无线通信的抗干扰设计

1 无线通信的抗干扰技术 2 无线通信干扰简介 在过去的10年中 无线通信技术得到了迅猛发展和广泛应用 特别是个人移动通信蜂窝小区的快速发展 使用户摆脱有线终端的弊端 实现实际的个人移动性 而现今最新最先进的复杂电信技术还必须与旧移动通信系统 如专用无线通信或寻呼等 共存于一个复杂环境中 其中多数旧系统在以后若干年里还将一直用下去 与此同时 其它无线设备如数字视频广播和无线局域网等又会产生新的可能使通信服务中断的信号 由于环境限制越来越大 众多新业务竞相挤占有限的蜂窝站点 使得蜂窝信号发射塔上竖满了各种天线 而随着我们越来越多地通过移动电话联系 在互联网上观看多媒体表演和进行商业贸易 甚至不久我们的汽车 冰箱和电烤箱也将使用RF信号互相交流 使得各种自然和人为性的干扰信号 包括机器噪声 码间干扰 单音干扰 宽窄带干扰 多址干扰 天线之间的干扰等以及军事无线通信系统中许多形式的干扰比如瞄准干扰 阻塞干扰 部分频带干扰和扫描式干扰等充斥在我们身边 通信的天空也变得更加拥挤 干扰信号会给无线通信基站覆盖区域内的移动通信带来许多问题 如电话掉线 连接出现噪声 信道丢失以及接收语音质量很差等 而造成干扰的各种可能原因则正以惊人的速度在增长 3 结构模块 电信交换 通信抗干扰性能 射频干扰对策 关键技术 射频干扰成因 应用前沿 通信抗干扰分类 通信干扰环境 4 无线通信网络中射频干扰成因与对策 现实无线通信网络中大多数干扰都是无意造成的 只是其它正常运营活动的副产品 干扰信号只影响接收器 即使它们在物理上接近发射器 发射也不会受其影响 下面列出一些最常见的干扰源 可以让你知道在实际情况下应该从何处着手 要注意的是大多数干扰源来自于基站的外部 也即在你直接控制范围之外 5 发射器配置不正确另一个服务商也在你的频率上发射信号 多数情况下这是因为故障或设置不正确造成的 产生冲突的发射器服务商会更急于纠正这个问题 以便恢复其服务 未经许可的发射器在这种情况下 其它服务商是故意在与你同一个频段上发射 通常是因为他根本没有拿到许可 他可能在一个频段上没有发现信号 于是假定没有人在使用该频段 于是擅自加以利用 发放许可的政府机构通常有助于赶走这类无照经营者 6 覆盖区域重叠你的网络或其它网络的覆盖区域在一个或多个信道上超过规定范围 天线倾斜不正确 发射功率过大或环境变化等都会引起覆盖区域重叠 如某人砍掉了一片树林或推倒一个建筑物 而这些原本可以阻挡另一位置上所发出的信号 自身信号互调两个或两个以上信号混在一起后会形成新调制信号 但却不是任何所希望的信号 最常见互调是三次信号 例如两个间隔为1MHz的信号会在原高频信号之上1MHz和低频信号之下1MHz各产生一个新信号 如果原来两个信号分别处于800和801MHz频段 则将在799和802MHz出现三次信号 7 与另一发射器信号互调互调干扰也可能由于一个或多个外部无线信号通过天线馈送同轴电缆 然后进入造成冲突的发射器非线性终端放大器造成 外来信号相互混杂并与发射器自己的信号混在一起 形成一个看上去像是通信频段中的 新 频率互调信号 经常都是不希望的 也可能由两个外部信号产生干扰信号 而造成冲突的发射器本身的信号没有参加 外部信号只是正好用到发射器的非线性级而混在了一起 在这种情况下 混在一起的两个信号没有一个有问题 肇事者是发射器 解决这个问题有点难度 因为它要求对看上去工作正常的发射器进行改动 需要增加一个窄带滤波器以尽可能衰减外面的信号 再加一个铁氧体绝缘子使RF从发射器传送到天线并衰减馈线上返回的信号 在同时使用多个不同频率的发射塔上 业主经常要求所有发射器都安装这类滤波器和绝缘子 正规发射器超载发射器发出的任何频率强信号都会使邻近系统超载 唯一解决办法是在接收器天线电缆上安装一个滤波器 使希望的信号通过 而将超载信号衰减 8 邻近发射器上相邻信道功率随着分配的频谱越来越拥挤 互相竞争的无线业务所分到的频率越来越接近 从而使一个系统发射信道噪声边带出现在或阻止另一个临近接收信道的风险增加 如果发射器符合技术规范要求 则需要更改信道或增加发射器和接收器之间的物理分隔 生锈的围墙 房顶等造成的互调发射器并不是互调信号的唯一滋生地 非线性连接也可能是附近生锈的白铁皮房顶或围墙 当无线发射功率很大时 房顶各部分之间生锈部分将起到非线性二极管的作用 像这种来自物理结构的互调影响很难阻止 因为它们因天气状况而异 风会把金属生锈部分压在一起或分开 雨则改变铁锈特性 严重影响通信的必须进行维修或替换 以恢复可靠的通信连接 9 广播发射器谐波大功率源如商业广播电台等会产生大功率信号谐波 例如一个5MW发射器很容易产生5W谐波 足以干扰附近的移动通信 如果该发射器符合所有规范和政府规定 那么唯一的解决方法可能只有迁移通信天线以避开发射器 或者重新分配频率方案使得造成冲突发射器附近的通信基站使用的是不受其谐波能量影响的信道 老爷 级STL用户在蜂窝系统出现之前 900MHz和1400 2200MHz波段通常分配用于广播电台的演播室与发射器连接 STL 政府现已将这些频率重新分配给蜂窝运营商 但是他们常常又没有限制老用户 而让他们继续在没有冲突的频率上运营 当在这些频段开展新的蜂窝业务时 那些发射器应该转向新频率 但有些还需要加以 提醒 10 音频整流在极个别地方 基站控制器端还在使用模拟音频输入传送给无线输出 因此会受到附近AM广播或短波电台强信号的影响 AM信号可能进入音频电路后并被整流 使得电话交谈中混入广播音频信号 在与基站连接的音频部分周围进行良好屏蔽应能解决这个问题 天线或连接器中的互调有时即使同轴电缆或天线本身一点很小的腐蚀也会产生问题 尽管还不足以引起信号丢失或VSWR问题 但腐蚀会像一个品质很差的二极管一样造成细微互调 如果附近有几个大功率发射器 那么产生的互调会强到足以干扰移动手机与基站之间的微弱通信信号 找出这类问题根源最难的地方在于松开天线系统一个连接器会打乱氧化程度并暂时使问题中止 此时你必须花更多时间认真记录旋松或拧紧的是哪一个连接器并在每步之后进行试验以确定它是否就是罪魁祸首 11 谐波在实际情况下 信号中有可能还有强到能产生干扰的基频谐波 例如美国甚高频电视发射器就要求安装一个滤波器将其谐波至少减小到主载波60dB以下 最麻烦的谐波是三次谐波 因为它很容易由发射器中小的非线性元件产生 一个在621 25MHz下工作的5MW电视信号发射器 其三次谐波为1863 75MHz 即使在60dB以下 滤波之后 三次谐波还有5W 从俯瞰城市的高处发出这种频率和功率信号很容易给全城蜂窝移动通信信号带来极大破坏 谐波信号还有一个特性使它更难辨识其来源 产生谐波的乘法过程会改变频谱图 其宽度和偏差都要乘以和载波频率一样的因数 例如一个位于157 54MHz下13kHz宽的双向无线FM信号的10次谐波为130kHz宽 基波只有5kHz偏移在谐波频率1575 4MHz下会变成50kHz 如果这种发射器与一个基站共用一个发射塔 其10次谐波将完全覆盖GPS接收器 使基站瘫痪 对一个100WFM发射器 总共需要约195dB的衰减才能避免这种干扰 要用天线隔离和滤波器抑制才能实现 12 抗干扰信号处理技术 13 设备内部的干扰 如 收发干扰 邻道干扰等 现场干扰 如 多径干扰 多用户干扰 环境噪声干扰 其它电台的干扰等 军事通信中的敌意干扰 指敌方为电子战需要而施放的干扰 如 阻塞干扰 压制干扰 跟踪干扰 瞄准干扰 窄带干扰 单频干扰 宽带干扰 梳状干扰 脉冲干扰 升空干扰 智能化干扰等 通信干扰环境 14 通信抗干扰性能 抗干扰性能之一 信号隐蔽性无线信号的隐蔽性单位面积天线 在单位带宽中所能截获的信号功率信号方式的隐蔽性双工方式 调制方式 多路方式 编码方式 同步方式信号参数的隐蔽性与抗干扰有关的参数 如 扩频序列 跳频序列 同步参数 信令参数等 抗干扰性能之二 信号鲁棒性用干扰容限定义PJ PS 条件 设备性能 工作环境 干扰性质 三个层次的条件 即 a 设备性能 如 比特差错率 语音质量 同步及信令性能 网络性能等 可以定一个门限 在此门限以下用户不能接受 b 工作环境 如 单台设备还是多台设备 有无天线抗干扰措施 干扰源是否升空等 c 干扰性质 如 干扰性质 干扰强度 干扰时间等 15 通信抗干扰分类 频率域 频率域处理 如 直扩 跳频 跳扩 时间域 采用时间域处理 如 瞬时 跳时等 空间域 采用空间域处理 如 自适应天线采用等 其它数字处理 如 干扰抵销 纠错编码等 16 直接序列扩频 扩频 调制 信息比特发送 扩频序列 载波 解扩 解调 扩频序列同步 载波同步 信息比特接收 fb fc f0 G fc fb扩频增益 原理框图 f0 fc fb 2fc 窄带干扰 信号 干扰 扩频调制 接收解扩 频谱图 17 跳频 调制 变频 信息比特发送 中频载波 跳频频综 解跳 解调 载波同步 信息比特接收 fb fi f01f02 f0N G N跳频增益 跳频图案 f01f02 f0N 跳频频综 跳频图案同步 fi 频谱图 f0 fi fb 窄带干扰 信号 干扰 跳频调制 接收解跳 原理框图 18 跳扩频 调制 变频 信息比特发送 中频载波 跳频频综 解跳 解扩 载波同步 信息比特接收 fb fi f01f02 f0N 跳频图案 f01f02 f0N 跳频频综 跳频图案同步 fi 扩频 扩频序列 解调 fc 扩频序列同步 原理框图 跳扩频增益G N fc fb 19 时间域 瞬时通信这是潜艇通信常用的方法 先进行信息压缩 然后以很短的时间发送出去 特点 1 隐蔽性好 2 抗干扰能力强 3 信息速率低 4 延时大 非实时业务 跳时通信基本是一个TDM或TDMA系统 时隙不用满 按某种跳时图案在各个时隙上进行跳时 有一定的隐蔽性和抗干扰性 目前使用不多 20 空间域 定向天线天线波束越窄 电波隐蔽性好 抗干扰性也强 从抗干扰角度 全向天线不如定向天线 采用毫米波频段 天线方向性很好 有利于通信抗干扰 自适应调零天线利用相控阵天线原理 在干扰源方向形成波束的零点 利用数字信号处理技术对干扰信号进行识别和检测 利用自适应技术自动调整天线波束的零点指向 使干扰信号最小 不足 在零点方向形成盲区 影响这个区域内用户的正常通信 21 体制的比较 阻塞干扰可以是窄带 部分带 梳状干扰等 一般跳频优于一般直扩这是因为直扩增益一般都小于滤波器的防护度 跳频最好再加上纠错编码措施某些跳频点碰上干扰 可以通过纠错消除误码 跳频最好再加上自适应调零天线增加对抗特强干扰的能力 跟踪干扰过程 对信号进行侦测 分析 引导干扰机跟上信号 快跳频是对付跟踪干扰的最好方法 临界跳速 150KHz d km 如果跳速做不快 可以采用跳扩结合的方法 因为扩频增加了信号的隐蔽性 不容易被跟踪 从抗干扰的角度 很少采用直扩 22 对直扩 跳频抗阻塞干扰的说明 PJ PJ PJ G PJ PJ PJ L滤波器 23 对跟踪干扰和临界跳速的说明 电台1 电台2 侦察 分析 引导时间 接收时间 发送时间 干扰机 T总 T接收 T发送 T侦察 分析 引导 24 对跟踪干扰和临界跳速的说明 续 fi fj T总 T跳频 T总 T跳频 干扰 干扰 有效干扰时间 T跳频 25 关键技术 26 天线及射频 射频技术宽频带射频收发技术大功率线性功放大动态范围接收机前端低损耗跳频滤波器快速捷变频综 天线技术宽频带或多频段天线技术窄波束天线自适应调零天线智能天线天线阵技术 27 扩频的某些技术要点 有效性问题扩频是以频带换取抗干扰能力 因而降低了传输的有效性 解决方法 采用多进制直扩技术 基本原理是利用直扩码的正交性 形成并行传输的通道 从而降低所需的带宽 可靠性问题扩频抗干扰的基本机理是降低干扰的功率密度或碰撞概率 但不能完全消除误码 解决方法 采用纠错 并把信道编码和扩频处理结合起来 跳频同步为了实现跳频电台的正常通信 必须要求网内电台有相同的跳频图案 准确的时钟信息 这就需要跳频同步 方法 军用电台目前流行的是同步字头法 即通过移动台对中心台发出的时变跳频图案进行搜索 实现移动台对中心台的跳频同步 要求 同步信息的隐蔽性 传输的可靠性 同步建立的快速性 即具有抗干扰能力强 同步时间短 传输可靠等优点 28 快速跳频 这是针对中 低速跳频通信系统易受跟踪式干扰而采用的一项最新技术 目前国际上还停留在理论研究阶段 尚未实用 其主要原理是 移动通信系统以高于信息速率的跳速在很宽的频带上进行频率跳变 即每个信息比特跳几跳以上 相当于跳速高达100KHz 1MHz 比目前的跳速提高100 1000倍 与中 低速跳频方式相比 这种体制的显著特点是 能有效地对抗敌方的跟踪式干扰和转发式干扰 能消除宽带移动通信中多径效应造成的不利因素 大大提高数据传输时的误码性能 从而提高可通率 以上这些优点特别适用于新一代的军用无线通信 29 MIMO无线传输技术是通信领域的一项重要技术突破 近年来引起了人们的广泛关注与研究兴趣 MIMO技术是指在发射端通过多个发射天线传送信号 在接收端使用多个接收天线接收信号的无线通信技术 目前理论已经证明应用MIMO技术能极大地提高无线通信系统的性能和容量 将MIMO技术与OFDM 时空编码相结合 就能同时实现空间分集 频率分集和时间分集 这样就能在空域 频域和时域上实现抗干扰 由于MIMO通信系统提供的信道容量很大 这就为数据率提供了一个很大的变化范围 因此在速度域上也能实现抗干扰 但是 将MIMO技术应用到通信抗干扰中 如干扰MIMO的信道模型 天线配置 功率分配 信号检测 空时编码等许多问题需要探讨 多输入多输出 MIMO 30 正交频分复用 OFDM即正交频分复用技术 实际上OFDM是MCMMulti CarrierModulation 多载波调制的一种 其主要思想是 将信道分成若干正交子信道 将高速数据信号转换成并行的低速子数据流 调制到在每个子信道上进行传输 正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开 这样可以减少子信道之间的相互干扰ICI 每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽 因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落 从而可以消除符号间干扰 而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分 信道均衡变得相对容易 在向B3G 4G演进的过程中 OFDM是关键的技术之一 可以结合分集 时空编码 干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术 最大限度的提高了系统性能 31 TurboCode 提出 Turbocode码又称并行级联码 是1993年法国学者提出的一种性能接近极限的信道编码结构及相应的译码算法 特点 仙农的信息论给出了信道传输能力的上限 即信道容量 然而这个极限始终未能达到 传统的信道编码都有不同程度的纠错能力 但离信道的容量极限还相距甚远 使得信道资源一直得不到充分的利用 Turbocode则突破了传统的编码结构与思路 它采用了并行级联码的结构和利用软输出译码算法的迭代译码方法 在理论上可提供接近极限的能力 应用 由于Turbocode的这种优异性能 其应用价值十分广阔 尤其是军用移动通信领域 在实战场合的电磁环境和电子对抗情况下 射频强干扰无处不在 在这样恶劣的环境中进行可靠的通信对编码提出了更高的要求 传统编码是很难达到的 而Turbocode则可充分利用这种信道所能提供的通信能力 32 虚拟智能天线技术 最近的年份较先进的通信技术是智能天线技术 智能天线可以压制敌人的多方干扰 信号干扰比增加几十分贝 无线电抗干扰的有效性并不比一般的抗干扰电台差 虚拟智能天线是使用或借用同一地理区域和类似的其他通讯装备天线之间的相互作用 实现了类似智能天线的功能 以提高天线的信号接收端的干扰比和提高抗干扰性能 也可解释为本地区内所有类似通信设备的物理天线形成了智能虚拟网络 该机制是与MIMO不同的多天线发射和多天线接受技术 多通道信号处理和多通道信号的交互式实现虚拟智能天线的关键 智能天线技术相对成熟 数字信号处理技术和智能天线技术的不断发展使终端接收和发送多个信号成为可能 而在蜂窝移动通信技术里 现在的技术已经可以实现基站和移动台之间的互相控制 这些技术为虚拟智能天线的研究提供了很好的基础 虚拟智能天线 33 超窄带技术 近年来 高速通信和信息技术的发展 人们提出了新的概念和高度创新的技术 UWB 超宽带 和UNB 超窄带 无线通信系统特别引起了关注 前者从系统到实际已取得初步成功 广泛的应用于军事 后者的研究则是刚刚开始 超窄带 34 软件无线电 提出 1992年在美国首先提出这个概念 并在美军的多频段多模式电台 Speakeasy 中得到应用 美国麻省理工学院的一些计算机科学家开始进行软件无线电体系结构的研究 近年美国还组成软件无线电Forum 加快实用化的步伐 特点 什么是软件无线电 软件无线电是将模块化 标准化的硬件单元以总线或网络的方式连接构成基本平台 并通过软件加载实现各种无线通信功能的一种开放式体系结构 软件无线电体现三个开放性 对研制的开放性 对生产的开放性 对使用的开放性 是无线通信的第三次革命 应用 a 可实现各种电台互联互通的无线网关b 可接入各种军用移动通信网的多功能车载电台c 可实现空中转信的多功能空中平台d 可进行智能化通信侦察与抗干扰的电子对抗系统 35 智能化对抗 智能化电子对抗是新一代军用通信系统发展的必然趋势 通信抗干扰的智能化 1 对战场电磁环境的智能化侦测和分析 2 智能化天线技术 把空间信号处理引入电子对抗 3 智能化跳扩频技术 根据战场情况实现电子对抗体制及参数的最优化 4 网络的智能化抗干扰技术 根据战场情况实现网络结构 信令及控制的最优化 36 应用前沿 37 抗跟踪干扰 现有的对抗跟踪干扰或单频干扰手段 主要靠慢跳频或中速跳频 跳频对躲避固定干扰有很好的作用 然而 目前的信号检测手段也日新月异 检测能力日益加强 目前任一种DSP芯片的FFT速度能够很容易地达到1ms以下 即现有的跳频系统很容量受到跟踪干扰的攻击 解决这个问题的根本办法就是采用快速跳频 也就是说要将跳频速率提高到每个频点的停留时间不超过从通信发射机到干扰机再到通信接收机的传播延迟 从而使最理想的跟踪干扰或转发干扰到达接收机的时间超过有效的通信时隙而失去干扰作用 例如 当干扰机在10km以外时 只要跳频速率达到15KHz即可彻底解决跟踪干扰和转发干扰问题 38 抗阻塞干扰 传统的通信系统 特别是宽带系统 跳频和扩频 对干扰的抑制主要靠中频滤波 然而由于前端高频放大器和混频器都是非线性器件 在有强干扰时会产生不可恢复的交调干扰和噪声恶化 即产生射频前端的阻塞 解决办法 1 尽量提高前端器件的线性动态范围 2 将增益尽量分配在中放 3 更重要的和更直接的方法是在天线和高放间引入可快速编程的高Q无源跳频滤波器 从而大幅度降低进入有源器件的干扰电平 提高抗阻塞能力 39 抗部分带干扰 现有的无