（机械电子工程专业论文）车载通信系统电磁兼容性能评估技术.pdf

摘要 通信车内部空间狭小，上装电子设备众多，电磁兼容问题异常突出；掌握车 载通信系统电磁兼容性能的优劣有利于工程项目的管理及决策；然而，基于测试 与仿真数据的系统级电磁兼容性能评估技术的研究在国内尚不成熟。因此，对车 载通信系统电磁兼容性能评估技术进行研究，具有十分重要的理论及工程应用价 值。 本文对车载通信系统电磁兼容评估技术进行了研究。首先，在分析系统内电 磁兼容性能的各影响因素的基础上，建立了车载通信系统评估层次结构模型。其 次，在对几种常用的评估方法对系统的适用性论证的基础上，借鉴层次分析法中 建模及求解权重的原理，结合理想点排序法的优点，提出了适用于车载通信系统 电磁兼容性能评估的a h p t o p s i s 方法；另外，本文针对评估中各指标类型和特 点的不同，对关键指标提出了不同的量化方法。 最后使用v i s u a lb a s i c 语言编程开发了车载通信系统电磁兼容性能评估软件， 通过在相关项目中的应用，验证了本文确立的指标体系和评估方法可以满足车载 通信系统电磁兼容性能评估的要求。 关键词：车载通信系统评估方法电磁兼容指标体系 a b s t r a c t i nt h ec o m m u n i c a t i o nv e h i c l e al a r g en u m b e ro fe l e c t r o n i c e q u i p m e n t sa r e i n s t a l l e di ns u c has m a l ls p a c e ；i t b r i n g sas e r i e so fp r o b l e m si ne l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y m a s t e r i n gt h ee f f e c t i v e n e s so fe l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yi sr e q u i r e d f o re m c p r o j e c tm a n a g e m e n ta n dd e c i s i o n m a k i n g ；h o w e v e r , t h e r ei sl i t t l er e s e a r c hi n t h ef i e l do fs y s t e m a t i ce m ce v a l u a t i o nb a s e do nt h et e s ta n ds i m u l a t i o nd a t aa th o m e t h e r e f o r e ，as t u d yo ne v a l u a t i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yf o rv e h i c u l a r c o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sa l li m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei nt h e o r ya n de n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n a d e e pa n a l y s i so ft h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c sf o rv e h i c u l a r c o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sb e e nm a d ei nt h i sp a p e r a tf i r s t ，b a s e do nt h ea n a l y s i so f t h e i n f l u e n c i n gf a c t o r sa b o u tt h ee m cp e r f o r m a n c ef o rv e h i c u l a rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m , t h ee v a l u a t i o ni n d i c a t o rs y s t e mi se s t a b l i s h e d t h e n , o nt h eb a s i so fd e m o n s t r a t i n gt h e a p p l i c a b i l i t yo fv a r i o u sc o m m o n l y - u s e de v a l u a t i o nm e t h o d s ，a g a i n s tt h e i rs h o r t c o m i n g s a n dl i m i t a t i o n s ，a ni m p r o v e dm e t h o d , w h i c hc a nb ea p p l i e dt oe v a l u a t i n go u rs y s t e m ， b a s e do na h pa n dt o p s i si sp r e s e n t e d ；t h em e t h o dr e f e r e n c et h ew e i g h ts o l u t i o n p r i n c i p l eo f a n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( a h p ) ，a n dc o m b i n e st h ea d v a n t a g e so f t o p s i s m e a n w h i l e ，a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tt y p e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n d i c a t o r s ，t h e d i f f e r e n tq u a n t i t a t i v em e t h o d sf o rt h ek e yi n d i c a t o r sa r ep r o p o s e d f i n a l l y , t h e e v a l u a t i o ns o f t w a r ef o rt h ee m cp e r f o r m a n c eo fv e h i c u l a r c o m m u n i c a t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e d u s i n gv i s u a lb a s i c t h r o u g ht h ev e r i f i c a t i o na p p l i c a t i o ni nr e l a t e dp r o j e c t s ，t h ei n d i c a t o rs y s t e ma n d e v a l u a t i o nm e t h o di nt h i s p a p e r c a l lm e e tt h e r e q u i r e m e n t so f t b e v e h i c u l a r c o m m u n i c a t i o ns y s t e me m ce v a l u a t i o n k e y w o r d s ：v e h i c u l a rc o m m u n i c a t i o ns y s t e me v a l u a t i o na p p r o a c h e m ci n d i c a t o rs y s t e m 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： j 焰堑i 工日期垒吐f ，缮 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：必望江 导师签名：望盥 日期2 碰f 。姑 日期迦星：f ：丝 第一章绪论 第一章绪论 1 1 车载通信系统电磁兼容性能评估的研究背景 电磁兼容性( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a f i b i l i t y , e m c ) 定义为：“一个装置、设备或系 统可以在其环境中正常工作，并且不对其所在环境中的任何其它事物产生难以容 忍的电磁干扰【l j ，。它是与电磁环境密切相关的一门应用学科，它以电子、电气、 电磁场、工艺材料等学科的基本理论和技术为基础，关注并解决一切自然和人为 的电磁干扰所产生的理论和技术课题，因此其是- - i 综合性很强的边缘学科，同 时又是一门实践性很强的应用学科；其研究的最终目的就是在有限的空间和频谱 范围内，使可能发出电磁干扰的各种电子、电气设备或子系统在合理的条件下使 其互不干扰，保证系统或子系统的兼容性，即实现共存【2 l 。随着现代通信科学技术 的高速发展和广泛应用，各种各样的通信设备、系统以及其他的电子、电气设备 越来越密集。高密度、宽频谱的电磁信号充满了整个人类生存的空间，从而构成 了极其复杂的电磁环境，通信系统在这样的电磁环境下工作受到了严峻的考验。 频谱使用的日益扩展( 包括幅度和频率) 以及在各个频段上使用频度的日益密集， 对电磁干扰的数量和严重程度产生了重大影响。由此带来了电磁环境的日益复杂 化，并使通信系统与电磁环境之间的矛盾日益尖锐化。上述现代通信中日益突出 的电磁兼容问题迫使人们对电磁兼容技术给予高度重视。 在军事领域，系统的电磁兼容性能更加不容忽视。1 9 8 2 年，在英阿马岛战争 的硝烟刚刚散去不久，人们在总结分析这场战争交战双方的得失时惊诧地发现， 电子系统间的电磁兼容问题竞成为影响战争胜负的一个重要因素，英军因为对它 的忽视，而付出了惨痛的代价。据有关资料介绍，在那次战争中，英国与阿根廷 在争夺马岛时，英军谢菲尔德号驱逐舰担负航母群攻击阿军某机场时的警戒任务， 没想到却被阿军一架战机发现；阿机当即发射一枚飞鱼反舰导弹，配有先进雷达 警戒系统的谢菲尔德号驱逐舰竟毫无反应地被击沉。事后英军公布的调查分析表 明，谢菲尔德号驱逐舰被击沉的主要原因是该舰研制之初，忽视了舰载雷达警戒 系统与舰载卫星通信系统的电磁兼容性，导致两个系统同时工作时相互干扰，无 法及时发现来袭导弹而采取相应对策p l 。可见，在军事系统中，必须很好地解决电 磁兼容性问题，保证其各个分系统的互连互通，各设备能同时正常地工作。 车载通信系统是现代战争中地面部队的神经中枢，也是空地一体化作战的重 要组成部分。在现代战争中，只有保持通信的畅通，才能取得战争的主动权；反 2 乍：蜘垃信系统i 蚴静降e 绮e 评 t 铜五术 之，如果战争的任何一方通信失灵，就失去了对部队的指挥下段，也就失上了时 武器系统和作战现场的控制能力：同时，笮目 隋报的获取和实时传_ 递皿离f ：j 也 肄通信系统，所以指挥通信系统的性能优劣已成为影响战争进程，甚至决定战争 胜负的关键因素之一【4 j 。影响车载指挥通信系统性能的凼索除了敌方施加的各种有 意十扰以外，系统自身的电磁兼容性能也是至关厦要的。本文只讨沦系统自身电 磁兼容性能的评估，而对系统抗有意f 二扰( 人为干扰) 能力的评估不在本文的研 究范同之内。 数字化部队的乍辆均装有符种数字化设备，其内部有限频带内工作频率密集、 坼位体积内电磁功率密度l # 常大、高低电平器件或装管的混合使川很容易导致系 统电磁兼容性能恶化。尤其是作为数# 化部队的核心，指挥通信车融台了信息、 网络通信、决策支持，多媒体、系统管理等多项技术i l3 】：其内部上装行多郝4 ：f d 频带及1 ：同功能的电台、定位导航设备、卫星通信设备等各类无线设备：以及汁 算机、数字化车通等有线设备；这些设备可能通过电源系统、接地系统、互连系 统以及空删辐射场产生r 乜磁干扰耦合，导致系统性能下降；尤其是会造成电台有 效通信距离缩短、话齐质量变差、噪声增大、误码率增大等后果，严重时将导致 备个通信信道完仝阻塞，从而致使车辆甚至整个通信系统瘫痪。由此“，见，指挥 通信乍是各型装f j 车辆中内f = | ： b 磁环境最为恶劣，同时也是对系统电磁兼容陛能 监求最高的一种乍型，罔1 1 足美军现代化指挥通信乍l a v - c 2 的外州罔，据有关 资料! 矗示，其内部卜装有：4 部超短波f 乜台、1 郎u h f 波段电台a n v r c 8 3 、l 州u h f 波段定位系统、1 部短波电台a n g r c 2 1 3 、车顶有7 根犬线，另外其还 配备有强人的自卫火控系统，l a v - c 2 之所以能够j ：装如此众多的通信设备，足因 为其很立_ f = 的解决了f u 磁燕容m 题。 h1i 炎军现代化指挥通信z g l a v - c 2 第一章绪论3 掌握车载通信系统电磁兼容性能的优劣对于车辆总体设计及装车方案的改进 具有非常重要的指导意义；车载通信系统电磁兼容性能的评估有利于相关单位在 装车具体方案及上装设备选择中的决策，有利于对不同装车方案的优劣进行比较 发现问题的所在，为进一步改善系统电磁兼容性能提供参考依据。总参某首长曾 明确提出：“新型武器、装备能否定达到规定的战术、技术要求，能否装备部队， 评估是一个关键环节。它关系到新型武器、装备能否定型投产，关系到部队能否 拿到质量高、性能好、能够完成预定作战任务的武器装备。作为军队使用方，一 定要对新型装备的作战性能、部队适应型及可靠性、电磁兼容性等方面进行评估， 把住新型装备研制的质量关1 5 】一。 评估车载通信系统电磁兼容性能，最直接的方法是电磁兼容性试验与仿真； 采用试验与仿真方法可以对系统进行可信度评价，找出系统内电磁兼容性问题所 在，并指出系统设计方案的缺点。然而，试验与仿真方法获得的数据只能反映系 统离散的、局部的特性，无法反应系统整体电磁兼容性能的优劣。要想用这些离 散的测试和仿真数据反映系统整体的电磁兼容性能，需要研究系统级的电磁兼容 性能评估技术。 1 2 国内外研究现状 国外对系统电磁兼容性能的研究始于上个世纪7 0 年代，较常见的评估手段是 干扰裕度模型。其基本思想是分析系统内的主要干扰源和敏感设备及潜在的耦合 干扰途径，通过计算耦合到敏感设备上干扰电压，电流与敏感度差值的大小( 即干 扰裕度) ，对系统局部或整体的性能进行评价；其中i e m c a p ( i n t e r s y s t e m e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t ya n a l y s i sp r o g r a m ) 是一款应用到系统电磁兼容性能评 估领域较成熟的软件；在飞机、航天器、雷达站等系统的设计阶段往往采用i e m c a p 对系统电磁兼容性能进行分析 6 1 1 7 1 5 】。i e m c a p 将系统内的所有天线、电缆、电气 屏蔽物等电磁发射与接收物等效为电磁发射或接收端口，通过对系统建立精确的 频域模型，计算离散频率点上端口一端口的e m c 性能系数，并计算在一个给定的 范围内整个辐射环境对每个接收端口的累积效应，从而提供系统e m c 总的保守的 度量；这些性能系数分别计成单点和综合的e m i 裕度【9 1 。i e m c a p 分析结果的有 效性取决于所建立模型的精度及其与实际系统是否相符；通常复杂的系统内包含 数以千计的电磁等效端口，对每个发射端口和接收端口间的关系都进行分析显然 是不现实的，往往采用简化的分析模型；然而，由于模型的过于简化，分析结果 有时不能真实地反映系统实际的性能。 文献【1 0 】提出了对大型的电磁兼容项目采用“电磁兼容分数”( e m cs c o r e s ) 来 反映其系统整体电磁兼容性能的想法，并指出了这种做法对电磁兼容项目的管理 和工程实施具有重要的意义；遗憾的是其并没有建立评估模型也没有提出具体的 评估方法；其它文献中也没有见到相关的详细论述。 国外对电磁兼容以外领域的系统级的评估方法的研究，主要集中在作战效能 和装备效能的评估f 1 1 j ，其使用的方法主要有：效用函数法和a d c 法；这些方法通 常适用于动态的系统，系统内很多指标用事件的概率描述，这些系统的特点与车 载通信系统的特点差别很大，这些方法对车载通信系统评估的参考借鉴价值不大。 国内评估方面的研究工作，绝大多数集中在生产、经济等领域，在这些领域 中各种评估方法的应用较为广泛。在电子、通信方面的评估工作主要是设备级的 评估，例如电子科技大学李仲令老师课题组对f h s s 通信系统抗干扰性能评估做 了一定的研究工作( 见文献 4 】、【5 】、【1 2 】) ；其利用模糊数学的原理，在模糊聚类 和模糊模式识别的基础上提出了适用于单层指标系统的评估方法。至于通信领域 系统级的评估或专门论述基于测试及仿真数据电磁兼容性能的评估，目前还没有 查阅到。 可见，国内外对系统级电磁兼容性能评估的研究基本上处于起步阶段；缺乏 系统级电磁兼容评估的统一标准和规范，由于缺乏系统级电磁兼容评估理论及相 应系统的指标体系，大量对系统有影响的因素难以获得实测数据或者进行解析计 算和仿真等工作；即使已经获取了大量的电磁兼容测试和仿真数据，对于系统来 说，它们也只是反映离散、局部的特性，难以得出系统电磁兼容的性能等级评定 或系统电磁兼容性能究竟是否满足要求的结论。因此，研究适用于车载通信系统 电磁兼容性能的评估技术，对车载通信系统电磁兼容性能进行评估，在工程上具 有非常重要的意义。 1 3 论文的结构及组织安排 本文首先依据车载通信系统电磁兼容性能评估的研究背景，结合国内外相关 领域的研究现状，阐述了车载通信系统电磁兼容性能评估技术研究的重要意义。 然后，深入分析了车载通信系统电磁兼容性能的特点；在对系统内相关指标进行 详细分析的基础上，建立了电磁兼容指标体系，并研究了各指标的获取及量化方 法。最后，在对各种常用系统评估方法深入研究的基础上，结合理想点排序法与 层次分析法各自的优点，提出了一种适用于车载通信系统电磁兼容性能评估的方 法，并用v i s u a lb a s i c 语言实现了该方法，完成了电磁兼容评估软件。 各章的具体研究内容如下： 第一章：绪论。对车载通信系统电磁兼容性能评估技术的研究背景和国内外 相关领域的研究现状进行了简要介绍。阐述了车载通信系统电磁兼容性能评估技 术研究的重要性及其意义。 第一章绪论5 第二章：车载通信系统电磁兼容性能评估的理论基础。介绍了评估的基本理 论，包括相关的基本概念和评估的基本流程。分析了车载通信系统电磁兼容性能 的特点，在此基础上提出了车载通信系统电磁兼容性能评估的系统模型。 第三章：车载通信系统电磁兼容性能评估指标体系。首先，介绍了指标体系 的基本概念和指标体系确立的基本原则。然后，以天线布局性能、接收机与发射 机自身性能、接地系统性能、互连系统性能为研究重点，分析并建立了车载通信 系统电磁兼容性能的指标体系；最后研究了相关指标的量化方法。 第四章：车载通信系统电磁兼容性能评估方法研究。首先，研究对比了各种 常用系统级评估方法的特点；然后，对它们于车载通信系统电磁兼容性能评估的 适用性进行了研究；在此基础上提出了基于层次分析法与理想点排序法改进的综 合评估方法。 第五章：评估软件的实现。采用模块化设计的思想，开发了基于v i s u a lb a s i c 语言的电磁兼容性能评估软件，利用本文提出的基于层次分析法与理想点排序法 结合的改进算法实现了评估。最后，对软件将来可能的功能扩展提出了一些设想 第二章车载通信系统电磁兼容性能评估的理论基础 7 第二章车载通信系统电磁兼容性能评估的理论基础 2 1 i 评估概述 2 。1 评估的基本理论 众所周知，正确的决策来源于科学的评估，评估是决策的关键。系统评估通 常是指对被评估系统所进行的客观、公正、合理的全面评价；可抽象地表述为： 在若干个备选方案中，如何确认各个方案性能的好坏l ”】。评估涉及数学、运筹学、 管理学和相关领域的自然科学，是一门横跨自然科学与社会科学并涉及人类思维 领域的新兴交叉学科。 评估方法的发展大致经历了三个阶段：第一阶段是评估的规范化、程序化； 第二阶段是评估的数学化、模型化、计算机化；第三阶段评估的特点是硬技术与 软技术的结合，是定量与定性的结合，是技术与艺术的结合；硬技术主要是指运 筹学，软技术主要指创造学。当代数学的发展，为评估科学提供了重要的理论方 法，而计算机技术的发展，为评估科学提供了强有力的辅助工具和信息处理手段， 成为实现评估科学的重要物质基础i l6 j 。 对于系统评估的概念大家并不陌生，例如生产厂家研发产品的鉴定会，就是 一种系统评估的方法，这种方法是借助专家的经验给出系统性能的评价。然而， 专家鉴定的方法在有些方面存在很大的局限性；专家的知识结构、知识新旧程度、 个人喜好都会对系统的评估结果产生很大影响，评估结果的一致性较差；另外， 对于不同的备选方案频繁地请专家鉴定也是不现实的。为此，对于车载通信系统 电磁兼容性能的评估，必须找到一种简捷而且客观的评估方法来代替专家鉴定的 方法。 车载通信系统的组成十分复杂，其电磁兼容性能的影响因素众多，不可能仅 用较少的几项指标的好坏来描述；这就需要找到一种多指标综合评估方法，用这 种评估方法选择的方案，对每一单独指标来说可能并不是最优的，但对系统的电 磁兼容整体性能来说却是最好的；这属于多准则决策的研究范畴【1 7 1 。 多准则决策问题的分类是按决策中备选方案的数量来划分的。一类是多属性 决策问题，这一类决策问题中的决策变量是离散型的，即备选方案数量为有限个； 因此，有些文献也称之为有限方案多准则决策问题。这一类问题求解的核心是对 各备选方案进行评价后排定各方案的优劣次序，再从中择优。本文讨论的车载通 信系统电磁兼容性能的评估就属于多属性决策问题。另一类是多目标决策问题， 这一类决策问题中的决策变量是连续型的，即备选方案数有无限多个；因此，有 些文献也称之为无限方案多准则决策问题；这一类问题求解的核心是向量的优化， 即数学规划问题。无论是多属性决策问题还是多目标决策问题，都可统称为多准 则决策问题。关于目标、属性、准则、模型的含义，下面进行简单的介绍。 准则( c r i t e r l o n ) ：准则是判断的标准或度量事物价值的原则及检验事物和意性 的规划，它兼及属性及目标。 属性( a t t r i b u t e ) ：备选方案的特征、品质或性能参数。 目标( o b j e c t i v e ) ：它是决策者所感觉到的比现状更佳的客观存在，用来表示决 策者的愿望或其希望达到的、努力的方向。 指标( t a r g e t ) ：数量化的准则，预先确定的属性数量或水平。 模型( m o d e l ) ：进行系统分析的基本工具，因为决策的前提是必须建立反映系 统目标的适当模型，模型也是对系统指标的具体衡量方法。通过模型可以对反映 系统特征的相关参数和因素进行本质方面的描述。 2 1 2 评估的流程 评估的整个过程就是提出问题、分析问题和解决问题的过程，主要包括4 个 阶段，其流程如图2 1 所示f 1 9 1 。 提出问题 构成问题 确定方法 分析评价 图2 i 评估的基本流程 第二章车载通信系统电磁兼容性能评估的理论基础9 决策者应根据实际工作的需要，在充分考虑现实性和可能性的基础上，提出 需要进行评估的研究问题，并尽可能的明确所研究系统的结构与特点；在构成问 题的阶段，明确系统的层次关系、主要元素、影响因素，并根据评估目标形成一 个评估指标体系；然后，根据系统实际的特点构造适合于系统的评估方法；最后， 根据已确定的指标体系与评估方法，结合决策者的价值判断，排列各备选方案的 顺序。系统的分析、综合和评价是评估的主要阶段。如果评价的结果不够满意， 可根据反馈的信息，返回到以前阶段重复地更深入地进行分析研究，以期获得尽 可能满意的结果。 确立的指标体系是否客观全面，构造的评估方法是否科学合理，将决定整个 评估过程的复杂程度及评估结果的有效性。应在深入分析系统电磁兼容性能特点 的基础上，确立合理的指标体系；结合实际系统的特点，构造适合于车载通信系 统电磁兼容性能的评估方法。本文将就车载通信系统电磁兼容性能评估指标体系 的建立，评估指标信息的量化及预处理，评估方法的构造展开详细的研究分析。 2 2 车载通信系统电磁兼容性能的特点 现代化部队以及c 3 i 系统，是集指挥、控制、通信和情报处理为一体的战场中 枢，要保证各子系统之间有效的通信以及其功能的加强，必须保证很好地解决电 磁兼容问题。 对于车载通信系统，衡量其电磁兼容性能时，影响因素非常繁多。以美军的 l a v - c 2 型指挥通信车为例，它安装有先进的陆军战术指挥与控制系统( a t c c s ) 、 动力数据分配系统。其内部上装有多部h f 电台、v h f 电台、u h f 电台、全球定 位系统等无线设备；计算机、车内通话器等有线设备；以及监测控制系统、动力 控制系统等复杂的电气设备；这些设备通过电源系统、接地系统、互连系统以及 空间辐射产生电磁干扰耦合，导致车内电磁环境非常复杂，影响着车载通信系统 的电磁兼容性能。其次，装车本身的设计对系统电磁兼容的性能影响也较大；如 车顶的天线布局、车内的馈线布局、电源系统的布局以及接地系统等都会影响车 载通信系统的电磁兼容性能。其中尤以天线布局的影响较大，因为车顶局部空间 集中了各种天线，大功率发射天线对敏感度很高的接收天线、同频带发射天线对 同频带接收天线都将产生强烈的电磁干扰( 如谐波干扰、邻道干扰等) 。 无线设备中尤其以电台自身性能最为重要，其性能的好坏将直接决定系统电 磁兼容性能的优劣。由于在如此狭小的空间内上装有多部电台，短波电台发射频 率的谐波点有可能落在超短波电台的工作频段内，短波电台与超短波电台发射频 率的互调点也有可能落在同车内其它电台的工作频段内，造成对有用信号的干扰。 车顶天线布局性能的优劣直接影响到系统总体的通信性能。影响天线布局性 能的主要指标有：天线辐射方向图、天线间耦合度( 隔离度) 、驻波比等。方向图 增益可以反映有效的通信距离，方向图圆度可以反映通信的全向性m j ；天线间的 耦合度反映了两两天线之间的隔离程度，如果耦合度过大将会影响收发信机的正 常工作；如果天线馈线上的驻波比过大，将会造成过多的功率被反射回发射机， 天线实际向外辐射的功率将会很低，影响车辆实际的通信性能。 各通信设备在车内的布置与安装位置不妥或者安装不良，电缆走向、分类捆 扎不合理，接地点选择不恰当或接地不良均可能使通信系统应有的功能与性能得 不到发挥。但这些因素具有一定的不确定性，不易量化，需要选择合适的方法对 其进行分析。 由此可见，车载通信系统电磁兼容性能具有如下特点：系统组成复杂，在有 限的空间内存在大量的各种类型的设备，各设备之间通过电源系统、互连系统、 接地系统、空间耦合构成各种联系，这些联系都有可能成为潜在的干扰耦合途径； 影响系统总体电磁兼容性能的指标众多，有些指标可以通过测试方法直接获得， 有些指标则需要通过仿真或者解析计算的方法才能获得，还有些指标无法获得定 量的表述，为了便于评估，需要将定性的描述转化为定量的描述；在获得了各影 响因素的评价指标之后，我们发现，各指标的表达形式不同、量纲不同、不便于 在同一基准下进行比较，因此还得对各指标进行规范化处理。 2 3 车载通信系统电磁兼容性能评估的系统模型 要作出科学的决策就必须依赖于可靠的系统科学决策方法。系统工程便是处 理决策问题的基础理论指导，它将所处理的问题作为一个完整的系统进行处理， 强调决策系统整体目标的综合最优化，建立系统整体的评估模型。 模型是一个描述现实世界的抽象，因此它必须反映实际，但它的抽象特征又 应高于实际。在构造模型时，要兼顾到它的现实性和易处理性；考虑到现实性， 则模型必须包括现实系统中的主要因素；考虑到易处理性，则对模型应采取一些 理想化的方法，即去掉一些外在影响并对一些因素做合理的简化，当然这会牺牲 系统的现实性。一个好的模型必须兼顾现实性与易处理性，应该使模型反映系统 的主要特征。 概括地说，系统模型具有以下三个特征： 1 它是现实系统的抽象或模拟。 2 它是由与分析系统有关的因素构成。 3 它表明了有关因素问的相互关系。 通过上一节对车载通信系统电磁兼容性能的分析，得出其系统电磁兼容性能 不但与上装设备自身的性能有关，还取决于装车布局性能的好坏。图2 2 是车载通 第二章车载通信系统电磁兼容性能评估的理论基础 i i 信系统电磁兼容性能的评估模型。 图2 2 车载通信系统电磁兼容性能评估模型 层次结构 第三章车载通信系统电磁兼容性能评估指标体系 第三章车载通信系统电磁兼容性能评估指标体系 3 1 1 指标体系 3 1 指标体系及其确立原则 在复杂系统的评估中，各备选方案的性能总是需要用一组评价指标予以衡量， 系统分析人员需要根据决策者的意志和系统自身的特点确定相应的评价指标，并 用合理的计量方法对各指标进行量化处理；即建立一个科学的评估指标体系。 指标体系的确定应包含三个要点：1 指标体系的各个指标是分别描述被评估系 统各个不同方面的，它们应该包含被评估系统的全面信息；2 各评估指标的量纲可 能是各不相同的，系统评估的前提是必须把不同量纲的指标实际值转化成无量纲 的相对评价值；3 指标体系的各指标评价值通过选择的评估方法要能合成在一起， 得出一个整体性的评价。评估指标体系要全面反映出被评估系统的特点，尽可能 做到科学、合理、符合实际情况。 对于简单的系统，指标体系可为水平结构，即并列的若干个指标；对于复杂 的系统一般均采用递阶层次结构来描述，各层指标由概括到具体。这种结构既可 方便地描述复杂系统的关系，又符合人类的思维习惯，有利于使评估过程更方便、 更准确。 3 1 2 指标体系确立的原则 指标体系是系统评估的基础，合理的指标体系是保证系统评估质量的关键问 题之一；一般来说，系统越复杂，功能越多，系统的评估指标体系就越庞大。评 估指标体系的内容可以针对具体的待评估系统的特点，根据评估目标遵循以下原 则确定【1 9 】： ( 1 ) 科学性原则。评估指标应能真实而科学地反映系统的性能特点，并注意评 估标准的规范化，同时所采集的信息要可靠、准确。 ( 2 ) 简明性原则。在基本满足评估要求和给出决策所需信息的前提下，应尽量 减少指标个数，突出主要指标，以免造成评估指标体系的过于庞大，给后 续的评估工作造成困难。 ( 3 ) 客观性原则。评估指标的确定应避免加入个人的主观意愿，指标含义尽量 明确，不能因人而异。指标能方便地进行系统分析、设计，便于研发人员 和管理人员准确理解和接受，便于形成共同语言。 ( 4 ) 时效性原则。随着科学技术、生产力的发展，人们生活水平不断提高，社 会各方面都发生了巨大的变化，人们的价值观念也在不断改变，因此评估 指标需要随着社会价值观念的变化而不断变化，否则会因不合时宜导致决 策失误。 ( 5 ) 可获得性原则。可获得性是指标的定量表示，即指标能够通过解析公式、 数值仿真或实际测试等方法获得。指标本身便于实际使用，度量的含义明 确，具备现实的获取渠道，便于定量分析，具备可操作性。 ( 6 ) 完备性原则。影响系统性能的所有指标均应在指标集中，指标集应具有广 泛性、综合性和通用性。 ( 7 ) 独立性原则。独立性是指指标间应是不相关的，指标之间应尽量减小交叉， 防止互相包含，要具有相对的独立性。 ( 8 ) 一致性原则。各个指标应与评估的目标相一致，所分析的指标间不能相互 矛盾。 对于复杂系统评估的研究要遵循从高到低、从复杂到简单、自顶向下划分的 原则，采用分层细化的方法对系统问题进行研究。指标的选取不是越多越好，关 键要考虑指标所起作用的大小，可以忽略一些次要的指标；在选取评估指标时不 可能把全部指标都考虑进去，因为如果选取的指标过多，会增加评估模型的复杂 性和评估的难度。指标体系是在动态的过程中反复平衡后而确定的，有些指标需 要分解，有些指标则需要综合或删减。 但是以上原则在具体应用中可能会出现一定的矛盾，一般可作如下处理： ( 1 )指标的科学性和指标的简明性相矛盾。当指标的科学性和指标的简明性相 矛盾时，应在满足科学性的前提下，尽可能使评估简便，而不是反而求之。 ( 2 )指标的完备性与指标的可获得性相矛盾。指标体系必须要包括各有关方面 的多种因素。但是，有些指标不易获得或不易测度，不能满足评估所需的 全部数据。因此，在建立指标体系时，对若干与评估目标有关系的指标， 虽然目前尚无法获得数据，仍要作为建议指标提出，以保证评估指标体系 的完备性。 ( 3 )指标的精确性与指标的可信度问题。评估应尽可能精确；如果某些指标目 前不能做到很精确的表达，与其为了追求精确而假设数据，或因得不到数 据而索性将一些指标舍去，不如由专家经验做定性描述，某些指标以定性 形式来描述可使评估结果更加可信。 第三章车载通信系统电磁兼容性能评估指标体系 1 5 3 2 影响系统电磁兼容性能的主要指标分析 本节将通过对车载通信系统电磁兼容性能影响因素的深入分析，确立其指标 体系；这些指标应该能够从不同的侧面反映车载通信系统电磁兼容性能；指标体 系的确立需要建立在理论研究和工程经验的基础上，指标体系是从整体、系统的 角度考虑的，从不同的侧面构成整体结构。下一节将就部分指标的具体量化方法 及预处理进行研究。通过分析，将影响车载通信系统电磁兼容性能的指标分为以 下几大类：反映天线布局性能的指标、反映无线设备自身性能的指标、反映接地 系统性能的指标、反映互连系统性能的指标。 3 2 1 天线布局性能指标分析 天线布局的e m c 设计是保证系统电磁兼容性能的关键措施。天线布局不当， 会带来的问题有：收发天线间的阻塞干扰，产生交调、互调、减敏等效应；天线 方向图严重畸变，将使天线在某些角度的增益明显下降；发发天线间的功率倒灌， 使发射天线调谐困难1 2 1 。 反映天线布局性能的指标有：( 1 ) 天线间耦合度c ；( 2 ) 天线辐射方向图品 质q ；( 3 ) 驻波比。 ( 1 ) 天线间耦合度c 天线之间的相互作用使指挥通信车系统电磁兼容性设计变得十分复杂。天线之 间相互作用越大，通信电子设备之间相互干扰作用就越大。为使系统之间相互影 响减小，必须控制天线之间相互作用。因此，天线间耦合度是衡量系统电磁兼容 性能的重要参数。天线间耦合度越小，天线相互作用越小，系统间干扰就越小。 天线间耦合度定义为：发射天线到接收天线的直通功率，即接收天线接收到 的干扰功率珞收与发射天线的辐射功率珞发之比： q = 1 0 1 9 ( p 净收珞发) ( 3 - 1 ) 图3 1 天线问耦合度的定义 收发天线及其间的传播介质相当于无源网络，略收恒小于略发，故天线间耦 合度总是负分贝数。 天线间耦合度测试有两种方法：直接测试法( 图3 1 2 ) 和间接测试法( 图3 3 ) 。 直接测试法是利用矢量网络分析仪，依据类似于插入损耗测试的原理，通过对实 际装车条件下构成的如图3 2 所示二端口网络的s 1 1 和$ 2 1 参数来测量耦合度。间 接测试法则是利用频谱仪对发射电台实际工作时的发射功率和接收天线上耦合功 率电平大小进行测试，然后通过计算得出耦合度。 图3 2 天线间耦合度直接测试配置图 在使用直接测试法正式测试前，应先对矢量网络分析仪进行校准，以消除测 试中由同轴电缆的衰减等因素引起的误差，从而保障最后的测试结果的准确性。 断开v l 衰碱器 匿匦 _ 压哥亡 工 ，正常r 作 频谱仪 区查卜 堕叫： 工 澳崆计算机 图3 3 天线间耦合度间接测试配置图 在使用间接测试法时，发射电台的功率可由连接在其馈线上的直通功率计测 得，接收天线的接收电平由频谱仪测得；功率计的功率电平和频谱仪的功率电平 分别相当于图3 1 中的圪和，经过简单计算，由只可以得到z 和略发，由 可以得到p 和嚷舯，代入相应的公式可获得天线间的耦合度。 由上面的测试原理可知：耦合度直接测试法的测试结果取决于两天线之间的 空间耦合情况，也就是说其大小反映的是一对天线之间的相互耦合作用，没有包 含发射机和接收机的影响；而间接测试法的测试结果将受到发射电台的辐射发射 特性的影响：根据指标体系确立的独立性原则，减小指标间的重叠信息，选择直 第三章车载通信系统电磁兼容性能评估指标体系1 7 接测试法作为耦合度指标的测量方法。 每辆指挥通信车上都装有多根天线，不同的天线对之间的耦合度是有所差异 的，且不同频点的耦合度也是不同的。我们在评估时，希望对于一个具体的方案 的某一指标用一个确定的值来描述，这时提到的耦合度将是一个综合考虑了各天 线对组合与各频点的加权耦合度，这需要对众多的测试数据进行量化处理，在后 面的3 3 节里，我们将详细讨论耦合度量化的方法。 ( 2 ) 天线辐射方向图品质q 指挥通信车上使用的天线通常为全向天线，期望每副天线尽可能地在各个方 向均匀辐射和接收。一个真正的全向天线，或者称为无方向性天线，将在一个球 面上均匀辐射或接收信号；但由于金属障碍物等造成的畸变，实际上真正的无方 向性天线是不存在的，定义标准无方向性天线的增益为l ( 0 d b ) ，而实际天线的增 益定义为相对于理想无方向性天线的增益。传统的方法是使用方向图的圆度( 失 真度) 来衡量天线的方向图品质；然而圆度并不能反映天线的增益和效率的影响， 它只是方向图在所有水平方位上均匀辐射的程度；近似完美的圆形方向图也有可 能有非常低的增益，根本保证不了通信的作用距离；因此，单纯用圆度反映方向 图的品质是不全面的。本文提出，天线辐射方向图品质优劣应该从两个方面来衡 量：即圆度品质和增益品质，用公式表示为： q = c q + g q( 3 2 ) 式中： q 全向天线的方向图品质： c q 一全向天线的方向图圆度品质； g q 全向天线的方向图增益品质。 理想的情况应该是c q = l ，g q = 1 ，因而q = l 。也就是说方向图品质，即要求 方向图越圆越好，同时又要求在全方位相对地平面上l 4 波长天线的增益越大越 好。实际上两个指标都不可能达到l ，根据相关资料显示q 大于0 6 就不错t x 2 4 1 。 增益方向图表示的是天线的相对增益随视轴与信号到达方向之间夹角的变化 关系。通过将通信车的缩尺比模型放在无反射室，当校准信号传播到天线上时， 转动天线，可测量获得增益方向图( 文献【2 1 】详细讨论了用缩尺比模型测量方向图 的方法) 。通过仿真的方法，建立车体和天线布局的模型，也可以获得天线方向图。 由于仿真的方法实现起来比较容易，成本也低，而且可以达到一定的精度；因此， 本文采用矩量法数值仿真软件获得相应的数据。 ( 3 ) 驻波比 天线驻波比是天线性能中最关键的参数之一。驻波比过大一方面会影响电台 功率输出，从而缩短通信距离、降低通信质量；另一方面较大功率的电磁能量从 天线端1 2 1 反射回发射机端，形成很强的馈线发射，导致车内电磁环境恶化，辐射 与耦合的影响均会增大。 驻波比反映了天线馈电系统的阻抗匹配程度，端接性能越好、阻抗匹配越好， 则馈线上的反射越小，驻波比越接近理想值1 ，用一个通过式功率计即可完成驻波 比的测试。 天线的输入功率为传输功率与反射功率之和，即： 只= 只+ 巴 ( 3 3 ) 只= ( 1 一r 2 ) 最 ( 3 - 4 ) 式中：只一天线输入功率 p 一天线传输功率 只一天线反射功率 r 一电压反射系数 册= 哿 b s ， 3 2 2 无线设备自身性能指标分析 对车载通信系统电磁兼容性能的影响，无线设备的辐射发射特性是十分重要 的，而其中尤以接收机与发射机的影响最为重要，可以说接收机与发射机自身电 磁兼容性能的优劣对于系统整体的电磁兼容性能占有举足轻重的地位。因此，我 们以接收机与发射机作为重点研究对象来进行分析。下面针对与电磁兼容性能有 关的接收机与发射机的关键指标进行讨论。 ( 1 ) 接收机灵敏度 接收机灵敏度是指其能够接收到的仍能使其正常工作的最小信号的强度。如 果接收机系统的灵敏度电平小于或等于到达接收机系统输入端的信号强度，则链 路正常工作；倘若接收到的信号强度大于接收机的灵敏度电平，则称具有链路余 量，链路余量为二电平数值之差。灵敏度由三个部分组成，分别为热噪声能级 ( k t b ) 、噪声系数( n f ) 、输出信噪比( s n r ) 。 2 5 1 。 热噪声能级。在一个理想的接收机中噪声用热噪声能级( k t b ) 来定义，其中 k 为波尔兹曼常数，t 是开尔文温度，b 是接收机有效带宽。假设常温的温度为2 9 0 k ， 则： 七z b = - 1 1 4 d b m + 1 0 1 9 ( b )( 3 6 ) 第三章车载通信系统电磁兼容性能评估指标体系 1 9 式中，k t b 的单位是d b m ；b 的单位是m t - i z 。 噪声系数。系统的噪声系数是叠加在热噪声能级之上的噪声值。噪声系数越 低，灵敏度就越好。 输出信噪比。信噪比是量化信号质量的方法。所需要的信噪比取决于信号的 类型、接收机从信号中要恢复的信息以及所需的输出质量。 综上所述，接收机灵敏度可由式( 3 7 ) 求