集群移动通信系统的互调干扰分析

孙 晶 杨川龙

摘要本文主要阐述了集群移动通信中无源互调干扰的产生,分析了产生干扰的原因和解决办法,最后给出了应用实例。

关键词集群移动通信互调干扰无源互调干扰有源互调干扰

中图分类号:TN911文献标识码:A

1 概述

众所周知,通信在国民经济中的地位已迅速上升,它和能源、交通已并列成为现代社会经济的三大支柱。特别是在经济高速发展的现代信息社会中,时间就是效益,信息就是财富。因此要迅速、及时、可靠、准确以及不间断地获取信息,就要靠通信来支持,特别是移动通信。最近几年,人们对“无论任何人(Whoever)在任何时候(Whenever)和任何地方(Wherever)都能自由地与世界上其它任何人(Whomever)进行任何形式(Whatever)的通信”的个人通信发生了极大兴趣,并竞相研究,而移动通信在个人通信中也占据极为重要的地位。

移动通信是移动用户与基地台之间的通信,其定义看起来简单,但要实现却非易事。人们早就需要运动中的通信,但真正获得比较迅速的发展还是近几十年的事。这是因为移动通信当时使用的电台体积庞大、笨重,操作又比较复杂,特别是需要庞大的电源和天线,无法装在运动载体上,即使勉强装上,移动也十分困难,所以就谈不上运动中通信了。由于舰船的载荷量大,并且有较强的供电能力,因而海上应用无线电通信是具备条件的,所以,可以说移动通信最早是在海上使用。除海上和航空以及高频远距离通信外,通常多用直射线传播或视距内传播,因此高频、超高频用得较多。由于移动通信与固定通信是不同的,要正确使用它,必须了解移动通信的特点。

移动通信有以下几个特点:

(1)复杂的无线电电波传播模式;

(2)干扰和噪声比较严重;

(3)工作环境恶劣,可靠性要求高;

(4)入网方式和信令格式比较复杂;

(5)使用的频段拥挤,扩大用户容量比较困难。

总之,移动通信随着无线通信技术的发展,新的无线电通信频段的开辟和频率利用率的提高,移动用户设备的轻小型化以及与地面网络接续自动化的实现而逐步得到发展,它已成为一个系统综合技术,将体现通信、电子技术上的新技术发展水平。

2 集群移动通信系统的特点

由于移动通信与固定通信是不同的,要正确使用它,必须了解移动通信的特点。集群移动通信系统是专用调度系统,专用调度通信是很早出现的一种通信方式。它从一对一对讲机的形式、同频单工组网形式、异频单(双)工组网形式到单信道一呼百应以及进一步带选呼的系统,发展到多信道自动拨号系统。近十年来,专用调度系统又向更高层次发展,成为多信道用户共享的调度系统,这种系统称为集群通信系统。集群通信系统是多个用户共用一组无线电信道,并动态地使用这些信道的专用移动通信系统,主要用于指挥调度通信。而常规移动通信系统中用户通话时双方使用的频率都是固定的,移动用户台只能调谐到某一个频率,故只能在此信道上工作。集群移动通信系统较常规移动通信系统有以下优点:

(1)信道利用率高;

(2)因共享信道,故阻塞率低,使之服务质量高;

(3)两用户通话时,非通话用户不能收到通话内容也不能干扰,故具有私密性;

(4)是智能化的网络,有完整的系统控制中心以对全网进行控制管理;

(5)系统的网络中具有交换功能,可实现多信道共用、多区联网,与PABA或PSTN互连;

3 集群移动通信系统的互调干扰

集群移动通信系统以频分制为主,常用的调制方式是窄带调频,基带信号为300～3400Hz,调制指数为1.66,调制后信号带宽为=16KHz,称之为16KOF3E信号。

构建优良的通信系统,提高系统的通信质量一直是工程设计者的追求和努力方向。但众所周知,通信质量的好坏是由多种因素决定的,除了频率、功率、编码等外,干扰问题也是一个很重要因素。

在移动通信中,存在着许多干扰,如同频干扰、邻道干扰、交调干扰、远近效应、码间干扰……。它们中最主要的干扰就是交调干扰,也称互调干扰。所谓互调干扰是指由于通信设备中某些电路的非线性,使本不该进行调制的若干信号,进行了交叉即相互调制,而产生新的频率,造成对某个信号的干扰。

采用多信道共用的移动通信系统,在同一地区、同一频段的通信系统可能不止一个,这样同一地区使用众多的信道,而移动台无处不有,因此,移动通信系统中产生互调干扰的可能性很大。

互调干扰分为有源互调干扰和无源互调干扰。

(1)有源互调干扰

有源互调干扰是指相同工作频率电台之间的干扰,是集群移动通信网中经常出现的一种干扰,凡是能进入接收机通带的外台载波信号都能产生同频干扰。它的频率范围是,式中是接收机收信载频,是接收机中频带宽。产生的原因有:

① 两个电台的载频差引起的干扰。特别是在系统组呼和群呼时,或多区制同信道复用时,更容易产生这种干扰。

② 两个调频电台调制度不同而引起的干扰。当两个频率相同,但调制度不同的信号进入接收机时,因调制度不一致产生失真,造成干扰。

③ 当两个载频相同而调制信号相位不同,也会产生失真,造成干扰。

④ 在发射机末端,功率放大器的非线性工作,把天线引入的其他干扰信号和有用的发射信号混频在一起产生互调,称为发射机的互调。

⑤ 处于互调关系的两个或两个以上的无线电信号同时被接收机接收,由于高频和混频器的非线性而引起互调,称为接收机的互调。

总之无论哪种互调,产生互调的内因是电路的非线性,而其外因是作用于非线性电路的两个或两个以上无线电信号之间必须满足一定关系,包括频率和幅度两个方面的关系。通常最关注的是电路非线性的三次项产生的三阶互调,它在频率上必须满足:

2fi-fj=fz……二信号三阶互调(A型三阶互调)— 式①

fi+fj-fk=fz ……三信号三阶互调(B型三阶互调)—式②

它们的意义是:只要由二信号或三信号互调产生的新频率fz正好落在本系统的某个工作频率上或其通带内,就构成对它的干扰,这就是所谓的三阶互调干扰。

解决三阶互调干扰最根本的办法是删掉产生这个交调干扰中任一个信号频率。这就是无三阶互调信道指配的目的和任务。

(2)无源互调干扰

随着移动通信系统新频率的不断规划、更大功率发射机的应用和接收机灵敏度的不断提高,当多个频率的载波信号通过一些无源器件时,都会产生互调失真。无源器件如天线、电缆、滤波器、双工器、单向器等,由于其机械连接的不可靠,使用具有磁滞特性的材料,污损的接触面等原因,不同频率的信号在材料连接处非线性混频,产生不同幅度的互调产物,而这些互调失真信号又表现为通信频带中的干扰信号,使系统的信噪比下降,严重影响通信系统的容量和质量。

实际上,在我们平时的设计和测量中,一般对有源互调(如由放大器、混频器等产生的互调失真)寄予比较多的关注,,故对大多数无线发射和接收频段的选择非常谨慎,避免最大的互调产物落入接收频段,且避免自身的高阶互调产物(如IM5,7,9)落入一些通信频段。但随着通信系统的发展和系统质量的提高,无源互调(Passive Inter-Modulation,PIM)产生的系统干扰日益严重,常常被忽视的PIM产生的系统干扰会成为非常棘手的干扰源。

无源互调PIM与有源互调相类似,只是无源互调是无源器件产生的。非线性器件或材料是一个理想的无源互调产生源。这些可包括:射频通道中的磁性金属;联接不畅或未对准的零件;机械接口不好;不同性质的金属直接接触;质量低劣或含有杂质成分的电镀及不良焊点等。

只要在一个射频导体中同时存在两个或两个以上RF信号,任何无源器件都会产生无源互调产物。由于不同材料的连接处的具有非线性,信号会在结点混合,如发射机附近的金属接触件接触不良,在强电场作用下产生检波作用而引起的互调等。一旦PIM 的功率超过接收机的随机底噪(kTBF),系统的载干比(C/I)会出现反作用。这是因为一般来说,当平均发射功率增加时,PIM 产物也会显著增加;当基站出现满载时,PIM 可能对基站造成严重的影响。当容量达到最大时,PIM 就会上升,干扰基站的正常工作。典型地,其奇数阶互调产物(如IM3=2*F1-F2)会落在基站的上行或接收频段内,成为干扰接收机工作的信号。它会造成独立于接收机随机底噪的接收机减敏现象。在一些功率合成系统或者多载频的共用系统中,当两个大功率信号同时作用于一个两端口器件的输入和输出端时,在输出端口将会产生很大的互调产物。在多系统合路平台(POI)系统中情况更为复杂。各种不同频段的载频同时进入系统,除了本频段的互调干扰外,还会产生跨频段的互调干扰。如下图所示:

这里需要注意的是,尽管产生的PIM 的功率和母载波功率之间不一定存在直接的关系,PIM 还是会随功率的改变而变化的,简单地说,宽带器件结束于一个宽带负载。典型情况下,载波功率每增加1 dB,三阶互调响应就增加大约3dB(假设载波功率相等)。尽管如此,还有很多因素会影响这个良好而简单的关系,这些因素包括:n*F1 和/或m*F2 频率上的高回波损耗值;与铁氧体器件有关的磁滞现象的变化曲线极其倾斜;当接近衰减潜能时,电学结具有的非线性特性;由于功率变化引起的每个互调源的阻抗变化,从而导致的多个互调源之间的交互作用。

一般而言,当发射机功率增加时,基于整个系统性能的无源互调的阻抗就越为重要。典型地,当一个TDMA 系统充分提供可利用的频率和信道时隙,或者当一个CDMA系统通过增加前向功率来增加系统容量时,无源互调值都会增加。

4 理论指导工程实践

消除互调干扰的常见方法是破坏频率关系或削弱信号强度。在工程实践证明了这一点。

在通信车这个具体项目中,就出现了互调干扰问题。当系统处于工作状态时,共有三个信号同时发射,假定基站第一话音信道发射频率f1,第二话音信道发射频率f2,手持台在第一话音信道上说话,发射频率为f1-10MHz,则

(f1-10MHz) + f2-f1= f2-10MHz

由上可见,下等式右边正是基站第二话音信道的接收频率。

这个算式表明,在一个多信道集群基站中,三阶互调关系是固有特性,与每个站实际使用的频率无关。换句话说,只要信号强度足够,互调干扰必然存在。在以往建设的集群系统中,移动台只在远离基站的情况下工作,基站天线也架得很高,互调源的强度很小,不会产生互调干扰。而通信车的天线不可能架高,手台却必须在基站附近,在近场条件下工作,因此产生互调干扰,俗称信道串音。

我们改进了基站接收机的高放电路以提高抗有源互调能力,在双工器的输出口加上了智能衰减器及降低手持台发射功率以降低信号强度,减小无源互调的影响,对所使用的双工器进行材料精选、对机械加工、装配和焊接进行了精心改进,较好地解决了通信车的信道串音问题。

5 结语

随着移动通信系统的发展和建设,在工程实践中要对PIM给予足够重视,并在设计和使用中采取有效措施尽量把干扰压到最小,以保障通信的可靠性,这是至关重要的。