复杂环境下的无线通信干扰

复杂环境下的无线通信干扰

在现代信息战场上，军事指挥权、武器自动化控制和作战单位网络依靠无线通信来执行信息传输，这使得无线通信在战争中的作用变得越来越重要。由于战时复杂电磁环境将对无线通信产生严重的干扰,那么密集、复杂、多变的电磁环境对无线通信产生的干扰是否可控、可减少、甚至可避免呢?对此应在了解复杂电磁环境基本情况的基础上,通过研究复杂电磁环境对无线通信的干扰,包括干扰种类、干扰方式、干扰强度等方面逐步解决。1电磁环境在空间和能量域上的分布电磁环境是某一特定空间范围内存在的所有无线电波在频率、功率和时间上的总分布,是特定时间和空间内所有电磁能量的总和,可用电磁场强分布表示。而复杂电磁环境特指在一定空间范围内,由空间域、时间域、频率域上分布数量繁多、样式复杂、密集重叠、动态交迭的电磁能量所构成的电磁环境。在空域上,各种电磁辐射密集交织,分布情况各不相同,并且受电波传播条件的影响,电磁环境的空间分布十分复杂;在时域上电磁辐射随时间而变化,具有强烈的动态性和流动性;在频域上,电磁辐射所占用的频谱不断拓宽,信道越来越拥挤,相互干扰增加,频谱管理十分复杂;在能量域上,电磁环境中的电磁能量不断增加。因此,电磁波在空域上的纵横交错、在时域上的流动多变、在频域上的密集交叠、在能量域上的不断增加,是复杂电磁环境的基本特点。2部队无线通信干扰的研究由于战时复杂电磁环境中电磁波数量繁多、样式复杂、密集重叠、动态交迭,因此对装甲部队无线通信产生的干扰也呈现出多样性。为使对这些干扰的研究具有科学性及系统性,下面主要从干扰信号的频率、调制方式、强度等几个方面进行分析。又由于装甲部队无线通信网主要工作在短波和超短波波段,所以主要针对短波和超短波电台工作模式进行分析。2.1信号的形成:有多种频率成分所对应的信号由于复杂电磁环境的影响,无线信号在空间传播过程中会混入大量干扰信号,收信端接收信号为各种合成信号,这些信号既有有用信号成分,又有其它频率成分。其中的非有用成分,有的与信号频率相同,会直接干扰信号;有的虽然与信号频率相差较远,但如果能够通过高频选择回路加到高放或变频器,在高放管和变频管的非线性作用下相互组合而进入收信机的中频通道,也会形成干扰,这些干扰主要有以下几种。(1)信号和单炮的信号干扰当复杂电磁环境中干扰信号的载频(中心频率)与有用信号频率重合,或干扰信号和有用信号的频谱宽度相同时,会对无线通信产生干扰。当干扰信号与有用信号频率重合的准确度较差,即干扰信号频谱与有用信号频谱没有完全重合,干扰频谱全部或绝大部分通过收信机的频率选择回路,也能形成一定程度的干扰。(2)组合干扰的定义复杂电磁环境中的干扰信号与收信机本振同时,作用于前端非线性电路,会产生这两者的任意次谐波的组合频率。一旦组合频率落入中频通道,就会形成对收信机的干扰,这种干扰称为组合干扰。式(1)是形成组合干扰的条件。f−B2≤|±mf1±nfL|≤fi+B2(1)f-B2≤|±mf1±nfL|≤fi+B2(1)式中,m,n为任意正整数,f1为干扰频率,fL为收信机本振频率,fi为收信机中频频率,B为收信机中频通道带宽。(3)组合频率的干扰复杂电磁环境下两个或多个电台干扰同时作用于收信机的输入端,由于前端电路的非线性作用,产生这些频率间的组合频率。若其中某些组合频率等于或接近于有用信号频率,就会对收信机形成干扰。例如有两个干扰,其频率分别为f1和f2,即使这两个干扰远离收信机调谐的信号频率fs,但只要进入高放管的非线性区,那么在高放级的输出电流中就会有这两个干扰频率的组合频率分量,即频率为|±mf1±nf2|≈fs|±mf1±nf2|≈fs。这些组合频率分量将与信号一起通过收信机后面的中频通道形成干扰。(4)邻近波道干扰复杂电磁环境下如果频率分配不合理,相邻电台频率相距较近,收信机的高频滤波器和中频滤波器不能将其滤除,就会加到检波器上而形成对信号的干扰。这种干扰称为邻近波道干扰。在装甲部队无线通信中,复杂电磁环境下对频率产生的干扰还有其它情况,这里只是分析了比较典型的几种。2.2基于信号调制方式的信号调解系统在装甲部队无线通信网中通信设备以短波和超短波电台为主,其信号调制方式主要采用单边带调幅(SSB)、调频(FM)和相移键控(2PSK)。下面针对常见信号样式进行分析。2.2.1ssb信号的稳定性对于一般的模拟调制信号,载频都在信号的频谱中心,用载频差就可以反映干扰与信号在频域上的重合程度。而对于SSB信号就不是这样了,一个上边带信号,如图1(a)所示,它的载频低于信号的所有频率分量,由于SSB信号抑制了载频,这个载频在实际中是不存在的。对SSB信号的干扰分析分两种情况,一种是对准载频的干扰,另一种是对准信号频谱中心的干扰。(1)fpga噪声调制干扰选择干扰的调制信号带宽等于信号的调制信号带宽,若干扰的调制信号为噪声,并设它在带内有均匀的频谱。AM噪声调制干扰的频谱,如图1(b)所示。由于接收机边带滤波器的作用,AM噪声调制干扰的下边带及载波被抑制,可见AM调制干扰信号对SSB通信干扰的效率很低,大部分干扰能量被抑制。FM噪声调制干扰,如图1(c)所示。设FM干扰信号的频谱在带内是均匀的,则接收机边带滤波器将至少滤除一半的干扰分量,接收机输出干信比为输入干信比的一半。SSB调制干扰信号干扰SSB信号,SSB调制干扰信号,如图1(d)所示。当用SSB干扰信号干扰SSB信号时,干扰信号的边带与被干扰信号的边带相同,由图可以看出,采用SSB干扰与FM干扰在干扰效果上类似。(2)上、能力干扰对ssb信号的干扰效果不同选用与对准载频的干扰中完全相同的干扰信号样式进行分析,所不同的仅仅是干扰与信号频谱对准的位置不同,即用干扰的频谱中心对准信号的频谱中心,如图2所示。采用AM调制干扰将有别于对准载频时的情况,此时载波通过接收机的边带滤波器,由于AM信号中载波携带能量较大,所以AM调制干扰对准被干扰的SSB信号频谱中心的干扰效果要比对准载频好。采用FM干扰时,由于干扰信号的频谱在带内是均匀的,如图2所示,通过接收机边带滤波器的干扰分量与对准载频时的相差较小,所以对准频谱中心与对准载频时的干扰效果基本相同。对于SSB干扰来说,对准频谱中心的干扰应使干扰与信号频谱完全重合。因此其与对准载频的SSB干扰效果完全相同。在这种情况下,干扰时为上边带还是下边带就无关紧要了。综上所述,噪声调频干扰和单边带调幅干扰对SSB信号的影响较大,在电台组网中应考虑这些干扰影响。2.2.2fm信号频谱为分析问题简便,设FM通信信号为单频调制信号,从频谱的角度分析FM信号受到单频正弦干扰和调频波干扰的情况。FM信号频谱,如图3所示,FM信号频谱由载波分量和无限多对上下旁频分量之和表示。这些旁频分量是和载波分量的频率相差n倍的调制信号频率,n为任意正整数。从频谱上分析当干扰信号载频与FM信号载频相接近时,在接收机端,信号与干扰叠加通过带通滤波器,两种干扰都会对FM信号产生影响,但由图3可见,噪声调频干扰的影响要比单频正弦干扰大些。2.2.3本地参考滤波器的干扰由于2PSK信号解调需要一个与信号载波相同的本地参考载波,实现技术难度较大,所以实际中应用较多的是2DPSK信号,干扰选择正弦波和相移键控信号进行分析。(1)信号相位变化的影响干扰仍选择单频正弦干扰,且干扰与信号的载频差为零,干扰的相位在整个干扰作用过程中相对固定。当信号发“0”码时,信号前后码元相位差为0,此时干扰与信号都没有相位变化,它们合成波的相位也没有变化。所以无论干扰大小,当信号为0码时,不会出现错误接收,误码率为0。当信号发“1”码时,信号前后码元相位差为π。由于信号相位发生了变化,所以合成波的相位一般要发生变化,相位变化的大小取决于干扰与信号幅度的大小。通过计算可知若2DPSK信号1,0码等概率出现,则总的误码率为Pe=1/2P(1/0)+1/2P(0/1)={01/2Uj≤USUj＞US(2)Ρe=1/2Ρ(1/0)+1/2Ρ(0/1)={0Uj≤US1/2Uj＞US(2)通过以上分析可知,只有当前后码元中信号与干扰的相位差发生改变,且干扰幅度大于信号时,才出现错误接收。(2)干扰2dpsk信号时的误码率与正弦干扰不同,若采用相移键控(2PSK或2DPSK)干扰,当信号发0码时,可能会因干扰反相跳变而引起错码。而当信号发1码时,有可能由于干扰也发1码反相跳变而不发生错码。所以,采用相移键控干扰2DPSK信号时,只有当干扰与信号不同时为1码或0码,并且干扰幅度大于信号时才出现错误接收。若当信号及干扰的1,0码出现概率相等,且干扰与信号中只有一个码元反相时,误码率如式(3)所示。Pe={0PS(0)Pj(1)P(1/0)+PS(1)Pj(0)P(0/1)={012Uj≤USUj＞US(3)Ρe={0ΡS(0)Ρj(1)Ρ(1/0)+ΡS(1)Ρj(0)Ρ(0/1)={0Uj≤US12Uj＞US(3)比较式(2)和式(3)可知,采用1,0码等概率的相移键控干扰2DPSK信号与采用正弦波干扰2DPSK信号的干扰效果相同。2.3干扰设备的状态无线通信质量的优劣与发射机的发射功率和接收机的灵敏度有着密切关系。复杂电磁环境中的干扰信号要有足够大的功率,才能真正对接收机的接收信号造成影响。当电台发射机的功率、干扰设备与通信系统的相对位置一定时,根据通信干扰方程,如式(4)所示。PjE≥KPsEGrsLsrGrjLjr(4)ΡjE≥ΚΡsEGrsLsrGrjLjr(4)其中,PjE和PsE分别为干扰和信号发射机的有效功率,K为压制系数,Lsr与Ljr是信号和干扰到达接收机的距离函数,它与电波传播条件有关,称为线路衰减;Gsr,Grs,Gjr和Grj为各天线增益。干扰强度随着PjE的增加而增强,当增加到一定程度使接收系统发生“门限效应”时,无论何种样式的干扰都会对接收机产生严重影响。3干扰的原因分析虽然复杂电磁环境对装甲机械化部队无线通信的干扰如同环境本身一样,是密集、复杂、多变的,但通过分析产生干扰的因果关系,综合各种因素、采取有效措施,干扰也是可控、可减少的。但这将涉及到建制、机构、技术等,这里仅就抗干扰技术方面谈几点建议。(1)基于有频率的频率监测系统结合战场频谱监测系统,采用认知无线电技术进行广域自适应的频谱接入和动态频率选择。在战场电磁环境极其复杂、电磁频谱资源相对有限的作战条件下,采用这种技术在已指配的频段内实时监测存在的空闲频段,一旦发现可用频段,将动态的产生合适的信号波形,当探测到主要用户用频需求时,自适应的信号传播将停止。该技术不仅能够提高频谱的再利用率,而且在无线系统开设时间有限、难以实现频谱协调使用的情况下,可用于应急和猝发通信。(2)全局最优化算法频率指配和复用方法引入科学算法,如遗传算法、模拟退火算法、禁忌搜索算法等全局最优化算法,实时动态地考虑时域、频域、空域,全方位的指配和复用,保证用频方案一直处于最优化。(3)发送设备的性能