跳频通信电台共址干扰及其抑制技术

王伟勤

(中国西南电子技术研究所,成都 610036)

1 引 言

现代军事战术指挥和控制越来越依赖于无线通信技术的发展,在飞机、舰船或战车等同一平台上往往配置有多种通信系统,包括HF、VHF、UHF以及卫星通信等多个频段的通信设备,并且同一频段的通信设备可能也有好几套。美军的几种在役大型通信平台如E-2C、E-3A、E-3B、E-8A 等预警机,机载战场指挥控制中心(ABCCC)以及水陆两栖远征战车(EFV)等[1],有些平台装备的电台达20套以上。多部通信电台近距离同时工作时将出现严重的共址干扰问题,对战术无线电通信带来极大的不利影响,造成通信质量严重下降甚至通信联络完全中断。

2 共址干扰的形成

共址干扰主要由通信电台天线的辐射干扰引起。由于平台内通信电台繁多,空间有限,通信电台的天线布置非常密集,例如,在EFV的车顶布置有8根VHF电台天线和1根HF电台天线,如图1[2]所示。

图1 美军远征战车(EFV)天线布局Fig.1 Antenna layout of EFV

当一个电台处于接收,同时有一个电台发射时,对接收机主要从以下几个方面形成影响。

(1)基频干扰

接收机和发射机的收发电平相差较大,假如,发射机的发射电平为50 W(47dBm),接收机的灵敏度通常小于-100dBm,两者相差近150dB,而收发天线间的隔离度有限(对于车载平台一般只有10～25dB),如果收发频率相同或接近时,则如此大的信号进入接收机,超过接收机的动态范围,极易造成接收机信道阻塞,导致无线通信的彻底瘫痪。即使收发频率不同,也可能因强干扰信号的存在,由于接收机前端的非线性,从而造成接收机对有用信号的增益下降,即减敏现象。

(2)谐波干扰

除发射机的基波会对接收机造成干扰外,如果发射机的谐波与接收机频率相近,也会对接收机形成干扰。谐波干扰不仅发生在同一个频段的通信电台间,对不同频段的电台间也可能发生,比如HF电台的谐波干扰VHF电台,VHF电台的谐波干扰UHF电台。

(3)宽带噪声

发射机不仅发射基频和谐波信号,还有带外射频能量(即宽带噪声)的发射,发射机的噪声增大了共址接收机的背景噪声,可能降低接收机的性能。

如果在一个电台接收的同时有两个或两个以上的电台发射,则情况就变得更复杂一些,除前面的几种干扰情况外,还有以下干扰的发生。

(1)互调干扰

发射机和接收机都可能产生互调。

当一台发射机的发射信号通过天线耦合到另一台发射机内时,由于发射机末级变频器、功放等的非线性,可能会形成其它频率的发射,即互调。互调频率fs可以表示为

式中,f1和f2为两个发射机的发射频率,m和n是整数。互调干扰中通常三阶互调最为严重。

对于接收机来说,当两个发射强信号同时进入接收机前端时,由于放大器、混频器的非线性,接收机也可能产生互调产物,互调频率同式(1)。

(2)交调干扰

对于接收机来说,当两个发射信号同时进入接收机前端时,不仅可能产生互调,还可能产生无用信号对有用载波的调制,即交调。

3 共址干扰对跳频通信的影响

3.1 误码率的增大

共址干扰的影响可以从很多方面来体现。其中最明显的是共址干扰使得电台系统的性能降级,也就是SINAD降低了,从而增大了误码率(BER)。

因电台发射信号都占有一定的射频带宽,某超短波电台的典型发射频谱见图2,其发射功率为50 W(47dBm),如果接收机的有用信号电平为-92dBm,那么它们之间相差139dB,考虑收发天线间的隔离度为20dB,则收发还需要119dB的隔离才不影响接收机的正常接收[3]。从图2可以看出,达到这119dB的隔离,要求收发频率间必须有2×0.9MHz的频率间隔。

图2 VHF电台的发射频谱Fig.2 Transmitting signal spectrum of a VHF radio

如果同一个平台中,有两个都在30～50MHz的跳频网工作,它们使用不同跳频图案,但跳频频率在该频段内均匀随机出现,那么两个跳频网发生频率碰撞的概率Pc=2×0.9/(50-30)=0.09;如果在该频段有多个跳频网同时工作,则频率碰撞概率用下式计算:

式中,n为平台中同时工作的跳频网数量,Pc为有2个跳频网同时工作时的碰撞概率,PC为有n个跳频网同时工作时的碰撞概率。

从式(2)可以计算得到:有3个共址跳频网同时工作时的碰撞概率PC为0.17,有4个共址跳频网同时工作时的碰撞概率PC为0.27。如果选择在30～88MHz全频段跳频,则碰撞概率将会减小,如图3所示。

图3 共址跳频碰撞概率Fig.3 Probability of a hit occuring in cosite FH

当跳频网发射频率碰撞时,如果一个处于发射,另一个处于接收,那么接收电台就可能出现传输数据误码。如果碰撞概率较大,则误码率肯定也就随之增大,数字通信中一般将10%的误码率认为是话音可懂度的门限。在有多个共址发射机同时工作时,特别是如果它们都在某一小段频率跳频时,对通信话音的影响是非常大的。

3.2 通信距离的减少

在工程上,我们常用减敏度来衡量共址干扰的影响程度。共址减敏度是这样定义的:为达到同样系统性能,接收机在有干扰时要求的接收信号电平(RSL)相比没有干扰时的接收信号电平的增量。例如,给定要求(10%)的误码率,在没有干扰时需要接收信号电平 P0,有干扰情况下需要接收信号电平P1,那么共址干扰的减敏度D(单位dB)将是:

但是,发射机的发射功率是一定的,在不能增大发射机功率的情况下,接收机出现了减敏,表现出来的直接影响则是实际通信距离的下降。

由于接收机的接收灵敏度是一定的,在发射机已知发射功率情况下,其通信距离决定于通信的最大路径损耗,因此,D可以等效为LP1-LP0。

通信的最大路径损耗通常是一个与地形、环境相关的模型函数,所有这些传输模型预测的结果都将界于一个上下界之间。

传输损耗的下界是由自由空间传输模型定义的,其与距离的平方(R2)成正比,因此,对于某一减敏度D,通信距离减小值可由下式得到:

传输损耗的上界是由地面传输模型定义的,其与距离的四次方(R4)成正比。因此,对于某一减敏度,通信距离减小值可由下式得到:

图4所示的是由这两种传输模型得出的通信距离减少量(用百分比表示)的比较,实际的减少量应在这两条曲线之间。由图可知,对于6dB的减敏度,通信距离将减小到无干扰情况下的50%～70%。这种方法并没有得出具体的距离,但是给出了距离减小量的预计值。如果要得出一个通信距离的绝对数值,就必须用近似传输模型计算出实际的路径损耗。

图4 减敏度与通信距离的关系Fig.4 Relative range degradation due to desensitization

据统计发现,一台共址发射机的发射将减小接收机50%的通信距离,两台共址发射机同时发射时通信距离将降低75%,3台共址发射机同时发射时通信距离降低将超过90%,即由30km降低到3km以下[4]。由此可见,共址干扰对无线通信距离的影响非常严重。

4 跳频通信共址干扰抑制技术

4.1 天线布局设计

天线布局设计的目的充分利用平台的空间隔离,通过增大天线间的隔离度来减小收发电台间的干扰。但在平台有限的空间内,天线布局具有较大的局限性,特别是在一些战车系统中,为了保证达到足够的通信距离,天线布置通常考虑在车体最高的一层平台,但是这一层平台空间就更为狭小,一般都只有几平方。例如,在某指挥通信车上,需要布置4根天线,为了达到最大的隔离度,4根天线分别布置在车顶的 4个角上,如图5,相距最远的2、4两根天线间的天线隔离度能达到20～25dB,而相距最近的3、4两根天线间的天线隔离度仅只有10～15dB。对于其它车辆,如果天线再多,布置起来就更难,因此通过天线布局增大天线隔离度的方法有限。

图5 某通信指挥车的天线布局和隔离度Fig.5 Antenna layout and isolation of a C2vehicle

对于机载平台,天线布局设计时还可以利用飞机机身的物理隔离,将天线布置在飞机的机腹、机背及两侧。利用天线的极化方式,分成水平布置和垂直布置等,都可以进一步增大天线间的隔离度。根据经验,大中型飞机机腹和机背天线的隔离度可以达到50dB。

4.2 频率管理技术

在系统电磁兼容设计中,频率管理是非常有效的一种方法,目前,国内外在这方面的研究较多。

(1)分时工作

在系统设计初期对系统各用频设备进行分析,如果可能存在干扰而又无法通过其它方式进行解决时,就可能对相应的设备进行分时工作。此方法较为常用,特别是在一些侦察干扰机中就可能采用此方法,在机上通信电台工作时,干扰发射机不开机工作。

(2)分频工作

它通过实时频率检测、频率资源动态分配等一系列过程进行频率分配。对于使用点频工作的系统,进行频率分配较容易,它通过分配不同的工作频率段、避开谐波、调整通信频率间的间隔等方式进行频率分配。

(3)同步正交跳频

对于跳频通信,如果系统中有几个跳频通信电台,可以采用分段跳频,但此方法减少了每个跳频通信电台的频率使用率,较容易受到敌方的有意干扰。

另外,可以采用同步正交跳频的方式,即几个跳频通信电台都在全频段内进行跳频,但通过设定不同的跳频图案,通过同步控制使每个设备在同一时刻其频率有一定的间隔,从而不会发生碰撞,减少误码的发生。

4.3 跳频滤波技术

在发射机功放后使用带通滤波器可以减少发射机的谐波与杂波发射,从而减小对其它接收机的影响;在接收机前端使用带通滤波器也同样能起到减少干扰的作用。

但由于滤波器的通带较宽,在整个工作频率的信号都能通过,因此对减小共址干扰所起的作用有限,这就需要采用调谐滤波器,让滤波器的通带变窄,仅允许当前工作频率通过,这就能对减少共址干扰起到更好的作用。对于跳频通信,则需要滤波器的调谐频率能够按照通信电台相同的跳频图案快速地改变,从而降低带外干扰。

跳频滤波器按照实现方案可以分为单元组合式滤波器组、使用可变参数器件式滤波器、数字式滤波器、数字调谐式滤波器等几种[5]。

4.4 共用天线射频分配技术

在平台上天线众多,在很难增大天线间隔离度的情况下,可以通过共用天线,即使多个同频段甚至不同频段的通信设备共用一个接收天线和一个发射天线,如图6[4],以减少平台中的天线数量,从而增加天线间的隔离度。

图6 共用天线射频分配示意图Fig.6 RF distribution of co-antenna

共用天线射频分配技术是跳频滤波器的进一步发展,其关键是采用滤波器组将多个波形分离成不同的频率以克服传统射频分配系统中的互调问题。

4.5 自适应干扰对消技术

共址干扰由于干扰发射机和被干扰接收机处于同一平台,并且在某一时刻,其干扰频率均是具有一定中心频率的窄带信号,因此可以很方便地从发射机中取得干扰信号的信息。

干扰对消即是在发射端耦合取样,通过矢量调制器调整信号的幅度和相位,使其与接收天线收到的干扰信号等幅反相,将落入接收机端口的强干扰信号抵消,在不降低频谱资源利用率的情况下,抑制共址收发天线间的耦合干扰(可达到60～80dB[6]),如图7,使其不至于干扰该接收机在其工作频率的正常接收。如果平台中有多个共址发射机和接收机,则采用多路干扰对消的方式实现。图8是一个8路干扰对消系统的原理框图及实物[7]。

图7 干扰对消器原理图及效果Fig.7 Schematic diagram of interference canceller and its effect

图8 8路干扰对消器系统Fig.8 An 8-channel canceller

5 结束语

本文通过分析跳频通信电台共址干扰的形成以及共址干扰对跳频通信的影响,提出了解决跳频通信共址干扰的技术措施。这些措施结合使用,可以很好地解决机载平台或车载平台配置多部跳频电台时的共址干扰电磁兼容问题。

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