4G对北斗RDSS系统的干扰分析及应对策略

王福军,王前,白英广，谢维华

(北京卫星导航中心,北京 100094)

0 引 言

卫星导航系统接收机很容易受到电磁干扰,自从GPS应用以来,就受到各种干扰的影响.因此,国际全球卫星导航系统(GNSS)委员会(ICG)推动设立专门的干扰检测与削弱(IDM)论坛,主要讨论不同GNSS系统之间的兼容互操作、干扰监测与抑制等问题[1].2011年1月,美国联邦通信委员会(FCC)决定无限期暂停LightSquared公司运营4G-LTE(LongTermEvolution)网络的有条件弃权证书,原因是相关测试表明LTE信号将会干扰现存大部分GPS接收机[2].在文献[3-4]中,以载噪比为评估指标,给出了LTE信号对GPS和GalileoL1/E1信号信号的影响模型,并用试验数据进行了验证.结果表明,GalileoE1信号比GPSL1C/A信号更容易受到干扰,因为它更接近L1频段的下边带.文献[4]也简单分析了LTE信号干扰对伪距误差和位置误差的影响,并指出接收机射频前端在保护GNSS信号免受射频干扰起着重要作用.

与LightSquared公司事件类似,北斗无线电测定业务(RDSS)系统也受到4G信号干扰的影响.工信部已将2500～2690MHz之间190MHz频谱资源划分给4GTD-LTE业务.4G的主要特点是快速传输速率,下载和上传数据的能力分别是100Mbps和50Mbps.为了满足用户需求,4G采用了正交频分复用(OFDM)和多输入多输出(MIMO)等技术来平衡平均吞吐量和频率效率,但是正交频分复用(OFDM)信号具有可变包络和高峰均功率比(PAPR).落地标准电平应大于-100dBm,但实际值一般为-50～-60dBm.北斗一号系统于2003年提供服务,RDSS下行工作频率段为2483.5～2500MHz,接近4G频率,很容易受到4G信号干扰.但由于当时尚未有4G系统的应用,没有考虑到带外信号对北斗RDSS用户机的影响.

本文结合实际北斗RDSS用户机和4G系统应用模式特点,通过理论分析和试验的方法,分析用户机模块的带外抑制能力,提出改善北斗RDSS系统和4G系统兼容共存的技术方案.

1 用户机模块分析

本节从信号的处理过程出发,分析4G信号对用户机各个组件的影响程度,为后面的技术改造提供支撑.

用户机可抽象成如图1所示的信道结构.卫星信号经天线、低噪放的放大以及下变频模块后,生成中频信号.经基带模块的捕获、跟踪、解扩和解调后,完成定位和通信信息的输出,实现定位和通信功能.通过分析信道中各个模块的特性,找出影响RDSS用户机带外抑制性能的主要因素.

图1 用户机信道结构

1.1 天线的带宽选择性

为缩小终端的体积,RDSS用户机普遍采用微带天线技术.天线的有效带宽由其品质因数Q值决定,表达式如下:

(1)

式中:Bw为有效带宽；f0为中心频率；Q值为电磁结构的储能与耗能的比值.

天线是一种能量辐射结构,其能量由辐射能量和储存能量组成.一个高效率天线必然储能少,辐射能量强,因而Q值较低.相反,滤波器是一种能量传输结构,其能量由损耗能量和储存能量组成.滤波器可等效为LC 谐振电路的级联,存储能量能力强,采用低损耗传输介质(腔体、高频微带板)的传输损耗小,因此滤波器是一种高Q值器件.

由上述分析可知,天线的带宽选择性能由其材质特性和结构特点决定.表1示出了从2 412MHz到2 572MHz天线增益的测量值,选择50°和90°仰角来代表不同方向角应用.通过上述实验可知,中心频率为2 491MHz,2412～2572MHz通带内带外抑制率小于5dB.

表1 2412～2572 MHz频带内天线增益dBic

1.2 射频模块带外抑制能力

(a) 超外差结构射频通道

(b) 低中频结构射频通道图2 用户机射频通道结构图

低中频采用一次变频方案,采用正交本振信号实现单边带下变频.优点是集成度高,对干扰的抑制依赖于晶体管的对称性和线性度,对强带外干扰和镜频干扰信号敏感.低中频对大信号普遍比较敏感,尤其集中在射频芯片中的混频器以及后续的有源滤波.

1.3 基带模块的干扰处理能力

基带处理是实现信息正确解码的重要环节.由于RDSS 用户的定位结果是中心站直接解算获得的,因此无法采用RNSS 用户的弱信号处理方法,RDSS的处理性能只能由信号自身的处理增益决定.北斗信号每个支路采用BPSK 调制,编码形式为卷积编码,当误码率为10-5时,硬判决和软判决Viterbi 的Eb/N0性能如表2所示[9].

表2 维特比译码性能

Eb/N0和Ci/N0之间的关系式如下:

[Eb/N0]dB= [C/N0]dB·Hz-[Rb]dB·bps-

[L]dB+[A]dB.

(2)

当信号功率为-127.6 dBm,天线增益A为0 dB,信息速率Rb为8 kbps时,Viterbi译码采用表2中性能较好的软判决方法,可获得的最大余量为2 dB左右.相比高出信号几十个分贝的带外干扰,显得微不足道.因此,基带部分对带外干扰的抑制能力非常有限.

当北斗RDSS信号功率大于-127.6 dBm时,随着Ci/N0的提高,抑制4G干扰的能力将增强.虽然射频模块的理想滤波器可以消除大部分4G信号,但实际上会出现一些带外信号泄漏.由于4G信号泄漏干扰而造成的载噪比损失值为

(3)

式中:Ci为干扰功率；N0为输入噪声功率谱密度,Qa为谱分离系数(SSC),具体定义见文献[10].

1.4 仿真分析及小结

1.4.1 带外抑制能力分析

根据器件的1 dB 压缩点,频幅特性、增益特性等参数,可从理论上分析出射频通道的阻塞电平值.表3和表4示出了超外差结构射频模块1的放大器和滤波器参数,根据器件的参数特性以及不同射频结构的干扰敏感点分析,计算射频模块1在不同频点下的功率阻塞值.采用同样的方法,分别计算超外差结构射频模块2、3在不同频点下的功率阻塞值,如图3 所示.

表3 射频模块1放大器参数

表4 射频模块1滤波器参数

图3 射频通道带外特性理论分析图

1.4.2 带外泄露误差分析

射频滤波器参数定义如下:3 dB带宽为8 MHz,当偏移中心频率6 MHz时,信号功率衰减20 dB以上,滤波器1衰减44 dB,滤波器2衰减21 dB.按照以上参数和干扰信号功率谱密度(PSD),图4中示出了SSC值,表明不同设计的滤波器对SSC影响显著,进一步影响Ci/N0值.当值Lossi增加到北斗RDSS信号的量化误差电平时,将会引起RDSS用户机内部信号处理和测量误差,因此接收机将受到信号泄漏干扰.

图4 滤波器1和滤波器2的SSC值

1.4.3 小结

从上面分析可知,在用户机的三个模块中,射频模块对抑制带外干扰起主要作用,天线次之,基带作用最小[11].本文将对射频模块进行研究,以减少4G信号对用户机的干扰.

2 抑制强带外信号干扰解决方案

射频模块可以从两个方面来提高抑制带外信号干扰能力.1)提高滤波器性能,包括窄带通、低损耗和高环境适应性.2)扩大射频通道的线性动态范围.

2.1 高性能滤波器的设计

滤波器的设计目标是在不失真和无损耗的情况下传输有用信号,并尽可能抑制无用的带外信号,受技术水平的限制,滤波器不可能达到理想目标.具有高Q值的滤波器可以获得比较窄的信号带宽和突变的过渡区,但Q值受滤波技术水平限制,不可能实现理想滤波.由于材料的特性,滤波器的频率特性因环境温度的变化而变化.

如果不考虑体积因素,腔体滤波器具有良好的滤波性能.在体积受限的条件下,对高频窄带声表面滤波器采取低温系数衬底和低温漂移系数晶体切割等措施,可以获得很窄的带宽,实践表明,滤波器具有优良的温度适应性和带外抑制能力,在-55℃～125℃范围内,可以得到稳定的窄带滤波性能.

2.2 信道线性度的改善

为了减少对有用信号的损失,北斗二号用户机的射频前端滤波器带宽一般设计得比较宽,对4G临频信号带外抑制能力非常有限.而且,为了克服后级噪声,通常射频前端增益也很高,来抑制后级噪声,因此,在射频通道中频滤波器之前承受4G强干扰信号.射频通道为有源器件,有源器件的传递特性是非线性的,当4G强干扰信号超过可以处理的最大电平值时,如1 dB压缩点(P-1)和三阶截取点(IP3)等,就会产生不可接受的互调失真电平,进而干扰低电平有用信号.因此,在4G邻频强干扰条件下,射频通道必须提供更大的线性动态范围.

射频通道的线性动态范围很大程度上取决于系统中的放大器和混频器,可以通过提高放大器和混频器的P-1来扩大线性动态范围,通过提高IP3来减小高阶信号.P-1与IP3呈线性关系,如图5所示,随着P-1的增加,IP3也增加.通过提高放大器和混频器的偏置电流可以扩大线性区间,偏置电流越大,线性度越好,输出偏置电压越大,P-1越大.但是,通过提高偏置电流和输出漏极电压,同时也增加了射频模块的功耗和噪声.

图5 输入输出功率比变化曲线

以上两项技术措施可以提高射频通道的带外抑制能力,但在现有器件基础上提高射频通道线性度的成本高,不适合大规模推广应用.

3 测试验证

为了验证第2章的理论分析,设计了不同结构和参数的射频模块.为了比较抑制带外信号的效果,在射频通道中增加了窄带SAW滤波器.

3.1 测试平台搭建

测试平台采用有线连接方式,如图6所示.干扰信号源模拟4G信号,信号源输出端加带阻滤波器抑制杂散信号,提高测试的可信度,功率衰减可以精确到0.1 dB.RDSS信号功率设置为实际卫星信号落地功率值.测试过程中,调整干扰信号功率和带宽,当误差大于正常值时,开始记录相应的干扰参数.

图6 仿真试验平台连接图

3.2 测试结果分析

测试结果如图7所示,与图3对比,可以得出以下几个主要结论:

图7 射频通道抑制带外信号测试结果

1)基本结论

以中心频率为轴,阻塞电平曲线分布是对称的.如果带外信号频率中心频率越远,则用户设备阻塞电平越大,其结果主要由射频信道的动态范围和滤波响应决定.

2)敏感点的原因

部分用户机的测试曲线与信号频率不是严格的线性关系,曲线中有敏感点,其原因是由于射频结构的固有缺陷,第2节已经分析了相关工作原理.

在图7中,敏感点出现在射频模块3的2 570 MHz和2 430 MHz频点,其原因是超外差射频通道产生的半中频干扰信号在滤波器带内没有被滤除.射频模块2在2 520 MHz频点的干扰比2 460 MHz频点低15 dB,其原因是在射频通道中引入了由低中频产生的镜像频率干扰.

3)理论分析与试验结果的差异

归纳出两个主要因素.1)理论分析是基于设备的阻塞电平,没有考虑杂散响应和镜像干扰,敏感点降低了抑制干扰的能力.2)理论上计算的设计期望值与实际值相比有一定余量.

4)模块性能的差异

由于体积、功耗和成本限制,高集成度的射频通道3采用性能较差的普通滤波器,因此不能有效抑制带外干扰.新射频通道的第三阶低噪声放大器用超窄带通滤波器,能够有效抑制中心频率附近的干扰,抑制效果非常明显.图8示出了超窄带通滤波器的频率范围和频率响应,信号频率范围从2.471 75 GHz到2.511 75 GHz,跨度达40 MHz.相反,普通滤波器的性能如图9所示,在150 MHz带宽范围内,第一级滤波器的带通范围为16 MHz,另一级带通范围为90 MHz.由于没有采取相应的措施来抑制远离中心频率(大于2 560 MHz)的信号,因此性能与其他模块相同.

图8 超窄带通滤波器的频率范围和频率响应

4 结束语

4G系统与北斗RDSS 系统的使用频率较为接近,且信号强度远大于北斗RDSS系统,因此有可能对北斗RDSS用户机造成带外干扰.本文通过分析用户机各功能模块,指出射频模块是抑制带外干扰最关键部件.在设计过程中,无论是超外差还是低中频都有其固有的缺点.通过提高射频通道的相关参数也能够有效地抑制带外干扰,如采用窄带低损耗滤波器和增加线性动态范围都是比较有效的方法.本文可为下阶段对现有用户机进行技术升级和新一代北斗三号用户机研制提供技术参考.