超寬帶信號對北斗信號干擾分析*

李冬霞呂自鵬劉瑞華

中國民航大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津300300

超寬帶信號對北斗信號干擾分析*

李冬霞呂自鵬 劉瑞華

中國民航大學(xué)電子信息與自動化學(xué)院，天津300300

超寬帶(UWB)信號頻譜可覆蓋北斗(BDS)導(dǎo)航信號頻率范圍，對北斗接收機的正常工作造成干擾威脅。針對這一問題，通過理論分析、計算機仿真并結(jié)合真實北斗B1信號，研究了在跳時-脈位調(diào)制(TH-PPM)方式下的UWB信號對北斗軟件接收機的干擾情況，并給出了減輕干擾的途徑。

超寬帶；北斗；干擾；軟件接收機

超寬帶(UWB)通信是一種新型的擴頻傳輸技術(shù)，與其他通信技術(shù)的根本不同之處在于它不使用載波，而是采用皮秒至納秒寬度的脈沖來傳輸數(shù)據(jù)。由于UWB具有抗干擾性能強、傳輸速率高和發(fā)送功率小等諸多優(yōu)勢，正逐漸成為一項倍受關(guān)注的技術(shù)，在雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域和許多民用通信領(lǐng)域[1-2]得到應(yīng)用。UWB占用的頻帶非常寬，需要加入多址來區(qū)分不同用戶，如跳時多址，直接序列多址和脈沖波形多址等，其中跳時多址是最典型的一種方式。

中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是繼美國GPS、俄羅斯GLONASS之后第3個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的導(dǎo)航信號到達(dá)接收機天線輸出端的最小保證電平只有-163dBw[3]，遠(yuǎn)低于環(huán)境熱噪聲基底，易受其他信號干擾，從而導(dǎo)致其接收機工作性能下降，甚至失去定位能力。UWB信號能量在很寬的頻率范圍上分布—從接近直流到幾個GHz[2]，覆蓋了北斗系統(tǒng)工作頻帶。考慮到未來UWB設(shè)備將會廣泛應(yīng)用，UWB信號對北斗接收機的正常工作造成的干擾威脅將無法避免。此外，中國民航未來的主用導(dǎo)航系統(tǒng)也會逐步過渡到以北斗系統(tǒng)為基礎(chǔ)，兼容多導(dǎo)航星座的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。而諸如UWB等電磁干擾對北斗導(dǎo)航的精度、完好性、連續(xù)性和可用性都會構(gòu)成嚴(yán)重威脅，影響飛機飛行安全。因此，研究UWB信號對BDS接收機的干擾有重要的現(xiàn)實意義。

針對超寬帶信號對導(dǎo)航信號的干擾問題，國內(nèi)外學(xué)者就不同UWB脈沖重復(fù)頻率、脈寬、UWB設(shè)備數(shù)量以及與導(dǎo)航接收機的不同距離等因素對導(dǎo)航信號的干擾情況進(jìn)行分析[4-7]，得到了一系列影響干擾效果的超寬帶信號參數(shù)特征，例如隨脈沖寬度的增加，接收機失鎖時對應(yīng)的脈沖幅值呈現(xiàn)先減后增[7]的變化規(guī)律。但已有的研究中對于最典型實用的采用跳時-脈位調(diào)制(TH-PPM)方式的UWB信號，其跳時碼周期和上界對導(dǎo)航信號干擾效果的影響沒有深入分析，而具有不同跳時碼周期和上界的UWB信號對北斗信號造成的干擾效果明顯不同，其影響不可忽視。

本文基于北斗系統(tǒng)真實信號以及軟件接收機，研究加入跳時多址和脈沖位置調(diào)制下的UWB信號對北斗信號的干擾情況，研究結(jié)果對評估UWB信號的干擾特性以及二者共存環(huán)境下北斗軟件接收機工作性能的評估具有一定的參考價值。

1 UWB系統(tǒng)模型

工程中，UWB系統(tǒng)的發(fā)射波形常建模為一個高斯函數(shù)及其各階導(dǎo)數(shù)，本文采用高斯二階導(dǎo)數(shù)脈沖作為發(fā)送脈沖，其時域表達(dá)式為[8]：

(1)

其中，參數(shù)σ影響脈沖的寬度和幅度，σ減小，脈沖幅度增大，脈沖寬度變窄。UWB脈沖時域波形見圖1。

圖1 單脈沖波形(σ=0.15ns)

由N個單脈沖組成的二階高斯脈沖序列為：

(2)

其中，Ts是脈沖間隔。

上述高斯脈沖序列功率譜密度為：

(3)

其中，P(f)為p(t)的傅里葉變換。由式(3)可見，在頻率點f=k/Ts處有離散譜線存在，兩譜線間隔即為脈沖重復(fù)頻率fPRF=1/Ts。

在頻段[a,b]內(nèi)的脈沖功率為：

(4)

其中，I(·)為階躍函數(shù)。若[a,b]為北斗軟件接收機工作頻段，且有高強度的UWB離散譜線落入該頻帶，則會對接收機產(chǎn)生干擾。

加入跳時-脈沖位置調(diào)制(TH-PPM)后UWB脈沖序列信號為[9]：

(5)

其中，第j個脈沖對應(yīng)的時刻為jTb-ηj-bjε，Tb為比特間隔，ηj表示由跳時碼引起的時間偏移，bj為二進(jìn)制信息，ε為時間偏移常量，bjε為由PPM調(diào)制引起的脈沖位移。

2 UWB信號對BDS信號干擾分析

為充分分析UWB信號對BDS信號的干擾問題，將UWB信號分為以下3種具體形式，分別分析其對BDS信號產(chǎn)生的影響：1)未經(jīng)調(diào)制的UWB信號；2)加入跳時多址的UWB信號(TH-UWB)；3)加入跳時多址和脈沖位置調(diào)制的UWB信號(TH-PPM-UWB)。

2.1 未調(diào)制的UWB信號對BDS信號干擾分析

未經(jīng)調(diào)制的UWB信號由等間隔脈沖組成，脈沖間隔為Ts，從式(3)看出，其功率譜密度呈離散譜線分布，譜線間隔為脈沖重復(fù)頻率(fPRF)，信號功率集中在脈沖重復(fù)頻率整數(shù)倍的離散譜線上。

對中心頻率在1561.098MHz的北斗B1信號，若UWB信號的主頻覆蓋了北斗信號頻帶，則會對北斗軟件接收機的工作性能造成潛在威脅，對于未外加抗干擾措施的北斗軟件接收機，其本身就具有一定的抗干擾能力，但當(dāng)進(jìn)入軟件接收機內(nèi)的干擾信號功率大于軟件接收機干擾容限時，軟件接收機將不能正常工作[7]。

若UWB信號的脈沖重復(fù)頻率fPRF大于軟件接收機工作帶寬，則最多會有一根UWB離散譜線進(jìn)入軟件接收機工作帶寬內(nèi)，此時UWB信號是否會對北斗軟件接收機造成干擾取決于其脈沖重復(fù)頻率的整數(shù)倍是否會恰好落到軟件接收機工作頻帶范圍內(nèi)，且譜線距離北斗信號中心頻率越近，干擾影響越大。若fPRF小于軟件接收機工作帶寬，則至少會有一根離散譜線進(jìn)入軟件接收機工作頻帶范圍內(nèi)。

由此可得，脈沖重復(fù)頻率越大，不一定干擾越強，而是當(dāng)UWB信號脈沖重復(fù)頻率的整數(shù)倍能夠落入BDS軟件接收機工作頻帶范圍內(nèi)時，干擾影響最大，此時干擾程度隨脈沖重復(fù)頻率增大而增大。

2.2 TH-UWB信號對BDS信號干擾分析

若UWB跳時碼周期Np等于每比特的脈沖數(shù)Ns，則其離散譜線出現(xiàn)在1/Tb及其諧波處，其中Tb=NsTs=NpTs為比特間隔，Ts=1/fPRF。雖然此時仍是離散譜，但因為1/Tb<1/Ts，所以譜線出現(xiàn)的頻率多于未加入跳時碼時的情況，相同的功率被分散到更多的譜線中去，譜線的峰值變小。說明加入TH碼有減小強功率譜線數(shù)目的作用，此時UWB信號在BDS軟件接收機工作帶寬內(nèi)的總功率更小，若要對軟件接收機造成干擾，則需要更大的干擾功率。

可以預(yù)見，Np越大，進(jìn)入軟件接收機工作帶寬內(nèi)的干擾功率越小。

2.3 TH-PPM-UWB對BDS信號干擾分析

對于TH-PPM-UWB信號，其功率譜密度為[9]：

(6)

(7)

(8)

(9)

由于信源信息的隨機性，導(dǎo)致PPM調(diào)制增加了脈沖位置的隨機性，而脈沖位置的隨機性可使其功率譜被進(jìn)一步白化。由于PPM調(diào)制導(dǎo)致的脈沖位置偏移相對于TH碼導(dǎo)致的偏移非常小，其對功率譜的白化效果不會很大。

由以上分析可得，要使TH-PPM-UWB信號對BDS信號干擾減小，關(guān)鍵是讓其具有接近白噪聲的功率譜，每個脈沖位置越趨于隨機，功率譜的白化效果越好，因此，除增加TH碼的周期Np和加入PPM調(diào)制以外，增大TH碼的碼元最大值上界Nh，也有助于減少高峰值譜線，這是因為增大Nh，使得每個脈沖有更多的跳時位置可以選擇，使其位置更加隨機化。

2.4 UWB干擾對信號跟蹤的影響

北斗軟件接收機通過捕獲獲得粗略的載波相位和碼相位后轉(zhuǎn)入跟蹤階段，通過碼跟蹤環(huán)路獲得偽距值。碼環(huán)的測量誤差源主要包括碼相位抖動誤差以及動態(tài)應(yīng)力誤差。

定義碼相位抖動誤差σtDLL為[10]：

(10)

可見，σtDLL受前后相關(guān)器間距D、環(huán)路噪聲帶寬BL、信號載噪比C/N0以及相干積分時間Tcoh等幾個變量的影響。

UWB干擾信號會改變C/N0的值，從而影響σtDLL的大小。軟件接收機可以額外配置一個只含噪聲的接收通道，利用該噪聲通道來估算噪聲基底，從而實時測定C/N0的大小。

軟件接收機本地產(chǎn)生的擴頻碼在對有用信號解擴的同時，也對干擾信號進(jìn)行了擴頻，使其增加了接收機的噪聲基底，導(dǎo)致了C/N0的下降，由式(10)可知，C/N0的下降會導(dǎo)致σtDLL的增大，進(jìn)而影響偽距精度，隨著干擾功率的增加，跟蹤誤差逐漸加大，直到完全失鎖。

3 UWB信號對BDS軟件接收機干擾試驗

3.1 試驗參數(shù)

試驗所用BDS信號采用13m大口徑天線采集的北斗1號GEO衛(wèi)星播發(fā)的B1I數(shù)字中頻信號，其功率譜如圖2所示，載噪比為67dBw-Hz，中心頻率為61.098MHz。

圖2 北斗B1I信號功率譜

北斗軟件接收機參數(shù)設(shè)置如表1。

表1 仿真參數(shù)

3.2 未調(diào)制的UWB信號對BDS信號干擾仿真

試驗設(shè)置UWB信號的脈沖重復(fù)頻率為60MHz，其功率譜如圖3所示，為間隔60MHz的離散譜線，將其疊加到BDS真實信號上，仿真時間設(shè)為100ms，在第60ms加入UWB干擾信號。其對BDS信號的干擾程度可由導(dǎo)致軟件接收機失鎖的干擾功率來衡量，若以碼跟蹤誤差大于0.3(碼片)判定為接收機失鎖，如圖4所示，則當(dāng)脈沖平均功率為100.8dBw時，接收機跟蹤失鎖，對應(yīng)的數(shù)據(jù)解調(diào)情況如圖5所示，其中實線為同向支路相干積分值，虛線為正交支路相干積分值，可看出此時軟件接收機并不能可靠地解調(diào)數(shù)據(jù)。

圖3 UWB功率譜(fPRF=60MHz)

圖4 碼跟蹤誤差

圖5 數(shù)據(jù)解調(diào)

圖6顯示受UWB干擾的BDS信號功率譜，可看到此時在BDS信號功率譜主瓣內(nèi)有一根位于fPRF=60MHz處功率很高的譜線，除此之外，還有其諧波處的譜線：120MHz，180MHz等間隔為60MHz的位于BDS信號主瓣帶寬之外的譜線，這些譜線距離BDS信號中心頻率較遠(yuǎn)，產(chǎn)生的干擾影響較小。

圖6 UWB干擾BDS信號功率(Np=1,Nh=10)

當(dāng)fPRF分別為20MHz，55MHz，65MHz時，導(dǎo)致軟件接收機失鎖所需脈沖功率測試結(jié)果如表2所示?？梢姰?dāng)fPRF為20MHz，60MHz時，干擾功率較小，這是因為此時UWB離散譜線能落在BDS信號的主瓣帶寬內(nèi)，有較大比例的脈沖功率能進(jìn)入BDS軟件接收機，而且fPRF越大，離散譜線幅度越大，對BDS信號的干擾影響越大。而當(dāng)fPRF為55MHz，65MHz時，導(dǎo)致軟件接收機失鎖所需脈沖平均功率較大，這是因為UWB離散譜線偏離了BDS信號主瓣，且偏離BDS中心頻率越遠(yuǎn)，對BDS信號的干擾影響越小。

表2 脈沖干擾信號功率

3.3 加入跳時多址之后的UWB信號對BDS信號的干擾仿真

以fPRF=60MHz的UWB信號為例，分析加入跳時多址后UWB信號對BDS信號的干擾效果。

設(shè)置UWB跳時碼周期Np等于每比特的脈沖數(shù)Ns，數(shù)值為5，其他參數(shù)不變，其功率譜密度如圖7所示，圖8為圖7的局部放大。由圖8可見，加入跳時多址后的UWB信號譜線出現(xiàn)在1/Tb=12MHz及其諧波處，其中Tb=NsTs=NpTs=83.335ns為比特間隔，Ts=1/fPRF=16.667ns，譜線出現(xiàn)的頻率比Np=1的情況要多，且譜線的峰值更小，與理論分析結(jié)果一致。將此UWB信號疊加到BDS信號上，仿真可得導(dǎo)致軟件接收機失鎖的干擾功率為102.4dBw，與沒有加入TH多址的相同脈沖重復(fù)頻率的UWB信號相比，該干擾功率數(shù)值增加了1.6dBw，與理論分析一致。

圖7 TH-UWB信號功率譜

圖8 TH-UWB信號功率譜局部放大

圖9顯示了增大Np后UWB信號對BDS信號的干擾效果。可見隨著TH碼周期Np的增加，接收機失鎖所需干擾功率增加，但Np增大到一定值后干擾功率增長變緩。

圖9 干擾功率隨Np的變化

3.4 TH-PPM-UWB信號對BDS的干擾仿真

對3.3節(jié)中的fPRF=60MHz，TH碼周期為5的UWB信號加入PPM調(diào)制，設(shè)PPM時間偏移ε為0.25ns，其功率譜如圖10所示，與圖7相比，其功率譜峰值譜線有所減小，用此信號干擾BDS軟件接收機，與不加PPM調(diào)制的UWB信號相比，此時導(dǎo)致接收機失鎖所需的干擾功率增大了0.2dB，可見PPM調(diào)制對UWB信號的功率譜影響較0小。

圖10 TH-PPM-UWB功率譜

將上述TH-PPM-UWB信號TH碼的碼元最大值上界Nh擴大10倍，即每幀的時隙數(shù)增加10倍，脈沖位置的方差相應(yīng)增大。其功率譜如圖11所示，相比于圖10，其功率譜被進(jìn)一步白化。用此信號干擾BDS軟件接收機，與Nh擴大10倍前的UWB信號相比，此時導(dǎo)致接收機失鎖所需的干擾功率增大了5dB。

圖11 增大Nh后UWB功率譜

在fPRF=60MHz，Np=100，PPM=0.25ns的條件下，不同Nh下干擾功率的變化如圖12所示，可見隨著Nh的增加，導(dǎo)致軟件接收機失鎖所需干擾功率增大，但Nh增加到一定值后干擾功率增長緩慢。

圖12 干擾功率隨Nh的變化

在TH碼周期Np=100 ，碼元最大值上界Nh=100，干擾功率為108.72dBW的情況下，軟件接收機失鎖，此時信號功率譜如圖13所示，與圖6所示的Np=1，Nh=10信號相比，導(dǎo)致軟件接收機失鎖所需的干擾功率提高了7.92dBW。由圖13所示，雖然此時離散譜線變多了，但每根譜線的幅值降低，且沒有特別強的離散譜線，UWB信號呈現(xiàn)出類似高斯白噪聲的性質(zhì)，此時干擾影響較小。

圖13 UWB干擾BDS信號功率譜(Np=100,Nh=100)

4 結(jié)論

通過理論分析和數(shù)值仿真，研究了跳時-脈位調(diào)制下的超寬帶信號對北斗軟件接收機干擾效果與脈沖參數(shù)之間的依賴關(guān)系： 1)若脈沖重復(fù)頻率的整數(shù)倍能落入軟件接收機工作帶寬內(nèi)，則干擾效果較強； 2)脈位調(diào)制對干擾效果影響不大； 3)跳時碼周期越大，干擾影響越小，但跳時碼周期增加到一定值后影響不明顯； 4)跳時碼碼元最大值上界越大，干擾影響越小，但上界增加到一定值后影響效果不明顯。因此，通過適當(dāng)改變超寬帶信號的脈沖重復(fù)頻率，跳時碼周期和碼元最大值上界，可以減小超寬帶信號對北斗軟件接收機的干擾。

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AnalysisofUWBInterferencetoBDSSignal

Li Dongxia， Lv Zipeng， Liu Ruihua

College of Electronic Information and Automation, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China

Theultra-wideband(UWB)signalspectrumcancoverthefrequencyrangeoftheBeidounavigationsatellitesystem(BDS),whichposesathreattothenormaloperationoftheBeidoureceiver.Inthispaper，theinterferenceofUWBsignaltoBeidousoftwarereceiverunderTH-PPMmodulationmodeisstudiedbytheoreticalanalysis,computersimulationandrealBeidouB1signalcompared,andtheapproachofinterferencereductionisprovided.

UWB; BDS;Interference;Softwarereceiver

TN967.1

A

1006-3242(2017)05-0058-06

* 國家重點研發(fā)計劃課題“星基定位監(jiān)視與機載設(shè)備適航技術(shù)”(2016YFB0502402)； 民航安全能力建設(shè)基金(ADDSA0007)

2017-04-18

李冬霞(1971-)，女，陜西人，博士，副教授，主要研究方向為航空移動通信、甚高頻數(shù)據(jù)鏈；呂自鵬(1991-)，男，邯鄲人，碩士研究生，主要研究方向為衛(wèi)星導(dǎo)航信號干擾評估；劉瑞華(1965-)，男，陜西人，博士，教授，主要研究方向為衛(wèi)星導(dǎo)航在民航中的應(yīng)用、衛(wèi)星導(dǎo)航與組合導(dǎo)航。