篩選對頻譜分布圖中的干擾區(qū)域進行劃分，排除篩選頻段后在干擾區(qū)域中對出現(xiàn)以下特征的頻段進行驗證:

1)在50 MHz以下，對在發(fā)射基頻f0的－5～+5 MHz范圍以外的頻段，有明顯突起的寬帶干擾頻段;

2)在50 MHz以上，對在發(fā)射基頻 f0的 －10%～+10%范圍以外的頻段，有明顯突起的寬帶干擾頻段;

3)在跳頻發(fā)射時，干擾區(qū)域頻譜底部噪聲有明顯抬升的干擾頻段;

4)在交調(diào)、互調(diào)及高次諧波的干擾頻點兩端有明顯抬升，形成的寬帶干擾頻段.

綜上所述，在同車多機測試狀態(tài)下，處于基頻的－5～+5 MHz或－10%f0～+10%f0范圍以內(nèi)的頻段，跳頻發(fā)射頻段底噪沒有抬升的頻段，諧波、互調(diào)產(chǎn)生的窄帶干擾頻點均可不驗證.測試時根據(jù)試驗方要求可對上述頻段進行抽查來確定通信設備的功能狀態(tài).

1.7.2 干擾區(qū)域驗證方法

最常用也是最有效的驗證手段是采用無線電綜測儀構成測試網(wǎng)絡進行敏感度標定，記錄接收設備場強/靈敏度下降情況.通過綜測儀監(jiān)測電臺音頻輸出端信納德(SINAD)的變化情況來判斷其干擾帶寬大小.信納德反映了接收機的靈敏度，即反映了接收機接收微弱信號的能力.在車載天線至通訊設備的射頻電纜中串入耦合網(wǎng)絡，耦合網(wǎng)絡輸入端使用測試電纜連接無線電綜合測試儀輸出端，防止外界干擾信號影響，通信綜合測試儀需要在綜測儀信號輸出端加衰減器.通信設備音頻輸出端連接無線電綜合測試儀音頻輸入端.測試配置如圖2所示.

圖2 干擾頻點通訊信號靈敏度驗證的配置圖

對接收電臺在通信信號干擾較強的頻點使用綜測儀進行電臺靈敏度驗證.當干擾信號通過接收電臺天線饋入測試系統(tǒng)與綜測儀產(chǎn)生的功率信號(S)一同加載到電臺天線的射頻端口上，此時干擾使噪聲功率(N)增大，從而SINAD減小.增大綜測儀信號強度(△S)使SINAD重新回到12 dB，即重新達到臨界狀態(tài)(拉距測試:3+話音質(zhì)量)，這里的S+△S即為傳統(tǒng)測試中的車輛距離變化帶來的功率信號的增強和衰減，△S變化的越多表示電臺靈敏度下降越厲害，從而通信距離減少的越多.

對整車系統(tǒng)進行驗證時，使用上述測試方法開啟通信接收設備.通信設備在不發(fā)射的狀態(tài)下進行采樣頻點的測量并記錄無線電綜合測試儀的輸出電平S1作為初始標定值;再在通信設備大功率發(fā)射狀態(tài)下重復上述測量過程得到無線電綜合測試儀的輸出電平S2作為測試值.對比初始標定值與測試值測試結(jié)果的差值△S并記錄.利用綜測儀模擬產(chǎn)生電臺信號和分析電臺信號的功能模擬了傳統(tǒng)測試的車輛拉距，從而可以對同車多機的干擾情況進行定量分析.

1.8 測試結(jié)果的評定

在發(fā)射電臺大功率發(fā)射時，車內(nèi)通信設備應能正常工作.當通信系統(tǒng)以其主要工作方式接收信號時，在大部分頻段內(nèi)不受發(fā)射機干擾影響.使用上述方法對干擾區(qū)域進行測試判斷，需要保證采樣頻點的電臺靈敏度下降小于6 dB.通信電臺的數(shù)據(jù)變化及PING包率、誤碼率情況按照試驗委托方給出的數(shù)據(jù)下降與通信距離關系，結(jié)合試驗結(jié)果來評定.

2 同車多機互擾對電臺通信帶來的影響

車內(nèi)安裝的部分通信系統(tǒng)在同車多機的工作條件下會造成各類型干擾，導致出現(xiàn)以下兩方面問題.1)誤碼率的增大;2)通信距離的減少.

通過對裝有多部短波、超短波電臺通信車的拉距測試，發(fā)現(xiàn)同址干擾對跳頻電臺工作性能影響特別嚴重，測試結(jié)果如表4所示.當多部同臺共址電臺同時發(fā)射工作時，在原有效的通信距離下，同臺的接收電臺已無法正常接收.

表4 同址干擾下超短波電臺的最大通信距離變化情況

3 同車多機互擾測試方法的應用

以1.3節(jié)某型號通信指揮車為例，根據(jù)通信電臺使用情況確定通信設備的測試、發(fā)射、接收狀態(tài)設置，如表2所示.試驗前，檢查車內(nèi)工作電臺均處接收時，相互間無明顯干擾，均能接收額定通信距離的遠端電臺發(fā)送的話音，并達到標準的話音水平.為了解每部通信電臺的發(fā)射頻譜特點以及對不同接收設備的影響，在每個接收設備的天線端口進行頻譜掃描，掌握其受擾情況.下面以超短波電臺工作頻率30～90 MHz范圍內(nèi)的同車多機互擾情況來進行測試.

1)定頻發(fā)射干擾區(qū)域測試.

超短波電臺通信頻段會遭受HF電臺和UHF電臺同時定頻發(fā)射帶來的干擾，測試頻譜分布如圖3所示.

圖3 超短波通信頻段區(qū)域干擾分布 (定頻)

短波以20.8500 MHz頻率發(fā)射，超短波以 66.875 MHz頻率發(fā)射.從超短波頻段測試曲線可以看出，在多部電臺同時進行大功率定頻發(fā)射時均會產(chǎn)生非線性干擾.部分窄帶干擾信號頻率點與兩發(fā)射信號頻率的2、3階互調(diào)頻率相符，短波產(chǎn)生的二次、三次諧波 (41.7 MHz、62.275 MHz)及互調(diào)產(chǎn)生的干擾(46.025 MHz、72.4 MHz、87.725 MHz)均為窄帶干擾信號且兩端沒有明顯抬升，按篩選原則可以排除.主頻干擾在基頻f0的－10%～+10%范圍以外的部分頻段有明顯突起，底噪均有較大程度的提升，對超短波整個通信頻段形成寬帶干擾.需要在寬帶干擾部分選擇3～5個頻點進行靈敏度驗證.

對干擾區(qū)域進行進一步測試來判斷接收設備的受擾情況，采用無線電綜測儀構成測試網(wǎng)絡進行敏感度標定.測試結(jié)果如表5所示.

表5 超短波電臺A靈敏度變化情況

從電臺靈敏度測試結(jié)果可以看出，當短波和超短波電臺同時定頻大功率發(fā)射時，對超短波整個通信頻段干擾較小，靈敏度沒有明顯下降.

2)跳頻發(fā)射干擾區(qū)域的測試.

U/V信道機工作在V段接收時會遭受同頻超短波電臺功率發(fā)射(跳頻)的干擾，測試頻譜分布如圖4所示.

圖4 U/V信道機V段通信頻段區(qū)域干擾分布 (跳頻)

從測試曲線可以看出，超短波電臺在發(fā)射頻表6進行大功率跳頻發(fā)射時均會產(chǎn)生較多的寬帶干擾且底噪有明顯提升.由于電臺通訊時主要以跳頻工作方式來通訊，所以即使在個別頻點出現(xiàn)窄帶干擾也不會影響通訊質(zhì)量，只有在跳頻頻段范圍較多的頻點均出現(xiàn)干擾時才會明顯干擾電臺正常通訊，從而對U/V信道機V段通信頻段形成寬帶干擾.因此要著重對頻譜干擾圖中有整片突起的頻段(干擾區(qū)域)選擇部分頻點進行靈敏度驗證.

采用無線電綜測儀構成測試網(wǎng)絡，對受擾的接收設備進行敏感度標定.測試結(jié)果如表6所示.

表6 U/V信道機V段靈敏度變化情況

測試結(jié)果表明:當同頻的超短波電臺跳頻發(fā)射時、U/V信道機V段接收時，在寬帶干擾的作用下處于工作頻段30～60 MHz范圍內(nèi)的電臺靈敏度平均下降50 dB左右，處于工作頻段60～80 MHz范圍內(nèi)的電臺靈敏度平均下降10 dB左右.其中兩臺電臺同時跳頻發(fā)射時致使非線性干擾更嚴重，干擾噪聲頻譜底部抬起，更容易對同頻段接收電臺造成影響，致使電臺話音嚴重干擾，數(shù)據(jù)傳輸誤碼率上升及通訊距離下降.

通過分析試驗得到的結(jié)果可以看出，兩部超短波電臺采用不同頻表同時大功率跳頻發(fā)射時，在UV信道機V段產(chǎn)生全頻干擾，靈敏度受到影響較大.短波電臺、超短波電臺B同時大功率跳頻發(fā)射時，需對超短波電臺A進行靈敏度的驗證.在超短波頻段內(nèi)跳頻發(fā)射范圍以內(nèi)的頻點靈敏度有較多下降;跳頻發(fā)射范圍以外的頻點測試結(jié)果沒有明顯下降的情況.超短波電臺間的同車多機測試結(jié)果表明，當同頻的電臺大功率跳頻發(fā)射時對整個通信頻段干擾較大，電臺靈敏度會有明顯的下降并存在誤碼率現(xiàn)象.所測結(jié)果與實際的使用情況相似.在實際使用中兩部超短波電臺同時跳頻工作時，UV信道機應避免在V段進行接收;兩部超短波電臺的工作頻率，應做好頻率管理才能夠相互兼容地工作.

4 結(jié)束語

通信指揮車中一般同時配備多部通信電臺，這些通信電臺在一定概率內(nèi)會同時工作，這時通信電臺發(fā)射必然會對相鄰頻段的通信電臺接收產(chǎn)生影響造成同車多機互擾.為解決同車多機定量測試的問題，提出了一種車載通信系統(tǒng)同車多機互擾的測試方法.使用該方法進行測試可以采集多部電臺同時大功率發(fā)射時干擾的頻譜分布數(shù)據(jù)，掌握各通信電臺間的互擾情況.該方法為解決通信電臺的同車多機問題及實際運用提供數(shù)據(jù)支撐，對車載通信電臺間的布局設計，干擾預測和分析都具有指導意義.

［1］趙 波，全厚德，崔佩璋.車載無線電臺同址干擾測試與分析 ［J］.計算機測量與控制，2011，(8):15-18.

［2］鄭新新，朱會強.無線設備同車多機干擾耦合特性測試方法研究 ［J］.計量技術，2008，(11):22-24.