無線電騷擾統(tǒng)計(jì)參量的檢測(cè)及應(yīng)用

0 引言

作為一種新的測(cè)量方法和研究騷擾特性的手段，幅度概率分布（APD）和噪聲幅度分布（NAD）等統(tǒng)計(jì)測(cè)量方法正受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。隨著CISPR把APD測(cè)量方法提到標(biāo)準(zhǔn)議程，國內(nèi)越來越多的學(xué)者也開始關(guān)注這一新的測(cè)量方法。

無線電噪聲統(tǒng)計(jì)測(cè)量方法可以追溯到上世紀(jì)50年代，但之所以稱之為一種新的測(cè)量方法是因?yàn)樽畛醯慕y(tǒng)計(jì)測(cè)量方法主要是用來分析大氣噪聲，隨后又用來研究城市噪聲等人為干擾，但是如何應(yīng)用這些統(tǒng)計(jì)模型，當(dāng)時(shí)還沒有進(jìn)一步的研究。最近幾年，隨著數(shù)字通信的飛速發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的峰值、準(zhǔn)峰值等測(cè)量方法無法用來預(yù)測(cè)騷擾對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)性能的影響，尤其是在預(yù)測(cè)脈沖性質(zhì)的騷擾對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)性能的影響方面，傳統(tǒng)的測(cè)量方法更顯得無能為力�；�于這種考慮，國際學(xué)術(shù)界開始關(guān)注騷擾的統(tǒng)計(jì)參量與數(shù)字通信系統(tǒng)性能之間的關(guān)系。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，騷擾的統(tǒng)計(jì)參量，尤其是幅度概率分布（APD）和噪聲幅度分布（NAD）與數(shù)字通信系統(tǒng)誤碼率之間具有很大的關(guān)聯(lián)性。在這方面，本文作了一些初步的研究，文章的第三部分將展示部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

目前，CISPR已經(jīng)討論通過了APD測(cè)量?jī)x器的標(biāo)準(zhǔn)草案，相信正式的國際標(biāo)準(zhǔn)不久將會(huì)出臺(tái)�，F(xiàn)在國際上對(duì)APD統(tǒng)計(jì)測(cè)量方法的研究主要集中在研究統(tǒng)計(jì)參量與各種制式數(shù)字通信系統(tǒng)性能之間的關(guān)系，以及如何通過這些統(tǒng)計(jì)參量來預(yù)測(cè)騷擾對(duì)各種制式數(shù)字通信系統(tǒng)的影響。這些研究結(jié)果對(duì)于制定APD等統(tǒng)計(jì)參量的限值標(biāo)準(zhǔn)具有重要的意義。目前對(duì)于限值標(biāo)準(zhǔn)，CISPR的各個(gè)產(chǎn)品委員會(huì)還沒有統(tǒng)一的建議，因此我們也應(yīng)該加強(qiáng)這方面的研究工作，積極地參與到標(biāo)準(zhǔn)的制訂中。這對(duì)于今后的無線電設(shè)備檢測(cè)工作將具有深遠(yuǎn)的意義。

此外，國際上有學(xué)者用APD等統(tǒng)計(jì)測(cè)量方法來研究低功率小信號(hào)，如超寬帶信號(hào)等對(duì)通信系統(tǒng)性能的影響。因?yàn)檫@些低功率譜密度的信號(hào)按照常規(guī)的檢測(cè)方法很容易淹沒在背景噪聲之中，而APD等統(tǒng)計(jì)測(cè)量方法在這方面提供了一個(gè)很好解決方案。這也給無線電設(shè)備檢測(cè)工作提出了一個(gè)新的研究方向。

1 統(tǒng)計(jì)測(cè)量理論基礎(chǔ)

APD等統(tǒng)計(jì)測(cè)量方法建立在概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)之上。統(tǒng)計(jì)測(cè)量最重要的一個(gè)目的是獲得無線電騷擾的概率密度函數(shù)，這是統(tǒng)計(jì)參量的基礎(chǔ)，在最初的研究中，有兩種備選方案：

(a)在某一時(shí)間間隔Δt內(nèi)騷擾電平位于區(qū)間[y0,y0+Δy]內(nèi)的概率，用公式(1)表示為:

（1）。

(b)在某段時(shí)間Δt內(nèi)騷擾電平超過y0的概率，用公式(2)表示為：

（2）。

其中f(y)表示的是騷擾的概率密度函數(shù)。

考慮到實(shí)際電路實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度，選用公式(2)給出的表達(dá)式作為測(cè)量方法的基礎(chǔ)，而(2)給出的公式正是我們現(xiàn)在正在研究的幅度概率分布(APD)的一種表述形式，它給出了APD與概率密度函數(shù)之間的關(guān)系。

CISPR給出的APD定義為：干擾幅度超過規(guī)定電平的時(shí)間概率，即：

（3）。

其中P(Ai)是干擾包絡(luò)的累積概率分布，其離散的形式可寫為：

（4）。

其中R是門限電平，T是測(cè)量總時(shí)間，tk是第k個(gè)幅度超過R的脈沖的持續(xù)時(shí)間。

APD是包絡(luò)的一階統(tǒng)計(jì)量，它反映了干擾的幅度統(tǒng)計(jì)特性。

另一個(gè)重要的統(tǒng)計(jì)參量是噪聲幅度分布（Noise Amplitude Distribution, NAD），它表示的是包絡(luò)正向穿過某個(gè)電平的速率，即：

NAD(Ai)=n(Ai)/T （5）。

其中n(Ai)表示在時(shí)間T內(nèi)正向穿過Ai的次數(shù)。NAD描述了干擾包絡(luò)的時(shí)間統(tǒng)計(jì)特性。

此外還有兩個(gè)常用的統(tǒng)計(jì)參量是脈沖持續(xù)分布（Pulse Duration Distribution,PDD）和脈沖間隔分布（Pulse Spacing Distribution,PSD）。脈沖持續(xù)分布表示的是脈沖持續(xù)時(shí)間超過某個(gè)值的概率，而脈沖間隔分布描述的是脈沖間隔時(shí)間超過某個(gè)值的概率，這兩個(gè)參數(shù)互為補(bǔ)充，反映了包絡(luò)的時(shí)間統(tǒng)計(jì)特性。
 
　　2 騷擾統(tǒng)計(jì)參量的檢測(cè)

騷擾的統(tǒng)計(jì)參量描述的是騷擾經(jīng)過接收機(jī)的中頻濾波器之后包絡(luò)的統(tǒng)計(jì)特性，而分析騷擾對(duì)通信系統(tǒng)的影響同樣需要了解騷擾經(jīng)過通信系統(tǒng)接收之后的特性。因此無線電騷擾統(tǒng)計(jì)參量的檢測(cè)條件應(yīng)該盡可能與通信系統(tǒng)接收機(jī)的條件保持一致。圖1給出了APD檢測(cè)和誤碼率測(cè)試的布置框圖。

圖1 APD檢測(cè)與數(shù)字通信系統(tǒng)之間的關(guān)系

進(jìn)行騷擾統(tǒng)計(jì)參量檢測(cè)工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一是檢測(cè)設(shè)備，參考文獻(xiàn)[2]給出了APD測(cè)量設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)草案，這個(gè)草案已經(jīng)討論通過，正式的標(biāo)準(zhǔn)即將出臺(tái)。參考文獻(xiàn)[4]和參考文獻(xiàn)[5]均對(duì)APD測(cè)量?jī)x器的要求作了比較詳細(xì)的介紹。我們現(xiàn)在已經(jīng)完成了APD測(cè)量?jī)x器的初步研制工作，該APD測(cè)試儀以FPGA和單片機(jī)為核心，采用了參考文獻(xiàn)[2]中的第二種方案，如圖2所示。

圖2 參考文獻(xiàn)[2]中的APD測(cè)量電路

圖2中N位模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成騷擾包絡(luò)的模數(shù)轉(zhuǎn)換，即把包絡(luò)電平分為格，每格之間的間隔為0.25dB，由此決定此測(cè)量?jī)x的動(dòng)態(tài)范圍為0.25×2NdB。然后把模數(shù)轉(zhuǎn)換之后的N位數(shù)據(jù)作為RAM的地址，每個(gè)RAM中存放一個(gè)+1計(jì)數(shù)器，每當(dāng)該RAM被選中，其中的計(jì)數(shù)器就完成一次+1的操作，最后計(jì)算超過某一電平的采樣數(shù)總和與總的采樣數(shù)之比，即為該電平的幅度概率分布。

我們研制的測(cè)量?jī)x還可以實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的交互，滿足參考文獻(xiàn)[2]中制定的APD測(cè)量?jī)x的指標(biāo)，其中動(dòng)態(tài)范圍、幅度精度、采樣率等甚至超出了該指標(biāo)要求。我們下一步的工作是要對(duì)該APD測(cè)量?jī)x進(jìn)一步優(yōu)化，同時(shí)利用該測(cè)量?jī)x來研究各種無線電騷擾的性能。

3 騷擾統(tǒng)計(jì)參量檢測(cè)的應(yīng)用

之前已經(jīng)提到騷擾的統(tǒng)計(jì)參量與騷擾對(duì)數(shù)字通信性能的影響有著密切的聯(lián)系，本節(jié)將首先展示一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并由此來說明統(tǒng)計(jì)參量檢測(cè)的意義。

實(shí)驗(yàn)中，我們選擇的通信系統(tǒng)為小靈通（PHS）系統(tǒng)，其工作頻段設(shè)定為1906.85MHz，信道帶寬300kHz，調(diào)制方式為DQPSK，TDMA時(shí)分雙工；騷擾設(shè)定為脈沖調(diào)制正弦波，脈沖重復(fù)頻率（PRF）從1kHz到1MHz變化，實(shí)驗(yàn)的布置如圖1所示。

在此條件下我們分別測(cè)試了騷擾的APD統(tǒng)計(jì)特性和在此騷擾下的PHS系統(tǒng)的誤碼率（BER），測(cè)試結(jié)果分別如圖3和圖4所示。圖3橫軸表示的是騷擾電平，縱軸表示的是超過某一電平的概率，即幅度概率分布。圖4橫軸表示的是PHS系統(tǒng)有用信號(hào)的電平，縱軸表示的是系統(tǒng)的誤碼率。從圖3和圖4的對(duì)比中，我們可以看出，APD測(cè)量結(jié)果和BER測(cè)量結(jié)果以PRF=200kHz時(shí)的曲線為分界，呈現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，圖中以粗實(shí)線標(biāo)出。這一測(cè)量結(jié)果從定性的角度驗(yàn)證了APD同BER之間密切的關(guān)系，而定量關(guān)系還需要做大量的實(shí)驗(yàn)來得出合理的結(jié)果。

圖3 脈沖調(diào)制正弦波包絡(luò)的APD測(cè)量結(jié)果

圖4 脈沖干擾下的PHS系統(tǒng)誤碼率

在本次實(shí)驗(yàn)中我們只是說明了統(tǒng)計(jì)參量中的APD與數(shù)字通信系統(tǒng)之間的關(guān)系，而沒有涉及到NAD等其他的統(tǒng)計(jì)參量，這是因?yàn)槲覀冊(cè)诿看蔚膶?shí)驗(yàn)過程中所用騷擾信號(hào)是固定重復(fù)頻率的，而如果騷擾信號(hào)是復(fù)雜的脈沖干擾信號(hào)，則必須借助NAD等其他統(tǒng)計(jì)參量。而這需要做大量的研究工作才能得到準(zhǔn)確的結(jié)論，而這也是目前國際上討論的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。

通過上面的實(shí)驗(yàn)，我們驗(yàn)證了騷擾的APD與數(shù)字通信系統(tǒng)之間的關(guān)系。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們可以利用騷擾的APD檢測(cè)結(jié)果來預(yù)測(cè)騷擾對(duì)數(shù)字通信系統(tǒng)誤碼率的影響。這正是無線電騷擾統(tǒng)計(jì)參量檢測(cè)的意義所在。通過大量的研究結(jié)果，我們還可以制訂出無線電騷擾統(tǒng)計(jì)參量的限值標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而可以把無線電騷擾統(tǒng)計(jì)參量的檢測(cè)作為一種手段來維護(hù)空中電波秩序，保證數(shù)字通信系統(tǒng)之間的電磁兼容性。

4 結(jié)論

本文介紹了目前備受國際國內(nèi)關(guān)注的無線電騷擾統(tǒng)計(jì)測(cè)量的原理及其最新進(jìn)展，指出了當(dāng)前我國無線電檢測(cè)工作所面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。眾所周知，無線電設(shè)備檢測(cè)工作必須以標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，同時(shí)要有檢測(cè)設(shè)備的支撐，因此我們必須緊跟技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，關(guān)注國際標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)，加大研究工作的力度。

在目前國際標(biāo)準(zhǔn)還沒有完善之前，我們的研究工作重點(diǎn)應(yīng)放在檢測(cè)設(shè)備的研制、標(biāo)準(zhǔn)限值以及測(cè)試測(cè)量方法等方面，這對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)之后的檢測(cè)工作將具有深遠(yuǎn)的意義。

參考文獻(xiàn)

[1] CISPR 16-3 Amd.1 f2 Ed.2.0, Background Material to Amplitude Probability Distribution (APD) Specifications, 2005.

[2] CISPR 16-1-1 Ed.2, Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods - Part 1-1: Radio disturbance and immunity measuring apparatus - Measurement apparatus, 2005.

[3] 沙斐，張林昌. 電磁干擾的統(tǒng)計(jì)參量APD和NAD的特性及其測(cè)量[J]. 北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1983.2：11－27.

[4] 宋起柱，王文儉. 幅度概率分布(APD) 測(cè)量技術(shù)介紹. 中國無線電, 2006, No.12 P.24-27.

[5] 聞?dòng)臣t. 無線電騷擾的統(tǒng)計(jì)參量測(cè)量法——幅度概率分布(APD). 安全與電磁兼容, 2006.

[6] R.S. Hoff, R.C. Johnson, A Statistical Approach to the Measurement of Atmospheric Noise, Proceedings of the IRE, Volume 40,?Issue 2,?Feb. 1952, Page(s):185187.

[7] M Schmidt, H Jakel, F Jondral. Influence of the amplitude distribution to the interference of UWB signals on radio receivers. Global Telecommuni- cations Conference, 2005. GLOBECOM’05.

[8] K Hori, H Tsutagaya, S Kazama. The analyzing method of low-level jamming signals for digital wireless communication equipments. Electromagnetic compatibi- lity, 2005 International Symposium on Volume 1,? 8-12 Aug. Page(s):216 - 221 Vol. 1