4G對北斗RDSS系統的干擾分析及應對策略

王福軍,王前,白英廣，謝維華

(北京衛星導航中心,北京 100094)

0 引 言

衛星導航系統接收機很容易受到電磁干擾,自從GPS應用以來,就受到各種干擾的影響.因此,國際全球衛星導航系統(GNSS)委員會(ICG)推動設立專門的干擾檢測與削弱(IDM)論壇,主要討論不同GNSS系統之間的兼容互操作、干擾監測與抑制等問題[1].2011年1月,美國聯邦通信委員會(FCC)決定無限期暫停LightSquared公司運營4G-LTE(LongTermEvolution)網絡的有條件棄權證書,原因是相關測試表明LTE信號將會干擾現存大部分GPS接收機[2].在文獻[3-4]中,以載噪比為評估指標,給出了LTE信號對GPS和GalileoL1/E1信號信號的影響模型,并用試驗數據進行了驗證.結果表明,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[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,并指出接收機射頻前端在保護GNSS信號免受射頻干擾起著重要作用.

與LightSquared公司事件類似,北斗無線電測定業務(RDSS)系統也受到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業務.4G的主要特點是快速傳輸速率,下載和上傳數據的能力分別是100Mbps和50Mbps.為了滿足用戶需求,4G采用了正交頻分復用(OFDM)和多輸入多輸出(MIMO)等技術來平衡平均吞吐量和頻率效率,但是正交頻分復用(OFDM)信號具有可變包絡和高峰均功率比(PAPR).落地標準電平應大于-100dBm,但實際值一般為-50～-60dBm.北斗一號系統于2003年提供服務,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.但由于當時尚未有4G系統的應用,沒有考慮到帶外信號對北斗RDSS用戶機的影響.

本文結合實際北斗RDSS用戶機和4G系統應用模式特點,通過理論分析和試驗的方法,分析用戶機模塊的帶外抑制能力,提出改善北斗RDSS系統和4G系統兼容共存的技術方案.

1 用戶機模塊分析

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

用戶機可抽象成如圖1所示的信道結構.衛星信號經天線、低噪放的放大以及下變頻模塊后,生成中頻信號.經基帶模塊的捕獲、跟蹤、解擴和解調后,完成定位和通信信息的輸出,實現定位和通信功能.通過分析信道中各個模塊的特性,找出影響RDSS用戶機帶外抑制性能的主要因素.

圖1 用戶機信道結構

1.1 天線的帶寬選擇性

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

(1)

式中:Bw為有效帶寬；f0為中心頻率；Q值為電磁結構的儲能與耗能的比值.

天線是一種能量輻射結構,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,因而Q值較低.相反,濾波器是一種能量傳輸結構,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,存儲能量能力強,采用低損耗傳輸介質(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特性和結構特點決定.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用.通過上述實驗可知,中心頻率為2 491MHz,2412～2572MHz通帶內帶外抑制率小于5dB.

表1 2412～2572 MHz頻帶內天線增益dBic

1.2 射頻模塊帶外抑制能力

(a) 超外差結構射頻通道

(b) 低中頻結構射頻通道圖2 用戶機射頻通道結構圖

低中頻采用一次變頻方案,采用正交本振信號實現單邊帶下變頻.優點是集成度高,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

基帶處理是實現信息正確解碼的重要環節.由于RDSS 用戶的定位結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 調制,編碼形式為卷積編碼,當誤碼率為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之間的關系式如下:

[Eb/N0]dB= [C/N0]dB·Hz-[Rb]dB·bps-

[L]dB+[A]dB.

(2)

當信號功率為-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.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(SSC),具體定義見文獻[10].

1.4 仿真分析及小結

1.4.1 帶外抑制能力分析

根據器件的1 dB 壓縮點,頻幅特性、增益特性等參數,可從理論上分析出射頻通道的阻塞電平值.表3和表4示出了超外差結構射頻模塊1的放大器和濾波器參數,根據器件的參數特性以及不同射頻結構的干擾敏感點分析,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,分別計算超外差結構射頻模塊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

表4 射頻模塊1濾波器參數

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

射頻濾波器參數定義如下:3 dB帶寬為8 MHz,當偏移中心頻率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.按照以上參數和干擾信號功率譜密度(PSD),圖4中示出了SSC值,表明不同設計的濾波器對SSC影響顯著,進一步影響Ci/N0值.當值Lossi增加到北斗RDSS信號的量化誤差電平時,將會引起RDSS用戶機內部信號處理和測量誤差,因此接收機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

從上面分析可知,在用戶機的三個模塊中,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行研究,以減少4G信號對用戶機的干擾.

2 抑制強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、低損耗和高環境適應性.2)擴大射頻通道的線性動態范圍.

2.1 高性能濾波器的設計

濾波器的設計目標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,受技術水平的限制,濾波器不可能達到理想目標.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,但Q值受濾波技術水平限制,不可能實現理想濾波.由于材料的特性,濾波器的頻率特性因環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襯底和低溫漂移系數晶體切割等措施,可以獲得很窄的帶寬,實踐表明,濾波器具有優良的溫度適應性和帶外抑制能力,在-55℃～125℃范圍內,可以得到穩定的窄帶濾波性能.

2.2 信道線性度的改善

為了減少對有用信號的損失,北斗二號用戶機的射頻前端濾波器帶寬一般設計得比較寬,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4G強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,就會產生不可接受的互調失真電平,進而干擾低電平有用信號.因此,在4G鄰頻強干擾條件下,射頻通道必須提供更大的線性動態范圍.

射頻通道的線性動態范圍很大程度上取決于系統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來擴大線性動態范圍,通過提高IP3來減小高階信號.P-1與IP3呈線性關系,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大線性區間,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

以上兩項技術措施可以提高射頻通道的帶外抑制能力,但在現有器件基礎上提高射頻通道線性度的成本高,不適合大規模推廣應用.

3 測試驗證

為了驗證第2章的理論分析,設計了不同結構和參數的射頻模塊.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信號功率設置為實際衛星信號落地功率值.測試過程中,調整干擾信號功率和帶寬,當誤差大于正常值時,開始記錄相應的干擾參數.

圖6 仿真試驗平臺連接圖

3.2 測試結果分析

測試結果如圖7所示,與圖3對比,可以得出以下幾個主要結論:

圖7 射頻通道抑制帶外信號測試結果

1)基本結論

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,則用戶設備阻塞電平越大,其結果主要由射頻信道的動態范圍和濾波響應決定.

2)敏感點的原因

部分用戶機的測試曲線與信號頻率不是嚴格的線性關系,曲線中有敏感點,其原因是由于射頻結構的固有缺陷,第2節已經分析了相關工作原理.

在圖7中,敏感點出現在射頻模塊3的2 570 MHz和2 430 MHz頻點,其原因是超外差射頻通道產生的半中頻干擾信號在濾波器帶內沒有被濾除.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生的鏡像頻率干擾.

3)理論分析與試驗結果的差異

歸納出兩個主要因素.1)理論分析是基于設備的阻塞電平,沒有考慮雜散響應和鏡像干擾,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,信號頻率范圍從2.471 75 GHz到2.511 75 GHz,跨度達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,第一級濾波器的帶通范圍為16 MHz,另一級帶通范圍為90 MHz.由于沒有采取相應的措施來抑制遠離中心頻率(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

4 結束語

4G系統與北斗RDSS 系統的使用頻率較為接近,且信號強度遠大于北斗RDSS系統,因此有可能對北斗RDSS用戶機造成帶外干擾.本文通過分析用戶機各功能模塊,指出射頻模塊是抑制帶外干擾最關鍵部件.在設計過程中,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參數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范圍都是比較有效的方法.本文可為下階段對現有用戶機進行技術升級和新一代北斗三號用戶機研制提供技術參考.