甚高頻無線通信系統發射機互調干擾研究*

楊會杰,王煙青,楊 昭,陳旭鋒

(中國洛陽電子裝備試驗中心,河南洛陽471003)

甚高頻無線通信系統發射機互調干擾研究*

楊會杰,王煙青,楊 昭,陳旭鋒

(中國洛陽電子裝備試驗中心,河南洛陽471003)

在甚高頻(VHF)無線通信系統中,發射機互調干擾已成為一個影響通信質量和通信安全的重要因素。互調干擾不僅污染了周邊電磁環境,還會干擾正常通信,降低通信質量。文中研究了互調干擾的形成與危害;分析了互調干擾的測試方法;并利用搭建的互調干擾測試系統對甚高頻無線發射機互調干擾進行了測試與分析;討論了降低和消除互調干擾的措施。研究成果對于提高甚高頻通信系統的抗干擾能力,實現甚高頻無線通信設備科學合理的頻譜規劃,提高系統間電磁兼容具有重要的應用價值。

發射機互調干擾 甚高頻 互調測試

0 引 言

甚高頻通信主要是指工作頻段在30～300 MHz的無線通信,其應用領域包括海事通信、航空通信、調頻廣播、軍事通信等,具有用頻設備多、電磁環境復雜等特點。在甚高頻無線通信過程中,通信系統可能受到互調干擾等內部原因和帶外輻射等外部原因造成的干擾[1-2]。其中互調干擾是影響甚高頻無線通信最為嚴重的干擾之一,且是可以通過主動采取措施有效抑制甚至消除的。

發射機互調干擾是指由于耦合到本信道的其它信號與本信道發射信號在發射末端相互作用而產生新的頻率組合,隨同本信道發射信號一起發射出去,對接收機形成的干擾[3]。發射機互調干擾在發射機信道帶寬較寬時表現尤為突出,且在實際應用中并不鮮見,例如,位于同一山頂、位置較近的電視信號發射臺和調頻廣播發射臺,由于電視圖像信號頻譜較寬,容易使調頻廣播信號進入電視圖像信道產生發射機互調,影響發射臺的正常工作。互調干擾的測試和排查主要通過頻譜分析儀進行信號頻譜的分析與測量,確定干擾信號來源和類型。由于發射機互調干擾不僅嚴重危害發射機,降低發射機壽命,還會造成信號失真,直接影響到通信質量與通信安全。因此,研究和分析甚高頻通信系統發射機互調干擾的形成機制與抑制措施,對于延長設備工作壽命,減少通信系統相互干擾,實現系統間電磁兼容具有重要意義。

1 發射機互調干擾的形成與危害

1.1 發射機互調干擾的形成

通信電路中的二極管、三極管和場效應管等器件都不是理想的線性電路器件,因此導致發射和接收通道不可能做到理想線性。當兩個或多個信號進入到非線性系統中,其基波與諧波之間會混頻產生新的頻率分量。這些新的頻率分量如果落在通帶內,就會隨著原始信號一起被放大發射出去,造成發射機互調干擾[4-5]。通常情況下,兩部發射機的天線距離過近,水平、垂直隔離度不符合要求,而功率又足夠大時,若工作頻點設置不合理,很容易產生互調干擾。

非線性器件的伏安特性,可用下面的泰勒級數展開式來描述:

式中,v為加在非線性器件上的總電壓,可由多個輸入信號電壓組成。假設v由兩個頻率和幅度比較接近的信號組成,即v=V1cosω1t+V2cosω2t,將v代入式(1)中,利用三角函數的積化和差公式展開并整理可得:

式中,i由直流分量項、基波項、諧波分量項和互調干擾項組成。互調干擾項的幅度與an成正比,顯然互調階數越高,引起的互調干擾越小[3]。根據互調階數,可將互調干擾分為偶數階互調和奇數階互調,且隨著階數的增大,互調信號的幅度逐漸減小。在實際觀測中,主要關注偶數階互調中的二階互調互調,以及奇數階互調中的三階和五階互調。

圖1所示為信號f1和信號f2及其互調產物的頻譜分布圖。其中f1＜f2,二階互調信號的頻率為f2±f1,幅度為a2V1V2;三階互調信號的頻率為2f1±f2、 2f2±f1,其中2f1±f2項的幅度為項的幅度為。

圖1 互調干擾信號分布Fig.1 Distribution of intermodulation interference

1.2 發射機互調干擾的危害

發射機互調干擾的產生對于無線電用頻設備和發射機本身來說,都會造成危害,其產生的影響主要表現在以下方面:

1)干擾正常無線通信,污染電磁環境。互調干擾信號使得發射機臺站上空存在大量的無序頻譜能量,污染了周邊電磁環境[6-7]。當互調干擾落于接收機通帶內時,又會干擾正常通信,降低通信質量。

2)降低發射機工作壽命。當發射機調試好后,其在輸出電路的最佳諧振點上,當互調干擾引起發射機電路失諧時,發射機元件發熱嚴重,便大大增加了發射機的故障率,降低了工作壽命。

3)減弱有用信號功率。通信信號發射功率是有效信號的主頻功率和互調過程中產生的寄生信號功率的總和[8]。由于互調產物的功率較大,降低了發射機的有效功率,減少了系統正常的通信覆蓋范圍。

2 發射機互調干擾測試與分析

為了分析甚高頻通信系統發射機互調干擾的分布規律,通常采用發射機和信號源與射頻連接器建立發射機互調干擾測試系統,研究互調干擾信號的功率與頻率分布。

2.1 互調干擾測試步驟

采用射頻連接器進行模擬無線通信系統互調干擾測試的連接方式如圖2所示,所需設備包括通信發射機、信號源、雙定向耦合器、衰減器、50 Ω負載和頻譜分析儀,其中通信發射機用于產生正常工作的射頻信號,信號源用于模擬受通信發射機影響并產生互調的通信設備,信號源信號與通信發射機信號在雙定向耦合器內發生耦合,通過頻譜分析儀觀察互調產物的分布狀況。

圖2 發射機互調干擾測試Fig.2 Transmitter intermodulation interference test

互調干擾測試步驟為:

1)確定測試參數,在發射機工作頻段內選若干個頻點作為信號源工作頻率f0,對于每個工作頻點,分別向上、向下各選5個頻點作為通信發射機工作頻率f1,頻率的選擇必須避免由其產生的互調信號與其它雜散信號同頻。

2)保證通信發射機、信號源同其它測試設備物理連接滿足阻抗匹配要求。

3)使通信發射機在測試頻點f1上處于發射狀態,同時信號源f0也處于發射狀態,且使其發射功率與發射機額定輸出功率盡可能接近,觀察并記錄此時f0±f1的頻率及功率,即為二階互調干擾信號,而2f0±f1、2f1±f0處的信號為三階互調干擾,而3f0± 2f1、3f1±2f0處的信號則為五階互調干擾。

2.2 互調干擾測試分析

在實際測試中,以某型甚高頻電臺做為通信發射機,工作方式為調頻(FM)。以Agilent 8648B型信號發生器做為測試信號源,信號樣式為單音信號。采用本文所述互調干擾測試方法,對電臺的互調分布進行測試。

選擇信號源測試頻率f0為40 MHz、50 MHz、60 MHz和75 MHz,通信發射機信號頻率為f1=f0+ Δf,取Δf=-3 MHz、-2.5 MHz、-2 MHz、-1.5 MHz、-1 MHz、1 MHz、1.5 MHz、2 MHz、2.5 MHz、3 MHz,即發射機信號為信號源信號上下各取5個頻點,并使f1和f0保持足夠的頻率間隔,避免互調干擾信號與有用信號重疊。

保持信號源信號f0與發射機信號f1在耦合器輸出端的功率相同,測量發射機信號與信號源形成的三階互調干擾2f1-f0的功率,如圖3所示。由于取f1=f0+Δf,故該三階互調信號頻率為f0+2Δf。根據1.1節分析可知,2f1+f0與2f1-f0信號具有相同的功率分布,當信號源與發射機功率相同時,2f0±f1與2f1±f0的功率也保持一致。

測試結果說明:①該發射機與信號源形成的三階互調干擾信號的功率約在-40～-30 dBm之間,遠高于同類型接收機的靈敏度(約-110 dBm),即該互調信號對于工作在該頻段的其它通信設備來說是一個較強的干擾信號;②在通信發射機信號接近信號源工作頻f0的過程中,互調干擾信號功率分布存在波動,略呈M形,Δf在-2～-1 MHz和1～2 MHz之間互調信號的測試結果存在極大值,即發射機信號頻率接近信號源工作頻率時,干擾更加嚴重,因此,在相近位置工作的無線電發射機應保持足夠的頻率間隔,避免產生嚴重的發射機互調干擾。

圖3 三階互調干擾信號功率分布Fig.3 Power distribution of the third-order intermodulation interference signal

改變信號源的輸出功率,測量三階互調信號受信號發射功率的影響程度,結果如圖4所示。其中,取f0=50 MHz,f1=51 MHz,三階互調信號頻率為2f0±f1,即151 MHz和49 MHz。

圖4 信號源發射功率與三階互調信號功率Fig.4 Transmitter dignal powerl vs.third-order intermodulation interference signal power

該測試結果表明:①互調干擾信號功率受信號源發射功率影響,隨著信號源功率的增加而增加。在本次測試過程中,發射機信號功率P1保持不變,三階互調信號功率Pi3與信號源信號功率P0近似呈線性關系,通過曲線擬合可得:Pi3≈0.99×P0-52. 05(dBm),這與式(2)的理論分析相一致;②互調干擾信號的功率與信號源頻率2f0+f1和2f0-f1無關,即同功率但不同頻率的外部信號耦合進入發射系統,其產生互調干擾信號的幅度相近。因此,減少發射機互調干擾的一個重要手段就是使多個發射機之間保持足夠的安全距離,降低耦合進入發射機通道的干擾信號功率,從而減少互調干擾信號的功率或者避免互調干擾的產生。

3 減少發射機互調干擾的措施

理論分析和測試結果表明,發射機互調產生了大量干擾信號,并且低階互調信號的強度較強,對于周圍無線電用頻設備形成干擾,同時也降低了發射機的有用信號功率,影響系統的通信質量和通信安全,因此,研究減少發射機互調干擾的措施對于無線通信系統具有重要意義。

現有減少發射機互調干擾的主要措施可以分為兩類,即改善設備性能和做好系統規劃管理。在改善設備性能方面,相關研究和建議措施[4,9]主要包括:

1)改善發射機與天線饋線的匹配。

2)改善發射機末級功放的性能,提高其線性動態范圍。

3)在發射機與天線間可插入單向隔離器或單向隔離器與腔體濾波器的組合器件。

在做好系統規劃管理方面,主要措施包括:

1)在臺站規劃建設時,使電臺發射機之間保證足夠的水平和垂直距離。

2)合理分配頻率資源,根據互調干擾產生的條件,在實際應用中,選用無互調干擾的工作頻率組,尤其是注意避免二階和三階互調干擾。

4 結 語

發射機互調干擾是影響甚高頻無線通信系統通信質量和通信安全的一個重要因素。本文分析了甚高頻發射機互調干擾的形成與危害,并利用搭建的互調干擾測試系統對甚高頻無線發射機互調干擾進行了測試與分析,討論了降低和消除互調干擾的措施。分析和實驗結果表明,發射機互調干擾具有很強的信號功率,是造成通信質量下降和電磁環境復雜多變的一個重要因素,而且提高發射機設備性能,并做好通信系統規劃管理,是減少發射機互調干擾的重要手段,對于保障無線通信系統的工作性能,實現系統間電磁兼容具有重要的應用價值。

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YANG Hui-jie(1987-),male,graduate student,assistant engineer,mainly working at communication countermeasures effect emulation.

王煙青(1976—),男,碩士研究生,高級工程師,主要研究方向為通信對抗;

WANG Yan-qing(1976-),male,graduate student,senior engineer,majoring in communication countermeasures.

楊 昭(1987—),男,碩士研究生,助理工程師,主要研究方向為通信對抗效果評估;

YANG Zhao(1987-),male,graduate student,assistant engineer,mainly working at communication countermeasures effect emulation.

陳旭鋒(1982—),男,學士,工程師,主要研究方向為通信對抗。

WANG Yan-qing(1982-),male,B.Sci.,engineer,majoring in communication countermeasures.

Study on Transmitter Intermodulation Interference for VHF Radio Communication Systems

YANG Hui-jie,WANG Yan-qing,YANG Zhao,Chen Xu-feng
(Luoyang Electronic Equipment Test Center of China,LuoyangHenan471003,China)

In very high frequency(VHF)radio communication systems,the transmitter intermodulation interference has become an important factor affecting the quality and safety of communications.Intermodulation interference not only pollutes the electromagnetic environment,but also interferes with the normal communications.This paper studies the formation mechanism and harm of VHF transmitter intermodulation interference,and analyzes the test method and test results,then the suppression measures for transmitter intermodulation interference are proposed,which have the important application value in improving antiinterference ability of VHF communication systems and achieving reasonable spectrum layout and electromagnetic compatibility.

transmitter intermodulation interference;VHF;intermodulation test

TN914.1

A

1002-0802(2014)08-0865-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.08.005

楊會杰(1987—),男,碩士研究生,助理工程師,主要研究方向為通信對抗效果評估;

2014-03-03;

2014-06-21 Received date：2014-03-03;Revised date：2014-06-21