衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)應(yīng)對(duì)互調(diào)干擾的頻率選擇方案

楊士坤，楊 旭

（1.北京東方波泰無(wú)線電頻譜技術(shù)研究所，北京 100041；2.國(guó)家無(wú)線電監(jiān)測(cè)中心，北京 100037）

0 引言

在一個(gè)包含非線性器件的通信系統(tǒng)中進(jìn)行多載波傳輸，經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生互調(diào)響應(yīng)，其中位于工作頻率附近的互調(diào)產(chǎn)物無(wú)法通過(guò)濾波器消除，從而形成干擾。衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)處理此類(lèi)干擾問(wèn)題的相關(guān)研究集中在載波管理[1]、功率控制[2]和干擾協(xié)調(diào)[3]等方面，本文將圍繞應(yīng)對(duì)互調(diào)干擾的頻率選擇方案展開(kāi)討論。

1 互調(diào)干擾原理分析

通信系統(tǒng)中的非線性器件會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生影響，即當(dāng)包含兩個(gè)以上頻率分量的信號(hào)進(jìn)入非線性系統(tǒng)后會(huì)產(chǎn)生新的頻率分量，其中會(huì)對(duì)工作頻率產(chǎn)生干擾的頻率分量稱(chēng)為互調(diào)干擾?；フ{(diào)有三種類(lèi)型：發(fā)射機(jī)互調(diào)、接收機(jī)互調(diào)、外部效應(yīng)互調(diào)。發(fā)射機(jī)互調(diào)是多個(gè)載波信號(hào)相互耦合產(chǎn)生的；接收機(jī)互調(diào)是接收機(jī)混頻器的非線性而引起的；外部效應(yīng)互調(diào)是系統(tǒng)金屬器件的不良接觸而產(chǎn)生的。

非線性系統(tǒng)模型可表示為：

對(duì)于包括多個(gè)頻率分量的輸入信號(hào)可表示為：

將式（2）代入式（1），出現(xiàn)的互調(diào)響應(yīng)頻率為：

非線性系統(tǒng)模型的冪級(jí)數(shù)系數(shù)an隨著n增大而迅速減小[4]。通常只在直流項(xiàng)外取三項(xiàng)，就可以保證該表示式具有足夠的精度：

由式（5）可知，經(jīng)過(guò)非線性系統(tǒng)的輸出信號(hào)包含：第一行為直流項(xiàng)；第二行為基頻項(xiàng)；第三行和第五行分別為二次和三次諧波項(xiàng)；第四行為二次拍頻項(xiàng)，第六行和第七行為三次拍頻項(xiàng)。直流項(xiàng)的干擾來(lái)自輸入信號(hào)的二次倍頻項(xiàng)，干擾大小與a2有關(guān)，屬于幅度失真；基頻項(xiàng)的干擾來(lái)自輸入信號(hào)的三次倍頻項(xiàng)，干擾大小與a3有關(guān)，也屬于幅度失真。理想的輸出信號(hào)應(yīng)該只包括直流項(xiàng)和基頻項(xiàng)，式（5）中出現(xiàn)的諧波項(xiàng)和拍頻項(xiàng)都是由于互調(diào)響應(yīng)而產(chǎn)生的干擾，屬于頻譜失真。

互調(diào)干擾的頻率都是輸入信號(hào)中不同載波頻率的組合，在兩個(gè)載波情況下可以表示為|pf1±qf2|，p與q可以取0，1，2，這樣就可以把互調(diào)產(chǎn)物的頻率全部表示出來(lái)。

由圖1可知，互調(diào)中的拍頻（多音）產(chǎn)物對(duì)信號(hào)影響較大，諧波（單音）產(chǎn)物影響較小。拍頻干擾又可以分為兩種：一是落在輸入信號(hào)基頻附近，無(wú)法通過(guò)濾波器濾除，伴隨著有用信號(hào)傳輸；二是落在輸入信號(hào)諧波頻率附近的，幅度較大（尤其是三階以?xún)?nèi)），會(huì)對(duì)系統(tǒng)中的其他用戶或其他系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。

圖1 互調(diào)產(chǎn)物頻率分布示意圖

2 多載波頻率選取的準(zhǔn)則

進(jìn)入工作頻段的互調(diào)干擾無(wú)法通過(guò)濾波器濾除，只能通過(guò)設(shè)置合適的工作頻率以及其他措施來(lái)避免。多載波通信時(shí)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)都很容易產(chǎn)生互調(diào)響應(yīng)，如果互調(diào)產(chǎn)物頻率正好落在系統(tǒng)的工作頻段內(nèi)，就會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。多載波通信頻率選取的基本原則就是避免產(chǎn)生互調(diào)干擾。

如圖2 所示，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器由雙工器進(jìn)行收發(fā)選擇，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)都包括多個(gè)載波通道。發(fā)射機(jī)的多個(gè)載波之間的互調(diào)產(chǎn)物，可能落入發(fā)射機(jī)的其他載波通道，也可能落入接收機(jī)的工作頻段[5]。由于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的收發(fā)工作頻率有一定間隔（如接收機(jī)工作在6 GHz，發(fā)射機(jī)工作在4 GHz），除拍頻響應(yīng)外，互調(diào)干擾中的諧波響應(yīng)也有可能進(jìn)入工作頻段。此外，衛(wèi)星通信系統(tǒng)經(jīng)常采用地面-衛(wèi)星兩級(jí)放大轉(zhuǎn)發(fā)的工作模式，這會(huì)引入兩級(jí)互調(diào)響應(yīng)，產(chǎn)生新的互調(diào)產(chǎn)物。

圖2 衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器示意圖

基于第二部分討論的結(jié)果：相距較近的兩個(gè)頻率互調(diào)時(shí)，奇數(shù)階互調(diào)產(chǎn)物會(huì)落在這兩個(gè)頻率的附近；隨著階數(shù)的升高，互調(diào)干擾強(qiáng)度會(huì)越來(lái)越小。因此，三階以下互調(diào)產(chǎn)物將是下面重點(diǎn)討論的對(duì)象。

3 不同場(chǎng)景的分析

下面將針對(duì)多載波通信幾個(gè)典型場(chǎng)景進(jìn)行分析，討論它們?cè)诒苊馊A互調(diào)干擾的原則下，選取載波頻率的方法。其他干擾場(chǎng)景，以及涉及三階以上互調(diào)干擾的情況，可以參考這幾個(gè)場(chǎng)景的分析和討論。

3.1 對(duì)系統(tǒng)內(nèi)其他用戶的干擾

有兩個(gè)距離較近的終端UE1與UE2，它們工作在臨近的載波頻率上。UE1上行采用多載波通信產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物會(huì)落在UE2的上行工作頻率上，成為UE2的干擾。

假設(shè)UE1與UE2的上行工作頻率范圍均為（fULmin，fULmax），f1是UE1的已選工作頻率。需要在（fULmin，fULmax）的范圍內(nèi)選取另一頻率f2，避免它們的互調(diào)產(chǎn)物落入（fULmin，fULmax），對(duì)UE2 的工作頻率f3產(chǎn)生干擾。對(duì)f2的可選范圍可以進(jìn)行如下推算。

由f1和f2的范圍得到三階互調(diào)產(chǎn)物的范圍：

設(shè)f2>f1，則f2=f1+ΔF，ΔF>0。如圖3所示。

圖3 上行頻段內(nèi)聚合三階互調(diào)產(chǎn)物示意圖

三階互調(diào)產(chǎn)物|2f1-f2|和|2f2-f1|可以表示為f1-ΔF和f1-2ΔF。為了避免f1-ΔF落入工作頻帶，需要滿足：

解得

為了避免f1+2ΔF落入工作頻帶，需要滿足：

解得

對(duì)滿足條件的解集取交集，可以得到：

然后由f2=f1+ΔF得到f2的范圍為：

在這個(gè)范圍內(nèi)，f2與f1產(chǎn)生的三階互調(diào)產(chǎn)物不會(huì)落入（fULmin，fULmax）范圍內(nèi)。

3.2 對(duì)本用戶接收機(jī)的干擾

UE 的上下行工作頻率間隔較近，在上行進(jìn)行多載波通信時(shí)，成員載波的互調(diào)產(chǎn)物會(huì)落入下行工作頻段，對(duì)接收機(jī)造成干擾。

假設(shè)UE 的上行工作頻率范圍為（fULmin，fULmax），f1是UE 的已選工作頻率。需要選取另一頻率f2進(jìn)行多載波通信，避免互調(diào)產(chǎn)物落入下行工作頻段（fDLmin，fDLmax）和上行工作頻段（fULmin，fULmax）。對(duì)f2的范圍可以進(jìn)行如下推算。

設(shè)f2>f1，則2f1-f2

圖4 下行頻率范圍示意圖

由于上行頻率f1與f2間隔很小，它們的二階拍頻f2-f1雖然幅度較大，但是靠近直流，可以通過(guò)濾波器消除。這里只需要避免三階互調(diào)干擾2f1-f2落入工作頻段，即滿足

得到f2的頻率范圍為

如果在下行是多載波通信，考慮的問(wèn)題就轉(zhuǎn)換為在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器上如何避免其發(fā)射機(jī)（下行）的互調(diào)干擾落入其接收機(jī)（上行）工作頻段，解決的方法與前面的討論類(lèi)似。

3.3 兩級(jí)放大帶來(lái)的干擾

UE 在上行進(jìn)行多載波通信時(shí)產(chǎn)生的第一級(jí)互調(diào)產(chǎn)物中，位于工作頻段附近的部分無(wú)法通過(guò)濾波器濾除，會(huì)與有用信號(hào)一起發(fā)送至衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器。有用信號(hào)與第一級(jí)互調(diào)產(chǎn)物產(chǎn)生第二級(jí)互調(diào)響應(yīng)，其產(chǎn)物會(huì)落入衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的工作頻段，成為干擾。

設(shè)UE 的上行頻率范圍為（fULmin，fULmax），選用f1和f2進(jìn)行多載波通信。在此情況下，在地面產(chǎn)生的第一級(jí)互調(diào)產(chǎn)物中，三階互調(diào)產(chǎn)物f1=2f1-f2和F2=2f2-f1距離工作頻段較近，會(huì)通過(guò)濾波器并發(fā)送到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收機(jī)，并產(chǎn)生第二級(jí)互調(diào)響應(yīng)，其頻率產(chǎn)物如圖5所示。

圖5 兩級(jí)放大時(shí)的互調(diào)產(chǎn)物

這里主要分析第一級(jí)互調(diào)產(chǎn)物與有用信號(hào)之間的三階互調(diào)產(chǎn)物。由圖5可以看出，部分第二級(jí)互調(diào)產(chǎn)物會(huì)在一些頻率上疊加，使干擾增強(qiáng)，但其余頻率分量都更加遠(yuǎn)離上行工作頻段，可以通過(guò)濾波器濾除。需要特別說(shuō)明的是，經(jīng)過(guò)兩級(jí)非線性放大后，會(huì)有互調(diào)產(chǎn)物落在成員載波頻率f1和f2上，無(wú)法通過(guò)對(duì)成員載波頻率的合理選擇來(lái)避免。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)衛(wèi)星通信中衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器等器件的非線性特點(diǎn)，分析了互調(diào)干擾的原理，討論了在多載波通信情形下，基于避免三階互調(diào)干擾落入工作頻段的頻率選取原則，并對(duì)幾個(gè)可能場(chǎng)景進(jìn)行了分析。