一种电磁环境量化分析方法

王月清 王 健 王 凡 张秀强,4 李 争 刘亚南

(1.海军电磁频谱管理中心，北京 102613；2.中国电波传播研究所，山东 青岛 266107；3.电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，河南 洛阳 471003；4.北京航空航天大学电子信息工程学院，北京 100083)

引 言

随着国民经济的迅猛发展和信息化建设的快速推进，无线通信技术的发展日新月异，用频系统数以亿计.用频系统的激增和电磁频谱资源的泛用造成电磁环境空前复杂，电磁威胁日趋严重，如何客观量化评估电磁环境复杂程度和分析其对用频系统的影响成为当前电磁兼容和电磁频谱管理领域内亟待解决的基础理论问题.

复杂电磁环境特征主要表现在：1)辐射源数量多、密度高：电子信息装备体制复杂、数量大、种类多，来自海、陆、空、天多种平台的电磁信号交织作用在同一区域，构成了交叉重叠的电磁环境.随着电子设备的发展和广泛应用，电磁环境密度正变得越来越高.如雷达信号，20世纪70年代密度是每秒4万个脉冲，20世纪80年代是每秒100万个脉冲，20世纪90年代至今是每秒100～200万个脉冲，到2010年超过每秒200万个脉冲.2)辐射信号形式复杂、技术体制新：目前雷达、通信装备广泛采用了各种复杂的信号调制样式，有频率捷变、频率分集、重频参差、重频抖动、重频编码、脉冲压缩、脉内调频调相、相位编码、连续波以及多种复合调制等等.同时各种新技术体制的装备，如相控阵、脉冲多普勒、合成孔径、逆合成孔径、低截获、多基地雷达，跳扩频通信设备等得到了广泛的应用.3)电磁频谱范围广：电磁频谱已经成为一种重要的战略资源.用频设备所利用的频谱几乎占据了整个电磁频谱，包括从极长波、甚长波、长波、中波、短波、米波、微波、毫米波到红外和紫外的几乎所有电磁频谱.

近年来，美英等国家提出了相关标准和指南性文件，为电磁环境特性分析和电磁环境效应研究提供了基础[1-3].国内不少学者对电磁环境复杂度评估技术进行了研究，普遍将电磁环境能量大小[4-5]、以及存在的信号类型与样式的多少[6-9]作为一项反映电磁环境复杂程度的指标.但针对不同性能的接收设备，环境中信号的极化方式、调制方式对其所处电磁环境的复杂程度同样有着重要的影响.迄今为止，针对上述因素与电磁环境复杂度的映射关系及其如何利用其进行电磁环境定量分析还鲜有研究.因此，本文在复杂电磁环境因子定义及内涵诠释的基础上，给出电磁环境复杂程度量化评估的一种方法，目的在于深化对复杂电磁环境的认识，为深入复杂电磁环境的量化研究提供了理论借鉴.

1 描述方法

复杂电磁环境是指对用频设备运用和行动产生一定影响的电磁环境，该环境可通过时域、频域、空域、能域、极化域、调制域表征.在此，将复杂电磁环境因子定义如下

(1)

有用信号接收因子可表示如下

(2)

综上，对处于电磁环境E中接收机接收到的环境复杂度因子可表示为

(3)

(4)

(5)

2 数据仿真

电磁环境中能量的高低、天线性能的优劣对环境复杂度的影响是显而易见的，且易于量化.所以，在此重点讨论极化因子和调制因子：通过定量分析不同极化方式、调制方式的信号间彼此的相关度，确定了极化因子、调制因子的量化数值，有针对性地开展了典型极化方式、调制方式的信号相关性的量化分析和探索性研究.

2.1 极化因子量化与仿真

极化是描述电磁波矢量空间指向的一个辐射特性，通常以电场矢量的空间指向作为电磁波的极化方向.由于有用信号接收天线的极化与环境信号的极化不匹配时，会带来一定接收功率损耗，通常称为极化失配.在此，定义极化因子为

(6)

将环境信号和接收天线的极化方式统一表示为椭圆极化及其特例形式(线极化其椭圆率为0，圆极化其椭圆率为1)，则任意极化的环境信号在接收天线端的极化失配因子可表示为[10-11]

(7)

图1给出典型情况下的极化因子随极化椭圆长轴之间的夹角的关系.

图1 典型情况下的极化因子

接收天线环境信号垂直极化水平极化圆极化(左旋)圆极化(右旋)垂直极化1.00.00.50.5水平极化0.01.00.50.5圆极化(左旋)0.50.510圆极化(右旋)0.50.501

由式(7)及图1分析可知：

1) 当接收天线与环境信号极化方式同为线极化，且同为水平或垂直时，极化匹配，接收功率损耗为零，极化因子最大，为1；

2) 当接收天线与环境信号的极化一为水平一为垂直时，接收功率损耗最大，极化因子最小，为0；

3) 当收发天线均为圆极化时且旋向相同时无接收功率损耗，极化因子最大，为1；

4) 当收发天线均为圆极化时且旋向相反时接收功率损耗最大，极化因子最小，为0；

5) 利用线极化天线接收圆极化的环境信号时，可得来波信号总能量的1/2，此时，极化因子为0.5；

(6) 当接收天线与环境信号的极化存在一定夹角时，可得全能量的cos2θ倍，此时极化因子为cos2θ.

2.2 调制因子量化与仿真

对于同一有用信号，环境信号不同调制方式通常可带来不同的干扰效果.在此，以有用信号和环境信号等幅情况作为标称值，不同调制方式的环境信号在接收端会产生不同信干比[12]，以数字信号为例，进而产生不同的误码特性，其中MASK、MFSK和MFSK的误码率可分别表示为[13]

(8)

(9)

(10)

式中:M为调制指数,取值为2，4，8，16，32，…；rb为接收的比特信噪比，dB；m和函数Q(x)可由式(11)和式(12)计算得到

m=log2M；

(11)

(12)

在此，直接将调制因子定义在不同环境信号下有用信号的接收误码率，即

(13)

由理论分析可知，在理想传播条件下，误码特性与载频是无关的.在此，令有用信号和环境信号基带信号的载波频率均为20 kHz，采样频率为60 kHz，信号长度100的随机码.为不失一般性，取1 000个分析样本，计算其平均结果.

表2给出了码速率为12 000波特(B)时，不同调制方式间的典型调制因子表.

从表2可以看出：

1) 调制方式相同的环境信号和有用信号相互间的影响普遍较大，这是因为相同类型的信号使用相同的域(幅度域、频率域、相位域)传递信息，因而相互间容易产生干扰，互相影响；

表2 典型调制因子表

2) MASK型环境信号对MFSK型有用信号的影响大于MFSK型环境信号对MASK型有用信号的影响.这是因为MFSK信号为恒包络信号，而MASK信号频谱的频率则有一定的变化量.因而MASK信号对利用频域传递信息的MFSK信号的影响大于MFSK信号对利用幅度域传递信息的MASK信号的影响；

3) MFSK型环境信号对MPSK型有用信号的影响要大于MPSK型环境信号对MFSK型有用信号的影响.这是因为MFSK信号通过频率信息传递信号，MPSK信号通过相位信息传递信号，频率的积分即为相位，所以MFSK信号对MPSK信号的影响很大；相比较而言，MPSK信号的若干个变化的相位信息对MFSK信号的影响有限；

4) MPSK型环境信号对MASK型有用信号的影响要大于MASK型环境信号对MPSK有用信号的影响.由于MPSK信号因为脉冲成形的原因幅度会产生变化，因而，MPSK型信号对利用幅度域传递信息的MASK信号的影响大于MASK信号对MPSK信号的影响；

5) 随着环境信号进制的增加，MASK信号对有用信号的影响呈单调下降趋势，MFSK对有用信号的影响呈单调上升趋势，MPSK信号对MASK型有用信号的影响为非单调变化，对MFSK型有用信号的影响呈单调上升趋势，对MPSK型有用信号的影响总体呈下降趋势，且在进制较大时，趋势不明显；

6) 随着有用信号进制的增加，环境信号对其造成的影响普遍增大.可见在相同的环境信号下，高进制调制方式信号更易受影响.

图2给出码速率与调制因子的关系图.在仿真计算中各参数设定为：信号的载频和采样频率分别为20 kHz、60 kHz，信号长度100的随机码，码速率的取值为1 200 B、2 000 B、3 000 B、6 000 B、7 500 B、12 000 B、20 000 B，由此可知在上述采用频率和码速率前提下，一个码元的采样点为50、30、20、10、8、5、3.

由图2可以看出：

1) 信号码速率较低时，调制因子基本不变；随着码速率的持续增大，调制因子变化量增大；

2) 如图2(b)所示，随着码速率的增加，MFSK信号与2ASK信号的调制因子基本保持不变；当码元采样点小于20(码速率超过3 000 B)时，MFSK信号与4ASK、8ASK信号的调制因子明显增大；

3) 如图2(d)所示，码元采样点大于5(码速率不超过12 000B)时，MASK信号与2FSK信号的调制因子基本保持不变，当超过此码速率后，调制因子开始增大；当码元采样点小于10(码速率超过6000B)时，MFSK信号与4ASK、8ASK信号的调制因子明显增大；

4) 如图2(f)所示，码元采样点大于5(码速率不超过6 000 B)时， MPSK信号与2FSK信号的调制因子基本保持不变，当超过此码速率后，调制因子总体变化趋势增大，当码速率超过12 000 B时，8PFK信号与2FSK信号的调制因子减小；当码元采样点数小于20(码速率超过2 000 B)时， MFSK信号与4ASK、8ASK信号的调制因子明显增大；

5) 如图2(h)所示，当码元采样点数大于20(码速率不超过3 000 B)时，MFSK信号与MPSK信号的调制因子基本保持不变，当超过此码速率后，调制因子逐渐增大；

6) 如图2(a)(c)(e)(g)(h)(i)所示，除MASK-MFSK、MFSK-MASK、MFSK-MPSK、MPSK-MFSK信号对外，调制因子随着码速率的变化较小.

图2 不同码速率时的误码率仿真结果比较

3 结 论

为了更精确地表征复杂电磁环境，使复杂电磁环境评估结果更准确，本文分析了极化方式、调制方式对电磁环境复杂程度的影响，仿真了其影响程度.该项研究具有可操作性，为深化对复杂电磁环境的认识和深入研究复杂电磁环境量化分析和评估方法提供了有益理论依据和仿真结果.

本文的研究仅考虑了单信号的极化方式、调制方式对环境的影响，实际中的空间存在多个极化、调制的信号.因此，下一步探索可由多极化、多调制复合信号入手，深入研究电磁环境复杂度量化分析方法和评估手段.

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