艦艇編隊(duì)電子設(shè)備間干擾仿真分析技術(shù)研究

楊文進(jìn)，李　博，金　虎

(1.駐北京作戰(zhàn)系統(tǒng)軍事代表室，北京100094；2.中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100094；

3.解放軍91404部隊(duì)，秦皇島066001)

艦艇編隊(duì)電子設(shè)備間干擾仿真分析技術(shù)研究

楊文進(jìn)1，李博2，金虎3

(1.駐北京作戰(zhàn)系統(tǒng)軍事代表室，北京100094；2.中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院，北京 100094；

3.解放軍91404部隊(duì)，秦皇島066001)

摘要：針對(duì)艦艇編隊(duì)電子設(shè)備的頻譜沖突問題，分析了確定式分析方法存在的問題，提出了一種基于干擾鏈路仿真的干擾分析技術(shù)，作為確定式干擾分析技術(shù)的補(bǔ)充，提高干擾分析的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：多平臺(tái)；電磁兼容；干擾；仿真分析

Research into The Simulation Analysis Technologies of Interference among

Electronic Equipments of Ship Formation

YANG Wen-jin1，LI Bo2，JIN Hu3

1.Combat System Quality Management Office,Beijing 100094,China;

2.System Engineering Research Institute,Beijing 100094,China;

3.Unit 91404 of PLA,Qinhuangdao 066001,China)

Abstract:Aiming at the problem of spectrum conflict among electronic equipments of ship formation,this paper analyzes the problems existed in the deterministic analysis method,puts forward an interference analyzing technology based on interference link simulation,which is taken as the supplement of deterministic interference analyzing technology to enhance the accuracy of interference analysis.

Key words:multi-platform;electromagnetic compatibility;interference；simulation analysis

0引言

隨著艦載設(shè)備信息化程度越來越高，單平臺(tái)上集成的用頻設(shè)備數(shù)量也越來越多。因此，海上編隊(duì)作戰(zhàn)區(qū)域用頻設(shè)備高度密集，例如美軍一個(gè)航母戰(zhàn)斗編隊(duì)的無線電發(fā)射源超過2 400個(gè)，在艦艇編隊(duì)重要的作戰(zhàn)方向，電磁發(fā)射源數(shù)量會(huì)更高，密度會(huì)更大。而且，目前大量用頻設(shè)備都向超寬帶、多功能方向發(fā)展，致使用頻設(shè)備之間頻譜重疊嚴(yán)重，進(jìn)而產(chǎn)生跨平臺(tái)用頻設(shè)備之間的相互干擾問題，嚴(yán)重影響了編隊(duì)作戰(zhàn)效能。為了對(duì)編隊(duì)內(nèi)用頻設(shè)備進(jìn)行有效的頻譜管理，需通過跨平臺(tái)用頻設(shè)備間的干擾分析，得到用頻設(shè)備間潛在干擾情況。目前，針對(duì)跨平臺(tái)用頻設(shè)備間的干擾分析通常采用的是確定式分析方式，但由于該方式在計(jì)算過程中采用了大量的近似和簡(jiǎn)化處理，使得其難以滿足精細(xì)化的頻譜管理需求。因此，本文通過對(duì)確定式分析方法存在問題的分析，提出了一種基于干擾鏈路仿真的干擾分析技術(shù)，作為確定式干擾分析技術(shù)的補(bǔ)充。

1確定式干擾分析技術(shù)

不同于單平臺(tái)內(nèi)部用頻設(shè)備間的近場(chǎng)干擾，跨平臺(tái)用頻設(shè)備間的干擾需要解決的是遠(yuǎn)場(chǎng)干擾問題[1]。確定式干擾分析技術(shù)針對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)傳播特點(diǎn)，對(duì)用頻設(shè)備以及干擾鏈路均進(jìn)行近似化處理。該方法基于鏈路預(yù)算原則，簡(jiǎn)單高效，適用于定性分析一對(duì)一干擾。分析中通常采用一定的底噪抬升(或稱靈敏度損失)作為評(píng)估準(zhǔn)則確定最大允許的外系統(tǒng)干擾強(qiáng)度，從而獲得兩系統(tǒng)間隔離度[2]。確定性分析的過程主要是根據(jù)系統(tǒng)的發(fā)射參數(shù)、接收參數(shù)和傳輸參數(shù)等，利用相關(guān)的數(shù)學(xué)公式進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算,從而得出最惡劣情況(或特定情況)下的特定結(jié)果。

1.1　確定式干擾分析的設(shè)備模型

進(jìn)行確定式干擾分析首先需要建立用頻設(shè)備的頻譜特性模型。根據(jù)確定式干擾分析的計(jì)算需求，針對(duì)該分析方式建立的設(shè)備模型通常基于設(shè)備的典型性能指標(biāo)。以雷達(dá)設(shè)備為例，所需典型參數(shù)包括峰值功率、工作頻帶、脈沖寬度、脈沖重復(fù)頻率、頻率調(diào)制脈沖帶寬、射頻3 dB帶寬、極化方式、天線最大增益、天線仰角波束寬度、天線方位角波束寬度、發(fā)射機(jī)頻譜模板、接收機(jī)響應(yīng)模型等[3]。

其中除發(fā)射機(jī)頻譜模板和接收機(jī)響應(yīng)模型外，相關(guān)參數(shù)均可通過設(shè)備技術(shù)手冊(cè)得到。而設(shè)備的發(fā)射機(jī)頻譜模板和接收機(jī)響應(yīng)模型用以描述設(shè)備發(fā)射機(jī)輻射信號(hào)的頻譜特性以及接收機(jī)的響應(yīng)特性。根據(jù)確定式分析的需求，采用分段式的近似處理。例如，發(fā)射機(jī)頻譜模板可采用基于不同帶寬對(duì)應(yīng)的衰減值擬合為分段直線來近似，如圖1所示。

圖1　發(fā)射機(jī)頻譜模板

相對(duì)應(yīng)的擬合后得到的頻譜模板函數(shù)為(以下邊帶為例)：

(1)

接收機(jī)響應(yīng)模型的建立方法與發(fā)射機(jī)頻譜模板的建立方法類似，在此不再贅述。從以上設(shè)備模型的建立過程可以看出，確定式分析方法對(duì)于設(shè)備的輻射和接收特性進(jìn)行大幅度的簡(jiǎn)化，優(yōu)點(diǎn)是模型簡(jiǎn)單，便于提高計(jì)算效率；缺點(diǎn)是無法完整體現(xiàn)設(shè)備的用頻特點(diǎn)，準(zhǔn)確度較差。

1.2　確定式干擾分析方法

確定式干擾分析方法中，被干擾設(shè)備接收到的干擾功率可由下面公式計(jì)算：

(2)

式中:I為接收機(jī)所接收到的干擾功率(dBm);Pt為干擾源發(fā)射機(jī)最大發(fā)射功率(dBm);Gt為干擾源發(fā)射天線主瓣增益(dB);Gr為受干擾設(shè)備接收機(jī)接收增益(dB);Lt為發(fā)射機(jī)插入損耗(dB)，一般取2 dB;Lr為接收機(jī)插入損耗(dB)，一般取2 dB;Lp為干擾信號(hào)傳輸損耗(dB);D為頻率隔離抑制因子(dB)。

D的計(jì)算由ITU-R SM.337建議書[3]給出：

(3)

式中:P(f)為干擾信號(hào)的功率譜密度(即發(fā)射機(jī)頻譜模板函數(shù));H(f)為被干擾設(shè)備的接收機(jī)濾波器頻率響應(yīng)(即接收機(jī)響應(yīng)模型函數(shù));Δf為干擾源工作頻率與接收機(jī)調(diào)諧頻率之差。

計(jì)算得到接收機(jī)所接收到的干擾功率I以后，通過與接收機(jī)干擾保護(hù)門限進(jìn)行比較(通常為一固定值)，來判斷是否存在干擾。在實(shí)際應(yīng)用中，干擾保護(hù)門限可通過查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(如民用的ITU-R M.1463、軍用的GJB1389A等)或者采用測(cè)試方法獲取。

2基于干擾鏈路仿真的干擾分析技術(shù)

基于干擾鏈路仿真的干擾分析技術(shù)通過完整地搭建用頻設(shè)備的發(fā)射機(jī)模塊、信道模塊以及接收機(jī)模塊，仿真整個(gè)干擾鏈路，不僅能夠得到干擾功率的大小，還能夠仿真干擾對(duì)設(shè)備性能的影響。

2.1　設(shè)備模塊仿真

以通信設(shè)備為例，基于干擾鏈路仿真的干擾分析技術(shù)對(duì)設(shè)備模塊的仿真主要包括以下幾個(gè)方面：

(1) 發(fā)射模塊

發(fā)射模塊主要用于產(chǎn)生隨機(jī)信號(hào)、交織、編碼、調(diào)制擴(kuò)頻以及發(fā)射。如圖2所示，根據(jù)通信設(shè)備的工作參數(shù)以及仿真工具的具體情況，將通信設(shè)備仿真模塊做如下設(shè)定：隨機(jī)信號(hào)由隨機(jī)數(shù)發(fā)生模塊產(chǎn)生隨機(jī)的0-1序列。信號(hào)編碼模塊對(duì)隨機(jī)信號(hào)進(jìn)行信道編碼。利用信號(hào)交織模塊完成對(duì)信號(hào)的交織，之后編碼發(fā)射。PN序列發(fā)生模塊對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻，然后發(fā)射。

圖2　通信設(shè)備發(fā)射模塊示意

(2) 信道模塊

信道模塊模擬實(shí)際的傳輸環(huán)境，在干擾分析應(yīng)用中用以引入噪聲和其他環(huán)境干擾。在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)設(shè)備實(shí)際的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)置。最簡(jiǎn)化的處理是采用自由空間傳播模型設(shè)置，本文中該模塊采用加性高斯白噪聲(AWGN)信道模型和一個(gè)用來疊加信號(hào)和噪聲的加法器構(gòu)成。

(3) 接收模塊

接收模塊主要包括:數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)模塊實(shí)現(xiàn)的濾波器，用來濾除接收信號(hào)中不需要的頻率成分；信號(hào)解調(diào)模塊，完成對(duì)信號(hào)的解調(diào)；信號(hào)解交織模塊，完成解交織；信號(hào)解碼模塊，完成解碼以還原最終的信號(hào)。接收模塊如圖3所示。

對(duì)于雷達(dá)設(shè)備來說，接收模塊應(yīng)包含雷達(dá)信號(hào)處理相關(guān)部分。

圖3　通信設(shè)備接收模塊示意

2.2　干擾鏈路仿真

在搭建完各設(shè)備模塊之后，將待分析發(fā)射設(shè)備模塊、信道模塊以及接收模塊連接，在輸出端增加性能分析模塊，進(jìn)行整個(gè)干擾鏈路的仿真分析，以雷達(dá)干擾通信設(shè)備為例，如圖4所示。

圖4主要包括以下模塊：有用信號(hào)發(fā)射模塊即圖中的有用信號(hào)產(chǎn)生模塊用于產(chǎn)生通信信號(hào)；雷達(dá)干擾信號(hào)發(fā)射模塊即圖中的雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生模塊用于產(chǎn)生雷達(dá)信號(hào)；信道模擬模塊即圖中的AWGN信道模塊用于模擬信道傳輸(可替換為其它傳播模型)；通信接收模塊即圖中的通信接收模塊將雷達(dá)信號(hào)和通信信號(hào)疊加后的信號(hào)接收并進(jìn)行處理。其余的部分則用于將信號(hào)由連續(xù)時(shí)間信號(hào)變?yōu)殡x散時(shí)間信號(hào)并將功率歸一以便于計(jì)算信干比、使信號(hào)通過信道并疊加、信號(hào)同步以及計(jì)算誤碼率。

其中，對(duì)于通信設(shè)備的性能分析采用誤碼率分析模塊對(duì)還原的信號(hào)和經(jīng)過延時(shí)的發(fā)送信號(hào)進(jìn)行比較，得出誤碼率，分析干擾對(duì)于設(shè)備性能的影響。對(duì)于雷達(dá)來說，可采用檢測(cè)概率分析模塊進(jìn)行替換。

仿真結(jié)果如圖5所示。

由仿真結(jié)果可以看出，誤碼率隨著信干比的增加而減小并最終趨于穩(wěn)定。確定性能門限(對(duì)于通信設(shè)備來說即為誤碼率門限)作為判斷干擾存在的準(zhǔn)則，則能夠得出保證雷達(dá)對(duì)通信設(shè)備不產(chǎn)生干擾的信干比。

3結(jié)束語

“妨礙或惡化設(shè)備完成其預(yù)定功能的任何信號(hào)稱為干擾”，這就意味著干擾是一種對(duì)于設(shè)備產(chǎn)生影響的作用，而不是一個(gè)簡(jiǎn)單的量化值。通過確定式分析，能夠?qū)M(jìn)入接收機(jī)的干擾電平進(jìn)行粗略的分析，但這僅是對(duì)干擾功率的一個(gè)衡量，為了能夠真正反映對(duì)于設(shè)備使用的影響，還需要采用基于干擾鏈路仿真的干擾分析技術(shù)對(duì)進(jìn)入接收機(jī)的干擾對(duì)于接收機(jī)性能的作用影響進(jìn)行分析。

圖4　雷達(dá)干擾通信設(shè)備仿真模型

圖5　雷達(dá)干擾通信設(shè)備仿真結(jié)果

尤其是針對(duì)軍事應(yīng)用來說，目前現(xiàn)代軍用電子用頻設(shè)備普遍具備抗干擾措施，同一個(gè)干擾信號(hào)進(jìn)入采用不同抗干擾措施的2個(gè)同類接收機(jī)，雖然進(jìn)

入接收機(jī)的干擾功率相同，但是會(huì)產(chǎn)生不同的干擾作用，需要采用更為精細(xì)化的分析手段。

對(duì)于待分析設(shè)備量非常大的應(yīng)用場(chǎng)景，可先采用確定式分析技術(shù)進(jìn)行初步篩查，然后利用基于干擾鏈路仿真的干擾分析技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步深入分析，以達(dá)到分析效率和分析準(zhǔn)確性的平衡。

參考文獻(xiàn)

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[3]Norman Violette J L,White Donald R J,Violette Michael F.Electromagnetic Compatibility Handbook[M].New York:Van Norstrand Reinhold Company,1987.

收稿日期:2015-03-11

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.03.019

中圖分類號(hào)：TN03

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：CN32-1413(2015)03-0070-04