賈銳，王川川，趙琳鋒

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全向輻照電磁環(huán)境構(gòu)建及與BPSK系統(tǒng)的干擾效應(yīng)研究

賈銳，王川川，趙琳鋒

（電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471003）

目的分析某型通信電臺(tái)在工作時(shí)所處的復(fù)雜電磁環(huán)境，構(gòu)建基于混響室原理的全向輻照電磁環(huán)境。方法以一個(gè)采用標(biāo)準(zhǔn)BPSK信號(hào)的數(shù)字通信系統(tǒng)為例，研究干擾信號(hào)碼速、頻率偏移量、信干比等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響。結(jié)果當(dāng)干擾信號(hào)碼速低于期望信號(hào)碼速時(shí)，隨著頻率偏移量的增加，接收系統(tǒng)誤碼率也隨之減小，且呈現(xiàn)周期性規(guī)律；當(dāng)信干比相同時(shí)，在相同的頻率偏移下，干擾信號(hào)的碼速越高，其干擾效果越好；當(dāng)干擾信號(hào)碼速高于期望信號(hào)碼速時(shí)，隨著干擾信號(hào)碼速的進(jìn)一步增大，干擾效果將呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。結(jié)論該研究在電子裝備的復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性方面做出了有益探索，為今后的復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性理論的深入研究提供了借鑒。

全向輻照；統(tǒng)計(jì)特性；誤碼率；碼速；頻率偏移量；信干比

通常情況下，電子裝備面臨的電磁環(huán)境干擾主要有以下四類：一是有意干擾，暨敵方針對(duì)我方電子裝備的精確電磁干擾；二是敵方對(duì)我方電子裝備進(jìn)行的壓制式干擾；三是我方電子裝備工作中形成的自擾互擾電磁環(huán)境；四是裝備所處環(huán)境的背景噪聲電磁干擾[1—5]。這些電磁信號(hào)共同存在形成了對(duì)電子設(shè)備的工作性能造成影響的復(fù)雜電磁環(huán)境。2008年GJB 6520頒布了《戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境分類與分級(jí)》，將電磁環(huán)境分為簡(jiǎn)單電磁環(huán)境、輕度復(fù)雜電磁環(huán)境、中度復(fù)雜電磁環(huán)境、重度復(fù)雜電磁環(huán)境四類，分類是在分析電磁環(huán)境的頻譜占用度、時(shí)間占有度和空間覆蓋率的基礎(chǔ)上得出的。戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的一大特點(diǎn)在于其未知性，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境是由多個(gè)因素共同作用而成，其中任意參數(shù)發(fā)生變化，所形成的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境就會(huì)相差甚遠(yuǎn)。戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境是其中一部分，受到地雜波、海雜波、云層反射、周圍建筑物等自然條件的影響，無法事先確切摸清其分布規(guī)律和特點(diǎn)。這就種未知性就要求在進(jìn)行電子裝備復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)時(shí)，要充分考慮裝備在未來戰(zhàn)場(chǎng)上面臨的所有復(fù)雜電磁環(huán)境[6—8]。

目前，通過仿真模擬手段所能構(gòu)建的復(fù)雜電磁環(huán)境中，基于混響室原理的“全向輻照”電磁環(huán)境[9—11]，從頻譜占用度、時(shí)間占有度和空間覆蓋率等因素分析，都是其中最為復(fù)雜的、也是干擾威脅最大的電磁環(huán)境之一。此外，這種電磁環(huán)境與通信電臺(tái)戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境相似。美國電磁環(huán)境效應(yīng)實(shí)驗(yàn)室利用混響室進(jìn)行通信裝備測(cè)試[12]；意大利學(xué)者利用混響室模擬地雜波頻譜特性[13]；國內(nèi)軍械工程學(xué)院利用混響室模擬了地雜波、海雜波的頻譜特性和幅度特性[14—15]。因此，文中就將某型通信電臺(tái)置于全向輻照的電磁環(huán)境中，研究其適應(yīng)性試驗(yàn)技術(shù)和干擾機(jī)理。

1 混響室全向輻照電磁環(huán)境

全向輻照電磁環(huán)境是指受試裝備在測(cè)試期間，將會(huì)受到周圍360°范圍的電磁干擾。典型機(jī)械攪拌混響室的結(jié)構(gòu)為高導(dǎo)電率的屏蔽腔體內(nèi)裝配一個(gè)或多個(gè)由高導(dǎo)電率金屬建造的機(jī)械攪拌器，其目的是在連續(xù)或步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中對(duì)腔室內(nèi)電磁場(chǎng)產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，通過其邊界條件的持續(xù)改變，達(dá)到改變腔室內(nèi)部電磁場(chǎng)模結(jié)構(gòu)的目的，使混響室工作于過模狀態(tài)，從而得到統(tǒng)計(jì)均勻、各向同性、隨機(jī)極化的電磁場(chǎng)分布。其電場(chǎng)分布規(guī)律如圖1所示。

由于混響室屬于電大尺寸，在構(gòu)建其電磁環(huán)境時(shí)，會(huì)受到計(jì)算資源的約束，無法進(jìn)行快速有效的運(yùn)算。因此，考慮采用基于統(tǒng)計(jì)理論的蒙特卡洛方法，利用平面波疊加理論對(duì)其進(jìn)行模擬。使入射電磁波方位角和俯仰角滿足[0, 2π]的隨機(jī)分布。根據(jù)電場(chǎng)理論，其極化角服從區(qū)間[0, π]內(nèi)的隨機(jī)分布，其相位服從區(qū)間[0, 2π]內(nèi)的隨機(jī)分布，如圖2所示，可模擬全向輻照電磁環(huán)境。通過與理想混響室內(nèi)電場(chǎng)分布規(guī)律的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律對(duì)比（如圖3所示），表明所構(gòu)建電磁環(huán)境與混響室內(nèi)電磁環(huán)境一致。

圖1 混響室工作區(qū)域電場(chǎng)分布規(guī)律

圖2 隨機(jī)入射電磁波示意

圖3 仿真結(jié)果與理論混響室分布對(duì)比

2 BPSK系統(tǒng)干擾機(jī)理分析

為研究其干擾機(jī)理，以一個(gè)采用標(biāo)準(zhǔn)BPSK信號(hào)的數(shù)字通信系統(tǒng)為例。將干擾噪聲AWGN作為激勵(lì)信號(hào)，利用蒙特卡洛方法進(jìn)行建模，形成混響室內(nèi)全向輻照電磁環(huán)境。標(biāo)準(zhǔn)BPSK接收系統(tǒng)受到BPSK信號(hào)干擾時(shí)，接收信號(hào)模型可由式（1）給出：

式中：為期望信號(hào)的幅度；1為干擾信號(hào)的幅度；c為期望的載波頻率；為連續(xù)波干擾信號(hào)頻率偏移量；為干擾信號(hào)的相位；P()為單位高度和持續(xù)時(shí)間為的矩形脈沖；為期望信號(hào)的碼時(shí)間(1/)；1為干擾信號(hào)的碼時(shí)間(1/1)；為位傳輸時(shí)間的偏移量，=min(,1)，0<1；d為干擾信號(hào)的數(shù)據(jù)碼，d=±1；w()表示均值為0，方差為0/2的AWGN信號(hào)。

當(dāng)干擾信號(hào)碼速低于期望信號(hào)碼速時(shí)，令期望信號(hào)碼速為4800 B/s，信干比為10 dB，干擾信號(hào)相位服從區(qū)間[0, 2π]內(nèi)的隨機(jī)分布，不同干擾信號(hào)碼速情況下，通信系統(tǒng)誤碼率隨頻率偏移的變化曲線，如圖4所示?？梢钥闯?，當(dāng)信干比相同時(shí)，在相同的頻率偏移下，干擾信號(hào)的碼速越高，其干擾效果越好。隨著頻率偏移量的增加，接收系統(tǒng)誤碼率也隨之減小，且呈現(xiàn)周期性規(guī)律，即=/2，=1，3，5，7，…附近，不同碼速的干擾信號(hào)的干擾效果相同。

圖4 不同干擾信號(hào)碼速情況下，通信系統(tǒng)誤碼率隨頻率偏移的變化曲線

當(dāng)干擾信號(hào)碼速高于期望信號(hào)碼速時(shí)，令干擾信號(hào)碼速分別為4800，9600 B/s，計(jì)算了干擾信號(hào)與期望信號(hào)載頻相同時(shí)，接收系統(tǒng)的誤碼率，并與連續(xù)波干擾的效果進(jìn)行對(duì)比如圖5所示。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)干擾信號(hào)與期望信號(hào)載頻相同，干擾信號(hào)相位隨機(jī)時(shí)，對(duì)于以上三種干擾信號(hào)，連續(xù)波干擾信號(hào)的干擾效果最好，且較低碼速的干擾信號(hào)的干擾效果優(yōu)于較高碼速的干擾信號(hào)。通過進(jìn)一步計(jì)算可知，隨著干擾信號(hào)碼速的進(jìn)一步增大，干擾效果將呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。

圖 5 不同干擾信號(hào)碼速情況下的理論誤碼率曲線

3 結(jié)語

對(duì)基于混響室原理的全向輻照電磁環(huán)境特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并利用蒙特卡洛法對(duì)其進(jìn)行構(gòu)建，通過對(duì)比分析可知所構(gòu)建電磁環(huán)境符合混響室內(nèi)電磁場(chǎng)分布特征。以一個(gè)采用標(biāo)準(zhǔn)BPSK信號(hào)的數(shù)字通信系統(tǒng)為例，研究干擾信號(hào)碼速、頻率偏移量、信干比等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)誤碼率的影響，分析了干擾信號(hào)碼速低于或高于期望信號(hào)碼速時(shí)，干擾信號(hào)碼速的變化和干擾效果之間不同的關(guān)系。研究結(jié)果在電子裝備的復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性方面做出了有益探索，為今后的復(fù)雜電磁環(huán)境適應(yīng)性理論的深入研究打下了基礎(chǔ)。

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Structure of Full Radiation Electromagnetic Environment and Interference Mechanism of BPSK System

JIA Rui, WANG Chuan-chuan, ZHAO Lin-feng

(State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environment Effects on Electronics and Information System, Luoyang 471003, China)

Objective To analyze the complex electromagnetic environment of a communication station and build a full radiation electromagnetic environment based on the principle of live room. Methods A standard BPSK communication system was taken as an example to research the code rate of interference signal, frequency offset, and signal to interference ratio (SIR) on bite error rate (BER) of the system. Results The BER decreased with the increase of frequency offset and presented a periodicity rule, if the code rate of inference signal was lower than expectation. When the frequency offset was the same, the higher the code rate was, the better the interference effect was. If the code rate of interference signal was higher than the expectation, the interference affect decreased with the increase of the interference signal. Conclusion The study is a beneficial exploration on complex electromagnetic environment suitability of electronic equipment. It provides a foundation for in-depth research of complex electromagnetic environment suitability in the future..

full radiation; statistical property; BER, frequency offset, SIR

10.7643/ issn.1672-9242.2017.04.002

TJ01；TN97

A

1672-9242(2017)04-0005-04

2016-10-17；

2016-12-07

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51277180）

賈銳（1986—），男，博士，主要研究方向?yàn)殡姶怒h(huán)境模擬及評(píng)估技術(shù)。