車載通信系統(tǒng)共址干擾分析及抑制措施?

聶 毅 徐 皓 劉 振

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所 武漢 430200）

1 引言

隨著電磁環(huán)境的日益復(fù)雜，車載通信系統(tǒng)都正在向高度的綜合化、標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和序列化等方面發(fā)展，一般同時(shí)裝配多部短波、超短波電臺(tái)等電子設(shè)備，當(dāng)這些電臺(tái)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)發(fā)射的電波會(huì)在接收機(jī)輸入端產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾，即共址干擾。

共址干擾會(huì)嚴(yán)重影響車載通信系統(tǒng)的正常工作，造成電臺(tái)通信距離縮短、話音質(zhì)量變差、噪聲增大、誤碼率提高等惡劣后果，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致各個(gè)通信信道完全阻塞。共址干擾問題已經(jīng)成為系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)必須要解決的難題，進(jìn)行精確的共址干擾預(yù)測(cè)和合理的共址干擾抑制，不但可以使系統(tǒng)由干擾造成的不良影響降到最低，而且可以提高系統(tǒng)的電磁兼容性。

2 共址干擾類型

共址的主要特點(diǎn)是干擾設(shè)備與敏感設(shè)備相距較近，對(duì)于車載通信系統(tǒng)而言尤其如此，通常干擾電臺(tái)與接收電臺(tái)天線間的距離不足兩米，因此其耦合度很強(qiáng)。共址干擾的種類有很多［1～2］，一般有以下幾種：

1）同頻干擾：凡由其他信號(hào)源發(fā)送出來與有用信號(hào)的頻率相同并以同樣的方法進(jìn)入收信機(jī)中頻通帶的干擾都稱為同頻干擾。由于同頻干擾信號(hào)與有用信號(hào)同樣被放大、檢波，當(dāng)兩個(gè)信號(hào)出現(xiàn)載頻差時(shí)，會(huì)造成差拍干擾；當(dāng)兩個(gè)信號(hào)的調(diào)制度不大同時(shí)，會(huì)引起失真干擾；當(dāng)兩個(gè)信號(hào)存在相位差時(shí)也會(huì)引起失真干擾。干擾信號(hào)越大，接收機(jī)的輸出信噪比越小。當(dāng)干擾信號(hào)足夠大，便可造成接收機(jī)的阻塞干擾。這種干擾大都是由于同頻復(fù)用距離太小造成的。

2）鄰頻干擾：凡是在收信機(jī)射頻通帶內(nèi)或通帶附近的信號(hào)，經(jīng)變頻后落入中頻通帶內(nèi)所造成的干擾，稱為鄰頻干擾。這種干擾會(huì)使收信機(jī)信噪比下降，靈敏度降低，強(qiáng)干擾信號(hào)可使收信機(jī)出現(xiàn)阻塞干擾。這種干擾大部分是由于設(shè)備不符合標(biāo)準(zhǔn)造成的。

3）基波干擾：由于發(fā)射機(jī)在發(fā)射頻點(diǎn)處輸出功率導(dǎo)致共址工作的接收機(jī)接收到非期望的信號(hào)。

4）諧波干擾：由于發(fā)射機(jī)在發(fā)射頻點(diǎn)的諧波點(diǎn)處的輸出功率導(dǎo)致共址工作的接收機(jī)接收到非期望的信號(hào)。

5）互調(diào)干擾：由二個(gè)或二個(gè)以上的信號(hào)同時(shí)作用于非線性元件產(chǎn)生多種頻率組合，并由接收機(jī)接收所形成的。其產(chǎn)生的原因大致分為三種：發(fā)射機(jī)互調(diào)、接收機(jī)互調(diào)、外部效應(yīng)引起的互調(diào)。發(fā)射機(jī)互調(diào)是多個(gè)發(fā)射機(jī)同時(shí)工作時(shí)，因合路系統(tǒng)的隔離度不夠，使一個(gè)發(fā)射機(jī)的信號(hào)進(jìn)入其他發(fā)射機(jī)，并在其他發(fā)射機(jī)的輸出端與其它發(fā)射信號(hào)混頻形成互調(diào)干擾；接收機(jī)互調(diào)是指在接收機(jī)的前端電路（高放、混頻器）中，同時(shí)侵入兩個(gè)處于互調(diào)關(guān)系的非工作頻率信號(hào)，因非線性作用發(fā)生相互調(diào)制，產(chǎn)生工作頻率上的干擾信號(hào)；由外部效應(yīng)而產(chǎn)生的互調(diào)干擾是由于發(fā)射機(jī)的高頻濾波器和天線、饋線等插接件接觸不良在強(qiáng)射頻電場(chǎng)中起檢波作用而引起的。

6）交調(diào)干擾：在接收機(jī)調(diào)諧頻率鄰近頻道區(qū)中的強(qiáng)信號(hào)可能產(chǎn)生大的交調(diào)干擾，在這種類型的電磁干擾中，無用信號(hào)對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行了調(diào)制。交調(diào)干擾也產(chǎn)生于非線性效應(yīng)，并要求干擾源具有幅度變化，不是通過調(diào)幅方式來傳輸信息的接收機(jī)不受非線性交調(diào)的影響。交調(diào)干擾主要是在共址環(huán)境下模擬發(fā)射機(jī)對(duì)數(shù)字接收機(jī)產(chǎn)生的。

7）鄰道干擾：當(dāng)在接收機(jī)調(diào)諧頻率相鄰信道上存在非期望信號(hào)時(shí)，所造成的干擾稱為鄰道干擾。它主要取決于接收機(jī)鄰道選擇性、發(fā)射機(jī)鄰道邊帶輻射和邊帶噪聲。鄰道干擾可以分為基波鄰道干擾、諧波鄰道干擾和互調(diào)鄰道干擾。

3 車載通信系統(tǒng)共址干擾模型

車載通信系統(tǒng)由于車體空間有限，各電臺(tái)天線之間的距離很近，電臺(tái)之間的耦合度有限，很難保證電臺(tái)之間正常工作，典型的通信電臺(tái)收發(fā)信機(jī)的設(shè)備流程圖如1所示。

圖1 車載電臺(tái)定頻方式語(yǔ)音信號(hào)聲碼化流程圖

從電磁兼容的角度出發(fā)［3］，系統(tǒng)可分為兼容、不兼容和臨界兼容三種狀態(tài)。為確定一個(gè)系統(tǒng)是否存在干擾，通常用電磁干擾余量（IM）來衡量，這也是通常所說的耦合干擾裕度。對(duì)于車載通信系統(tǒng)，其共址干擾模型可用圖2簡(jiǎn)化表示。

圖2 收-發(fā)信機(jī)間耦合干擾模型

設(shè)干擾有效功率為PR(f)，敏感體門限值為SR(f)，干擾設(shè)備的發(fā)射功率為Pt(f)，設(shè)備間耦合度為C設(shè)備(f)，則干擾余量IM 表示為

對(duì)于敏感設(shè)備的工作性能可以用IM(f)值的大小來評(píng)價(jià)，通常認(rèn)為

IM(f)＜0，則表示敏感設(shè)備不會(huì)受到干擾，|IM(f)|值為安全裕度；

IM(f)=0，則表示敏感設(shè)備處于干擾臨界狀態(tài)，安全裕度為0；

IM(f)＞0，則表示敏感設(shè)備將會(huì)受到干擾，|IM(f)|值表示干擾的大小。

設(shè)備間耦合度即發(fā)射機(jī)與接收機(jī)間耦合度可由下式表示：

其中：C設(shè)備(f)表示收發(fā)電臺(tái)間的耦合度，C設(shè)備(f)=Pr-Pt（dB）；CA(f)表示收發(fā)天線間的耦合度，CA(f)=Pout-Pin（dB）；Pin為由饋線輸入到發(fā)射天線的功率，單位以dBm表示；Pout為由接收天線輸出到饋線的功率，單位以dBm表示；γ為代表饋電系統(tǒng)引起的損耗，主要指發(fā)射機(jī)末端和接收機(jī)前端的饋電系統(tǒng)由于反射而引起的損耗。CF為發(fā)射機(jī)帶寬BT和接收機(jī)帶寬BR的修正系數(shù)，CF=BR/BT，當(dāng) BR≥BT時(shí)取CF=1。

4 共址干擾的抑制措施

1）頻率管理

從頻率管理角度出發(fā)，抑制車載系統(tǒng)的電磁干擾就要計(jì)算收發(fā)電臺(tái)之間的共址安全帶寬，根據(jù)計(jì)算的安全帶寬值優(yōu)化車載系統(tǒng)。

共址安全帶寬［4］就是用來評(píng)價(jià)共址收發(fā)電臺(tái)正常工作需要的最小頻率間隔，是為了保證處于臨界通信狀態(tài)的電臺(tái)不被同車內(nèi)以極限功率發(fā)射的另一部電臺(tái)的干擾，兩部電臺(tái)調(diào)諧頻率至少需要偏開的頻帶寬度。共址干擾帶寬的定義：設(shè)發(fā)射機(jī)的發(fā)射頻率為 fT，接收機(jī)的調(diào)諧頻率為 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就為

如果 fT＞fR，定義Δfmin為共址干擾的下限安全帶寬，即接收電臺(tái)為了避免干擾需要向下偏開發(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。

共址干擾中安全帶寬的計(jì)算準(zhǔn)則：根據(jù)式（3），如果干擾余量IM(fT，fR)≤0，則滿足收發(fā)兼容狀態(tài)的最小間隔Δfmin=

運(yùn)用信納德模型，測(cè)試中根據(jù)信納德從12dB下降到9dB時(shí)就認(rèn)為干擾電臺(tái)已經(jīng)影響了工作臺(tái)的正常工作，從這個(gè)測(cè)試原理出發(fā)可以得出安全帶寬的信納德計(jì)算方法。12dB即為在干擾情況下工作臺(tái)能正常工作的狀態(tài)，而9dB即為在干擾情況下工作臺(tái)不能正常工作的臨界狀態(tài)。計(jì)算準(zhǔn)則為建立接收機(jī)正常通信，即：無發(fā)射臺(tái)的干擾PR=0dBm，然后代入干擾電臺(tái)在不同頻點(diǎn)時(shí)的功率值，當(dāng)信納德下降3dB時(shí)，這個(gè)頻點(diǎn)的頻率減去發(fā)射機(jī)的中心頻率即為安全帶寬的數(shù)值，如果數(shù)值為負(fù)的，就是下限帶寬，正值為上限帶寬。其原理圖如圖3所示。

2）改進(jìn)和優(yōu)化收發(fā)信機(jī)的設(shè)計(jì)

由于共址工作的頻帶有限，為了提高系統(tǒng)的抗共址干擾能力，必須使頻率間隔減到更小，這就需要我們改進(jìn)和優(yōu)化收發(fā)信機(jī)的設(shè)計(jì)，從而提高電臺(tái)的工作性能。通過對(duì)收發(fā)信機(jī)內(nèi)部的電路模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善各模塊的性能，抑制不必要的非線性狀態(tài)出現(xiàn)，能實(shí)現(xiàn)降低共址接收機(jī)的敏感性，提高發(fā)射機(jī)輸出頻譜純度，抑制邊帶噪聲的效果。

圖3 信納德判據(jù)法原理圖

在規(guī)定的電源電壓和環(huán)境溫度內(nèi)，對(duì)工作在各類頻段的發(fā)射機(jī)的頻率誤差做出嚴(yán)格的控制；發(fā)射帶寬應(yīng)滿足傳送信號(hào)的頻帶要求，不要過多占用頻帶；接收機(jī)應(yīng)具有良好的選擇性和雜散響應(yīng)，除接收規(guī)定寬帶內(nèi)的有用信號(hào)外，不得對(duì)其它所有頻率產(chǎn)生響應(yīng)。

3）合理天線布局

增加天線的隔離度可以減小耦合干擾量，通常改變天線的物理位置可以達(dá)到增加隔離度的目的［5］。然而由于車載平臺(tái)空間有限，在軍事通信中用的中小車輛的天線隔離度通常很低，不能充分提供所要求的隔離度。

一種方法是在極化方向隔離，通常是使兩根天線以互相處置的空間位置放置，便可以增加隔離度。假如兩根天線必須放置在同一水平面上，另一種方法是水平與垂直隔離。此時(shí)可以使其中一根天線在垂直方向上高出另外一條天線一段距離，也可以達(dá)到增加隔離度的要求。

4）良好的EMC設(shè)計(jì)

對(duì)于抑制共址干擾，一般的EMC設(shè)計(jì)也有很重要的作用［6］，主要包括：

屏蔽：使用合適的高導(dǎo)磁率或高導(dǎo)電率的材料在兩個(gè)空間區(qū)域隔離，用以控制以輻射場(chǎng)或感應(yīng)場(chǎng)形式出現(xiàn)的干擾信號(hào)在兩個(gè)區(qū)域之間進(jìn)行感應(yīng)或傳播。

接地：通過收發(fā)信機(jī)機(jī)殼與大地相連，可以使由于靜電感應(yīng)而在機(jī)殼上積累的大量電荷通過大地泄放，否則這些電荷形成的高壓，可能引起內(nèi)部火花放電造成干擾。

濾波：濾波是抑制干擾的常用方法。為了抑制輻射干擾，常在干擾源的入口或出口進(jìn)行濾波；為了抑制共址干擾，我們?cè)诠仓饭ぷ鞯氖瞻l(fā)信機(jī)之間也可以設(shè)置共址濾波器，共址濾波器通常是串接在電臺(tái)收發(fā)信機(jī)與天線之間的。在接收模式下作為預(yù)選濾波器，在發(fā)射模式下作為后端噪聲抑制濾波器。

5 結(jié)語(yǔ)

在車載通信系統(tǒng)總體電磁兼容性設(shè)計(jì)中，為了在有限的空間最大限度地裝備各種電子設(shè)備和武器系統(tǒng)以及通訊、導(dǎo)航和雷達(dá)等天線，提高通信車適應(yīng)性，保證各種天線間產(chǎn)生最小的相互耦合，保證各設(shè)備間不相互產(chǎn)生干擾，能兼容地工作，必須解決共址干擾帶來的影響。本文通過對(duì)車載通信系統(tǒng)共址干擾分析建模，提出了一些解決措施，具有一定的工程指導(dǎo)意義。