干擾對BDS信號頻域及調(diào)制域的影響評估

劉瑞華,梁欣萌

(中國民航大學(xué) 電子信息與自動化學(xué)院,天津 300300)

0 引 言

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)是我國自主建設(shè)、獨立運行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1],目前已經(jīng)能夠為用戶提供高精度的導(dǎo)航、定位和授時服務(wù),在軍事和民用方面都得到了很大程度的推廣.然而,由于衛(wèi)星信號自身的特性及空間復(fù)雜電磁環(huán)境,其在發(fā)射、傳播和接收的過程中極易受到各種干擾的影響,使衛(wèi)星信號質(zhì)量受到影響,對導(dǎo)航系統(tǒng)的精度、可用性、連續(xù)性和完好性都構(gòu)成嚴重的威脅[2-3],從而直接影響系統(tǒng)的服務(wù)性能,因此干擾問題不容忽視.

針對導(dǎo)航信號的質(zhì)量問題,文獻[4-5]中給出了一系列評估指標,包括時域、頻域、相關(guān)域、調(diào)制域、測距域等方面.BDS信號在受到不同干擾時,信號質(zhì)量變化特征略有不同,在各類評估指標中都有所表現(xiàn).

本文借助先進的實驗設(shè)備獲取了幾種典型干擾信號的時頻特性,并將干擾與實測的BDS信號進行疊加,從功率譜、星座圖兩個方面研究了干擾對BDS信號質(zhì)量的影響.研究結(jié)果對評估幾種典型干擾信號的頻域特性以及分析干擾環(huán)境下BDS信號的質(zhì)量情況具有一定的參考意義.

1 干擾信號特性

1.1 單音干擾

單音干擾(CWI)是指在特定的單個頻點上產(chǎn)生的連續(xù)波沖激.特點是時域連續(xù),頻域單一,又稱連續(xù)波干擾或單頻干擾.信號結(jié)構(gòu)簡單,容易產(chǎn)生,能量較為集中[6],能夠有效壓制BDS信號.

其數(shù)學(xué)模型可表示為

(1)

式中:PJ為單音干擾功率;f1為單音干擾的中心頻率;φn為隨機相位.

利用矢量信號源發(fā)出單音干擾,設(shè)置的主要參數(shù)有:干擾信號功率以及干擾頻率.干擾頻點為1.554 GHz的單音干擾信號頻譜如圖1所示.

圖1 單音干擾頻譜圖

1.2 多音干擾

多音干擾(SCWI)是指在多個頻點上產(chǎn)生的連續(xù)波沖激,可以由多個特定功率的單音干擾組合而成.其干擾頻點位置一般隨機分布,也可以固定在特定的某幾個頻點上[6].多音干擾信號功率譜的分布與單音干擾類似.

其數(shù)學(xué)模型可表示為

(2)

式中:PJ為多音干擾功率;fi為多音干擾的頻率;φn為隨機相位.

利用矢量信號源發(fā)出多音干擾,設(shè)置的主要參數(shù)有干擾信號功率、中心頻率、頻點間隔及個數(shù).干擾頻率為1.554 MHz,頻點間隔為100 kHz的多音干擾信號頻譜如圖2所示.

圖2 多音干擾頻譜圖

1.3 脈沖干擾

脈沖干擾(PI)是一種具有突發(fā)性的干擾信號,特點是持續(xù)時間很短,頻譜很寬.干擾功率可以到達千瓦甚至兆級[7],其數(shù)學(xué)模型可表示為

(3)

式中;t0為脈沖信號起始時刻;T為脈沖持續(xù)周期.

利用矢量信號源發(fā)出脈沖干擾,設(shè)置的參數(shù)有信號功率、脈沖寬度及占空比.占空比為1%的脈沖干擾信號頻譜如圖3所示.

圖3 脈沖干擾頻譜圖

1.4 掃頻干擾

掃頻干擾(LFM)信號的瞬時頻率隨時間呈線性變化. 其瞬時頻率特性為單頻,在某段時間內(nèi)呈現(xiàn)動態(tài)掃描特性[7],因此又稱為線性調(diào)頻干擾.其數(shù)學(xué)模型可表示為

(4)

式中:A為信號幅度;T為掃頻持續(xù)時間;f0為中心頻率;掃頻起始頻率和截止頻率設(shè)為f1和f2;掃頻帶寬B=|f2-f1|;掃頻斜率k=B/T.

利用矢量信號源發(fā)出線性掃頻干擾,設(shè)置的參數(shù)有信號功率、掃頻帶寬、步進時間等.掃頻范圍為200 kHz的掃頻干擾信號頻譜如圖4所示.

圖4 掃頻干擾頻譜圖

1.5 部分帶噪聲干擾

部分帶噪聲干擾是將高斯白噪聲信號的能量集中分布在一段連續(xù)的頻譜上,并非所有頻譜范圍內(nèi)都有干擾.這種干擾信號容易產(chǎn)生,功率可以做得很高,一般情況下干擾信號較強[8].其中,當干擾信號帶寬超過導(dǎo)航信號帶寬的10%時稱為寬帶噪聲干擾,否則為窄帶噪聲干擾.

部分帶噪聲干擾容易產(chǎn)生,直接將高斯白噪聲通過窄帶或?qū)拵V波器后放大即可實現(xiàn)．

利用矢量信號源發(fā)出部分帶噪聲干擾,設(shè)置的參數(shù)有高斯白噪聲的中心頻率、干擾功率、干擾帶寬及持續(xù)時間.帶寬為100 kHz的部分帶噪聲干擾信號頻譜如圖5所示.

圖5 部分帶噪聲干擾頻譜圖

2 BDS信號質(zhì)量評估指標

根據(jù)BDS信號空間控制接口文件,信號質(zhì)量的評估指標主要包括載波頻率、信號工作帶寬、用戶接收信號電平、信號相關(guān)性、信號功率譜、信號時域波形和眼圖、信號星座圖、信號相關(guān)曲線、信號接收性能等[9].其中,信號的功率譜能夠直觀地反映出干擾對BDS信號各個頻點的功率影響情況.而星座圖可以用來分析BDS信號在調(diào)制域的特性,I/Q載波相位非正交性會導(dǎo)致信號的幅度和相位產(chǎn)生誤差,而幅度誤差會引起信號畸變,從而進一步分析噪聲與干擾對信號質(zhì)量的影響.干擾信號很強時,BDS信號功率譜和星座圖會產(chǎn)生失真,系統(tǒng)測距性能降低.因此,本文主要從信號的功率譜、星座圖兩個方面分析受到干擾的BDS信號.

2.1 功率譜

對于BDS信號的頻域評估,大致分為經(jīng)典譜估計和現(xiàn)代譜估計兩類,通常采用經(jīng)典譜估計中的Welch周期圖法來獲取信號的功率譜結(jié)果[4-5].該方法借助信號分段重疊、加窗、FFT等數(shù)據(jù)處理技術(shù)來估計隨機信號的功率譜,能夠有效地增加功率譜曲線的平滑度,極大程度地提高分辨率.

BDS信號的功率譜處理結(jié)果反映其信號各個頻點的功率分布情況,通過與按照BDS信號體制設(shè)計的理想信號功率譜進行比較,可以直觀地看出實測的導(dǎo)航信號中是否存在干擾.

2.2 星座圖

星座圖能夠反映信號的調(diào)制方式和失真情況[4].導(dǎo)航信號經(jīng)過捕獲、跟蹤、載波剝離后得到其基帶I/Q調(diào)制分量,基帶信號可表示為I/Q支路的復(fù)用信號,其中I支路信號為同相分量,Q支路信號為正交分量.

以I支路為橫軸,Q支路為縱軸可以描繪出信號的星座圖及轉(zhuǎn)換軌跡.

設(shè)理想導(dǎo)航信號的I、Q支路幅度為Iref和Qref,實測導(dǎo)航信號的I、Q支路幅度為Ii和Qi,則星座圖的主要評估參數(shù)可表示為

1) I/Q不平衡度

理想信號與實測信號的I/Q支路信號幅度偏差可用I/Q不平衡度來表示:

(5)

2)幅度誤差(Emag)RMS和相位誤差(Ephase)RMS(Emag)RMS=100%×

(6)

(Ephase)RMS=100%×

(7)

3)誤差矢量幅度

誤差矢量幅度(EVM)指的是特定時刻下實測信號與理想信號之間的向量差.通常將EVM值用某個時間段內(nèi)誤差向量的均方根(RMS)來表示.因此,接收碼片經(jīng)過一系列的處理之后重新復(fù)現(xiàn)為發(fā)射端信號,取該碼矢量信號與實測的矢量信號的矢量差,再對矢量差進行統(tǒng)計平均計算,就可以得到EVM值[4].EVM值可表示為

EVMRMS=100%×

(8)

式中:N為抽樣點數(shù);Smax為理想信號矢量幅度.

EVM表示導(dǎo)航信號的調(diào)制誤差矢量.數(shù)值越大說明信號受干擾越嚴重,復(fù)現(xiàn)后的信號誤差越大,反之信號誤差小.

3 干擾對BDS信號質(zhì)量影響結(jié)果

3.1 數(shù)據(jù)獲取

BDS信號數(shù)據(jù)通過7.5 m高增益天線獲取,選取衛(wèi)星為IGSO-6號星,其中B1頻點的信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換及下變頻后將射頻信號變?yōu)?0.258 MHz的數(shù)字中頻信號[10-11].干擾信號由任意波形生成器生成并通過矢量信號源發(fā)出.BDS信號和干擾信號通過射頻線同時輸入到合路器一端,兩路信號經(jīng)合路器疊加之后從另一端輸出并送入饋電器及下變頻器中進行處理,最后BDS信號采集系統(tǒng)對含干擾的BDS信號進行數(shù)據(jù)采集與存儲.其疊加數(shù)據(jù)產(chǎn)生的流程如圖6所示.

圖6 數(shù)據(jù)產(chǎn)生流程

矢量信號源的載波頻率設(shè)置為1561.098 MHz,輸出功率設(shè)置為-30 dBm,干擾信號的持續(xù)時間為10 ms. 其中,單音干擾與脈沖干擾信號功率譜結(jié)果無明顯差異,因此僅選取單音干擾代替窄帶干擾與其他類型的干擾信號進行對比;多音信號的干擾頻點間隔設(shè)為500 kHz,共三個音;掃頻干擾與部分帶噪聲干擾信號功率譜結(jié)果無明顯差異,因此在接收信號1 dB帶寬內(nèi)僅選取帶寬為400 kHz的部分帶噪聲干擾作為主瓣的寬帶干擾與其他類型的干擾信號進行對比.

3.2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

3.2.1 功率譜處理結(jié)果

圖7～10分別給出了未疊加干擾、疊加單音干擾、疊加多音干擾以及疊加部分帶噪聲干擾四種情況下的實測BDS信號功率譜的處理結(jié)果.

由于整個信道特性非理想,使得采集頻段各頻點的底噪不同,造成BDS信號的功率譜上下邊帶不對稱.

圖7 未疊加干擾時B1信號的功率譜

圖8 疊加單音干擾時B1信號的功率譜

圖9 疊加多音干擾時B1信號的功率譜

圖10 疊加部分帶噪聲干擾時B1信號的功率譜

BDS信號質(zhì)量監(jiān)測需要綜合分析信號的頻率、帶寬與帶內(nèi)功率等參數(shù)．由圖7～10可知,與未疊加干擾信號的實測導(dǎo)航數(shù)據(jù)相比, BDS信號受到單音信號干擾后信號功率譜在中心頻點1561.098 MHz附近出現(xiàn)一個明顯的尖峰;受到多音信號干擾后,在1560.598 MHz、1561.098 MHz、1561.598 MHz三個頻點附近都出現(xiàn)了類似的尖峰;在部分帶噪聲干擾的影響下,導(dǎo)航信號的功率譜在主瓣干擾帶寬范圍內(nèi)(1560.898～1561.298 MHz)出現(xiàn)相應(yīng)的凸起,帶寬與干擾信號帶寬基本一致.可見,干擾信號對導(dǎo)航信號功率譜的影響較大且效果明顯.另外,通過改變干擾信號的輸出功率發(fā)現(xiàn),當干擾功率很小時幾乎不會影響到導(dǎo)航信號的質(zhì)量.表1示出了不同干擾下導(dǎo)航信號的平均帶內(nèi)功率值,通過比較數(shù)值可以看出,干擾環(huán)境下BDS信號的平均帶內(nèi)功率值要大于無干擾存在時的帶內(nèi)功率值．當干擾很強時,功率值將出現(xiàn)大幅波動,系統(tǒng)測距性能降低.

表1 功率譜評估參數(shù)

3.2.2 星座圖處理結(jié)果

圖11～14分別示出了未疊加干擾、疊加單音干擾、疊加多音干擾以及疊加部分帶噪聲干擾四種情況下的實測BDS信號星座圖的處理結(jié)果.

圖12 疊加單音干擾時信號的星座圖

圖13 疊加多音干擾時信號的星座圖

圖14 疊加部分帶噪聲干擾時信號的星座圖

理想BDS信號的星座圖為固定四個散點,軌跡線為對角線處兩個散點的連線[4].由圖11～14可知,導(dǎo)航信號受到單音干擾后,信號的星座圖不在正常范圍內(nèi),且轉(zhuǎn)換軌跡混亂;受到多音干擾后,星座圖的幅度誤差和相位誤差相對于單音干擾來說數(shù)值增大,轉(zhuǎn)換軌跡線模糊不清;在部分帶噪聲干擾的影響下,衛(wèi)星信號的幅度和相位誤差值更大,同樣星座圖的正交性和幅度平衡性也明顯發(fā)生了惡化.表2示出了不同干擾情況下導(dǎo)航信號星座圖各類評估指標的參數(shù)值,其干擾參數(shù)與第3.2.1節(jié)中的參數(shù)相同.通過比較數(shù)值可以看出,干擾環(huán)境下BDS信號的幅度誤差、相位誤差、IQ不平衡度、EVM值都明顯大于無干擾存在時的數(shù)值．當干擾很強時,星座圖評估參數(shù)將出現(xiàn)大幅波動,系統(tǒng)測距性能降低．

表2 星座圖評估參數(shù)

4 結(jié)束語

本文對BDS中常見的幾種干擾信號進行了特征分析,闡述了導(dǎo)航信號頻域及調(diào)制域的質(zhì)量評估指標,同時介紹了實測數(shù)據(jù)的采集過程.實測數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明,干擾存在的情況下,導(dǎo)航信號質(zhì)量受到不同程度的影響,各類評估指標的參數(shù)值都有所改變,但并不能準確地判定出干擾的存在性和類型,因此對干擾信號的檢測和識別是進一步需要研究的內(nèi)容.