卫星移动通信系统应对互调干扰的频率选择方案

杨士坤，杨 旭

（1.北京东方波泰无线电频谱技术研究所，北京 100041；2.国家无线电监测中心，北京 100037）

0 引言

在一个包含非线性器件的通信系统中进行多载波传输，经常会产生互调响应，其中位于工作频率附近的互调产物无法通过滤波器消除，从而形成干扰。卫星移动通信系统处理此类干扰问题的相关研究集中在载波管理[1]、功率控制[2]和干扰协调[3]等方面，本文将围绕应对互调干扰的频率选择方案展开讨论。

1 互调干扰原理分析

通信系统中的非线性器件会对信号产生影响，即当包含两个以上频率分量的信号进入非线性系统后会产生新的频率分量，其中会对工作频率产生干扰的频率分量称为互调干扰。互调有三种类型：发射机互调、接收机互调、外部效应互调。发射机互调是多个载波信号相互耦合产生的；接收机互调是接收机混频器的非线性而引起的；外部效应互调是系统金属器件的不良接触而产生的。

非线性系统模型可表示为：

对于包括多个频率分量的输入信号可表示为：

将式（2）代入式（1），出现的互调响应频率为：

非线性系统模型的幂级数系数an随着n增大而迅速减小[4]。通常只在直流项外取三项，就可以保证该表示式具有足够的精度：

由式（5）可知，经过非线性系统的输出信号包含：第一行为直流项；第二行为基频项；第三行和第五行分别为二次和三次谐波项；第四行为二次拍频项，第六行和第七行为三次拍频项。直流项的干扰来自输入信号的二次倍频项，干扰大小与a2有关，属于幅度失真；基频项的干扰来自输入信号的三次倍频项，干扰大小与a3有关，也属于幅度失真。理想的输出信号应该只包括直流项和基频项，式（5）中出现的谐波项和拍频项都是由于互调响应而产生的干扰，属于频谱失真。

互调干扰的频率都是输入信号中不同载波频率的组合，在两个载波情况下可以表示为|pf1±qf2|，p与q可以取0，1，2，这样就可以把互调产物的频率全部表示出来。

由图1可知，互调中的拍频（多音）产物对信号影响较大，谐波（单音）产物影响较小。拍频干扰又可以分为两种：一是落在输入信号基频附近，无法通过滤波器滤除，伴随着有用信号传输；二是落在输入信号谐波频率附近的，幅度较大（尤其是三阶以内），会对系统中的其他用户或其他系统产生干扰。

图1 互调产物频率分布示意图

2 多载波频率选取的准则

进入工作频段的互调干扰无法通过滤波器滤除，只能通过设置合适的工作频率以及其他措施来避免。多载波通信时发射机与接收机都很容易产生互调响应，如果互调产物频率正好落在系统的工作频段内，就会对系统产生干扰。多载波通信频率选取的基本原则就是避免产生互调干扰。

如图2 所示，卫星转发器由双工器进行收发选择，发射机与接收机都包括多个载波通道。发射机的多个载波之间的互调产物，可能落入发射机的其他载波通道，也可能落入接收机的工作频段[5]。由于卫星转发器的收发工作频率有一定间隔（如接收机工作在6 GHz，发射机工作在4 GHz），除拍频响应外，互调干扰中的谐波响应也有可能进入工作频段。此外，卫星通信系统经常采用地面-卫星两级放大转发的工作模式，这会引入两级互调响应，产生新的互调产物。

图2 卫星转发器示意图

基于第二部分讨论的结果：相距较近的两个频率互调时，奇数阶互调产物会落在这两个频率的附近；随着阶数的升高，互调干扰强度会越来越小。因此，三阶以下互调产物将是下面重点讨论的对象。

3 不同场景的分析

下面将针对多载波通信几个典型场景进行分析，讨论它们在避免三阶互调干扰的原则下，选取载波频率的方法。其他干扰场景，以及涉及三阶以上互调干扰的情况，可以参考这几个场景的分析和讨论。

3.1 对系统内其他用户的干扰

有两个距离较近的终端UE1与UE2，它们工作在临近的载波频率上。UE1上行采用多载波通信产生的互调产物会落在UE2的上行工作频率上，成为UE2的干扰。

假设UE1与UE2的上行工作频率范围均为（fULmin，fULmax），f1是UE1的已选工作频率。需要在（fULmin，fULmax）的范围内选取另一频率f2，避免它们的互调产物落入（fULmin，fULmax），对UE2 的工作频率f3产生干扰。对f2的可选范围可以进行如下推算。

由f1和f2的范围得到三阶互调产物的范围：

设f2>f1，则f2=f1+ΔF，ΔF>0。如图3所示。

图3 上行频段内聚合三阶互调产物示意图

三阶互调产物|2f1-f2|和|2f2-f1|可以表示为f1-ΔF和f1-2ΔF。为了避免f1-ΔF落入工作频带，需要满足：

解得

为了避免f1+2ΔF落入工作频带，需要满足：

解得

对满足条件的解集取交集，可以得到：

然后由f2=f1+ΔF得到f2的范围为：

在这个范围内，f2与f1产生的三阶互调产物不会落入（fULmin，fULmax）范围内。

3.2 对本用户接收机的干扰

UE 的上下行工作频率间隔较近，在上行进行多载波通信时，成员载波的互调产物会落入下行工作频段，对接收机造成干扰。

假设UE 的上行工作频率范围为（fULmin，fULmax），f1是UE 的已选工作频率。需要选取另一频率f2进行多载波通信，避免互调产物落入下行工作频段（fDLmin，fDLmax）和上行工作频段（fULmin，fULmax）。对f2的范围可以进行如下推算。

设f2>f1，则2f1-f2

图4 下行频率范围示意图

由于上行频率f1与f2间隔很小，它们的二阶拍频f2-f1虽然幅度较大，但是靠近直流，可以通过滤波器消除。这里只需要避免三阶互调干扰2f1-f2落入工作频段，即满足

得到f2的频率范围为

如果在下行是多载波通信，考虑的问题就转换为在卫星转发器上如何避免其发射机（下行）的互调干扰落入其接收机（上行）工作频段，解决的方法与前面的讨论类似。

3.3 两级放大带来的干扰

UE 在上行进行多载波通信时产生的第一级互调产物中，位于工作频段附近的部分无法通过滤波器滤除，会与有用信号一起发送至卫星转发器。有用信号与第一级互调产物产生第二级互调响应，其产物会落入卫星转发器的工作频段，成为干扰。

设UE 的上行频率范围为（fULmin，fULmax），选用f1和f2进行多载波通信。在此情况下，在地面产生的第一级互调产物中，三阶互调产物f1=2f1-f2和F2=2f2-f1距离工作频段较近，会通过滤波器并发送到卫星转发器接收机，并产生第二级互调响应，其频率产物如图5所示。

图5 两级放大时的互调产物

这里主要分析第一级互调产物与有用信号之间的三阶互调产物。由图5可以看出，部分第二级互调产物会在一些频率上叠加，使干扰增强，但其余频率分量都更加远离上行工作频段，可以通过滤波器滤除。需要特别说明的是，经过两级非线性放大后，会有互调产物落在成员载波频率f1和f2上，无法通过对成员载波频率的合理选择来避免。

4 结束语

本文针对卫星通信中卫星转发器等器件的非线性特点，分析了互调干扰的原理，讨论了在多载波通信情形下，基于避免三阶互调干扰落入工作频段的频率选取原则，并对几个可能场景进行了分析。