BDS用戶設(shè)備的電磁兼容現(xiàn)狀及進展

李 琳,譚述森

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京 100094)

BDS用戶設(shè)備的電磁兼容現(xiàn)狀及進展

李 琳,譚述森

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京 100094)

針對BDS用戶設(shè)備與其鄰頻系統(tǒng)的電磁兼容問題,提出BDS用戶設(shè)備電磁敏感度優(yōu)化和BDS業(yè)務(wù)保護相結(jié)合的解決途徑。針對內(nèi)部誘因要素——BDS用戶設(shè)備電磁敏感,設(shè)計合理可行的電磁敏感度優(yōu)化方案,盡可能優(yōu)化BDS用戶設(shè)備電磁敏感度;針對外部誘因要素——鄰頻系統(tǒng)電磁輻射,制定貼切直觀的BDS業(yè)務(wù)保護要求,給予BDS用戶設(shè)備具備規(guī)范性效力的基本保護。BDS用戶設(shè)備電磁敏感度的顯著優(yōu)化以及BDS業(yè)務(wù)保護要求的付諸實施,可較徹底解決BDS用戶設(shè)備的電磁兼容問題。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);電磁兼容;電磁兼容性;電磁敏感度;電磁干擾

0 引言

BDS用戶設(shè)備作為實現(xiàn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system,BDS)定位、授時、報文通信和位置報告等功能的終端,目前已廣泛應(yīng)用于我軍信息獲取、指揮控制、精確打擊、戰(zhàn)場救援、戰(zhàn)備訓練、后裝保障和邊防管控等諸多領(lǐng)域[1-2]。全軍BDS應(yīng)用正從單一功能向多種功能、獨立單機向綜合集成、應(yīng)用潛力向作戰(zhàn)保障實力轉(zhuǎn)變。

隨著BDS用戶設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域的拓展、應(yīng)用層次的深入,其與別類系統(tǒng)的電磁兼容性(electromagnetic compatibility,EMC)問題接踵而至,尤以與鄰頻系統(tǒng)的EMC問題最為突出。原因在于[3]:電磁干擾源復(fù)雜、耦合途徑多樣、BDS用戶設(shè)備敏感。

無獨有偶,美國光平方公司第四代長期演進(fourth generation long term evolution,4G-LTE)天地融合移動寬帶通信網(wǎng)絡(luò)計劃與全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)之間的EMC問題,一度成為2011年全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)界的關(guān)注焦點。美國天基定位導(dǎo)航定時(Positioning,Navigation, and Timing,PNT)國家執(zhí)行委員會聯(lián)合主席,在致美國商務(wù)部助理部長的官方信函中強硬表示:當前沒有任何可行方案能解決4G-LTE給GPS帶來的影響。歐盟認為4G-LTE對導(dǎo)航頻段存在嚴重影響,并提醒美方此計劃一旦獲批可能產(chǎn)生的示范作用,將不僅是美國國內(nèi)的問題也不僅是GPS的問題。2012-05-14,光平方公司正式申請破產(chǎn)保護[3]。

引發(fā)EMC問題的三個要素為干擾源、敏感源和耦合途徑;電磁兼容性對電磁干擾(electromagnetic interference,EMI)和電磁敏感度(electromagnetic sensibility,EMS)提出極限值要求,即電磁干擾不能高于某極限值,電磁敏感度不能低于某極限值[3]。本文從EMC要素出發(fā),剖析BDS用戶設(shè)備與鄰頻系統(tǒng)的EMC現(xiàn)狀,研究BDS用戶設(shè)備與鄰頻系統(tǒng)的EMC問題解決途徑。

1 主要鄰頻系統(tǒng)EMI情況

BDS B1頻點所處1 559～1 610 MHz頻段,為航空無線電導(dǎo)航服務(wù)(aeronautical radio navigation service,ARNS)和衛(wèi)星無線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)(radio navigation satellite service,RNSS)專屬頻段,享受優(yōu)先使用待遇。有代表性的鄰頻系統(tǒng)見表1。

表1 BDS B1頻點的代表性鄰頻系統(tǒng)

BDS B2頻點所處960～1 215 MHz頻段,屬于ARNS專用頻段。GPS的L5、Galilleo的E5均在其內(nèi);廣泛用于機場的塔康(tactical air navigation,TACAN)、測距儀(distance measuring equipment,DME)、儀表著陸系統(tǒng)(instrument landing system,ILS),以及敵我識別器、三軍聯(lián)合信息分發(fā)系統(tǒng)等均在該頻段附近。

BDS B3頻點所處1 215～1 280 MHz頻段,不屬于RNSS專用頻段,須與其他服務(wù)分享頻段資源。有代表性的鄰頻系統(tǒng)見表2。

表2 BDS B3頻點的代表性鄰頻系統(tǒng)

BDS S頻點的代表性鄰頻系統(tǒng)有第四代移動通信系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)絡(luò)(wireless local area network,WLAN)和多路微波分配系統(tǒng)(multichannel microwave distribution system,MMDS)等,頻率范圍分別為2 500～2 690 MHz、2 400～2 483.5 MHz 和2 535～2 599 MHz。

綜上所述,BDS鄰頻系統(tǒng)EMI的主要特點是種類多、數(shù)量大;工作頻段與BDS頻段毗鄰、部分重疊甚或完全重疊;發(fā)射功率較大;帶外抑制、雜散抑制等要求不夠貼切;時域特征有連續(xù)和脈沖兩種。

2 導(dǎo)航用戶設(shè)備EMS現(xiàn)狀

國際電聯(lián)(International Telecommunications Union,ITU)規(guī)定:衛(wèi)星—地面鏈路在1.525～2.500 GHz頻段、任意4 k Hz內(nèi),衛(wèi)星信號的功率通量密度不超過-154 d BW/m2。因此,用戶段必須對電磁信號非常敏感,才能在信噪比低至-20 dB左右時響應(yīng)、處理衛(wèi)星信號。對電磁信號非常敏感具有兩面性,正面為接收靈敏度高,負面為易受電磁干擾影響[5-9]。無論是美國GPS、歐洲Galileo的導(dǎo)航接收機,還是BDS用戶設(shè)備均是如此。

2.1 GPS-L1接收機EMS現(xiàn)狀

國際民用航空組織(International Civil Aviation Organization,ICAO)出版的《國際民用航空公約》附件10第I卷[10],以及航空無線電委員會(Radio Technical Commission for Aeronautics,RTCA)制定的技術(shù)指導(dǎo)文件RTCA/DO-253A、RTCA/DO-235B中給出[11],GPS-L1接收機的電磁敏感度具體如下。

在衛(wèi)星信號功率-134.5 d Bm、跟蹤解調(diào)門限載噪比29.93 dBHz、跟蹤精度優(yōu)于0.4 m的邊界條件下,GPS-L1接收機的音頻干擾功率容限如圖1所示;帶限噪聲干擾功率容限如圖2所示;脈沖干擾功率容限見表3。這里的衛(wèi)星信號功率、干擾功率為接收天線輸出端的衛(wèi)星信號功率、干擾功率;跟蹤精度既不含多徑、電離層、對流層等信號傳播效應(yīng),也不含星歷、衛(wèi)星鐘差等。

圖1 GPS-L1接收機的音頻干擾功率容限

圖2 GPS-L1接收機的帶限噪聲干擾功率容限

表3 GPS-L1接收機的脈沖干擾功率容限

2.2 GPS-L5接收機EMS現(xiàn)狀

航空無線電委員會制定的技術(shù)指導(dǎo)文件RTCA/DO-292文件給出[12],GPS-L5接收機的電磁敏感度具體如下。

在衛(wèi)星信號功率-130.4 dBm、跟蹤解調(diào)門限載噪比27 d BHz、跟蹤精度優(yōu)于0.4 m的邊界條件下,GPS-L5接收機音頻干擾功率容限如圖3所示;帶限噪聲干擾功率容限如圖4所示,其中實線對應(yīng)于跟蹤、虛線對應(yīng)于捕獲。

圖3 GPS-L5接收機的音頻干擾功率容限

圖4 GPS-L5接收機的帶限噪聲干擾功率容限

2.3 BDS用戶設(shè)備EMS現(xiàn)狀

由于BDS的信號體制有別于GPS,國內(nèi)的技術(shù)積累、工藝水平等與國外存在差距,再加上前期對BDS用戶設(shè)備的動態(tài)范圍、頻率選擇性等沒有做強制性的統(tǒng)一要求,因此BDS用戶設(shè)備的EMS與GPS接收機存在一定的差距。

2013年8月,以鄰頻系統(tǒng)4G為例測試BDS用戶設(shè)備EMS。測試平臺如圖5所示,主要由BDS用戶設(shè)備測試系統(tǒng)、4G集總模擬設(shè)備(R&S SMU200A)、受試BDS用戶設(shè)備、帶阻濾波器、可變衰減器、合路器和若干電纜組成。受試7型BDS用戶設(shè)備的運載方式、結(jié)構(gòu)形態(tài)、功能類別等屬性基本覆蓋主用BDS用戶設(shè)備。

圖5 BDS用戶設(shè)備EMS測試平臺組成

7型BDS用戶設(shè)備的EMS測試結(jié)果見表4。當4G信號的中心頻率從2 491 MHz移至2 540 MHz 時,7型BDS用戶設(shè)備對4G集總功率容限的差異分別高達13 dB、22 dB、26 dB、25 dB、27 dB、25 dB和32 dB;即7型用戶設(shè)備的干擾功率容限不盡相同,最大相差32 dB。

表4 7型BDS用戶設(shè)備的EMS差異

綜上所述:BDS用戶設(shè)備電磁敏感度現(xiàn)狀,與鄰頻系統(tǒng)電磁干擾水平之間的矛盾相當突出。為了消除或者緩解兩者之間矛盾,首當其沖的是對BDS用戶設(shè)備電磁敏感度進行優(yōu)化。

圖6 寬動態(tài)銳截止方案架構(gòu)

3 BDS用戶設(shè)備EMS優(yōu)化

針對鄰頻EMI在頻率域(與BDS頻段毗鄰或重疊)、功率域(發(fā)射功率大、帶外抑制及雜散抑制等要求不夠貼切)和時間域(連續(xù)、脈沖)上的特點,宜采用寬動態(tài)銳截止方案、連續(xù)干擾抑制(continuous interference suppression,CIS)方案和脈沖干擾置零(pulsed interference blanking,PIB)方案。

3.1 寬動態(tài)銳截止方案

寬動態(tài)銳截止方案采用圖6所示“多級濾波—放大級聯(lián)+射頻芯片”架構(gòu)。第一級濾波器為抗燒毀功率較大、插損小、體積不大的介質(zhì)濾波器;第一級放大器為噪聲系數(shù)低的低噪聲放大器;第二級濾波器為頻率選擇性較好、插損較小、體積較小的聲表面波(surface acoustic wave,SAW)濾波器;第二級放大器為噪聲系數(shù)較低的低噪聲放大器;第三級濾波器為頻率選擇性好、插損適中、體積小的SAW或薄膜體聲波(film bulk acoustic resonator,FBAR)濾波器。射頻芯片為基于“兩次下變頻+外置中頻SAW+自動增益控制”結(jié)構(gòu)的48腳方形扁平無引腳(quad Flat no-lead package,QFN)封裝單芯片。

該寬動態(tài)銳截止方案可實現(xiàn)輸入動態(tài)范圍拓展、無用頻率衰減、噪聲系數(shù)控制等方面的綜合最優(yōu)[13]。

3.2 連續(xù)干擾抑制方案

圖7 重疊加窗頻域濾波處理流程

連續(xù)干擾抑制技術(shù)主要有時域濾波、頻域濾波、空域濾波、空域時域聯(lián)合濾波、空域頻域聯(lián)合濾波等;其中時域濾波、頻域濾波具有技術(shù)成熟度高、性價比高等特點,適于各種運載方式的BDS用戶設(shè)備。

重疊加窗頻域濾波是一種高性價比的頻域濾波方法,其處理流程如圖7所示。

首先按照“一個數(shù)據(jù)塊N個數(shù)據(jù)、相鄰數(shù)據(jù)塊重疊γN個數(shù)據(jù)”的方式對輸入數(shù)據(jù)進行重疊式分塊,第i個數(shù)據(jù)塊的起、止序號分別為(i-1)(1 -γ)N+1和(i-1)(1-γ)N+N,重疊因子γ通常取為1/2和2/3;然后各數(shù)據(jù)塊與窗函數(shù)相乘,實現(xiàn)對各數(shù)據(jù)塊的時域加窗處理;接著進行N點快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)、譜線幅度檢測、濾波函數(shù)構(gòu)造、頻域濾波和N點快速傅里葉反變換(fast Fourier inverse transform, IFFT);最后選取各數(shù)據(jù)塊居中的(1-γ)N個數(shù)據(jù),并依照數(shù)據(jù)塊相鄰關(guān)系拼接,得到與輸入時序一致、無重疊的數(shù)據(jù)流。

時域加窗是為了改善時域截斷所引起的頻譜能量泄露。數(shù)據(jù)分塊是為了提高FFT、IFFT的處理效率。先重疊式分塊、再選取式拼接是為了補償窗函數(shù)邊緣衰減對輸入數(shù)據(jù)的失真效應(yīng)。除了選取式拼接外,還可用直接相加拼接—相鄰數(shù)據(jù)塊直接相加;后者的信噪比損失要小些,但計算量要大些。

3.3 脈沖干擾置零方案

脈沖干擾置零的原理是對輸入信號進行功率檢測,當輸入信號功率超出門限時將數(shù)模轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter,ADC)輸出清零。功率檢測既可基于模擬功率測量的模擬電路,也可基于ADC輸出直方圖分析的數(shù)字電路。

數(shù)字脈沖置零方案逐個處理ADC的輸出采樣點,既無需識別脈沖何時起始、何時終止,也無需存儲脈沖持續(xù)期間的采樣點,是一種高性價比的脈沖干擾置零方案[14]。數(shù)字式脈沖干擾置零方案的處理流程如圖8所示。

圖8 數(shù)字式脈沖干擾置零處理流程

圖8中過門限置零處理前數(shù)據(jù)位數(shù)n位,過門限置零處理后數(shù)據(jù)位數(shù)降至m位;與各數(shù)據(jù)采樣點同步的樣點過限標記信號,用來標識各采樣點是否超過門限、是否經(jīng)過置零。這樣設(shè)計的原因在于:為確保自動增益控制(automatic gain control,AGC)、ADC工作正常,應(yīng)根據(jù)熱噪聲水平(低于門限、未被置零的采樣點功率水平)調(diào)整AGC;不能根據(jù)含脈沖干擾的采樣點或者置零后的采樣點功率水平。前者造成AGC增益過小,繼而導(dǎo)致ADC空載或低負荷;后者造成AGC增益過高,繼而導(dǎo)致ADC滿負荷或過載。

3.4 試樣EMS性能

上述EMS優(yōu)化方案在具體實施時,還受到用戶設(shè)備的接收靈敏度、寬溫適應(yīng)、尺寸、功耗、量產(chǎn)和成本等方面約束。

以S頻點BDS用戶設(shè)備為例:BDS用戶設(shè)備的信噪比余量僅1 dB左右;寬溫適應(yīng)性要求為工作溫度-40℃～+60℃,儲存溫度-55℃～+70℃;運載方式有手持式、車載式等,手持式設(shè)備的尺寸要求為長×寬×高不超過190 mm× 80 mm×60 mm;平均功耗不超過3.5 W。

為此,射頻模塊EMS優(yōu)化的約束條件:信噪比余量1 dB,溫度適應(yīng)范圍-55℃～+85℃,長×寬×高不超過53 mm×38 mm×13 mm,平均功耗不超過0.5 W,成本不超過手持式用戶設(shè)備成本的20%,量產(chǎn)階段(較設(shè)計定型階段)惡化程度不超過1 d B。

基于滿足如上約束條件的EMS優(yōu)化方案研制新型射頻模塊,將新型射頻模塊與BDS手持用戶設(shè)備主板組裝而成BDS用戶設(shè)備試樣。測試表明:當4G信號的中心頻率分別為2 520 MHz、2 530 MHz 和2 540 MHz,BDS用戶設(shè)備試樣的干擾功率容限比前述7型BDS用戶設(shè)備的干擾功率容限最大值分別高出21 d B、15 dB和4 d B。

4 BDS業(yè)務(wù)保護要求

多重約束下的EMS優(yōu)化方案最大限度地優(yōu)化了BDS用戶設(shè)備EMS,但仍無法應(yīng)對多個鄰頻系統(tǒng)的電磁輻射考驗。以S頻點BDS用戶設(shè)備試樣為例,其基本可應(yīng)對單個4G時分雙工長期演進(time division duplexing long term evolution, TDD-LTE)下行信號中心頻率為2 530 MHz時的電磁輻射考驗;但無法應(yīng)對4G TDD-LTE下行信號、上行信號時分復(fù)用以及WLAN、MMDS等多個鄰頻系統(tǒng)的電磁輻射考驗。

為此,亟需制定、實施貼切的BDS業(yè)務(wù)保護要求。這里的BDS業(yè)務(wù)保護要求是指對BDS用戶設(shè)備工作環(huán)境中電磁干擾輻射功率的要求;所謂貼切是指應(yīng)在苛刻與寬松之間很好的折衷,苛刻則難以達成,寬松則形同虛設(shè)。貼切的業(yè)務(wù)保護要求既為BDS用戶設(shè)備提供具備規(guī)范性效力的基本保護,也為其他系統(tǒng)的應(yīng)用、研制、設(shè)計、論證提供依據(jù)。

為確保BDS業(yè)務(wù)保護要求直觀,采用圖9所示帶內(nèi)平坦、帶外線性的凹形折線形式;相應(yīng)的特征參數(shù)為帶內(nèi)起止頻率、帶內(nèi)干擾輻射功率限值,以及帶外頻率、帶外干擾輻射功率限值。為確保業(yè)務(wù)保護要求貼切,帶內(nèi)起止頻率分別取為衛(wèi)星信號的通帶起止頻率,帶內(nèi)干擾輻射功率限值比BDS用戶設(shè)備干擾功率容限低6 dB(即安全裕度6 dB,考慮到多個鄰頻系統(tǒng)的疊加效應(yīng)等因素);帶外干擾輻射功率限值由頻率選擇性而定。

圖9 BDS業(yè)務(wù)保護要求示意圖

5 結(jié)束語

本文介紹了BDS用戶設(shè)備“不容樂觀”的電磁兼容現(xiàn)狀,以及“積極進取”的電磁兼容進展。BDS用戶設(shè)備目前的電磁敏感程度很難應(yīng)對鄰頻系統(tǒng)的電磁輻射考驗。電磁兼容解決途徑,需從BDS用戶設(shè)備電磁敏感度優(yōu)化和BDS業(yè)務(wù)保護兩方面著手:設(shè)計合理可行的寬動態(tài)銳截止、連續(xù)干擾抑制、脈沖干擾置零方案,盡可能優(yōu)化BDS用戶設(shè)備電磁敏感度;制定貼切直觀的BDS業(yè)務(wù)保護要求,給予BDS用戶設(shè)備規(guī)范標準層面的基本保護。藉此,較徹底、全面解決BDS用戶設(shè)備與鄰頻系統(tǒng)的電磁兼容,推動BDS的廣泛深入應(yīng)用。

[1] 楊元喜.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的進展、貢獻與挑戰(zhàn)[J].測繪學報,2010,39(1):1-6.

[2] 譚述森.廣義RDSS全球定位報告系統(tǒng)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2011:1-9,65-103.

[3] 趙爽.“光平方”申請破產(chǎn)保護4G通信網(wǎng)絡(luò)部署受挫[J].衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò),2012(8):74-76.

[4] 全國無線電干擾標準化技術(shù)委員會,全國電磁兼容標準化技術(shù)委員會.電磁兼容標準匯編·通信、信息技術(shù)設(shè)備類及系統(tǒng)間卷[S].北京:中國標準出版社,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]朱慶厚.無線電監(jiān)測與通信偵察[M].北京:人民郵電出版社,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,陜西咸陽人,高級工程師,博士,現(xiàn)主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航用戶設(shè)備電磁兼容、抗干擾技術(shù)研究方面工作。

李琳,譚述森.BDS用戶設(shè)備的電磁兼容現(xiàn)狀及進展[J].導(dǎo)航定位學報,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