干扰对BDS信号频域及调制域的影响评估

刘瑞华,梁欣萌

(中国民航大学 电子信息与自动化学院,天津 300300)

0 引 言

北斗卫星导航系统(BDS)是我国自主建设、独立运行的卫星导航系统[1],目前已经能够为用户提供高精度的导航、定位和授时服务,在军事和民用方面都得到了很大程度的推广.然而,由于卫星信号自身的特性及空间复杂电磁环境,其在发射、传播和接收的过程中极易受到各种干扰的影响,使卫星信号质量受到影响,对导航系统的精度、可用性、连续性和完好性都构成严重的威胁[2-3],从而直接影响系统的服务性能,因此干扰问题不容忽视.

针对导航信号的质量问题,文献[4-5]中给出了一系列评估指标,包括时域、频域、相关域、调制域、测距域等方面.BDS信号在受到不同干扰时,信号质量变化特征略有不同,在各类评估指标中都有所表现.

本文借助先进的实验设备获取了几种典型干扰信号的时频特性,并将干扰与实测的BDS信号进行叠加,从功率谱、星座图两个方面研究了干扰对BDS信号质量的影响.研究结果对评估几种典型干扰信号的频域特性以及分析干扰环境下BDS信号的质量情况具有一定的参考意义.

1 干扰信号特性

1.1 单音干扰

单音干扰(CWI)是指在特定的单个频点上产生的连续波冲激.特点是时域连续,频域单一,又称连续波干扰或单频干扰.信号结构简单,容易产生,能量较为集中[6],能够有效压制BDS信号.

其数学模型可表示为

(1)

式中:PJ为单音干扰功率;f1为单音干扰的中心频率;φn为随机相位.

利用矢量信号源发出单音干扰,设置的主要参数有:干扰信号功率以及干扰频率.干扰频点为1.554 GHz的单音干扰信号频谱如图1所示.

图1 单音干扰频谱图

1.2 多音干扰

多音干扰(SCWI)是指在多个频点上产生的连续波冲激,可以由多个特定功率的单音干扰组合而成.其干扰频点位置一般随机分布,也可以固定在特定的某几个频点上[6].多音干扰信号功率谱的分布与单音干扰类似.

其数学模型可表示为

(2)

式中:PJ为多音干扰功率;fi为多音干扰的频率;φn为随机相位.

利用矢量信号源发出多音干扰,设置的主要参数有干扰信号功率、中心频率、频点间隔及个数.干扰频率为1.554 MHz,频点间隔为100 kHz的多音干扰信号频谱如图2所示.

图2 多音干扰频谱图

1.3 脉冲干扰

脉冲干扰(PI)是一种具有突发性的干扰信号,特点是持续时间很短,频谱很宽.干扰功率可以到达千瓦甚至兆级[7],其数学模型可表示为

(3)

式中;t0为脉冲信号起始时刻;T为脉冲持续周期.

利用矢量信号源发出脉冲干扰,设置的参数有信号功率、脉冲宽度及占空比.占空比为1%的脉冲干扰信号频谱如图3所示.

图3 脉冲干扰频谱图

1.4 扫频干扰

扫频干扰(LFM)信号的瞬时频率随时间呈线性变化. 其瞬时频率特性为单频,在某段时间内呈现动态扫描特性[7],因此又称为线性调频干扰.其数学模型可表示为

(4)

式中:A为信号幅度;T为扫频持续时间;f0为中心频率;扫频起始频率和截止频率设为f1和f2;扫频带宽B=|f2-f1|;扫频斜率k=B/T.

利用矢量信号源发出线性扫频干扰,设置的参数有信号功率、扫频带宽、步进时间等.扫频范围为200 kHz的扫频干扰信号频谱如图4所示.

图4 扫频干扰频谱图

1.5 部分带噪声干扰

部分带噪声干扰是将高斯白噪声信号的能量集中分布在一段连续的频谱上,并非所有频谱范围内都有干扰.这种干扰信号容易产生,功率可以做得很高,一般情况下干扰信号较强[8].其中,当干扰信号带宽超过导航信号带宽的10%时称为宽带噪声干扰,否则为窄带噪声干扰.

部分带噪声干扰容易产生,直接将高斯白噪声通过窄带或宽带滤波器后放大即可实现．

利用矢量信号源发出部分带噪声干扰,设置的参数有高斯白噪声的中心频率、干扰功率、干扰带宽及持续时间.带宽为100 kHz的部分带噪声干扰信号频谱如图5所示.

图5 部分带噪声干扰频谱图

2 BDS信号质量评估指标

根据BDS信号空间控制接口文件,信号质量的评估指标主要包括载波频率、信号工作带宽、用户接收信号电平、信号相关性、信号功率谱、信号时域波形和眼图、信号星座图、信号相关曲线、信号接收性能等[9].其中,信号的功率谱能够直观地反映出干扰对BDS信号各个频点的功率影响情况.而星座图可以用来分析BDS信号在调制域的特性,I/Q载波相位非正交性会导致信号的幅度和相位产生误差,而幅度误差会引起信号畸变,从而进一步分析噪声与干扰对信号质量的影响.干扰信号很强时,BDS信号功率谱和星座图会产生失真,系统测距性能降低.因此,本文主要从信号的功率谱、星座图两个方面分析受到干扰的BDS信号.

2.1 功率谱

对于BDS信号的频域评估,大致分为经典谱估计和现代谱估计两类,通常采用经典谱估计中的Welch周期图法来获取信号的功率谱结果[4-5].该方法借助信号分段重叠、加窗、FFT等数据处理技术来估计随机信号的功率谱,能够有效地增加功率谱曲线的平滑度,极大程度地提高分辨率.

BDS信号的功率谱处理结果反映其信号各个频点的功率分布情况,通过与按照BDS信号体制设计的理想信号功率谱进行比较,可以直观地看出实测的导航信号中是否存在干扰.

2.2 星座图

星座图能够反映信号的调制方式和失真情况[4].导航信号经过捕获、跟踪、载波剥离后得到其基带I/Q调制分量,基带信号可表示为I/Q支路的复用信号,其中I支路信号为同相分量,Q支路信号为正交分量.

以I支路为横轴,Q支路为纵轴可以描绘出信号的星座图及转换轨迹.

设理想导航信号的I、Q支路幅度为Iref和Qref,实测导航信号的I、Q支路幅度为Ii和Qi,则星座图的主要评估参数可表示为

1) I/Q不平衡度

理想信号与实测信号的I/Q支路信号幅度偏差可用I/Q不平衡度来表示:

(5)

2)幅度误差(Emag)RMS和相位误差(Ephase)RMS(Emag)RMS=100%×

(6)

(Ephase)RMS=100%×

(7)

3)误差矢量幅度

误差矢量幅度(EVM)指的是特定时刻下实测信号与理想信号之间的向量差.通常将EVM值用某个时间段内误差向量的均方根(RMS)来表示.因此,接收码片经过一系列的处理之后重新复现为发射端信号,取该码矢量信号与实测的矢量信号的矢量差,再对矢量差进行统计平均计算,就可以得到EVM值[4].EVM值可表示为

EVMRMS=100%×

(8)

式中:N为抽样点数;Smax为理想信号矢量幅度.

EVM表示导航信号的调制误差矢量.数值越大说明信号受干扰越严重,复现后的信号误差越大,反之信号误差小.

3 干扰对BDS信号质量影响结果

3.1 数据获取

BDS信号数据通过7.5 m高增益天线获取,选取卫星为IGSO-6号星,其中B1频点的信号通过模数转换及下变频后将射频信号变为40.258 MHz的数字中频信号[10-11].干扰信号由任意波形生成器生成并通过矢量信号源发出.BDS信号和干扰信号通过射频线同时输入到合路器一端,两路信号经合路器叠加之后从另一端输出并送入馈电器及下变频器中进行处理,最后BDS信号采集系统对含干扰的BDS信号进行数据采集与存储.其叠加数据产生的流程如图6所示.

图6 数据产生流程

矢量信号源的载波频率设置为1561.098 MHz,输出功率设置为-30 dBm,干扰信号的持续时间为10 ms. 其中,单音干扰与脉冲干扰信号功率谱结果无明显差异,因此仅选取单音干扰代替窄带干扰与其他类型的干扰信号进行对比;多音信号的干扰频点间隔设为500 kHz,共三个音;扫频干扰与部分带噪声干扰信号功率谱结果无明显差异,因此在接收信号1 dB带宽内仅选取带宽为400 kHz的部分带噪声干扰作为主瓣的宽带干扰与其他类型的干扰信号进行对比.

3.2 数据处理结果

3.2.1 功率谱处理结果

图7～10分别给出了未叠加干扰、叠加单音干扰、叠加多音干扰以及叠加部分带噪声干扰四种情况下的实测BDS信号功率谱的处理结果.

由于整个信道特性非理想,使得采集频段各频点的底噪不同,造成BDS信号的功率谱上下边带不对称.

图7 未叠加干扰时B1信号的功率谱

图8 叠加单音干扰时B1信号的功率谱

图9 叠加多音干扰时B1信号的功率谱

图10 叠加部分带噪声干扰时B1信号的功率谱

BDS信号质量监测需要综合分析信号的频率、带宽与带内功率等参数．由图7～10可知,与未叠加干扰信号的实测导航数据相比, BDS信号受到单音信号干扰后信号功率谱在中心频点1561.098 MHz附近出现一个明显的尖峰;受到多音信号干扰后,在1560.598 MHz、1561.098 MHz、1561.598 MHz三个频点附近都出现了类似的尖峰;在部分带噪声干扰的影响下,导航信号的功率谱在主瓣干扰带宽范围内(1560.898～1561.298 MHz)出现相应的凸起,带宽与干扰信号带宽基本一致.可见,干扰信号对导航信号功率谱的影响较大且效果明显.另外,通过改变干扰信号的输出功率发现,当干扰功率很小时几乎不会影响到导航信号的质量.表1示出了不同干扰下导航信号的平均带内功率值,通过比较数值可以看出,干扰环境下BDS信号的平均带内功率值要大于无干扰存在时的带内功率值．当干扰很强时,功率值将出现大幅波动,系统测距性能降低.

表1 功率谱评估参数

3.2.2 星座图处理结果

图11～14分别示出了未叠加干扰、叠加单音干扰、叠加多音干扰以及叠加部分带噪声干扰四种情况下的实测BDS信号星座图的处理结果.

图12 叠加单音干扰时信号的星座图

图13 叠加多音干扰时信号的星座图

图14 叠加部分带噪声干扰时信号的星座图

理想BDS信号的星座图为固定四个散点,轨迹线为对角线处两个散点的连线[4].由图11～14可知,导航信号受到单音干扰后,信号的星座图不在正常范围内,且转换轨迹混乱;受到多音干扰后,星座图的幅度误差和相位误差相对于单音干扰来说数值增大,转换轨迹线模糊不清;在部分带噪声干扰的影响下,卫星信号的幅度和相位误差值更大,同样星座图的正交性和幅度平衡性也明显发生了恶化.表2示出了不同干扰情况下导航信号星座图各类评估指标的参数值,其干扰参数与第3.2.1节中的参数相同.通过比较数值可以看出,干扰环境下BDS信号的幅度误差、相位误差、IQ不平衡度、EVM值都明显大于无干扰存在时的数值．当干扰很强时,星座图评估参数将出现大幅波动,系统测距性能降低．

表2 星座图评估参数

4 结束语

本文对BDS中常见的几种干扰信号进行了特征分析,阐述了导航信号频域及调制域的质量评估指标,同时介绍了实测数据的采集过程.实测数据处理结果表明,干扰存在的情况下,导航信号质量受到不同程度的影响,各类评估指标的参数值都有所改变,但并不能准确地判定出干扰的存在性和类型,因此对干扰信号的检测和识别是进一步需要研究的内容.