4G對北斗RDSS系統(tǒng)的干擾分析及應(yīng)對策略

王福軍,王前,白英廣，謝維華

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京 100094)

0 引 言

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)很容易受到電磁干擾,自從GPS應(yīng)用以來,就受到各種干擾的影響.因此,國際全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)委員會(ICG)推動設(shè)立專門的干擾檢測與削弱(IDM)論壇,主要討論不同GNSS系統(tǒng)之間的兼容互操作、干擾監(jiān)測與抑制等問題[1].2011年1月,美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)決定無限期暫停LightSquared公司運(yùn)營4G-LTE(LongTermEvolution)網(wǎng)絡(luò)的有條件棄權(quán)證書,原因是相關(guān)測試表明LTE信號將會干擾現(xiàn)存大部分GPS接收機(jī)[2].在文獻(xiàn)[3-4]中,以載噪比為評估指標(biāo),給出了LTE信號對GPS和GalileoL1/E1信號信號的影響模型,并用試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗證.結(jié)果表明,GalileoE1信號比GPSL1C/A信號更容易受到干擾,因為它更接近L1頻段的下邊帶.文獻(xiàn)[4]也簡單分析了LTE信號干擾對偽距誤差和位置誤差的影響,并指出接收機(jī)射頻前端在保護(hù)GNSS信號免受射頻干擾起著重要作用.

與LightSquared公司事件類似,北斗無線電測定業(yè)務(wù)(RDSS)系統(tǒng)也受到4G信號干擾的影響.工信部已將2500～2690MHz之間190MHz頻譜資源劃分給4GTD-LTE業(yè)務(wù).4G的主要特點是快速傳輸速率,下載和上傳數(shù)據(jù)的能力分別是100Mbps和50Mbps.為了滿足用戶需求,4G采用了正交頻分復(fù)用(OFDM)和多輸入多輸出(MIMO)等技術(shù)來平衡平均吞吐量和頻率效率,但是正交頻分復(fù)用(OFDM)信號具有可變包絡(luò)和高峰均功率比(PAPR).落地標(biāo)準(zhǔn)電平應(yīng)大于-100dBm,但實際值一般為-50～-60dBm.北斗一號系統(tǒng)于2003年提供服務(wù),RDSS下行工作頻率段為2483.5～2500MHz,接近4G頻率,很容易受到4G信號干擾.但由于當(dāng)時尚未有4G系統(tǒng)的應(yīng)用,沒有考慮到帶外信號對北斗RDSS用戶機(jī)的影響.

本文結(jié)合實際北斗RDSS用戶機(jī)和4G系統(tǒng)應(yīng)用模式特點,通過理論分析和試驗的方法,分析用戶機(jī)模塊的帶外抑制能力,提出改善北斗RDSS系統(tǒng)和4G系統(tǒng)兼容共存的技術(shù)方案.

1 用戶機(jī)模塊分析

本節(jié)從信號的處理過程出發(fā),分析4G信號對用戶機(jī)各個組件的影響程度,為后面的技術(shù)改造提供支撐.

用戶機(jī)可抽象成如圖1所示的信道結(jié)構(gòu).衛(wèi)星信號經(jīng)天線、低噪放的放大以及下變頻模塊后,生成中頻信號.經(jīng)基帶模塊的捕獲、跟蹤、解擴(kuò)和解調(diào)后,完成定位和通信信息的輸出,實現(xiàn)定位和通信功能.通過分析信道中各個模塊的特性,找出影響RDSS用戶機(jī)帶外抑制性能的主要因素.

圖1 用戶機(jī)信道結(jié)構(gòu)

1.1 天線的帶寬選擇性

為縮小終端的體積,RDSS用戶機(jī)普遍采用微帶天線技術(shù).天線的有效帶寬由其品質(zhì)因數(shù)Q值決定,表達(dá)式如下:

(1)

式中:Bw為有效帶寬；f0為中心頻率；Q值為電磁結(jié)構(gòu)的儲能與耗能的比值.

天線是一種能量輻射結(jié)構(gòu),其能量由輻射能量和儲存能量組成.一個高效率天線必然儲能少,輻射能量強(qiáng),因而Q值較低.相反,濾波器是一種能量傳輸結(jié)構(gòu),其能量由損耗能量和儲存能量組成.濾波器可等效為LC 諧振電路的級聯(lián),存儲能量能力強(qiáng),采用低損耗傳輸介質(zhì)(腔體、高頻微帶板)的傳輸損耗小,因此濾波器是一種高Q值器件.

由上述分析可知,天線的帶寬選擇性能由其材質(zhì)特性和結(jié)構(gòu)特點決定.表1示出了從2 412MHz到2 572MHz天線增益的測量值,選擇50°和90°仰角來代表不同方向角應(yīng)用.通過上述實驗可知,中心頻率為2 491MHz,2412～2572MHz通帶內(nèi)帶外抑制率小于5dB.

表1 2412～2572 MHz頻帶內(nèi)天線增益dBic

1.2 射頻模塊帶外抑制能力

(a) 超外差結(jié)構(gòu)射頻通道

(b) 低中頻結(jié)構(gòu)射頻通道圖2 用戶機(jī)射頻通道結(jié)構(gòu)圖

低中頻采用一次變頻方案,采用正交本振信號實現(xiàn)單邊帶下變頻.優(yōu)點是集成度高,對干擾的抑制依賴于晶體管的對稱性和線性度,對強(qiáng)帶外干擾和鏡頻干擾信號敏感.低中頻對大信號普遍比較敏感,尤其集中在射頻芯片中的混頻器以及后續(xù)的有源濾波.

1.3 基帶模塊的干擾處理能力

基帶處理是實現(xiàn)信息正確解碼的重要環(huán)節(jié).由于RDSS 用戶的定位結(jié)果是中心站直接解算獲得的,因此無法采用RNSS 用戶的弱信號處理方法,RDSS的處理性能只能由信號自身的處理增益決定.北斗信號每個支路采用BPSK 調(diào)制,編碼形式為卷積編碼,當(dāng)誤碼率為10-5時,硬判決和軟判決Viterbi 的Eb/N0性能如表2所示[9].

表2 維特比譯碼性能

Eb/N0和Ci/N0之間的關(guān)系式如下:

[Eb/N0]dB= [C/N0]dB·Hz-[Rb]dB·bps-

[L]dB+[A]dB.

(2)

當(dāng)信號功率為-127.6 dBm,天線增益A為0 dB,信息速率Rb為8 kbps時,Viterbi譯碼采用表2中性能較好的軟判決方法,可獲得的最大余量為2 dB左右.相比高出信號幾十個分貝的帶外干擾,顯得微不足道.因此,基帶部分對帶外干擾的抑制能力非常有限.

當(dāng)北斗RDSS信號功率大于-127.6 dBm時,隨著Ci/N0的提高,抑制4G干擾的能力將增強(qiáng).雖然射頻模塊的理想濾波器可以消除大部分4G信號,但實際上會出現(xiàn)一些帶外信號泄漏.由于4G信號泄漏干擾而造成的載噪比損失值為

(3)

式中:Ci為干擾功率；N0為輸入噪聲功率譜密度,Qa為譜分離系數(shù)(SSC),具體定義見文獻(xiàn)[10].

1.4 仿真分析及小結(jié)

1.4.1 帶外抑制能力分析

根據(jù)器件的1 dB 壓縮點,頻幅特性、增益特性等參數(shù),可從理論上分析出射頻通道的阻塞電平值.表3和表4示出了超外差結(jié)構(gòu)射頻模塊1的放大器和濾波器參數(shù),根據(jù)器件的參數(shù)特性以及不同射頻結(jié)構(gòu)的干擾敏感點分析,計算射頻模塊1在不同頻點下的功率阻塞值.采用同樣的方法,分別計算超外差結(jié)構(gòu)射頻模塊2、3在不同頻點下的功率阻塞值,如圖3 所示.

表3 射頻模塊1放大器參數(shù)

表4 射頻模塊1濾波器參數(shù)

圖3 射頻通道帶外特性理論分析圖

1.4.2 帶外泄露誤差分析

射頻濾波器參數(shù)定義如下:3 dB帶寬為8 MHz,當(dāng)偏移中心頻率6 MHz時,信號功率衰減20 dB以上,濾波器1衰減44 dB,濾波器2衰減21 dB.按照以上參數(shù)和干擾信號功率譜密度(PSD),圖4中示出了SSC值,表明不同設(shè)計的濾波器對SSC影響顯著,進(jìn)一步影響Ci/N0值.當(dāng)值Lossi增加到北斗RDSS信號的量化誤差電平時,將會引起RDSS用戶機(jī)內(nèi)部信號處理和測量誤差,因此接收機(jī)將受到信號泄漏干擾.

圖4 濾波器1和濾波器2的SSC值

1.4.3 小結(jié)

從上面分析可知,在用戶機(jī)的三個模塊中,射頻模塊對抑制帶外干擾起主要作用,天線次之,基帶作用最小[11].本文將對射頻模塊進(jìn)行研究,以減少4G信號對用戶機(jī)的干擾.

2 抑制強(qiáng)帶外信號干擾解決方案

射頻模塊可以從兩個方面來提高抑制帶外信號干擾能力.1)提高濾波器性能,包括窄帶通、低損耗和高環(huán)境適應(yīng)性.2)擴(kuò)大射頻通道的線性動態(tài)范圍.

2.1 高性能濾波器的設(shè)計

濾波器的設(shè)計目標(biāo)是在不失真和無損耗的情況下傳輸有用信號,并盡可能抑制無用的帶外信號,受技術(shù)水平的限制,濾波器不可能達(dá)到理想目標(biāo).具有高Q值的濾波器可以獲得比較窄的信號帶寬和突變的過渡區(qū),但Q值受濾波技術(shù)水平限制,不可能實現(xiàn)理想濾波.由于材料的特性,濾波器的頻率特性因環(huán)境溫度的變化而變化.

如果不考慮體積因素,腔體濾波器具有良好的濾波性能.在體積受限的條件下,對高頻窄帶聲表面濾波器采取低溫系數(shù)襯底和低溫漂移系數(shù)晶體切割等措施,可以獲得很窄的帶寬,實踐表明,濾波器具有優(yōu)良的溫度適應(yīng)性和帶外抑制能力,在-55℃～125℃范圍內(nèi),可以得到穩(wěn)定的窄帶濾波性能.

2.2 信道線性度的改善

為了減少對有用信號的損失,北斗二號用戶機(jī)的射頻前端濾波器帶寬一般設(shè)計得比較寬,對4G臨頻信號帶外抑制能力非常有限.而且,為了克服后級噪聲,通常射頻前端增益也很高,來抑制后級噪聲,因此,在射頻通道中頻濾波器之前承受4G強(qiáng)干擾信號.射頻通道為有源器件,有源器件的傳遞特性是非線性的,當(dāng)4G強(qiáng)干擾信號超過可以處理的最大電平值時,如1 dB壓縮點(P-1)和三階截取點(IP3)等,就會產(chǎn)生不可接受的互調(diào)失真電平,進(jìn)而干擾低電平有用信號.因此,在4G鄰頻強(qiáng)干擾條件下,射頻通道必須提供更大的線性動態(tài)范圍.

射頻通道的線性動態(tài)范圍很大程度上取決于系統(tǒng)中的放大器和混頻器,可以通過提高放大器和混頻器的P-1來擴(kuò)大線性動態(tài)范圍,通過提高IP3來減小高階信號.P-1與IP3呈線性關(guān)系,如圖5所示,隨著P-1的增加,IP3也增加.通過提高放大器和混頻器的偏置電流可以擴(kuò)大線性區(qū)間,偏置電流越大,線性度越好,輸出偏置電壓越大,P-1越大.但是,通過提高偏置電流和輸出漏極電壓,同時也增加了射頻模塊的功耗和噪聲.

圖5 輸入輸出功率比變化曲線

以上兩項技術(shù)措施可以提高射頻通道的帶外抑制能力,但在現(xiàn)有器件基礎(chǔ)上提高射頻通道線性度的成本高,不適合大規(guī)模推廣應(yīng)用.

3 測試驗證

為了驗證第2章的理論分析,設(shè)計了不同結(jié)構(gòu)和參數(shù)的射頻模塊.為了比較抑制帶外信號的效果,在射頻通道中增加了窄帶SAW濾波器.

3.1 測試平臺搭建

測試平臺采用有線連接方式,如圖6所示.干擾信號源模擬4G信號,信號源輸出端加帶阻濾波器抑制雜散信號,提高測試的可信度,功率衰減可以精確到0.1 dB.RDSS信號功率設(shè)置為實際衛(wèi)星信號落地功率值.測試過程中,調(diào)整干擾信號功率和帶寬,當(dāng)誤差大于正常值時,開始記錄相應(yīng)的干擾參數(shù).

圖6 仿真試驗平臺連接圖

3.2 測試結(jié)果分析

測試結(jié)果如圖7所示,與圖3對比,可以得出以下幾個主要結(jié)論:

圖7 射頻通道抑制帶外信號測試結(jié)果

1)基本結(jié)論

以中心頻率為軸,阻塞電平曲線分布是對稱的.如果帶外信號頻率中心頻率越遠(yuǎn),則用戶設(shè)備阻塞電平越大,其結(jié)果主要由射頻信道的動態(tài)范圍和濾波響應(yīng)決定.

2)敏感點的原因

部分用戶機(jī)的測試曲線與信號頻率不是嚴(yán)格的線性關(guān)系,曲線中有敏感點,其原因是由于射頻結(jié)構(gòu)的固有缺陷,第2節(jié)已經(jīng)分析了相關(guān)工作原理.

在圖7中,敏感點出現(xiàn)在射頻模塊3的2 570 MHz和2 430 MHz頻點,其原因是超外差射頻通道產(chǎn)生的半中頻干擾信號在濾波器帶內(nèi)沒有被濾除.射頻模塊2在2 520 MHz頻點的干擾比2 460 MHz頻點低15 dB,其原因是在射頻通道中引入了由低中頻產(chǎn)生的鏡像頻率干擾.

3)理論分析與試驗結(jié)果的差異

歸納出兩個主要因素.1)理論分析是基于設(shè)備的阻塞電平,沒有考慮雜散響應(yīng)和鏡像干擾,敏感點降低了抑制干擾的能力.2)理論上計算的設(shè)計期望值與實際值相比有一定余量.

4)模塊性能的差異

由于體積、功耗和成本限制,高集成度的射頻通道3采用性能較差的普通濾波器,因此不能有效抑制帶外干擾.新射頻通道的第三階低噪聲放大器用超窄帶通濾波器,能夠有效抑制中心頻率附近的干擾,抑制效果非常明顯.圖8示出了超窄帶通濾波器的頻率范圍和頻率響應(yīng),信號頻率范圍從2.471 75 GHz到2.511 75 GHz,跨度達(dá)40 MHz.相反,普通濾波器的性能如圖9所示,在150 MHz帶寬范圍內(nèi),第一級濾波器的帶通范圍為16 MHz,另一級帶通范圍為90 MHz.由于沒有采取相應(yīng)的措施來抑制遠(yuǎn)離中心頻率(大于2 560 MHz)的信號,因此性能與其他模塊相同.

圖8 超窄帶通濾波器的頻率范圍和頻率響應(yīng)

4 結(jié)束語

4G系統(tǒng)與北斗RDSS 系統(tǒng)的使用頻率較為接近,且信號強(qiáng)度遠(yuǎn)大于北斗RDSS系統(tǒng),因此有可能對北斗RDSS用戶機(jī)造成帶外干擾.本文通過分析用戶機(jī)各功能模塊,指出射頻模塊是抑制帶外干擾最關(guān)鍵部件.在設(shè)計過程中,無論是超外差還是低中頻都有其固有的缺點.通過提高射頻通道的相關(guān)參數(shù)也能夠有效地抑制帶外干擾,如采用窄帶低損耗濾波器和增加線性動態(tài)范圍都是比較有效的方法.本文可為下階段對現(xiàn)有用戶機(jī)進(jìn)行技術(shù)升級和新一代北斗三號用戶機(jī)研制提供技術(shù)參考.