嵌入式系统辐射干扰对北斗接收性能的影响研究

2014-07-03龚力崔晓伟

单片机与嵌入式系统应用 2014年9期

龚力，崔晓伟

（清华大学电子工程系，北京100084）

引言

嵌入式系统是指为特定应用而设计的专用计算机系统。它以应用为中心，以计算机技术为基础，软件、硬件可以根据需要裁减，满足对功能、可靠性、成本、体积、功耗等要求而专门设计的计算机系统，被广泛用于手持设备、电信交换机、汽车电子、医疗设备、多媒体电器、军事装备、航空等领域。[1]其辐射干扰均来自硬件部分。

2012年12月27日，北斗系统空间信号接口控制文件正式版正式公布，北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务。[2]北斗卫星信号和GPS卫星信号都属于低于噪声电平的微弱信号，因此如果辐射干扰信号位于卫星信号的有效带宽内部或是边缘，则可能会导致接收模块信号的捕获灵敏度下降，甚至无法捕获跟踪卫星信号。

在导航仪等嵌入式系统应用中，北斗接收模块正在逐渐取代GPS接收模块。固有嵌入式系统产生的辐射干扰尽管不会影响到GPS接收模块的性能，但其干扰信号很有可能落入北斗接收频点的有效带宽内，导致卫星信号与干扰信号混叠，提高了信号的噪声电平，直接影响北斗接收模块的捕获灵敏度，所以往往需要对嵌入式系统进行改进。本文以北斗B1频点接收模块为例，对一些潜在的辐射干扰源进行论述和分析，既能帮助改进固有的嵌入式系统设计，又能为新的嵌入式系统设计提供参考。

1 卫星系统与接收模块简介

1.1 北斗卫星导航系统介绍

北斗卫星导航系统是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。系统建设目标是：建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。[3]

北斗卫星导航系统目前是区域定位导航系统（RNSS），共包括5颗地球静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星、4颗中地球轨道卫星，发射B1、B2、B3共3个频点的信号。除此之外，还支持双向卫星通信功能。

1.2 北斗接收模块简介

北斗接收模块包括天线、低噪声放大器、下变频电路、模数转换电路、基带信号处理电路、定位解算电路几个部分，如图1所示。

天线将北斗卫星信号微弱的电磁波转化为电流信号，并对这种信号进行放大和下变频处理。再经过模数转换电路将其转换为数字信号，基带处理电路对数字信号进行滤波、捕获、跟踪、解调，由定位解算电路计算出位置、速度、时间等信息。

北斗接收模块的模拟电路部分，也就是天线、低噪声放大器、下变频电路、模数转换电路都是比较容易受到干扰的部分。辐射干扰信号主要从天线引入接收模块。

图1 北斗接收模块

1.3 主流北斗B1接收模块主要性能指标

主流北斗B1接收模块的主要性能指标包括捕获灵敏度、跟踪灵敏度、启动时间、定位精度等指标，如表1所列。[4]

表1 主要性能指标

1.4 嵌入式系统与北斗接收模块的关系

在嵌入式系统应用中，很多都会利用卫星接收模块来获取位置、速度、方向、时间等信息。如导航仪、手机等应用，接收模块一般属于其中的子模块，通过串口等形式与系统连接。

普通手机的原理框图如图2所示。其中的北斗接收模块为其中一部分，负责将计算出的位置、速度等信息通过串口的形式发送给应用处理器。

图2 普通手机原理框图

北斗接收模块的基带处理电路和定位解算电路在没有芯片化之前，一般会采用FPGA结合DSP或AP的方式实现，其本质上也属于一个小型的嵌入式系统。

2 嵌入式系统组成

嵌入式系统一般会包括DSP（数字信号处理器）、FPGA（现场可编程门阵列）、MCU（微控制器）、AP（应用处理器）和ASIC（专用集成电路）中的一种或是几种。除了上述处理器外，还可能包括高速 RAM、高速 AD/DA、FLASH、CPLD、逻辑门电路、网卡、USB、电源、视频解码等芯片。

随着加工工艺的提高，元器件的运行速率越来越快，数据接口的传输速率也越来越高，导致由此产生的辐射干扰信号幅度迅速变大。

3 嵌入式系统对北斗接收模块的干扰分析

3.1 主要干扰类型及方式

由嵌入式系统产生的辐射干扰是影响北斗接收模块性能的主要原因之一。

辐射干扰是指通过空间以电磁波形式传播的电磁干扰。对于北斗接收模块来说，其主要通过北斗接收模块的天线进入到接收模块内部，并对卫星信号的捕获和跟踪造成影响。所以，天线距干扰源的距离会直接影响北斗接收模块的性能。

目前，高端嵌入式处理器的主频已经超过了1 GHz，对于塑料封装的集成电路，其本身内部逻辑变化速度快，上升时间短，会辐射出更多的干扰信号。这种无线形式的对北斗接收模块的干扰，是包含北斗接收模块的嵌入式系统设计中遇到的主要问题之一。

不管是DSP、FPGA还是AP等嵌入式处理器，都需要外置晶振产生的时钟信号才能正常工作，有时嵌入式处理器还会再向外输出时钟信号以驱动RAM、接口电路、AD/DA等芯片。这些时钟信号都是潜在的干扰源。

26 MHz频点的时钟在嵌入式处理中使用很广泛，很多手机的解决方案也是采用该时钟。而26 MHz的60次谐波为1 560 MHz，其对GPS L1频点（1 575.42 MHz）接收模块没有影响，但是刚好在北斗B1频点（1561.098 MHz）信号的带宽内，会严重影响北斗B1频点接收模块的捕获灵敏度等指标。除了26 MHz外，由其倍频生成的52 MHz、104 MHz等信号都会辐射出较强能量。

3.2 干扰幅度理论计算

下面根据假设计算26 MHz时钟信号高次谐波干扰的大致幅度。

根据傅里叶展开公式，梯形方波n次谐波处的谐波分量为：

A：信号峰峰值幅度，假设为1 V。

n：谐波次数，为60。

t0：脉冲宽度，假设为13 ns。

tr：上升时间，假设为4 ns。

T：时钟周期，约为38.46 ns。

由式（1）计算可得26 MHz的60次谐波幅度C（60）≈0.128 3 m V≈42.2 dBμV。对于50Ω阻抗的信号源来说，其功率约为-64.8 dBm。

高次谐波信号通过天线发射到近场中，对于近场情况来说，干扰信号电磁波传输满足Friis公式：

Pr：接收天线收到的信号功率。

Pt：发射天线发射的信号功率。

Gt：发射天线增益。

Gr：接收天线增益。

λ：信号波长，B1频点为19.23 cm。

d：接收天线与发射天线的距离。

由于各种环境因素的不同，Gt和Gr也不同，故先将式（2）表示为：

将其单位换算为dBm，即为：

假设发射天线和接收天线的方向增益都为0，则式（4）可以简化成：

根据式（1）和式（5）可得出表2的结果。

表2 天线接收干扰信号强度与距离的关系

由表2可以看出，在北斗接收天线和发射天线的方向增益都为0 dB时，尽管北斗接收天线与干扰信号发射天线的距离已经达到25 cm，但北斗接收天线仍能收到大于-90 dBm的信号，远大于卫星信号强度。

3.3 干扰实测分析

使用信号源生成-130 dBm的北斗B1频点信号和-80 dBm的1 560 MHz频点单频干扰信号，测试干扰信号对载噪比的影响。两种信号通过合路器进入接收模块低噪声放大器电路后，一起被放大并进入下变频电路。下变频电路在输出模拟中频时，为了能够使干扰信号也满足模数转换电路采样幅度的要求，会将中频增益降低，导致真正的卫星信号增益也被降低。根据实际测试，加入干扰信号后中频有效信号的幅度降低了约13 dB，导致模数转换电路输出的有效位数变少，接收模块实际估算的载噪比最多下降了5 dB，如图3、图4所示。

图3 未加入干扰信号时北斗接收模块的载噪比

图4 加入干扰信号后北斗接收模块的载噪比

加入干扰前后北斗接收模块的载噪比变化如表3所列。

表3 加入干扰前后北斗接收模块的载噪比变化

当干扰信号幅度提高到-75 dBm后，北斗接收模块完全失锁，无法再捕获到卫星信号。

4 抑制辐射干扰的几种方法

首先，应尝试从根源上解决嵌入式系统产生的辐射干扰。改变使用的时钟频率是最简单、方便的解决方法，只要避免高次谐波落入卫星信号带宽内即可。

实际工程中往往必须使用某一频率的时钟信号，由式（1）可看出，sin nπ（t0＋tr）/T如果能够等于0，也就是n（t0＋tr）/T等于整数，则可以使谐波幅度为0，从而彻底消除干扰源。但是实际情况中，普通晶振的时钟稳定度有几十ppm，温补晶振也有1 ppm，相当于T是在不断变化的，t0和tr也因负载不同而不同，很难使n（t0＋tr）/T等于整数。从式（1）中的另一部分可以看出，如果，sin nπtr/T能够等于0，即tr/T等于1/2，也可以使偶次谐波的谐波幅度等于0。如果tr/T等于1/2，即意味着时钟上升时间等于其周期的一半，该时钟为三角波或正弦波。因此，尽量使用幅度低的正弦波或三角波时钟作为驱动源，是降低辐射干扰的解决方法之一。

其次，如果干扰源已经存在，又不得不对成本和架构妥协，则只能通过其他方式解决问题：

①使辐射干扰源尽可能远离接收模块天线。

②通过屏蔽措施来降低辐射干扰的影响。一般使用屏蔽壳、导电橡胶、导电漆等方法来降低辐射干扰的幅度，其屏蔽效率可达20～80 dB。