无线电骚扰统计参量的检测及应用

yangjin0730

  无线电骚扰统计参量的检测及应用

作为一种新的测量方法和研究骚扰特性的手段，幅度概率分布（APD）和噪声幅度分布（NAD）等统计测量方法正受到业界的广泛关注。随着CISPR把APD测量方法提到标准议程，国内越来越多的学者也开始关注这一新的测量方法。
无线电噪声统计测量方法可以追溯到上世纪50年代，但之所以称之为一种新的测量方法是因为最初的统计测量方法主要是用来分析大气噪声，随后又用来研究城市噪声等人为干扰，但是如何应用这些统计模型，当时还没有进一步的研究。最近几年，随着数字通信的飞速发展，人们发现传统的峰值、准峰值等测量方法无法用来预测骚扰对数字通信系统性能的影响，尤其是在预测脉冲性质的骚扰对数字通信系统性能的影响方面，传统的测量方法更显得无能为力。基于这种考虑，国际学术界开始关注骚扰的统计参量与数字通信系统性能之间的关系。经过研究发现，骚扰的统计参量，尤其是幅度概率分布（APD）和噪声幅度分布（NAD）与数字通信系统误码率之间具有很大的关联性。在这方面，本文作了一些初步的研究，文章的第三部分将展示部分实验结果。
目前，CISPR已经讨论通过了APD测量仪器的标准草案，相信正式的国际标准不久将会出台。现在国际上对APD统计测量方法的研究主要集中在研究统计参量与各种制式数字通信系统性能之间的关系，以及如何通过这些统计参量来预测骚扰对各种制式数字通信系统的影响。这些研究结果对于制定APD等统计参量的限值标准具有重要的意义。目前对于限值标准，CISPR的各个产品委员会还没有统一的建议，因此我们也应该加强这方面的研究工作，积极地参与到标准的制订中。这对于今后的无线电设备检测工作将具有深远的意义。
此外，国际上有学者用APD等统计测量方法来研究低功率小信号，如超宽带信号等对通信系统性能的影响。因为这些低功率谱密度的信号按照常规的检测方法很容易淹没在背景噪声之中，而APD等统计测量方法在这方面提供了一个很好解决方案。这也给无线电设备检测工作提出了一个新的研究方向。
1 统计测量理论基础
APD等统计测量方法建立在概率论和数理统计的基础之上。统计测量最重要的一个目的是获得无线电骚扰的概率密度函数，这是统计参量的基础，在最初的研究中，有两种备选方案：
(a)在某一时间间隔Δt内骚扰电平位于区间[y0,y0+Δy]内的概率，用公式(1)表示为:
（1）。
(b)在某段时间Δt内骚扰电平超过y0的概率，用公式(2)表示为：
（2）。
其中f(y)表示的是骚扰的概率密度函数。
考虑到实际电路实现的复杂程度，选用公式(2)给出的表达式作为测量方法的基础，而(2)给出的公式正是我们现在正在研究的幅度概率分布(APD)的一种表述形式，它给出了APD与概率密度函数之间的关系。
CISPR给出的APD定义为：干扰幅度超过规定电平的时间概率，即：
（3）。
其中P(Ai)是干扰包络的累积概率分布，其离散的形式可写为：
（4）。
其中R是门限电平，T是测量总时间，tk是第k个幅度超过R的脉冲的持续时间。
APD是包络的一阶统计量，它反映了干扰的幅度统计特性。
另一个重要的统计参量是噪声幅度分布（Noise Amplitude Distribution, NAD），它表示的是包络正向穿过某个电平的速率，即：
NAD(Ai)=n(Ai)/T （5）。
其中n(Ai)表示在时间T内正向穿过Ai的次数。NAD描述了干扰包络的时间统计特性。
此外还有两个常用的统计参量是脉冲持续分布（Pulse Duration Distribution,PDD）和脉冲间隔分布（Pulse Spacing Distribution,PSD）。脉冲持续分布表示的是脉冲持续时间超过某个值的概率，而脉冲间隔分布描述的是脉冲间隔时间超过某个值的概率，这两个参数互为补充，反映了包络的时间统计特性。
2 骚扰统计参量的检测
骚扰的统计参量描述的是骚扰经过接收机的中频滤波器之后包络的统计特性，而分析骚扰对通信系统的影响同样需要了解骚扰经过通信系统接收之后的特性。因此无线电骚扰统计参量的检测条件应该尽可能与通信系统接收机的条件保持一致。图1给出了APD检测和误码率测试的布置框图。

图1 APD检测与数字通信系统之间的关系
进行骚扰统计参量检测工作的关键环节之一是检测设备，参考文献[2]给出了APD测量设备的标准草案，这个草案已经讨论通过，正式的标准即将出台。参考文献[4]和参考文献[5]均对APD测量仪器的要求作了比较详细的介绍。我们现在已经完成了APD测量仪器的初步研制工作，该APD测试仪以FPGA和单片机为核心，采用了参考文献[2]中的第二种方案，如图2所示。

图2 参考文献[2]中的APD测量电路
图2中N位模数转换器完成骚扰包络的模数转换，即把包络电平分为格，每格之间的间隔为0.25dB，由此决定此测量仪的动态范围为0.25×2NdB。然后把模数转换之后的N位数据作为RAM的地址，每个RAM中存放一个+1计数器，每当该RAM被选中，其中的计数器就完成一次+1的操作，最后计算超过某一电平的采样数总和与总的采样数之比，即为该电平的幅度概率分布。
我们研制的测量仪还可以实现与PC机的交互，满足参考文献[2]中制定的APD测量仪的指标，其中动态范围、幅度精度、采样率等甚至超出了该指标要求。我们下一步的工作是要对该APD测量仪进一步优化，同时利用该测量仪来研究各种无线电骚扰的性能。
3 骚扰统计参量检测的应用
之前已经提到骚扰的统计参量与骚扰对数字通信性能的影响有着密切的联系，本节将首先展示一些实验结果，并由此来说明统计参量检测的意义。
实验中，我们选择的通信系统为小灵通（PHS）系统，其工作频段设定为1906.85MHz，信道带宽300kHz，调制方式为DQPSK，TDMA时分双工；骚扰设定为脉冲调制正弦波，脉冲重复频率（PRF）从1kHz到1MHz变化，实验的布置如图1所示。
在此条件下我们分别测试了骚扰的APD统计特性和在此骚扰下的PHS系统的误码率（BER），测试结果分别如图3和图4所示。图3横轴表示的是骚扰电平，纵轴表示的是超过某一电平的概率，即幅度概率分布。图4横轴表示的是PHS系统有用信号的电平，纵轴表示的是系统的误码率。从图3和图4的对比中，我们可以看出，APD测量结果和BER测量结果以PRF=200kHz时的曲线为分界，呈现出相同的趋势，图中以粗实线标出。这一测量结果从定性的角度验证了APD同BER之间密切的关系，而定量关系还需要做大量的实验来得出合理的结果。

图3 脉冲调制正弦波包络的APD测量结果

图4 脉冲干扰下的PHS系统误码率
在本次实验中我们只是说明了统计参量中的APD与数字通信系统之间的关系，而没有涉及到NAD等其他的统计参量，这是因为我们在每次的实验过程中所用骚扰信号是固定重复频率的，而如果骚扰信号是复杂的脉冲干扰信号，则必须借助NAD等其他统计参量。而这需要做大量的研究工作才能得到准确的结论，而这也是目前国际上讨论的热点和难点之一。
通过上面的实验，我们验证了骚扰的APD与数字通信系统之间的关系。通过实验结果，我们可以利用骚扰的APD检测结果来预测骚扰对数字通信系统误码率的影响。这正是无线电骚扰统计参量检测的意义所在。通过大量的研究结果，我们还可以制订出无线电骚扰统计参量的限值标准，进而可以把无线电骚扰统计参量的检测作为一种手段来维护空中电波秩序，保证数字通信系统之间的电磁兼容性。
4 结论
本文介绍了目前备受国际国内关注的无线电骚扰统计测量的原理及其最新进展，指出了当前我国无线电检测工作所面临的机遇与挑战。众所周知，无线电设备检测工作必须以标准为依据，同时要有检测设备的支撑，因此我们必须紧跟技术的发展趋势，关注国际标准的动态，加大研究工作的力度。
在目前国际标准还没有完善之前，我们的研究工作重点应放在检测设备的研制、标准限值以及测试测量方法等方面，这对于标准出台之后的检测工作将具有深远的意义。