干擾對BDS信號頻域及調(diào)制域的影響評估

劉瑞華,梁欣萌

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

0 引 言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)是我國自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1],目前已經(jīng)能夠?yàn)橛脩籼峁└呔鹊膶?dǎo)航、定位和授時(shí)服務(wù),在軍事和民用方面都得到了很大程度的推廣.然而,由于衛(wèi)星信號自身的特性及空間復(fù)雜電磁環(huán)境,其在發(fā)射、傳播和接收的過程中極易受到各種干擾的影響,使衛(wèi)星信號質(zhì)量受到影響,對導(dǎo)航系統(tǒng)的精度、可用性、連續(xù)性和完好性都構(gòu)成嚴(yán)重的威脅[2-3],從而直接影響系統(tǒng)的服務(wù)性能,因此干擾問題不容忽視.

針對導(dǎo)航信號的質(zhì)量問題,文獻(xiàn)[4-5]中給出了一系列評估指標(biāo),包括時(shí)域、頻域、相關(guān)域、調(diào)制域、測距域等方面.BDS信號在受到不同干擾時(shí),信號質(zhì)量變化特征略有不同,在各類評估指標(biāo)中都有所表現(xiàn).

本文借助先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備獲取了幾種典型干擾信號的時(shí)頻特性,并將干擾與實(shí)測的BDS信號進(jìn)行疊加,從功率譜、星座圖兩個(gè)方面研究了干擾對BDS信號質(zhì)量的影響.研究結(jié)果對評估幾種典型干擾信號的頻域特性以及分析干擾環(huán)境下BDS信號的質(zhì)量情況具有一定的參考意義.

1 干擾信號特性

1.1 單音干擾

單音干擾(CWI)是指在特定的單個(gè)頻點(diǎn)上產(chǎn)生的連續(xù)波沖激.特點(diǎn)是時(shí)域連續(xù),頻域單一,又稱連續(xù)波干擾或單頻干擾.信號結(jié)構(gòu)簡單,容易產(chǎn)生,能量較為集中[6],能夠有效壓制BDS信號.

其數(shù)學(xué)模型可表示為

(1)

式中:PJ為單音干擾功率;f1為單音干擾的中心頻率;φn為隨機(jī)相位.

利用矢量信號源發(fā)出單音干擾,設(shè)置的主要參數(shù)有:干擾信號功率以及干擾頻率.干擾頻點(diǎn)為1.554 GHz的單音干擾信號頻譜如圖1所示.

圖1 單音干擾頻譜圖

1.2 多音干擾

多音干擾(SCWI)是指在多個(gè)頻點(diǎn)上產(chǎn)生的連續(xù)波沖激,可以由多個(gè)特定功率的單音干擾組合而成.其干擾頻點(diǎn)位置一般隨機(jī)分布,也可以固定在特定的某幾個(gè)頻點(diǎn)上[6].多音干擾信號功率譜的分布與單音干擾類似.

其數(shù)學(xué)模型可表示為

(2)

式中:PJ為多音干擾功率;fi為多音干擾的頻率;φn為隨機(jī)相位.

利用矢量信號源發(fā)出多音干擾,設(shè)置的主要參數(shù)有干擾信號功率、中心頻率、頻點(diǎn)間隔及個(gè)數(shù).干擾頻率為1.554 MHz,頻點(diǎn)間隔為100 kHz的多音干擾信號頻譜如圖2所示.

圖2 多音干擾頻譜圖

1.3 脈沖干擾

脈沖干擾(PI)是一種具有突發(fā)性的干擾信號,特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間很短,頻譜很寬.干擾功率可以到達(dá)千瓦甚至兆級[7],其數(shù)學(xué)模型可表示為

(3)

式中;t0為脈沖信號起始時(shí)刻;T為脈沖持續(xù)周期.

利用矢量信號源發(fā)出脈沖干擾,設(shè)置的參數(shù)有信號功率、脈沖寬度及占空比.占空比為1%的脈沖干擾信號頻譜如圖3所示.

圖3 脈沖干擾頻譜圖

1.4 掃頻干擾

掃頻干擾(LFM)信號的瞬時(shí)頻率隨時(shí)間呈線性變化. 其瞬時(shí)頻率特性為單頻,在某段時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)掃描特性[7],因此又稱為線性調(diào)頻干擾.其數(shù)學(xué)模型可表示為

(4)

式中:A為信號幅度;T為掃頻持續(xù)時(shí)間;f0為中心頻率;掃頻起始頻率和截止頻率設(shè)為f1和f2;掃頻帶寬B=|f2-f1|;掃頻斜率k=B/T.

利用矢量信號源發(fā)出線性掃頻干擾,設(shè)置的參數(shù)有信號功率、掃頻帶寬、步進(jìn)時(shí)間等.掃頻范圍為200 kHz的掃頻干擾信號頻譜如圖4所示.

圖4 掃頻干擾頻譜圖

1.5 部分帶噪聲干擾

部分帶噪聲干擾是將高斯白噪聲信號的能量集中分布在一段連續(xù)的頻譜上,并非所有頻譜范圍內(nèi)都有干擾.這種干擾信號容易產(chǎn)生,功率可以做得很高,一般情況下干擾信號較強(qiáng)[8].其中,當(dāng)干擾信號帶寬超過導(dǎo)航信號帶寬的10%時(shí)稱為寬帶噪聲干擾,否則為窄帶噪聲干擾.

部分帶噪聲干擾容易產(chǎn)生,直接將高斯白噪聲通過窄帶或?qū)拵V波器后放大即可實(shí)現(xiàn)．

利用矢量信號源發(fā)出部分帶噪聲干擾,設(shè)置的參數(shù)有高斯白噪聲的中心頻率、干擾功率、干擾帶寬及持續(xù)時(shí)間.帶寬為100 kHz的部分帶噪聲干擾信號頻譜如圖5所示.

圖5 部分帶噪聲干擾頻譜圖

2 BDS信號質(zhì)量評估指標(biāo)

根據(jù)BDS信號空間控制接口文件,信號質(zhì)量的評估指標(biāo)主要包括載波頻率、信號工作帶寬、用戶接收信號電平、信號相關(guān)性、信號功率譜、信號時(shí)域波形和眼圖、信號星座圖、信號相關(guān)曲線、信號接收性能等[9].其中,信號的功率譜能夠直觀地反映出干擾對BDS信號各個(gè)頻點(diǎn)的功率影響情況.而星座圖可以用來分析BDS信號在調(diào)制域的特性,I/Q載波相位非正交性會(huì)導(dǎo)致信號的幅度和相位產(chǎn)生誤差,而幅度誤差會(huì)引起信號畸變,從而進(jìn)一步分析噪聲與干擾對信號質(zhì)量的影響.干擾信號很強(qiáng)時(shí),BDS信號功率譜和星座圖會(huì)產(chǎn)生失真,系統(tǒng)測距性能降低.因此,本文主要從信號的功率譜、星座圖兩個(gè)方面分析受到干擾的BDS信號.

2.1 功率譜

對于BDS信號的頻域評估,大致分為經(jīng)典譜估計(jì)和現(xiàn)代譜估計(jì)兩類,通常采用經(jīng)典譜估計(jì)中的Welch周期圖法來獲取信號的功率譜結(jié)果[4-5].該方法借助信號分段重疊、加窗、FFT等數(shù)據(jù)處理技術(shù)來估計(jì)隨機(jī)信號的功率譜,能夠有效地增加功率譜曲線的平滑度,極大程度地提高分辨率.

BDS信號的功率譜處理結(jié)果反映其信號各個(gè)頻點(diǎn)的功率分布情況,通過與按照BDS信號體制設(shè)計(jì)的理想信號功率譜進(jìn)行比較,可以直觀地看出實(shí)測的導(dǎo)航信號中是否存在干擾.

2.2 星座圖

星座圖能夠反映信號的調(diào)制方式和失真情況[4].導(dǎo)航信號經(jīng)過捕獲、跟蹤、載波剝離后得到其基帶I/Q調(diào)制分量,基帶信號可表示為I/Q支路的復(fù)用信號,其中I支路信號為同相分量,Q支路信號為正交分量.

以I支路為橫軸,Q支路為縱軸可以描繪出信號的星座圖及轉(zhuǎn)換軌跡.

設(shè)理想導(dǎo)航信號的I、Q支路幅度為Iref和Qref,實(shí)測導(dǎo)航信號的I、Q支路幅度為Ii和Qi,則星座圖的主要評估參數(shù)可表示為

1) I/Q不平衡度

理想信號與實(shí)測信號的I/Q支路信號幅度偏差可用I/Q不平衡度來表示:

(5)

2)幅度誤差(Emag)RMS和相位誤差(Ephase)RMS(Emag)RMS=100%×

(6)

(Ephase)RMS=100%×

(7)

3)誤差矢量幅度

誤差矢量幅度(EVM)指的是特定時(shí)刻下實(shí)測信號與理想信號之間的向量差.通常將EVM值用某個(gè)時(shí)間段內(nèi)誤差向量的均方根(RMS)來表示.因此,接收碼片經(jīng)過一系列的處理之后重新復(fù)現(xiàn)為發(fā)射端信號,取該碼矢量信號與實(shí)測的矢量信號的矢量差,再對矢量差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均計(jì)算,就可以得到EVM值[4].EVM值可表示為

EVMRMS=100%×

(8)

式中:N為抽樣點(diǎn)數(shù);Smax為理想信號矢量幅度.

EVM表示導(dǎo)航信號的調(diào)制誤差矢量.數(shù)值越大說明信號受干擾越嚴(yán)重,復(fù)現(xiàn)后的信號誤差越大,反之信號誤差小.

3 干擾對BDS信號質(zhì)量影響結(jié)果

3.1 數(shù)據(jù)獲取

BDS信號數(shù)據(jù)通過7.5 m高增益天線獲取,選取衛(wèi)星為IGSO-6號星,其中B1頻點(diǎn)的信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換及下變頻后將射頻信號變?yōu)?0.258 MHz的數(shù)字中頻信號[10-11].干擾信號由任意波形生成器生成并通過矢量信號源發(fā)出.BDS信號和干擾信號通過射頻線同時(shí)輸入到合路器一端,兩路信號經(jīng)合路器疊加之后從另一端輸出并送入饋電器及下變頻器中進(jìn)行處理,最后BDS信號采集系統(tǒng)對含干擾的BDS信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ).其疊加數(shù)據(jù)產(chǎn)生的流程如圖6所示.

圖6 數(shù)據(jù)產(chǎn)生流程

矢量信號源的載波頻率設(shè)置為1561.098 MHz,輸出功率設(shè)置為-30 dBm,干擾信號的持續(xù)時(shí)間為10 ms. 其中,單音干擾與脈沖干擾信號功率譜結(jié)果無明顯差異,因此僅選取單音干擾代替窄帶干擾與其他類型的干擾信號進(jìn)行對比;多音信號的干擾頻點(diǎn)間隔設(shè)為500 kHz,共三個(gè)音;掃頻干擾與部分帶噪聲干擾信號功率譜結(jié)果無明顯差異,因此在接收信號1 dB帶寬內(nèi)僅選取帶寬為400 kHz的部分帶噪聲干擾作為主瓣的寬帶干擾與其他類型的干擾信號進(jìn)行對比.

3.2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

3.2.1 功率譜處理結(jié)果

圖7～10分別給出了未疊加干擾、疊加單音干擾、疊加多音干擾以及疊加部分帶噪聲干擾四種情況下的實(shí)測BDS信號功率譜的處理結(jié)果.

由于整個(gè)信道特性非理想,使得采集頻段各頻點(diǎn)的底噪不同,造成BDS信號的功率譜上下邊帶不對稱.

圖7 未疊加干擾時(shí)B1信號的功率譜

圖8 疊加單音干擾時(shí)B1信號的功率譜

圖9 疊加多音干擾時(shí)B1信號的功率譜

圖10 疊加部分帶噪聲干擾時(shí)B1信號的功率譜

BDS信號質(zhì)量監(jiān)測需要綜合分析信號的頻率、帶寬與帶內(nèi)功率等參數(shù)．由圖7～10可知,與未疊加干擾信號的實(shí)測導(dǎo)航數(shù)據(jù)相比, BDS信號受到單音信號干擾后信號功率譜在中心頻點(diǎn)1561.098 MHz附近出現(xiàn)一個(gè)明顯的尖峰;受到多音信號干擾后,在1560.598 MHz、1561.098 MHz、1561.598 MHz三個(gè)頻點(diǎn)附近都出現(xiàn)了類似的尖峰;在部分帶噪聲干擾的影響下,導(dǎo)航信號的功率譜在主瓣干擾帶寬范圍內(nèi)(1560.898～1561.298 MHz)出現(xiàn)相應(yīng)的凸起,帶寬與干擾信號帶寬基本一致.可見,干擾信號對導(dǎo)航信號功率譜的影響較大且效果明顯.另外,通過改變干擾信號的輸出功率發(fā)現(xiàn),當(dāng)干擾功率很小時(shí)幾乎不會(huì)影響到導(dǎo)航信號的質(zhì)量.表1示出了不同干擾下導(dǎo)航信號的平均帶內(nèi)功率值,通過比較數(shù)值可以看出,干擾環(huán)境下BDS信號的平均帶內(nèi)功率值要大于無干擾存在時(shí)的帶內(nèi)功率值．當(dāng)干擾很強(qiáng)時(shí),功率值將出現(xiàn)大幅波動(dòng),系統(tǒng)測距性能降低.

表1 功率譜評估參數(shù)

3.2.2 星座圖處理結(jié)果

圖11～14分別示出了未疊加干擾、疊加單音干擾、疊加多音干擾以及疊加部分帶噪聲干擾四種情況下的實(shí)測BDS信號星座圖的處理結(jié)果.

圖12 疊加單音干擾時(shí)信號的星座圖

圖13 疊加多音干擾時(shí)信號的星座圖

圖14 疊加部分帶噪聲干擾時(shí)信號的星座圖

理想BDS信號的星座圖為固定四個(gè)散點(diǎn),軌跡線為對角線處兩個(gè)散點(diǎn)的連線[4].由圖11～14可知,導(dǎo)航信號受到單音干擾后,信號的星座圖不在正常范圍內(nèi),且轉(zhuǎn)換軌跡混亂;受到多音干擾后,星座圖的幅度誤差和相位誤差相對于單音干擾來說數(shù)值增大,轉(zhuǎn)換軌跡線模糊不清;在部分帶噪聲干擾的影響下,衛(wèi)星信號的幅度和相位誤差值更大,同樣星座圖的正交性和幅度平衡性也明顯發(fā)生了惡化.表2示出了不同干擾情況下導(dǎo)航信號星座圖各類評估指標(biāo)的參數(shù)值,其干擾參數(shù)與第3.2.1節(jié)中的參數(shù)相同.通過比較數(shù)值可以看出,干擾環(huán)境下BDS信號的幅度誤差、相位誤差、IQ不平衡度、EVM值都明顯大于無干擾存在時(shí)的數(shù)值．當(dāng)干擾很強(qiáng)時(shí),星座圖評估參數(shù)將出現(xiàn)大幅波動(dòng),系統(tǒng)測距性能降低．

表2 星座圖評估參數(shù)

4 結(jié)束語

本文對BDS中常見的幾種干擾信號進(jìn)行了特征分析,闡述了導(dǎo)航信號頻域及調(diào)制域的質(zhì)量評估指標(biāo),同時(shí)介紹了實(shí)測數(shù)據(jù)的采集過程.實(shí)測數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明,干擾存在的情況下,導(dǎo)航信號質(zhì)量受到不同程度的影響,各類評估指標(biāo)的參數(shù)值都有所改變,但并不能準(zhǔn)確地判定出干擾的存在性和類型,因此對干擾信號的檢測和識(shí)別是進(jìn)一步需要研究的內(nèi)容.