嵌入式系統(tǒng)輻射干擾對(duì)北斗接收性能的影響研究

龔力，崔曉偉

（清華大學(xué) 電子工程系，北京100084）

引 言

嵌入式系統(tǒng)是指為特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件、硬件可以根據(jù)需要裁減，滿足對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等要求而專門設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，被廣泛用于手持設(shè)備、電信交換機(jī)、汽車電子、醫(yī)療設(shè)備、多媒體電器、軍事裝備、航空等領(lǐng)域。[1]其輻射干擾均來自硬件部分。

2012年12月27日，北斗系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件正式版正式公布，北斗導(dǎo)航業(yè)務(wù)正式對(duì)亞太地區(qū)提供無源定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)。[2]北斗衛(wèi)星信號(hào)和GPS衛(wèi)星信號(hào)都屬于低于噪聲電平的微弱信號(hào)，因此如果輻射干擾信號(hào)位于衛(wèi)星信號(hào)的有效帶寬內(nèi)部或是邊緣，則可能會(huì)導(dǎo)致接收模塊信號(hào)的捕獲靈敏度下降，甚至無法捕獲跟蹤衛(wèi)星信號(hào)。

在導(dǎo)航儀等嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中，北斗接收模塊正在逐漸取代GPS接收模塊。固有嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生的輻射干擾盡管不會(huì)影響到GPS接收模塊的性能，但其干擾信號(hào)很有可能落入北斗接收頻點(diǎn)的有效帶寬內(nèi)，導(dǎo)致衛(wèi)星信號(hào)與干擾信號(hào)混疊，提高了信號(hào)的噪聲電平，直接影響北斗接收模塊的捕獲靈敏度，所以往往需要對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。本文以北斗B1頻點(diǎn)接收模塊為例，對(duì)一些潛在的輻射干擾源進(jìn)行論述和分析，既能幫助改進(jìn)固有的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，又能為新的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 衛(wèi)星系統(tǒng)與接收模塊簡(jiǎn)介

1.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)介紹

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國(guó)正在實(shí)施的自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)是：建成獨(dú)立自主、開放兼容、技術(shù)先進(jìn)、穩(wěn)定可靠的覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，促進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)鏈形成，形成完善的國(guó)家衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)支撐、推廣和保障體系，推動(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航在國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)各行業(yè)的廣泛應(yīng)用。[3]

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目前是區(qū)域定位導(dǎo)航系統(tǒng)（RNSS），共包括5顆地球靜止軌道衛(wèi)星、5顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星、4顆中地球軌道衛(wèi)星，發(fā)射B1、B2、B3共3個(gè)頻點(diǎn)的信號(hào)。除此之外，還支持雙向衛(wèi)星通信功能。

1.2 北斗接收模塊簡(jiǎn)介

北斗接收模塊包括天線、低噪聲放大器、下變頻電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、基帶信號(hào)處理電路、定位解算電路幾個(gè)部分，如圖1所示。

天線將北斗衛(wèi)星信號(hào)微弱的電磁波轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)，并對(duì)這種信號(hào)進(jìn)行放大和下變頻處理。再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，基帶處理電路對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波、捕獲、跟蹤、解調(diào)，由定位解算電路計(jì)算出位置、速度、時(shí)間等信息。

北斗接收模塊的模擬電路部分，也就是天線、低噪聲放大器、下變頻電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路都是比較容易受到干擾的部分。輻射干擾信號(hào)主要從天線引入接收模塊。

圖1 北斗接收模塊

1.3 主流北斗B1接收模塊主要性能指標(biāo)

主流北斗B1接收模塊的主要性能指標(biāo)包括捕獲靈敏度、跟蹤靈敏度、啟動(dòng)時(shí)間、定位精度等指標(biāo)，如表1所列。[4]

表1 主要性能指標(biāo)

1.4 嵌入式系統(tǒng)與北斗接收模塊的關(guān)系

在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中，很多都會(huì)利用衛(wèi)星接收模塊來獲取位置、速度、方向、時(shí)間等信息。如導(dǎo)航儀、手機(jī)等應(yīng)用，接收模塊一般屬于其中的子模塊，通過串口等形式與系統(tǒng)連接。

普通手機(jī)的原理框圖如圖2所示。其中的北斗接收模塊為其中一部分，負(fù)責(zé)將計(jì)算出的位置、速度等信息通過串口的形式發(fā)送給應(yīng)用處理器。

圖2 普通手機(jī)原理框圖

北斗接收模塊的基帶處理電路和定位解算電路在沒有芯片化之前，一般會(huì)采用FPGA結(jié)合DSP或AP的方式實(shí)現(xiàn)，其本質(zhì)上也屬于一個(gè)小型的嵌入式系統(tǒng)。

2 嵌入式系統(tǒng)組成

嵌入式系統(tǒng)一般會(huì)包括DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）、FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）、MCU（微控制器）、AP（應(yīng)用處理器）和ASIC（專用集成電路）中的一種或是幾種。除了上述處理器外，還可能包括高速 RAM、高速 AD/DA、FLASH、CPLD、邏輯門電路、網(wǎng)卡、USB、電源、視頻解碼等芯片。

隨著加工工藝的提高，元器件的運(yùn)行速率越來越快，數(shù)據(jù)接口的傳輸速率也越來越高，導(dǎo)致由此產(chǎn)生的輻射干擾信號(hào)幅度迅速變大。

3 嵌入式系統(tǒng)對(duì)北斗接收模塊的干擾分析

3.1 主要干擾類型及方式

由嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生的輻射干擾是影響北斗接收模塊性能的主要原因之一。

輻射干擾是指通過空間以電磁波形式傳播的電磁干擾。對(duì)于北斗接收模塊來說，其主要通過北斗接收模塊的天線進(jìn)入到接收模塊內(nèi)部，并對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的捕獲和跟蹤造成影響。所以，天線距干擾源的距離會(huì)直接影響北斗接收模塊的性能。

目前，高端嵌入式處理器的主頻已經(jīng)超過了1 GHz，對(duì)于塑料封裝的集成電路，其本身內(nèi)部邏輯變化速度快，上升時(shí)間短，會(huì)輻射出更多的干擾信號(hào)。這種無線形式的對(duì)北斗接收模塊的干擾，是包含北斗接收模塊的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中遇到的主要問題之一。

不管是DSP、FPGA還是AP等嵌入式處理器，都需要外置晶振產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)才能正常工作，有時(shí)嵌入式處理器還會(huì)再向外輸出時(shí)鐘信號(hào)以驅(qū)動(dòng)RAM、接口電路、AD/DA等芯片。這些時(shí)鐘信號(hào)都是潛在的干擾源。

26 MHz頻點(diǎn)的時(shí)鐘在嵌入式處理中使用很廣泛，很多手機(jī)的解決方案也是采用該時(shí)鐘。而26 MHz的60次諧波為1 560 MHz，其對(duì)GPS L1頻點(diǎn)（1 575.42 MHz）接收模塊沒有影響，但是剛好在北斗B1頻點(diǎn)（1561.098 MHz）信號(hào)的帶寬內(nèi)，會(huì)嚴(yán)重影響北斗B1頻點(diǎn)接收模塊的捕獲靈敏度等指標(biāo)。除了26 MHz外，由其倍頻生成的52 MHz、104 MHz等信號(hào)都會(huì)輻射出較強(qiáng)能量。

3.2 干擾幅度理論計(jì)算

下面根據(jù)假設(shè)計(jì)算26 MHz時(shí)鐘信號(hào)高次諧波干擾的大致幅度。

根據(jù)傅里葉展開公式，梯形方波n次諧波處的諧波分量為：

A：信號(hào)峰峰值幅度，假設(shè)為1 V。

n：諧波次數(shù)，為60。

t0：脈沖寬度，假設(shè)為13 ns。

tr：上升時(shí)間，假設(shè)為4 ns。

T：時(shí)鐘周期，約為38.46 ns。

由式（1）計(jì)算可得26 MHz的60次諧波幅度C（60）≈0.128 3 m V≈42.2 dBμV。對(duì)于50Ω阻抗的信號(hào)源來說，其功率約為-64.8 dBm。

高次諧波信號(hào)通過天線發(fā)射到近場(chǎng)中，對(duì)于近場(chǎng)情況來說，干擾信號(hào)電磁波傳輸滿足Friis公式：

Pr：接收天線收到的信號(hào)功率。

Pt：發(fā)射天線發(fā)射的信號(hào)功率。

Gt：發(fā)射天線增益。

Gr：接收天線增益。

λ：信號(hào)波長(zhǎng)，B1頻點(diǎn)為19.23 cm。

d：接收天線與發(fā)射天線的距離。

由于各種環(huán)境因素的不同，Gt和Gr也不同，故先將式（2）表示為：

將其單位換算為dBm，即為：

假設(shè)發(fā)射天線和接收天線的方向增益都為0，則式（4）可以簡(jiǎn)化成：

根據(jù)式（1）和式（5）可得出表2的結(jié)果。

表2 天線接收干擾信號(hào)強(qiáng)度與距離的關(guān)系

由表2可以看出，在北斗接收天線和發(fā)射天線的方向增益都為0 dB時(shí)，盡管北斗接收天線與干擾信號(hào)發(fā)射天線的距離已經(jīng)達(dá)到25 cm，但北斗接收天線仍能收到大于-90 dBm的信號(hào)，遠(yuǎn)大于衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度。

3.3 干擾實(shí)測(cè)分析

使用信號(hào)源生成-130 dBm的北斗B1頻點(diǎn)信號(hào)和-80 dBm的1 560 MHz頻點(diǎn)單頻干擾信號(hào)，測(cè)試干擾信號(hào)對(duì)載噪比的影響。兩種信號(hào)通過合路器進(jìn)入接收模塊低噪聲放大器電路后，一起被放大并進(jìn)入下變頻電路。下變頻電路在輸出模擬中頻時(shí)，為了能夠使干擾信號(hào)也滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采樣幅度的要求，會(huì)將中頻增益降低，導(dǎo)致真正的衛(wèi)星信號(hào)增益也被降低。根據(jù)實(shí)際測(cè)試，加入干擾信號(hào)后中頻有效信號(hào)的幅度降低了約13 dB，導(dǎo)致模數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出的有效位數(shù)變少，接收模塊實(shí)際估算的載噪比最多下降了5 dB，如圖3、圖4所示。

圖3 未加入干擾信號(hào)時(shí)北斗接收模塊的載噪比

圖4 加入干擾信號(hào)后北斗接收模塊的載噪比

加入干擾前后北斗接收模塊的載噪比變化如表3所列。

表3 加入干擾前后北斗接收模塊的載噪比變化

當(dāng)干擾信號(hào)幅度提高到-75 dBm后，北斗接收模塊完全失鎖，無法再捕獲到衛(wèi)星信號(hào)。

4 抑制輻射干擾的幾種方法

首先，應(yīng)嘗試從根源上解決嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生的輻射干擾。改變使用的時(shí)鐘頻率是最簡(jiǎn)單、方便的解決方法，只要避免高次諧波落入衛(wèi)星信號(hào)帶寬內(nèi)即可。

實(shí)際工程中往往必須使用某一頻率的時(shí)鐘信號(hào)，由式（1）可看出，sin nπ（t0＋tr）/T如果能夠等于0，也就是n（t0＋tr）/T等于整數(shù)，則可以使諧波幅度為0，從而徹底消除干擾源。但是實(shí)際情況中，普通晶振的時(shí)鐘穩(wěn)定度有幾十ppm，溫補(bǔ)晶振也有1 ppm，相當(dāng)于T是在不斷變化的，t0和tr也因負(fù)載不同而不同，很難使n（t0＋tr）/T等于整數(shù)。從式（1）中的另一部分可以看出，如果，sin nπtr/T能夠等于0，即tr/T等于1/2，也可以使偶次諧波的諧波幅度等于0。如果tr/T等于1/2，即意味著時(shí)鐘上升時(shí)間等于其周期的一半，該時(shí)鐘為三角波或正弦波。因此，盡量使用幅度低的正弦波或三角波時(shí)鐘作為驅(qū)動(dòng)源，是降低輻射干擾的解決方法之一。

其次，如果干擾源已經(jīng)存在，又不得不對(duì)成本和架構(gòu)妥協(xié)，則只能通過其他方式解決問題：

①使輻射干擾源盡可能遠(yuǎn)離接收模塊天線。

②通過屏蔽措施來降低輻射干擾的影響。一般使用屏蔽殼、導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電漆等方法來降低輻射干擾的幅度，其屏蔽效率可達(dá)20～80 dB。

結(jié) 語

在實(shí)際應(yīng)用中，不僅是北斗B1頻點(diǎn)接收模塊，嵌入式系統(tǒng)中其他頻點(diǎn)的北斗或GPS接收模塊，也都有可能面臨由輻射干擾導(dǎo)致中頻信號(hào)幅度被壓縮，造成接收模塊，接收靈敏度降低。其解決方法主要是，降低輻射干擾的幅度和增加屏蔽措施。希望設(shè)計(jì)者能夠從中吸取精髓，舉一反三，從根源上解決干擾問題。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正在逐漸被應(yīng)用于國(guó)防、通信、金融、鐵路等各個(gè)領(lǐng)域，其中嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用也層出不窮。本文通過分析，計(jì)算了嵌入式系統(tǒng)造成的輻射干擾對(duì)北斗B1頻點(diǎn)接收模塊捕獲靈敏度產(chǎn)生負(fù)面影響的原因，總結(jié)了一些改進(jìn)措施和設(shè)計(jì)中需要避免的情況，對(duì)今后嵌入式系統(tǒng)在升級(jí)改造和重新設(shè)計(jì)中有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

[1]施樂平，楊征宇，馬憲民，等.ARM 嵌入式系統(tǒng)綜述[J].中國(guó)測(cè)試，2012，38（z）：14-16.

[2]王寶平，余江鑫，陳衛(wèi)強(qiáng).北斗二代導(dǎo)航接收機(jī)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2013（7）：40-43.

[3]北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)網(wǎng)站.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡(jiǎn)介[EB/OL].[2014-03-09].http：//www.beidou.gov.cn/2013/11/04/201311044b202f1cdeb74d1c886c290eabfbddf9.html.

[4]東莞泰斗微電子.TD3020產(chǎn)品介紹[EB/OL].[2014-03-09].http：//www.techtotop.com/Item/Show.asp？m ＝ 1＆d＝1067.