超寬帶信號(hào)對(duì)北斗信號(hào)干擾分析*

李冬霞呂自鵬劉瑞華

中國(guó)民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津300300

超寬帶信號(hào)對(duì)北斗信號(hào)干擾分析*

李冬霞呂自鵬 劉瑞華

中國(guó)民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津300300

超寬帶(UWB)信號(hào)頻譜可覆蓋北斗(BDS)導(dǎo)航信號(hào)頻率范圍，對(duì)北斗接收機(jī)的正常工作造成干擾威脅。針對(duì)這一問(wèn)題，通過(guò)理論分析、計(jì)算機(jī)仿真并結(jié)合真實(shí)北斗B1信號(hào)，研究了在跳時(shí)-脈位調(diào)制(TH-PPM)方式下的UWB信號(hào)對(duì)北斗軟件接收機(jī)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(jī)

超寬帶(UWB)通信是一種新型的擴(kuò)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(lái)傳輸數(shù)據(jù)。由于UWB具有抗干擾性能強(qiáng)、傳輸速率高和發(fā)送功率小等諸多優(yōu)勢(shì)，正逐漸成為一項(xiàng)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(lái)區(qū)分不同用戶，如跳時(shí)多址，直接序列多址和脈沖波形多址等，其中跳時(shí)多址是最典型的一種方式。

中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是中國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是繼美國(guó)GPS、俄羅斯GLONASS之后第3個(gè)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(hào)到達(dá)接收機(jī)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(hào)干擾，從而導(dǎo)致其接收機(jī)工作性能下降，甚至失去定位能力。UWB信號(hào)能量在很寬的頻率范圍上分布—從接近直流到幾個(gè)GHz[2]，覆蓋了北斗系統(tǒng)工作頻帶。考慮到未來(lái)UWB設(shè)備將會(huì)廣泛應(yīng)用，UWB信號(hào)對(duì)北斗接收機(jī)的正常工作造成的干擾威脅將無(wú)法避免。此外，中國(guó)民航未來(lái)的主用導(dǎo)航系統(tǒng)也會(huì)逐步過(guò)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(duì)北斗導(dǎo)航的精度、完好性、連續(xù)性和可用性都會(huì)構(gòu)成嚴(yán)重威脅，影響飛機(jī)飛行安全。因此，研究UWB信號(hào)對(duì)BDS接收機(jī)的干擾有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

針對(duì)超寬帶信號(hào)對(duì)導(dǎo)航信號(hào)的干擾問(wèn)題，國(guó)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(jī)的不同距離等因素對(duì)導(dǎo)航信號(hào)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(hào)參數(shù)特征，例如隨脈沖寬度的增加，接收機(jī)失鎖時(shí)對(duì)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(duì)于最典型實(shí)用的采用跳時(shí)-脈位調(diào)制(TH-PPM)方式的UWB信號(hào)，其跳時(shí)碼周期和上界對(duì)導(dǎo)航信號(hào)干擾效果的影響沒(méi)有深入分析，而具有不同跳時(shí)碼周期和上界的UWB信號(hào)對(duì)北斗信號(hào)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(shí)信號(hào)以及軟件接收機(jī)，研究加入跳時(shí)多址和脈沖位置調(diào)制下的UWB信號(hào)對(duì)北斗信號(hào)的干擾情況，研究結(jié)果對(duì)評(píng)估UWB信號(hào)的干擾特性以及二者共存環(huán)境下北斗軟件接收機(jī)工作性能的評(píng)估具有一定的參考價(jià)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(gè)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(shí)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(shí)域波形見(jiàn)圖1。

圖1 單脈沖波形(σ=0.15ns)

由N個(gè)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(jiàn)，在頻率點(diǎn)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(jī)工作頻段，且有高強(qiáng)度的UWB離散譜線落入該頻帶，則會(huì)對(duì)接收機(jī)產(chǎn)生干擾。

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

(5)

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

2 UWB信號(hào)對(duì)BDS信號(hào)干擾分析

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

2.1 未調(diào)制的UWB信號(hào)對(duì)BDS信號(hào)干擾分析

未經(jīng)調(diào)制的UWB信號(hào)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(hào)功率集中在脈沖重復(fù)頻率整數(shù)倍的離散譜線上。

對(duì)中心頻率在1561.098MHz的北斗B1信號(hào)，若UWB信號(hào)的主頻覆蓋了北斗信號(hào)頻帶，則會(huì)對(duì)北斗軟件接收機(jī)的工作性能造成潛在威脅，對(duì)于未外加抗干擾措施的北斗軟件接收機(jī)，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(jī)內(nèi)的干擾信號(hào)功率大于軟件接收機(jī)干擾容限時(shí)，軟件接收機(jī)將不能正常工作[7]。

若UWB信號(hào)的脈沖重復(fù)頻率fPRF大于軟件接收機(jī)工作帶寬，則最多會(huì)有一根UWB離散譜線進(jìn)入軟件接收機(jī)工作帶寬內(nèi)，此時(shí)UWB信號(hào)是否會(huì)對(duì)北斗軟件接收機(jī)造成干擾取決于其脈沖重復(fù)頻率的整數(shù)倍是否會(huì)恰好落到軟件接收機(jī)工作頻帶范圍內(nèi)，且譜線距離北斗信號(hào)中心頻率越近，干擾影響越大。若fPRF小于軟件接收機(jī)工作帶寬，則至少會(huì)有一根離散譜線進(jìn)入軟件接收機(jī)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(qiáng)，而是當(dāng)UWB信號(hào)脈沖重復(fù)頻率的整數(shù)倍能夠落入BDS軟件接收機(jī)工作頻帶范圍內(nèi)時(shí)，干擾影響最大，此時(shí)干擾程度隨脈沖重復(fù)頻率增大而增大。

2.2 TH-UWB信號(hào)對(duì)BDS信號(hào)干擾分析

若UWB跳時(shí)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(shí)仍是離散譜，但因?yàn)?/Tb<1/Ts，所以譜線出現(xiàn)的頻率多于未加入跳時(shí)碼時(shí)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(shuō)明加入TH碼有減小強(qiáng)功率譜線數(shù)目的作用，此時(shí)UWB信號(hào)在BDS軟件接收機(jī)工作帶寬內(nèi)的總功率更小，若要對(duì)軟件接收機(jī)造成干擾，則需要更大的干擾功率。

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

2.3 TH-PPM-UWB對(duì)BDS信號(hào)干擾分析

對(duì)于TH-PPM-UWB信號(hào)，其功率譜密度為[9]：

(6)

(7)

(8)

(9)

由于信源信息的隨機(jī)性，導(dǎo)致PPM調(diào)制增加了脈沖位置的隨機(jī)性，而脈沖位置的隨機(jī)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(duì)于TH碼導(dǎo)致的偏移非常小，其對(duì)功率譜的白化效果不會(huì)很大。

由以上分析可得，要使TH-PPM-UWB信號(hào)對(duì)BDS信號(hào)干擾減小，關(guān)鍵是讓其具有接近白噪聲的功率譜，每個(gè)脈沖位置越趨于隨機(jī)，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?yàn)樵龃驨h，使得每個(gè)脈沖有更多的跳時(shí)位置可以選擇，使其位置更加隨機(jī)化。

2.4 UWB干擾對(duì)信號(hào)跟蹤的影響

北斗軟件接收機(jī)通過(guò)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(guò)碼跟蹤環(huán)路獲得偽距值。碼環(huán)的測(cè)量誤差源主要包括碼相位抖動(dòng)誤差以及動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差。

定義碼相位抖動(dòng)誤差σtDLL為[10]：

(10)

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

UWB干擾信號(hào)會(huì)改變C/N0的值，從而影響σtDLL的大小。軟件接收機(jī)可以額外配置一個(gè)只含噪聲的接收通道，利用該噪聲通道來(lái)估算噪聲基底，從而實(shí)時(shí)測(cè)定C/N0的大小。

軟件接收機(jī)本地產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼在對(duì)有用信號(hào)解擴(kuò)的同時(shí)，也對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行了擴(kuò)頻，使其增加了接收機(jī)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(huì)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(hào)對(duì)BDS軟件接收機(jī)干擾試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)所用BDS信號(hào)采用13m大口徑天線采集的北斗1號(hào)GEO衛(wèi)星播發(fā)的B1I數(shù)字中頻信號(hào)，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(hào)功率譜

北斗軟件接收機(jī)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(hào)對(duì)BDS信號(hào)干擾仿真

試驗(yàn)設(shè)置UWB信號(hào)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(shí)信號(hào)上，仿真時(shí)間設(shè)為100ms，在第60ms加入U(xiǎn)WB干擾信號(hào)。其對(duì)BDS信號(hào)的干擾程度可由導(dǎo)致軟件接收機(jī)失鎖的干擾功率來(lái)衡量，若以碼跟蹤誤差大于0.3(碼片)判定為接收機(jī)失鎖，如圖4所示，則當(dāng)脈沖平均功率為100.8dBw時(shí)，接收機(jī)跟蹤失鎖，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)解調(diào)情況如圖5所示，其中實(shí)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(shí)軟件接收機(jī)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(hào)功率譜，可看到此時(shí)在BDS信號(hào)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(hào)主瓣帶寬之外的譜線，這些譜線距離BDS信號(hào)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(hào)功率(Np=1,Nh=10)

當(dāng)fPRF分別為20MHz，55MHz，65MHz時(shí)，導(dǎo)致軟件接收機(jī)失鎖所需脈沖功率測(cè)試結(jié)果如表2所示。可見(jiàn)當(dāng)fPRF為20MHz，60MHz時(shí)，干擾功率較小，這是因?yàn)榇藭r(shí)UWB離散譜線能落在BDS信號(hào)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(jī)，而且fPRF越大，離散譜線幅度越大，對(duì)BDS信號(hào)的干擾影響越大。而當(dāng)fPRF為55MHz，65MHz時(shí)，導(dǎo)致軟件接收機(jī)失鎖所需脈沖平均功率較大，這是因?yàn)閁WB離散譜線偏離了BDS信號(hào)主瓣，且偏離BDS中心頻率越遠(yuǎn)，對(duì)BDS信號(hào)的干擾影響越小。

表2 脈沖干擾信號(hào)功率

3.3 加入跳時(shí)多址之后的UWB信號(hào)對(duì)BDS信號(hào)的干擾仿真

以fPRF=60MHz的UWB信號(hào)為例，分析加入跳時(shí)多址后UWB信號(hào)對(duì)BDS信號(hào)的干擾效果。

設(shè)置UWB跳時(shí)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(jiàn)，加入跳時(shí)多址后的UWB信號(hào)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(hào)疊加到BDS信號(hào)上，仿真可得導(dǎo)致軟件接收機(jī)失鎖的干擾功率為102.4dBw，與沒(méi)有加入TH多址的相同脈沖重復(fù)頻率的UWB信號(hào)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(hào)功率譜

圖8 TH-UWB信號(hào)功率譜局部放大

圖9顯示了增大Np后UWB信號(hào)對(duì)BDS信號(hào)的干擾效果。可見(jiàn)隨著TH碼周期Np的增加，接收機(jī)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(zhǎng)變緩。

圖9 干擾功率隨Np的變化

3.4 TH-PPM-UWB信號(hào)對(duì)BDS的干擾仿真

對(duì)3.3節(jié)中的fPRF=60MHz，TH碼周期為5的UWB信號(hào)加入PPM調(diào)制，設(shè)PPM時(shí)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(hào)干擾BDS軟件接收機(jī)，與不加PPM調(diào)制的UWB信號(hào)相比，此時(shí)導(dǎo)致接收機(jī)失鎖所需的干擾功率增大了0.2dB，可見(jiàn)PPM調(diào)制對(duì)UWB信號(hào)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(hào)TH碼的碼元最大值上界Nh擴(kuò)大10倍，即每幀的時(shí)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(hào)干擾BDS軟件接收機(jī)，與Nh擴(kuò)大10倍前的UWB信號(hào)相比，此時(shí)導(dǎo)致接收機(jī)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(jiàn)隨著Nh的增加，導(dǎo)致軟件接收機(jī)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(zhǎng)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(jī)失鎖，此時(shí)信號(hào)功率譜如圖13所示，與圖6所示的Np=1，Nh=10信號(hào)相比，導(dǎo)致軟件接收機(jī)失鎖所需的干擾功率提高了7.92dBW。由圖13所示，雖然此時(shí)離散譜線變多了，但每根譜線的幅值降低，且沒(méi)有特別強(qiáng)的離散譜線，UWB信號(hào)呈現(xiàn)出類似高斯白噪聲的性質(zhì)，此時(shí)干擾影響較小。

圖13 UWB干擾BDS信號(hào)功率譜(Np=100,Nh=100)

4 結(jié)論

通過(guò)理論分析和數(shù)值仿真，研究了跳時(shí)-脈位調(diào)制下的超寬帶信號(hào)對(duì)北斗軟件接收機(jī)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(jī)工作帶寬內(nèi)，則干擾效果較強(qiáng)； 2)脈位調(diào)制對(duì)干擾效果影響不大； 3)跳時(shí)碼周期越大，干擾影響越小，但跳時(shí)碼周期增加到一定值后影響不明顯； 4)跳時(shí)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(guò)適當(dāng)改變超寬帶信號(hào)的脈沖重復(fù)頻率，跳時(shí)碼周期和碼元最大值上界，可以減小超寬帶信號(hào)對(duì)北斗軟件接收機(jī)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題“星基定位監(jiān)視與機(jī)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?yàn)楹娇找苿?dòng)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?yàn)樾l(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)干擾評(píng)估；劉瑞華(1965-)，男，陜西人，博士，教授，主要研究方向?yàn)樾l(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。