BDS用户设备的电磁兼容现状及进展

李 琳,谭述森

(北京卫星导航中心,北京 100094)

BDS用户设备的电磁兼容现状及进展

李 琳,谭述森

(北京卫星导航中心,北京 100094)

针对BDS用户设备与其邻频系统的电磁兼容问题,提出BDS用户设备电磁敏感度优化和BDS业务保护相结合的解决途径。针对内部诱因要素——BDS用户设备电磁敏感,设计合理可行的电磁敏感度优化方案,尽可能优化BDS用户设备电磁敏感度;针对外部诱因要素——邻频系统电磁辐射,制定贴切直观的BDS业务保护要求,给予BDS用户设备具备规范性效力的基本保护。BDS用户设备电磁敏感度的显著优化以及BDS业务保护要求的付诸实施,可较彻底解决BDS用户设备的电磁兼容问题。

卫星导航系统;电磁兼容;电磁兼容性;电磁敏感度;电磁干扰

0 引言

BDS用户设备作为实现北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system,BDS)定位、授时、报文通信和位置报告等功能的终端,目前已广泛应用于我军信息获取、指挥控制、精确打击、战场救援、战备训练、后装保障和边防管控等诸多领域[1-2]。全军BDS应用正从单一功能向多种功能、独立单机向综合集成、应用潜力向作战保障实力转变。

随着BDS用户设备应用领域的拓展、应用层次的深入,其与别类系统的电磁兼容性(electromagnetic compatibility,EMC)问题接踵而至,尤以与邻频系统的EMC问题最为突出。原因在于[3]:电磁干扰源复杂、耦合途径多样、BDS用户设备敏感。

无独有偶,美国光平方公司第四代长期演进(fourth generation long term evolution,4G-LTE)天地融合移动宽带通信网络计划与全球定位系统(global positioning system,GPS)之间的EMC问题,一度成为2011年全球卫星导航系统(global navigation satellite system,GNSS)界的关注焦点。美国天基定位导航定时(Positioning,Navigation, and Timing,PNT)国家执行委员会联合主席,在致美国商务部助理部长的官方信函中强硬表示:当前没有任何可行方案能解决4G-LTE给GPS带来的影响。欧盟认为4G-LTE对导航频段存在严重影响,并提醒美方此计划一旦获批可能产生的示范作用,将不仅是美国国内的问题也不仅是GPS的问题。2012-05-14,光平方公司正式申请破产保护[3]。

引发EMC问题的三个要素为干扰源、敏感源和耦合途径;电磁兼容性对电磁干扰(electromagnetic interference,EMI)和电磁敏感度(electromagnetic sensibility,EMS)提出极限值要求,即电磁干扰不能高于某极限值,电磁敏感度不能低于某极限值[3]。本文从EMC要素出发,剖析BDS用户设备与邻频系统的EMC现状,研究BDS用户设备与邻频系统的EMC问题解决途径。

1 主要邻频系统EMI情况

BDS B1频点所处1 559～1 610 MHz频段,为航空无线电导航服务(aeronautical radio navigation service,ARNS)和卫星无线电导航业务(radio navigation satellite service,RNSS)专属频段,享受优先使用待遇。有代表性的邻频系统见表1。

表1 BDS B1频点的代表性邻频系统

BDS B2频点所处960～1 215 MHz频段,属于ARNS专用频段。GPS的L5、Galilleo的E5均在其内;广泛用于机场的塔康(tactical air navigation,TACAN)、测距仪(distance measuring equipment,DME)、仪表着陆系统(instrument landing system,ILS),以及敌我识别器、三军联合信息分发系统等均在该频段附近。

BDS B3频点所处1 215～1 280 MHz频段,不属于RNSS专用频段,须与其他服务分享频段资源。有代表性的邻频系统见表2。

表2 BDS B3频点的代表性邻频系统

BDS S频点的代表性邻频系统有第四代移动通信系统、无线局域网络(wireless local area network,WLAN)和多路微波分配系统(multichannel microwave distribution system,MMDS)等,频率范围分别为2 500～2 690 MHz、2 400～2 483.5 MHz 和2 535～2 599 MHz。

综上所述,BDS邻频系统EMI的主要特点是种类多、数量大;工作频段与BDS频段毗邻、部分重叠甚或完全重叠;发射功率较大;带外抑制、杂散抑制等要求不够贴切;时域特征有连续和脉冲两种。

2 导航用户设备EMS现状

国际电联(International Telecommunications Union,ITU)规定:卫星—地面链路在1.525～2.500 GHz频段、任意4 k Hz内,卫星信号的功率通量密度不超过-154 d BW/m2。因此,用户段必须对电磁信号非常敏感,才能在信噪比低至-20 dB左右时响应、处理卫星信号。对电磁信号非常敏感具有两面性,正面为接收灵敏度高,负面为易受电磁干扰影响[5-9]。无论是美国GPS、欧洲Galileo的导航接收机,还是BDS用户设备均是如此。

2.1 GPS-L1接收机EMS现状

国际民用航空组织(International Civil Aviation Organization,ICAO)出版的《国际民用航空公约》附件10第I卷[10],以及航空无线电委员会(Radio Technical Commission for Aeronautics,RTCA)制定的技术指导文件RTCA/DO-253A、RTCA/DO-235B中给出[11],GPS-L1接收机的电磁敏感度具体如下。

在卫星信号功率-134.5 d Bm、跟踪解调门限载噪比29.93 dBHz、跟踪精度优于0.4 m的边界条件下,GPS-L1接收机的音频干扰功率容限如图1所示;带限噪声干扰功率容限如图2所示;脉冲干扰功率容限见表3。这里的卫星信号功率、干扰功率为接收天线输出端的卫星信号功率、干扰功率;跟踪精度既不含多径、电离层、对流层等信号传播效应,也不含星历、卫星钟差等。

图1 GPS-L1接收机的音频干扰功率容限

图2 GPS-L1接收机的带限噪声干扰功率容限

表3 GPS-L1接收机的脉冲干扰功率容限

2.2 GPS-L5接收机EMS现状

航空无线电委员会制定的技术指导文件RTCA/DO-292文件给出[12],GPS-L5接收机的电磁敏感度具体如下。

在卫星信号功率-130.4 dBm、跟踪解调门限载噪比27 d BHz、跟踪精度优于0.4 m的边界条件下,GPS-L5接收机音频干扰功率容限如图3所示;带限噪声干扰功率容限如图4所示,其中实线对应于跟踪、虚线对应于捕获。

图3 GPS-L5接收机的音频干扰功率容限

图4 GPS-L5接收机的带限噪声干扰功率容限

2.3 BDS用户设备EMS现状

由于BDS的信号体制有别于GPS,国内的技术积累、工艺水平等与国外存在差距,再加上前期对BDS用户设备的动态范围、频率选择性等没有做强制性的统一要求,因此BDS用户设备的EMS与GPS接收机存在一定的差距。

2013年8月,以邻频系统4G为例测试BDS用户设备EMS。测试平台如图5所示,主要由BDS用户设备测试系统、4G集总模拟设备(R&S SMU200A)、受试BDS用户设备、带阻滤波器、可变衰减器、合路器和若干电缆组成。受试7型BDS用户设备的运载方式、结构形态、功能类别等属性基本覆盖主用BDS用户设备。

图5 BDS用户设备EMS测试平台组成

7型BDS用户设备的EMS测试结果见表4。当4G信号的中心频率从2 491 MHz移至2 540 MHz 时,7型BDS用户设备对4G集总功率容限的差异分别高达13 dB、22 dB、26 dB、25 dB、27 dB、25 dB和32 dB;即7型用户设备的干扰功率容限不尽相同,最大相差32 dB。

表4 7型BDS用户设备的EMS差异

综上所述:BDS用户设备电磁敏感度现状,与邻频系统电磁干扰水平之间的矛盾相当突出。为了消除或者缓解两者之间矛盾,首当其冲的是对BDS用户设备电磁敏感度进行优化。

图6 宽动态锐截止方案架构

3 BDS用户设备EMS优化

针对邻频EMI在频率域(与BDS频段毗邻或重叠)、功率域(发射功率大、带外抑制及杂散抑制等要求不够贴切)和时间域(连续、脉冲)上的特点,宜采用宽动态锐截止方案、连续干扰抑制(continuous interference suppression,CIS)方案和脉冲干扰置零(pulsed interference blanking,PIB)方案。

3.1 宽动态锐截止方案

宽动态锐截止方案采用图6所示“多级滤波—放大级联+射频芯片”架构。第一级滤波器为抗烧毁功率较大、插损小、体积不大的介质滤波器;第一级放大器为噪声系数低的低噪声放大器;第二级滤波器为频率选择性较好、插损较小、体积较小的声表面波(surface acoustic wave,SAW)滤波器;第二级放大器为噪声系数较低的低噪声放大器;第三级滤波器为频率选择性好、插损适中、体积小的SAW或薄膜体声波(film bulk acoustic resonator,FBAR)滤波器。射频芯片为基于“两次下变频+外置中频SAW+自动增益控制”结构的48脚方形扁平无引脚(quad Flat no-lead package,QFN)封装单芯片。

该宽动态锐截止方案可实现输入动态范围拓展、无用频率衰减、噪声系数控制等方面的综合最优[13]。

3.2 连续干扰抑制方案

图7 重叠加窗频域滤波处理流程

连续干扰抑制技术主要有时域滤波、频域滤波、空域滤波、空域时域联合滤波、空域频域联合滤波等;其中时域滤波、频域滤波具有技术成熟度高、性价比高等特点,适于各种运载方式的BDS用户设备。

重叠加窗频域滤波是一种高性价比的频域滤波方法,其处理流程如图7所示。

首先按照“一个数据块N个数据、相邻数据块重叠γN个数据”的方式对输入数据进行重叠式分块,第i个数据块的起、止序号分别为(i-1)(1 -γ)N+1和(i-1)(1-γ)N+N,重叠因子γ通常取为1/2和2/3;然后各数据块与窗函数相乘,实现对各数据块的时域加窗处理;接着进行N点快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)、谱线幅度检测、滤波函数构造、频域滤波和N点快速傅里叶反变换(fast Fourier inverse transform, IFFT);最后选取各数据块居中的(1-γ)N个数据,并依照数据块相邻关系拼接,得到与输入时序一致、无重叠的数据流。

时域加窗是为了改善时域截断所引起的频谱能量泄露。数据分块是为了提高FFT、IFFT的处理效率。先重叠式分块、再选取式拼接是为了补偿窗函数边缘衰减对输入数据的失真效应。除了选取式拼接外,还可用直接相加拼接—相邻数据块直接相加;后者的信噪比损失要小些,但计算量要大些。

3.3 脉冲干扰置零方案

脉冲干扰置零的原理是对输入信号进行功率检测,当输入信号功率超出门限时将数模转换器(analog-to-digital converter,ADC)输出清零。功率检测既可基于模拟功率测量的模拟电路,也可基于ADC输出直方图分析的数字电路。

数字脉冲置零方案逐个处理ADC的输出采样点,既无需识别脉冲何时起始、何时终止,也无需存储脉冲持续期间的采样点,是一种高性价比的脉冲干扰置零方案[14]。数字式脉冲干扰置零方案的处理流程如图8所示。

图8 数字式脉冲干扰置零处理流程

图8中过门限置零处理前数据位数n位,过门限置零处理后数据位数降至m位;与各数据采样点同步的样点过限标记信号,用来标识各采样点是否超过门限、是否经过置零。这样设计的原因在于:为确保自动增益控制(automatic gain control,AGC)、ADC工作正常,应根据热噪声水平(低于门限、未被置零的采样点功率水平)调整AGC;不能根据含脉冲干扰的采样点或者置零后的采样点功率水平。前者造成AGC增益过小,继而导致ADC空载或低负荷;后者造成AGC增益过高,继而导致ADC满负荷或过载。

3.4 试样EMS性能

上述EMS优化方案在具体实施时,还受到用户设备的接收灵敏度、宽温适应、尺寸、功耗、量产和成本等方面约束。

以S频点BDS用户设备为例:BDS用户设备的信噪比余量仅1 dB左右;宽温适应性要求为工作温度-40℃～+60℃,储存温度-55℃～+70℃;运载方式有手持式、车载式等,手持式设备的尺寸要求为长×宽×高不超过190 mm× 80 mm×60 mm;平均功耗不超过3.5 W。

为此,射频模块EMS优化的约束条件:信噪比余量1 dB,温度适应范围-55℃～+85℃,长×宽×高不超过53 mm×38 mm×13 mm,平均功耗不超过0.5 W,成本不超过手持式用户设备成本的20%,量产阶段(较设计定型阶段)恶化程度不超过1 d B。

基于满足如上约束条件的EMS优化方案研制新型射频模块,将新型射频模块与BDS手持用户设备主板组装而成BDS用户设备试样。测试表明:当4G信号的中心频率分别为2 520 MHz、2 530 MHz 和2 540 MHz,BDS用户设备试样的干扰功率容限比前述7型BDS用户设备的干扰功率容限最大值分别高出21 d B、15 dB和4 d B。

4 BDS业务保护要求

多重约束下的EMS优化方案最大限度地优化了BDS用户设备EMS,但仍无法应对多个邻频系统的电磁辐射考验。以S频点BDS用户设备试样为例,其基本可应对单个4G时分双工长期演进(time division duplexing long term evolution, TDD-LTE)下行信号中心频率为2 530 MHz时的电磁辐射考验;但无法应对4G TDD-LTE下行信号、上行信号时分复用以及WLAN、MMDS等多个邻频系统的电磁辐射考验。

为此,亟需制定、实施贴切的BDS业务保护要求。这里的BDS业务保护要求是指对BDS用户设备工作环境中电磁干扰辐射功率的要求;所谓贴切是指应在苛刻与宽松之间很好的折衷,苛刻则难以达成,宽松则形同虚设。贴切的业务保护要求既为BDS用户设备提供具备规范性效力的基本保护,也为其他系统的应用、研制、设计、论证提供依据。

为确保BDS业务保护要求直观,采用图9所示带内平坦、带外线性的凹形折线形式;相应的特征参数为带内起止频率、带内干扰辐射功率限值,以及带外频率、带外干扰辐射功率限值。为确保业务保护要求贴切,带内起止频率分别取为卫星信号的通带起止频率,带内干扰辐射功率限值比BDS用户设备干扰功率容限低6 dB(即安全裕度6 dB,考虑到多个邻频系统的叠加效应等因素);带外干扰辐射功率限值由频率选择性而定。

图9 BDS业务保护要求示意图

5 结束语

本文介绍了BDS用户设备“不容乐观”的电磁兼容现状,以及“积极进取”的电磁兼容进展。BDS用户设备目前的电磁敏感程度很难应对邻频系统的电磁辐射考验。电磁兼容解决途径,需从BDS用户设备电磁敏感度优化和BDS业务保护两方面着手:设计合理可行的宽动态锐截止、连续干扰抑制、脉冲干扰置零方案,尽可能优化BDS用户设备电磁敏感度;制定贴切直观的BDS业务保护要求,给予BDS用户设备规范标准层面的基本保护。藉此,较彻底、全面解决BDS用户设备与邻频系统的电磁兼容,推动BDS的广泛深入应用。

[1] 杨元喜.北斗卫星导航系统的进展、贡献与挑战[J].测绘学报,2010,39(1):1-6.

[2] 谭述森.广义RDSS全球定位报告系统[M].北京:国防工业出版社,2011:1-9,65-103.

[3] 赵爽.“光平方”申请破产保护4G通信网络部署受挫[J].卫星与网络,2012(8):74-76.

[4] 全国无线电干扰标准化技术委员会,全国电磁兼容标准化技术委员会.电磁兼容标准汇编·通信、信息技术设备类及系统间卷[S].北京:中国标准出版社,2002:1-222.

[5] PARKINSON B W,SPILKER J J Jr.Global positioning system:theory and application[M].Washington:American Institute of Aeronautics and Astronautics,1996:717-768.

[6] MISRA P,ENGE P K.Global positioning system:signals,measurements,and performance[M].2nd ed.Lincoln,Massachusetts:Ganga-Jamuna Press,2006:12-169.

[7] KAPLAN E D,HEGARTY C J.Understanding GPS:principles and applications[M].2nd ed.Norwood:Artech House, 2006:243-378.

[8] PAUL B.Advanced global navigation satellite system receiver design[EB/OL].(2009-08-21)[2014-08-18].http://www. gnssapplications.org/downloads/chapter2/PhDThesis_Blunt.pdf.

[9] POISEL R A.Modern communications jamming principles and techniques[M].Norwood:Artech House,2006:28-143.

[10]ICAO.Annex 10 to the convention on international civil Aviation:aeronautical telecommunications:volume I(radio navigation aids)[S/OL].(2006-12-05)[2014-08-18].http://dcaa.trafikstyrelsen.dk:8000/icaodocs/Annex%2010%20-% 20Aeronautical%20Telecommunications/Volume%20I%20-%20Radio%20Navigation%20Aids/Supplement%20to% 20Annex%2010%2C%20Vol.%201%2C%205th%20Edition.pdf.

[11]RTCA Special Committee 159.Assessment of radio frequency interference relevant to the GNSS L1 frequency band:RTCA DO-235B[S].Washington:RTCA,2008:17-315.

[12]RTCA Special Committee 159.Assessment of radio frequency interference relevant to the GNSS L5/E5A frequency band: RTCA DO-292[S].Washington:RTCA,2004:109-323.

[13]朱庆厚.无线电监测与通信侦察[M].北京:人民邮电出版社,2005:10-218.

[14]GRABOWSKI J,HEGARTY C.Characterization of L5 receiver performance using digital pulse blanking[EB/OL].(2014-10-09)[2014-08-18].http://www.novatel.com/assets/Documents/Papers/ion2002_l5.pdf.

Status and Progress of EMC of BDS User Equipment

LI Lin,TAN Shusen
(Beijing Satellite Navigation Center,Beijing 100094,China)

As for the EMC problem of Beidou user equipment with adjacent-band systems,this paper put forward the means of Beidou user equipment optimizing and Beidou system service protecting.As for the inner inducement,namely Beidou user equipment is susceptible to electromagnetic,the technical scheme is designed to optimize its electromagnetic susceptibility considerably.As for the outer inducement,that is,many electromagnetic interference sources of adjacent-band systems,the service protection requirement is determined to accord protection primarily.By the above means,the EMC problem of Beidou user equipment can be solved thoroughly.

satellite navigation system;electromagnetic compatible(EMC);electromagnetic compatibility(EMC);electromagnetic susceptibility(EMS);electromagnetic interference(EMI)

P228

A

2095-4999(2015)04-0001-06

2014-10-18

李琳(1976—),女,陕西咸阳人,高级工程师,博士,现主要从事卫星导航用户设备电磁兼容、抗干扰技术研究方面工作。

李琳,谭述森.BDS用户设备的电磁兼容现状及进展[J].导航定位学报,2015,3(4):1-6.LI Lin,TAN Shusen.Status and Progress of EMC of BDS User Equipment[J].Journal of Navigation and Positioning,2015,3(4):1-6.

10.16547/j.cnki.10-1096.20150401