车载通信系统电磁干扰余量评估

万健鹏，路宏敏，刘国华，李 敏

(西安电子科技大学 电子工程学院,陕西 西安 710071)

现代地面车载通信系统上装备了大量成套的电子电气设备，这些设备与系统为地面车辆提供了通讯、指挥、导航、预警、跟踪、武器系统控制和数据分析处理的能力。大量设备在车辆内部形成了一个复杂的电磁场环境，这种电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)环境会导致许多电磁兼容(Electromagnetic Compatibility，EMC)问题[1-5]，例如通信距离缩短以及通信质量下降。此时，系统间的电磁兼容性问题就变得尤为突出。

针对车载通信系统间的电磁兼容问题，采用传统的四级筛选方法进行电磁干扰余量评估，会出现评估模型不适用的情况，评估结果无法反应通信系统降级程度[6]。因此，有必要对传统的四级筛选法方法进行改进，对车载通信系统进行更为精确、高效、全面的电磁干扰余量评估。

1 系统电磁兼容原理

电磁兼容三要素[7]包括电磁干扰源、干扰传播路径和敏感设备。如图1所示，通过比较干扰源耦合到敏感设备处的有效干扰功率和敏感设备的灵敏度，可以得到敏感设备的受扰程度[8]，据此建立的干扰余量(Interference Margin，IM)计算模型[9]为

图1 电磁兼容三要素Figure 1. Three elements of EMC

IM(f,t)=PE(f,t)-S(f)

(1)

式中，IM(f,t)为敏感设备受到的干扰余量，单位为dB；PE(f,t)为干扰源耦合到敏感设备射频端口的有效干扰功率，单位为dBm；S(f)为敏感设备的灵敏度，单位为dBm。

2 超短波接收机减敏模型

接收机的灵敏度表示接收机可解调的最小信号强度，同噪声系数、带宽和温度有关。接收机灵敏度[10]计算式为

Sref=kT+10logB+SNR+NF

(2)

式中，Sref代表灵敏度，单位dBm；k是玻尔兹曼常数，大小为1.38×10-23J·K-1；T是热力学温度，单位为K；B代表接收机工作带宽，单位为Hz；SNR(Signal to Noise Ratio)代表输出信噪比，单位为dB；NF代表噪声系数，单位为dB。

超短波接收机前端系统如图2所示。50 Ω系统天线端口干扰电平与干扰功率的关系按式(3)进行换算。

图2 超短波接收机前端系统框图Figure 2. Block diagram of VHF receiver front end system

I=V-107

(3)

式中，V为接收机天线端口干扰电平，单位为dBuV；I为接收机前端干扰功率，单位为dBm。

接收机减敏机理[11]如图3所示，当接收机的输入端有一个或多个与基频邻近的干扰信号时，干扰信号会在接收机射频前端的混频器与本振信号发生倒易混频，造成接收机底噪的抬升[12]，导致接收机输出信噪比降低。当收到强干扰信号后，接收机会产生非线性效应，此时干扰信号会让接收机前端的小信号放大器的噪声系数增加。根据噪声系数级联公式可知，接收机整体的噪声系数增加将导致接收机灵敏度下降。受扰后接收机的灵敏度计算式为

图3 灵敏度下降过程Figure 3. The decline process of sensitivity

Snow=Sref+(SNRnow-SNRref)+(NFnow-NFref)

(4)

式中，Snow为接收机受扰后灵敏度；Sref为未受扰时接收机灵敏度；SNRnow为受扰后输出信噪比； SNRref为无干扰时输出信噪比；NFnow为受扰后的噪声系数；NFref为无干扰时的噪声系数；Imax为干扰信号峰值功率；Isat为接收机灵敏度下降6 dB的干扰信号峰值功率。

预测灵敏度与实测数据的误差计算式为

erro=|Snow-Smea|

(5)

式中，Smea为超短波接收机实测灵敏度。

将模型预测的灵敏度与实测数据对比，误差结果如图4所示。在所测的62个频点中，71%的频点预测灵敏度误差在3 dB以内。该减敏模型能通过天线端口干扰信号峰值电平有效地预测接收机受扰后的灵敏度。受扰后接收机的减敏量为

图4 预测误差Figure 4. Prediction errors

ΔS=Snow-Sref

(6)

式中，ΔS为减敏量，单位为dB。

3 干扰余量评估方法

对于系统级EMI进行评估时，首先应该确定评估标准。在该模型中，车载通信系统的电磁干扰环境可分为3个等级：IM>0表示系统存在潜在的电磁干扰环境；IM=0表示系统处于临界干扰；IM<0表示系统处于兼容状态。

干扰余量评估流程如图5所示，该模型可用于计算车载通信系统的干扰余量，通过通信距离、信噪比、误码率3个指标对整个车载通信系统的通信性能进行定量评估。

图5 干扰余量评估流程Figure 5. Interference margin assessment process

3.1 工作条件评估

在工作条件评估这一阶段，首先评估车载通信系统中接收机的实际工作条件，包括空间条件和时间条件[13]。空间条件主要反映系统的空间物理特性，例如空间布局和物理距离。时间条件则反映系统的时间物理特性，例如运行时发生冲突的可能性。在该模型中，布局空间是否拥挤，设备之间的物理距离是否有限，设备之间工作时是否会发生冲突，这些都是第一级EMI评估的依据。

如果满足其中任何一个条件，则第一级EMI评估结果为IM>0，说明可能存在潜在的EMI环境，需要进行下一级评估。

3.2 工作频率评估

在工作频率评估这一阶段，主要针对信号频谱中的频率冲突问题进行评估。一般来说，接收机可接收3种类型的电磁干扰：基波干扰、谐波干扰、互调干扰[14]。因此，第二级评估主要针对这些类型的干扰，并据此定义了IM准则方程。通过这些IM准则方程可判断电磁干扰的类型。

基波干扰的IM准则方程为

(7)

式中，fT为发射机工作频率；fR为接收机工作频率；BT为发射机带宽；BR为接收机带宽。

谐波干扰的IM准则方程为

(8)

式中，BnT为发射机的n次谐波带宽。

互调干扰的IM准则方程

(9)

式中，fT1和fT1为两种不同发射机的基波信号频率；BmT1和BnT2为这两种发射机的m次谐波和n次谐波对应的带宽，一般m+n小于5。

第二级评估按上述计算式进行。若满足任何等式，则第二级评估结果为IM>0，说明存在潜在的EMI环境，需要进行第三级评估。

3.3 信号功率评估

在信号功率评估这一阶段，需要计算发射机对接收机造成的干扰量。干扰量是指干扰发射机耦合到接收机上功率的大小[15]，其大小与发射机的发射特性、接收机的接收特性、收发天线间的耦合度、环境噪声[16]等因素都有关。

发射机对接收机的干扰计算模型如图6所示。其中，发射机功率为Pt，接收机收到的功率为Pr，发射机和接收机的馈电网络效率分别为ηt和ηr，发射天线和接收天线间的耦合度为CP。设发射和接收天线的增益分别为Gt和Gr，发射机和接收机到馈电网络的反射系数分别为Γt和Γr。

图6 发射机对接收机的干扰计算模型Figure 6. The calculation model of transmitter to receiver interference

(1)基波干扰的干扰功率为

ηr(1-|Γr|2)

(10)

(2)谐波干扰的干扰功率为

(11)

式中，Δ为谐波抑制量，计算式如下

Δ=algN+b

(12)

式中，N为谐波次数；a和b为常数，根据表1取值。

表1 常数a和b的取值Table 1. The values of the constants a and b

(3)互调干扰的干扰功率为

Pr=2A+B+D-60lg(Δf)

(13)

式中，Δf=0.5×(|f1-f0|+|f2-f0|)；f1和f2为两个干扰信号的频率；f0为谐波频率；A为距离接收机较近的发射机的干扰量；B为距离接收机较远的发射机的干扰量，均按照基波干扰量的计算方法得到；D为互调系数。

在这一阶段，考虑到系统中存在的所有干扰源，在接收机工作带宽内，若干扰信号同频，则接收机的总干扰量为

(14)

式中，P为总干扰量；Pn为第n个干扰类型在接收机端口的干扰量；N为干扰的个数。

若干扰信号频率差小于接收机的工作带宽，需要计算接收机干扰信号的峰值功率。接收机干扰信号的峰值功率计算如下

Pmax=MAX{P1,P2,…,Pn}

(15)

式中，Pmax为接收机端口峰值功率；Pn为第n个干扰类型在接收机端口的干扰量。

将接收机的总干扰功率或峰值干扰功率与接收机灵敏度进行对比，如若干扰功率大于接收机灵敏度，则第三级评估结果为IM>0，说明存在潜在的EMI环境，需要进行下一级评估。

3.4 通信性能评估

在通信性能评估这一阶段，首先通过上一级的干扰信号功率对接收机受扰后的灵敏度进行计算；然后对接收机的通信距离与模拟信号的信噪比或数字信号的误码(Bit Error Rate,BER)率进行评估。

受到干扰后，接收机的灵敏度会降低，为了维持正常可靠通信，工作信号在传播中可容许的最大传播损耗减小，进而导致实际通信距离减小。通信距离与接收机灵敏度[17]的关系为

Pt+Gt+Gr-Lt-Lr-S=Ls

(16)

式中，Pt为发射机功率，单位为dBm；Gt、Gr分别为发射天线、接收天线增益，单位为dB；Lt、Lr分别为发射机和接收机的馈电损耗，单位为dB；S为接收机灵敏度；Ls为传播损耗单位为dB。

根据实际工作环境，选取合适的传播模型，带入传播模型便可算出接收机受扰后的实际通信距离。自由空间与地面模型通信距离减小率与减敏量的关系按式(17)、式(18)计算

Δd1=(1-10-ΔS/20)×100%

(17)

Δd2=(1-10-ΔS/40)×100%

(18)

式中，Δd1是自由空间传播通信距离减小率；Δd2是地面传播通信距离减小率；ΔS是减敏量。

对于模拟信号，信噪比是评价其性能的关键指标。接收机受到干扰时，可以使用信号与干扰加噪声比来衡量信号质量。信噪比计算式为

(19)

式中，SNR为接收机的信噪比；S为有用信号功率；N为噪声功率；I为干扰信号功率。

对于数字信号，误码率是评价其性能的关键指标。对于数字通信系统，误码率可以直接衡量数字通信系统的可靠性。车载通信系统的许多因素都会对信号的误码率产生影响，例如调制类型、信道编码模式、信道模型。

4 实例应用

本文通过一个车载通信系统干扰余量评估的算例来验证本文提出的评估方法的有效性。

已知某作战集群工作在平原环境[18-19]，平原的起伏高度h=1 m。平原环境模型如图7所示，在该平原作战环境下有两辆通信车和一辆干扰车，3辆车均以10 m·s-1的速度运动。通讯车2与干扰车3距离有700 m。通讯车1上装有一部工作电台，即超短波电台VHF1(Very High Frequency，VHF)，VHF1发。通讯车2上装有两部工作电台，即超短波电台VHF2和短波电台HF3，VHF2收，HF3发。干扰车3上装有一部超短波电台VHF4，VHF4发。详细工作参数如表2所示。

图7 平原环境模型Figure 7. Plain environment model

表2 车载发射机和接收机参数Table 2. Parameters of vehicular transmitter and receiver

根据本文提出的电磁兼容性预测方法，对接收机VHF2的受扰情况进行评估。

在第一级，VHF2和HF3工作在在同一辆车辆上，VHF2与VHF4相距较近，3部车载电台均可能同时工作，所以VHF2极有可能被干扰，不满足空间条件和时间条件，电磁兼容评估结果为IM>0，表明系统中存在潜在的电磁干扰环境，需要进行工作频率评估。

在第二级，利用表2中所列的信息，按照式(7)～式(9)对工作频率进行评估。VHF4对VHF2不存在干扰， HF3对VHF2存在三次谐波干扰，电磁兼容评估结果为 IM>0，表明系统中存在潜在的电磁干扰环境，需要进行信号功率评估。

在第三级，对谐波干扰量进行计算。根据文献[18]可知HF3对VHF2的天线耦合度为-35.3 dB。利用表2所列的信息，根据式(11)可计算出谐波干扰量为-105.3 dBm。因只存在谐波干扰，由式(15)可知接收机干扰信号峰值功率为-105.3 dBm，高于接收机灵敏度。通过式(1)计算干扰余量为10.7 dB，电磁兼容评估结果为IM>0，需要进行通信性能评估。

在通信性能评估阶段，已知VHF2电台采用二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)方式通信，无干扰时输出信噪比为12 dB。

由式(4)可计算出接收机受扰后的灵敏度为-108.5 dB。根据的文献[18]平原传输损耗模型，由式(16)计算出接收机此时的实际通信距离为13.58 km。根据式(19)可计算出此时接收机的输出信噪比为7.2 dB。

为了模拟车辆移动或障碍物引起的信号衰减效应，在Simulink中搭建莱斯信道，对BPSK通信系统不同信道编码方式下的误码率进行仿真。在莱斯信道下搭建的模型如图8所示，莱斯信道采用Jakes衰落模型，直射路径多普勒频移设置为1 Hz，莱斯信道K因子为3。

图8 莱斯信道下BPSK通信系统模型Figure 8. BPSK communication system model under Rician channel

由图9可知，BPSK通信系统在莱斯信道下，干扰余量越大，误码率越高。信道编码可以有效降低误码率，改善通信性能。卷积编码和线性编码相较于汉明编码和BCH编码，可以在干扰余量较小的情况下达到较好的通信性能。通过仿真结果可知，干扰余量为10.7 dB时，VHF2电台采用Linear编码时的误码率为6.1×10-3。

图9 莱斯信道下不同编码方式误码率Figure 9.BER of different coding methods under Rician channel

5 与传统评估方法的比较分析

为了验证所提出评估方法的有效性，本文采用文献[18]中的发射系统和接收系统数据进行计算，并与传统评估方法进行对比分析，预测结果如表3所示。

表3 预测结果对比Table 3. Comparison of prediction results

传统的四级筛选法分为快速筛选、幅度筛选、 频率筛选和详细计算与性能分析。传统方法只考虑单个发射机对接收机的影响，逐个计算干扰收-发对的基波干扰余量、发射机干扰余量、接收机干扰余量(Receiver Interference Margin，RIM)、乱真干扰余量(Spurious Interference Margin，SIM)。与传统方法相比，本文的评估方法考虑了多个干扰源同时工作时，对接收机造成干扰量的叠加，通过分析干扰量对接收机灵敏度的影响，在通信性能评估阶段选取了通信距离、信噪比、误码率3个指标对车载通信系统受扰后的性能降级进行了分析。由表3可见，本文提出的方法适用性更广，评估结果更加精确，能够直观地体现出通信系统受扰后性能的变化情况。

6 结束语

本文提出了一种车载通信系统电磁干扰余量评估模型。该模型评估流程依次分为工作条件评估、工作频率评估、信号功率评估、通信性能评估。在对某车载通信系统进行电磁干扰余量评估中，该车接收机前端的干扰信号功率为-105.3 dBm，减敏模型预测灵敏度为-108.5 dBm。此时车载接收机的干扰余量为10.7 dB，受扰后的信噪比为7.2 dB，通信距离减小了45.6%，误码率为6.1×10-3。本文的预测结果贴合实际情况，证明了本文干扰余量评估模型的有效性和全面性，为车载通信系统电磁干扰余量评估提供了参考。