利用虚载波技术抑制舱内超宽带信号对第二代“北斗”卫星信号的干扰

吴 庆 ,王 彤,赵长啸

(北京航空航天大学电子信息工程学院,北京100191)

1 引 言

由于超宽带(Ultra-Wideband,UWB)信号具有大带宽、低功率、抗干扰、低截获的优势,人们开始设想在航空器上使用超宽带无线通信系统取代总线进行数据传输,以增加数据传输带宽,提高飞机有效载荷,降低维护成本。但是,超宽带信号占用了大量且连续的无线信号频段,当这些频段与其他机载无线设备信号工作频段无法避免地重叠时,超宽带信号将成为主要干扰信号进入其他机载无线接收设备后端,降低设备工作性能。为了能让超宽带无线通信设备与其他机载无线设备共存,首先需要保证超宽带信号不会对已有的机载无线设备(如卫星导航信号接收机等)的工作性能造成影响。目前广泛研究的是超宽带无线信号对GPS卫星导航定位系统接收机的影响[1-4],很少有超宽带信号对“北斗”卫星导航信号干扰的相关研究。

超宽带信号对于第二代“北斗”卫星导航信号而言是噪声信号,为了保证“北斗”卫星导航接收机正常工作,可以采取以下两种方法来保证“北斗”卫星导航接收信号的信噪比:一是降低超宽带信号的发射总功率,二是增加超宽带信号发射机与“北斗”卫星导航接收机之间的距离。但是,前者是以降低超宽带无线通信距离为代价,后者虽然保证了超宽带无线通信距离,但受到机舱物理空间尺寸的限制。

本文在超宽带信号中利用虚载波技术,抑制超宽带信号对舱内第二代“北斗”卫星导航接收机接收信号的干扰。在超宽带无线信号所使用的频带内,为“北斗”卫星导航信号让出足够的带宽,让出的频带内超宽带信号发射功率要远低于超宽带信号频带内其他频点的发射功率,提高了“北斗”卫星导航接收信号的信干比,保证“北斗”卫星导航接收机载波恢复环路的工作性能。理论计算和仿真实验证明,在保证“北斗”卫星导航接收机误码率和超宽带信号发射功率不变的前提下,此方法减小了超宽带设备对“北斗”卫星导航接收机的安全距离,解决了安全距离受机舱物理空间尺寸限制的问题。

2 超宽带信号模型及虚载波技术

超宽带信号的实现方式主要有两种:单脉冲超宽带(Impulse Radio Ultra-WideBand,IR-UWB)和多频带正交频分复用(Multi-Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing,MB-OFDM)。相对于IR-UWB,MBOFDM采用多频带子载波方式,可以对特定频段进行灵活配置,达到设置虚载波的目的。本文研究的超宽带信号即为MB-OFDM实现方式。

2.1 MB-OFDM信号模型

MB-OFDM方案将整个规定的可用频段(3.1～10.6 GHz)划分为14个子频带,每个子频带的带宽为528MHz,每个子频带都分别使用OFDM技术传输信息。传统的OFDM信号可以描述为[5]

式中,ts≤t≤ts+T,N为子载波个数,T为OFDM符号周期,di为被调制数据,fi为第i个子载波的频率,rect(t)为矩形函数。

MB-OFDM系统按照协议规定[6]将14个子频带分成6组,每组分别包含2～3个子频带。系统通过跳频技术交替使用组内各个子频带,将传统的OFDM信号的频带进一步展宽,实际的传输信号与复基带信号之间的关系为

式中,Re(·)表示取实部;sn(t)是第n个子频带OFDM符号的复基带信号,其持续时间为(0,T);NB是组内使用的子载波数;fi是第 i个子载波的中心频率。sn(t)可以通过快速傅里叶反变换(IFFT)来实现。

2.2 虚载波技术

MB-OFDM信号产生经过数据编码、打孔交织、星座映射、子载波分配、插入导频和保护间隔、IFFT、跳频调制等过程,最终超宽带信号通过天线辐射出去。在子载波分配环节中,可以通过将特定子载波上的数据设置为恒零来形成虚载波,实现对特定频率的避让。如图1所示,在 NB=128个子载波中,将第31至第40个、以及第89至第98个子载波用零来填充形成虚载波。这样,超宽带信号在相应频率3.296～ 3.333 GHz和3.535～3.572 GHz范围内为其他信号提供了两个约37 MHz带宽的通频带,超宽带信号在这个频带内有20 dB的衰减。利用这个原理,当超宽带信号的频带覆盖到其他有用窄带信号时,可以利用在超宽带频段中将相应子载波设置成虚载波形成通频带的方法,减少超宽带信号对其他窄带信号的干扰。

图1 设置虚载波形成通频带Fig.1 Passband with zero subcarriers

3 第二代“北斗”卫星导航接收系统

第二代“北斗”卫星导航系统接收机由天线模块(含低噪声放大器)、RF模块、IF模块、电源模块、时钟模块和测高仪组成。

在IF模块中,载波恢复的作用就是消除本地载波与输入载波信号的频率和相位偏差。这种频率和相位的偏差是由多普勒效应和频率源晶振的偏差引起的。通过载波锁相环可提取和输入信号相干的载波,达到相干解调的目的。基本原理如图2所示,输入的中频信号与本地载波相乘,经过低通滤波器滤除高频分量后,得到的基带信号与PN码跟踪模块输出的PN码相乘,完成解扩运算,I通道输出为调制信息。I通道数据以一个符号码元为时间单位进行积分后,输出到维特比译码模块。

图2 “北斗”卫星导航接收机载波恢复电路Fig.2Carrier recovery loop of Beidou navigation satellite receiver

系统输入的是载波频率为12 MHz、调制码速率4.08 Mb/s的BPSK信号

式中,D(t)为调制数据,ωc为载波频率,ωdop为多普勒频率。经量化后得

其中,Ψ=wTs,Ts为采样周期。令总相位偏差 θe为Ψdopn+ ,设本地载波信号为 cos(Ψcn)和sin(Ψcn),经乘法器得

经低通滤波器滤除倍频分量和解扩后得到

由

可求得相位误差,经环路滤波器滤波,即可得到NCO的控制信号,校正本地载波,使其锁定到输入信号载波上。

4 超宽带信号抑制及安全距离

在特定情况下,超宽带信号会对在同一频段内的其他窄带信号造成干扰。为了研究“北斗”卫星导航接收机载波恢复环路在超宽带信号干扰下的误码率性能,将超宽带信号频率覆盖到“北斗”卫星导航信号频率2483.5～2500 MHz范围内,即设置超宽带信号频率范围为1.82～3.40 GHz。“北斗”卫星导航接收天线接收到的信号s(t)包含了“北斗”卫星导航信号sBD(t)、超宽带信号 sUWB(t)和其他噪声信号n(t):

接收信号s(t)经过滤波和两级下变频,通过模数转换器采样后进入IF模块。

当存在超宽带信号干扰时,“北斗”卫星导航信号等效载波功率与噪声单边功率谱密度之比可以表示为[7]

式中,C、N0、J、RC分别表示载波功率、噪声单边功率谱密度、干扰功率、码速率。“北斗”卫星导航接收机的干扰容限是接收信噪比(C/N0)eq降低到(C/N0)th,即保证接收机载波跟踪环锁定到要求的最低信噪比。则干扰容限为

干扰容限的最大值满足

式中,GP=Rc/Rb为处理增益。“北斗”卫星导航接收机接收信号误码率为10-5,则接收的Eb/N0不小于7 dB。“北斗”卫星导航信号的测距码速率和信息比特率分别为4.08Mchip/s和8 kb/s,则 GP=27 dB,计算可得“北斗”卫星导航接收机干扰容限上界不超过47 dB。

定义SSR(Signal-to-Signal Ratio)为“北斗”卫星导航接收机接收到的“北斗”卫星导航信号与超宽带信号的功率比:

则在满足干扰容限的条件下,

“北斗”卫星信号的最低发射功率为76.0 dBm,经过36000 km的自由空间传输并考虑传输过程中可能的各种损耗因素,“北斗”卫星导航接收机接收到的信号电平约为-127.6 dBm。根据“北斗”卫星导航接收机干扰容限-66.8 dB,计算得到“北斗”卫星导航接收机接收到的超宽带信号最大功率为

根据美国联邦通信委员会的相关规定[8],超宽带发射机在 1.82～1.99 GHz、1.99～ 3.40GHz频段内的信号发射功率谱密度上限分别为-53.3 dBm/MHz和-51.3 dBm/MHz,计算可得频带内超宽带信号发射总功率上限为-21.3 dBm。为了满足式(15)的干扰容限上界条件和超宽带信号最大发射功率限制,超宽带信号在自由空间的传播损耗至少为

超宽带自由空间传播损耗PL与传播路径d的关系可以用下式表示[9]

式中,PL0表示在距离d0(通常是1m)下的归一化路径损耗,n是传播损耗系数,Xσ表示大尺度衰落带来的随机变化量,通常认为符合正态分布。

根据文献[10-11]得到的机舱环境下传播损耗系数和大尺度衰落变量,由式(17)～(18)可以计算出在机舱内部超宽带发射机对“北斗”卫星导航接收机的安全距离d为48 m。

若采用2.2节所描述的设置虚载波避让的方法,假设“北斗”卫星导航信号包含在超宽带信号频带中,且“北斗”卫星导航信号频率在超宽带信号虚载波形成的通频带处,则满足“北斗”卫星导航接收信号干扰容限的SSR值为-101.2 dB,即“北斗”卫星导航接收机接收到的超宽带信号最大功率为

由式(17)的结果可以计算出超宽带信号路径损耗不小于5.1 dB即可满足干扰容限要求,由式(18)可得相应的传播距离(即安全距离)为1.8 m,远小于未利用虚载波技术时所需要的安全距离48 m,能够在机舱物理空间尺寸限制下实现设备布局。

5 仿真模型与仿真结果

通过MATLAB Simulink建立如图3所示仿真模型,包括“北斗”卫星导航信号源、超宽带信号源(信号发射机和传输信道)、RF接收模块(下变频和滤波)、“北斗”卫星导航信号载波恢复模块等。超宽带信号源基带采用5/8码率的卷积编码,交织包括块内交织和块间交织,调制方式为初始相移 π/4的QPSK,IFFT变换点数为128点,循环前缀为37点,跳频方式采用TFC1[5],3个载波频率分别为2080.32 MHz、2608.32 MHz、3136.32 MHz。 MBOFDM超宽带信号子载波数为128,并将第32～39、90～97个子载波设置成虚载波,信道模型为舱内超宽带传输模型[10]。超宽带信号在1.82～3.40 GHz频率范围内,有6个带宽为33 MHz的通频带,其中避让“北斗”卫星导航接收信号的通频带频率范围是2.477～2.506 GHz。RF接收模块包括两次下变频(本地载波频率分别为2398 MHz和105.75MHz)和相应滤波器。“北斗”卫星导航信号载波恢复模块包括乘法器、滤波器、鉴相器、VCO等。仿真实验过程中,PN码已经正确捕获同步。

图3 通过Simulink建立的系统仿真模型Fig.3 System model in Simulink

改变“北斗”卫星导航信号源和超宽带信号源输出信号的功率比,仿真得到不同信号功率比SSR下“北斗”卫星导航接收机的误码率,如图4所示。根据要求,“北斗”卫星导航接收机接收信号误码率阈值为10-5,由仿真结果可知,当SSR≥-98 dB时,即可保证载波恢复电路正常工作,和第4节理论计算得到的满足干扰容限的SSR值-101.2 dB保持一致。

图4 不同SSR下的接收信号误码率Fig.4 BER at different SSR

保持“北斗”卫星导航信号源模块输出信号功率为-127.6 dBm,保持超宽带信号源发射机总功率满足规定的上限发射功率-21.3 dBm,改变超宽带信号源传输信道的传播距离参数,仿真得到“北斗”卫星导航接收机与超宽带信号发射机在不同距离下“北斗”卫星导航接收机的误码率,如图5所示。从图5可以看出,为了保证误码率小于10-5,“北斗”卫星导航接收机与超宽带发射机之间的距离至少应为2.2 m。若不采用虚载波方式,则需要“北斗”卫星导航接收机与超宽带发射机之间间隔约58 m,超出了飞机的长度限制。

图5 不同距离下的接收信号误码率Fig.5 BER at different distance

由于部分用于传输数据的子载波被设置成虚载波,原本用于传输有效数据的100个子载波剩下85个(第39个子载波为导频子载波)。为了使原始基带数据在卷积、打孔、交织、分配子载波等过程中符合数据变换长度要求,最大理论数据传输速率从53.3 Mb/s下降为42.64 Mb/s。这样的数据传输速率仍大于现有的航空总线MIL-STD-1553B数据传输速率。

6 结 论

在信号实现方式为MB-OFDM的超宽带无线信号中采用虚载波技术,能有效抑制机载超宽带信号对舱内第二代“北斗”卫星导航系统的干扰,保证“北斗”卫星导航接收机的误码率要求。在超宽带信号发射功率为最大限制发射功率的情况下,经过理论计算,机载超宽带信号发射机和第二代“北斗”卫星导航接收机之间的安全距离从48 m缩短至1.8 m。在这个安全距离之外,“北斗”卫星导航接收机的误码率保持在10-5以内。实验建立系统模型进行仿真,验证了与理论计算结果的一致性。

采用合理有效的信号实现方式,能够保证超宽带设备不会对同一环境中使用的其他设备造成影响。虽然设置虚载波降低了超宽带信号数据传输速率,但仍大于目前机载航空总线数据传输速率,在进一步的研究中可以寻求更高效的编码方式来补偿虚载波造成的传输速率损失。超宽带信号的干扰抑制及避让研究将逐步推进超宽带无线通信设备在机舱环境中的应用。

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