基于RSSI的無線數傳電磁干擾分析與處理

摘要：電臺是目前測控設備站間通信常用的關鍵單機設備，其復雜電磁環境下的抗干擾性能直接影響數據通信質量。某型測控設備包含語音電臺和數傳電臺2種類型，在極限通信距離的數據傳輸性能檢測時，設備語音電臺和數傳電臺出現電磁干擾，導致數據通信異常。為解決這一問題，文章提出基于RSSI的電磁干擾分析與處理方法，通過綜合分析和試驗驗證，找出了問題原因并提出解決方案，有效解決了該型測控設備的電磁干擾問題。同時，文章提出的方法也可為同類測控設備的電磁兼容性及復雜電磁環境適應性評估提供參考和借鑒。

關鍵詞：RSSI；電磁干擾；誤碼率；誤碼率變化率

中圖分類號：TP802" 文獻標志碼：A

作者簡介：張珅（1993— ），男，助理工程師，碩士研究生；研究方向：裝備試驗鑒定。

*通信作者：金光（1973— ），男，研究員，博士；研究方向：壽命預測與健康管理，系統試驗與評估，數據分析與建模。

0" 引言

某型測控設備是武器試驗鑒定的常用測控設備，主要用于測量武器系統發射零時，并為其他測控設備提供啟動信號和標準時間信息。該設備使用中，須要主、分站間進行實時數據通信。數據通信主要采用有線電纜通信、無線通信及IP網絡3種方式。無線通信方式主要采用VHF頻段數傳電臺完成無線數傳［1］。另外，配有語音電臺，用于主、分站間話路通信。該型測控設備驗收期間，在進行站間20 km極限通信距離的數據傳輸性能檢測時，語音電臺對數傳電臺產生電磁干擾，導致數據通信異常。為解決這一問題，本文提出基于RSSI測量的電磁干擾分析與處理方法，并以測試結果為依據，對該型測控設備的設計和使用方法進行了改進，進而解決設備電磁干擾問題。

1" 干擾

1.1" 干擾現象

某型測控設備工作原理如圖1所示。測控設備包含主站和分站，且主站和分站均包含數傳和語音2部電臺，數傳電臺之間和語音電臺之間均用天線進行交互，其中天線1和天線3建立通信，天線2和天線4建立通信。在測控設備主站與分站間距20 km的極限通信距離時，對數據傳輸性能進行檢測，語音電臺和數傳電臺發生互擾，導致數據通信異常，干擾可能發生在天線1和天線2之間或者天線3和天線4之間。

1.2" 干擾分析

1.2.1" 干擾機理分析

根據電磁干擾效應作用機理，形成電磁干擾的因素有3個，即電磁干擾源、耦合途徑、敏感裝置。電磁干擾源包括自然干擾源和人為干擾源。自然干擾源主要來源于大氣層的天電噪聲、地球外層空間的宇宙噪聲。另外，從電磁干擾屬性來分，電磁干擾源可以分為功能型干擾源和非功能性干擾源［2］。

1.2.2" 干擾源分析

根據故障現象，分站語音電臺不工作或處于接收狀態時，數傳不受干擾。分站語音電臺處于發送狀態時，數傳受到嚴重干擾。據此判斷干擾源為分站語音電臺，即圖1中的天線4可能為干擾源。

進一步分析，語音電臺與數傳電臺均為射頻設備，且在設備內部供電系統中存在交聯情況，因此，電磁干擾耦合途徑存在線纜傳導耦合和天線輻射耦合2種方式。首先，將分站語音電臺天線斷開，在天線射頻端口處連接吸收負載，在此狀態下當語音電臺發射時，數傳電臺未受到干擾；其次，將分站數傳電臺天線斷開，在天線射頻端口處連接吸收負載，語音電臺正常連接，在此狀態下當語音電臺發射時，數傳電臺也未受到干擾。

由以上現象可以證明，電磁干擾以天線輻射耦合方式通過圖1中分站數傳電臺天線3進入數傳電臺主機，經解調后輸出噪聲信號，影響數據傳輸質量，由此確定天線4為干擾源。

1.2.3" 干擾類型分析

語音電臺工作頻率為400～470 MHz，數傳電臺工作頻率為220～235 MHz。由于工作頻率不同，且通過空間輻射耦合，初步判斷干擾類型可能為鄰頻干擾、雜散干擾或阻塞干擾［2-3］。

為進一步確認，本文對語音電臺進行了實驗室測試。參照GJB 151B—2013中CE106項目測試了測控設備分站語音電臺天線端口傳導發射水平。根據CE106項目的要求和方法，語音電臺在20 km極限工作距離，選用25 W發射功率，折算為電壓151 dBμV，除二、三次諧波外，所有諧波發射、亂真發射應抑制到71 dBμV，二、三次諧波應抑制到91 dBμV［4］。該型語音電臺工作頻段內的天線端口亂真發射抑制度測試結果如表1所示。

由測試結果可知，該型語音電臺除工作頻帶邊緣頻率外，對諧波抑制情況良好，諧波對數傳電臺造成的雜散干擾影響較小。考慮到數傳電臺所受干擾只在20 km極限傳輸距離時明顯，且其他中、近距離傳輸未發現受到語音電臺干擾情況，因此數傳電臺所受干擾可能為幾種干擾類型疊加的綜合干擾，影響數傳電臺接收機對有用微弱信號的檢測和放大能力。因此，須要尋求一種綜合的檢測分析方法，來量化數傳電臺受電磁干擾情況，并作為解決干擾問題的措施依據。

2" 誤碼率評定準則及接收信號強度指示

2.1" 誤碼率及誤碼率變化率

誤碼率和誤碼率變化率是常見的通信質量評定標準［4］。以誤碼率作為評價數字通信質量的評判指標，可以對通信系統受到的干擾程度進行準確的量化分級，GJB 6741—2009給出了誤碼率評定準則的干擾等級劃分，可分為信息損傷級和工作破壞級，其中信息損傷級又按照誤碼率大小劃分為5級，ΔPe為干擾前后的誤碼率變化率（詳見表2）。依據干擾效果描述和誤碼率對數據傳輸的影響程度，本文擬選擇5％作為數字通信干擾敏感度判斷指標［5］。

按式（1）計算干擾前后的誤碼率變化率ΔPe：

ΔPe=1n∑ni=1（Pei-Pe0i）（1）

式中：

ΔPe為誤碼率變化率；

Pe0i為第i次測試時，未受干擾的誤碼率；

Pei為第i次測試時，受干擾的誤碼率；

i為測試序號（i=1、2、……、n）；

n為測試次數。

2.2" 接收信號強度指示

接收信號強度指示（Received Signal Strength Indication，RSSI）用于度量接收到的無線電信號功率，通常是在零-中頻系統中基帶放大器之前的基帶信號鏈中算出的。RSSI輸出通常是直流模擬電平，可以通過內部模數轉換器采樣并獲取數據［6-7］。借助接收信號強度指示，本文可以測量出圖1天線3和天線4不同的天線距離下數傳電臺的信號接收強度。

3" 誤碼率測試過程及結果

3.1" 故障復現與驗證

為對上文干擾源判定結果準確性進行驗證，本文進行以下干擾現象復現與驗證試驗。試驗中用串口數據測試軟件SSCOM測試誤碼率［8］。

驗證試驗一：在語音電臺不工作的情況下，主站數傳電臺與分站數傳電臺相互傳輸，按30 ms發送100字節的頻率分別發送11萬字節，查看接收端錯誤字節，如此重復連續測試5次，主、分站均無錯誤字節，無誤碼。

驗證試驗二：主站數傳電臺發送，分站數傳電臺接收，測試誤碼率。用主站語音電臺發話對講，分站語音電臺收聽，按照試驗一方法重復連續測試5次，無錯誤字節出現；隨后用分站語音電臺發話對講，主站語音電臺收聽，按照試驗一方法重復連續測試5次，分站數傳電臺接收數據每次都有錯誤字節。

驗證試驗三：分站數傳電臺發送，主站數傳電臺接收，測試誤碼率。用主站語音電臺發話對講，分站語音電臺收聽，按照試驗一方法重復測試5次，無錯誤字節出現；隨后用分站語音電臺發話對講，主站語音電臺收聽，按照試驗一方法重復連續測試5次，同樣無錯誤字節出現。

驗證試驗四：在試驗三的基礎上，對圖1分站語音電臺和數傳電臺天線3、天線4進行拉距試驗，從設計安裝距離150 cm開始，逐步拉大間隔距離，當間隔距離增大至4.2 m時，電磁干擾消失，數傳電臺接收數據正常。

以上試驗進一步驗證了分站數傳電臺干擾源來自自身語音電臺的空間耦合，且干擾影響程度與語音和數傳2部電臺天線間隔距離有關。由驗證試驗二可見分站語音電臺天線為干擾源，上文干擾源分析結果正確。

3.2" 解決方案設計與驗證

根據該型測控設備日常工作特點和市場上天線增益規格現狀，主站電臺具有全向發送、接收需求，且主站數傳電臺未受到干擾，因此，解決方案中保持原有主站數傳電臺天線（圖1中天線1）增益5.5 dBi規格不變，主站語音電臺天線（圖1中天線2）、分站數傳電臺天線（圖1中天線3）和語音天線（圖1中天線4）均采用5.5 dBi和3.5 dBi增益的2種天線用于比對試驗。最終，結合圖1，該測控設備主站和分站各電臺共有8種天線組合方式進行通信，如表3所示，每種組合方式分別用A～H共8個英文字母表示［9-10］。

3.3" 測試結果

對3.2中每種組合均用串口數據測試軟件SSCOM測試誤碼率，測試結果中，隨著圖1天線3和天線4距離從100 cm增加到250 cm，各組合主站數傳電臺接收信號強度有如下變化：

A組合信號強度從-92 dB增加到-67 dB，誤碼率從10.26‰降低到0.0001‰；

B組合信號強度從-91 dB增加到-67 dB，誤碼率從8.75‰降低到0；

C組合信號強度從-90 dB增加到-66 dB，誤碼率從9.85‰降低到0；

D組合信號強度從-88 dB增加到-67 dB，誤碼率從8.72‰降低到0.0001‰；

E組合信號強度從-85 dB增加到-66 dB，誤碼率從8.04‰降低到0.0001‰；

F組合信號強度從-83 dB增加到-66 dB，誤碼率從6.14‰降低到0；

G組合信號強度從-81 dB增加到-65 dB，誤碼率從5.45‰降低到0；

H組合信號強度從-81 dB增加到-65 dB，誤碼率從1.16‰降低到0。

圖1中，選取天線3和天線4天線間距150 cm時，對各組誤碼率變化率ΔPe進行計算，計算結果如表4所示。

由此可見，G、H組合誤碼率變化率滿足ΔPe≤5%評判準則要求。

結合圖1，驗證結果表明：采用降低天線2、天線3天線增益，對于消除電磁干擾影響更為明顯。理想條件是H組合，降低天線2、3、4的天線增益。

4" 結語

本文介紹了基于RSSI的電磁干擾分析與處理方法，并引用GJB 6741-2009中誤碼率評定準則，對某型測控設備無線數傳電磁干擾問題做了詳細的干擾分析和整改驗證試驗。試驗結果整改措施有效解決了干擾問題，可以為同類設備的電磁干擾故障排查提供方法借鑒。

隨著試驗鑒定中電磁環境越來越復雜，對測控設備抗電磁干擾性提出了更高的要求，如何更加有效、便捷地開展測控設備抗干擾以及復雜電磁環境適應性檢驗，是需要深入研究的課題。特別是測控設備內部存在多個射頻單機時，在進行抗電磁干擾性能檢測時，建議增加GJB 151B—2013中CE106項目試驗以及引用GJB 6741—2009中的干擾效果評定準則，確保射頻類測控設備能夠滿足復雜電磁環境適應性使用要求。

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（編輯" 王雪芬）

Analysis and processing of electromagnetic interference in wireless data transmission based on RSSI

ZHANG" Shen1，2， JIN" Guang1*， DONG" Jiaxin2， DONG" Xingjia2

（1.School of Systems Engineering， National University of Defense Technology， Changsha 410005， China;

2.No.63861 Troop of the People’s Liberation Army of China， Baicheng 137000， China）

Abstract： Radio is a commonly used standalone equipment for communication between measurement and control equipment stations. Its anti-jamming performance in complex electromagnetic environments directly affects the quality of data communication. A certain type of measurement and control equipment includes two types of radios： voice radio and data radio. During the performance testing of data transmission at the extreme communication distance， electromagnetic interference occurs in the equipment’s voice radio and data radio， resulting in abnormal data communication. To solve this problem， an electromagnetic interference analysis and processing method based on RSSI is proposed. Through comprehensive analysis and experimental verification， the cause of the problem is identified， and a solution is proposed， effectively solving the electromagnetic interference problem of this type of measurement and control equipment. Meanwhile， the method proposed in the paper can also provide a reference for evaluating the electromagnetic compatibility and adaptability to complex electromagnetic environments of similar measurement and control equipment.

Key words： RSSI; electromagnetic interference; bit error rate; bit error rate change rate