李 琳,譚述森

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京 100094)

BDS用戶設(shè)備的電磁兼容現(xiàn)狀及進(jìn)展

李 琳,譚述森

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京 100094)

針對(duì)BDS用戶設(shè)備與其鄰頻系統(tǒng)的電磁兼容問(wèn)題,提出BDS用戶設(shè)備電磁敏感度優(yōu)化和BDS業(yè)務(wù)保護(hù)相結(jié)合的解決途徑。針對(duì)內(nèi)部誘因要素——BDS用戶設(shè)備電磁敏感,設(shè)計(jì)合理可行的電磁敏感度優(yōu)化方案,盡可能優(yōu)化BDS用戶設(shè)備電磁敏感度;針對(duì)外部誘因要素——鄰頻系統(tǒng)電磁輻射,制定貼切直觀的BDS業(yè)務(wù)保護(hù)要求,給予BDS用戶設(shè)備具備規(guī)范性效力的基本保護(hù)。BDS用戶設(shè)備電磁敏感度的顯著優(yōu)化以及BDS業(yè)務(wù)保護(hù)要求的付諸實(shí)施,可較徹底解決BDS用戶設(shè)備的電磁兼容問(wèn)題。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng);電磁兼容;電磁兼容性;電磁敏感度;電磁干擾

0 引言

BDS用戶設(shè)備作為實(shí)現(xiàn)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou navigation satellite system,BDS)定位、授時(shí)、報(bào)文通信和位置報(bào)告等功能的終端,目前已廣泛應(yīng)用于我軍信息獲取、指揮控制、精確打擊、戰(zhàn)場(chǎng)救援、戰(zhàn)備訓(xùn)練、后裝保障和邊防管控等諸多領(lǐng)域[1-2]。全軍BDS應(yīng)用正從單一功能向多種功能、獨(dú)立單機(jī)向綜合集成、應(yīng)用潛力向作戰(zhàn)保障實(shí)力轉(zhuǎn)變。

隨著B(niǎo)DS用戶設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域的拓展、應(yīng)用層次的深入,其與別類系統(tǒng)的電磁兼容性(electromagnetic compatibility,EMC)問(wèn)題接踵而至,尤以與鄰頻系統(tǒng)的EMC問(wèn)題最為突出。原因在于[3]:電磁干擾源復(fù)雜、耦合途徑多樣、BDS用戶設(shè)備敏感。

無(wú)獨(dú)有偶,美國(guó)光平方公司第四代長(zhǎng)期演進(jìn)(fourth generation long term evolution,4G-LTE)天地融合移動(dòng)寬帶通信網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃與全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)之間的EMC問(wèn)題,一度成為2011年全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)界的關(guān)注焦點(diǎn)。美國(guó)天基定位導(dǎo)航定時(shí)(Positioning,Navigation, and Timing,PNT)國(guó)家執(zhí)行委員會(huì)聯(lián)合主席,在致美國(guó)商務(wù)部助理部長(zhǎng)的官方信函中強(qiáng)硬表示:當(dāng)前沒(méi)有任何可行方案能解決4G-LTE給GPS帶來(lái)的影響。歐盟認(rèn)為4G-LTE對(duì)導(dǎo)航頻段存在嚴(yán)重影響,并提醒美方此計(jì)劃一旦獲批可能產(chǎn)生的示范作用,將不僅是美國(guó)國(guó)內(nèi)的問(wèn)題也不僅是GPS的問(wèn)題。2012-05-14,光平方公司正式申請(qǐng)破產(chǎn)保護(hù)[3]。

引發(fā)EMC問(wèn)題的三個(gè)要素為干擾源、敏感源和耦合途徑;電磁兼容性對(duì)電磁干擾(electromagnetic interference,EMI)和電磁敏感度(electromagnetic sensibility,EMS)提出極限值要求,即電磁干擾不能高于某極限值,電磁敏感度不能低于某極限值[3]。本文從EMC要素出發(fā),剖析BDS用戶設(shè)備與鄰頻系統(tǒng)的EMC現(xiàn)狀,研究BDS用戶設(shè)備與鄰頻系統(tǒng)的EMC問(wèn)題解決途徑。

1 主要鄰頻系統(tǒng)EMI情況

BDS B1頻點(diǎn)所處1 559～1 610 MHz頻段,為航空無(wú)線電導(dǎo)航服務(wù)(aeronautical radio navigation service,ARNS)和衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航業(yè)務(wù)(radio navigation satellite service,RNSS)專屬頻段,享受優(yōu)先使用待遇。有代表性的鄰頻系統(tǒng)見(jiàn)表1。

表1 BDS B1頻點(diǎn)的代表性鄰頻系統(tǒng)

BDS B2頻點(diǎn)所處960～1 215 MHz頻段,屬于ARNS專用頻段。GPS的L5、Galilleo的E5均在其內(nèi);廣泛用于機(jī)場(chǎng)的塔康(tactical air navigation,TACAN)、測(cè)距儀(distance measuring equipment,DME)、儀表著陸系統(tǒng)(instrument landing system,ILS),以及敵我識(shí)別器、三軍聯(lián)合信息分發(fā)系統(tǒng)等均在該頻段附近。

BDS B3頻點(diǎn)所處1 215～1 280 MHz頻段,不屬于RNSS專用頻段,須與其他服務(wù)分享頻段資源。有代表性的鄰頻系統(tǒng)見(jiàn)表2。

表2 BDS B3頻點(diǎn)的代表性鄰頻系統(tǒng)

BDS S頻點(diǎn)的代表性鄰頻系統(tǒng)有第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)、無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)(wireless local area network,WLAN)和多路微波分配系統(tǒng)(multichannel microwave distribution system,MMDS)等,頻率范圍分別為2 500～2 690 MHz、2 400～2 483.5 MHz 和2 535～2 599 MHz。

綜上所述,BDS鄰頻系統(tǒng)EMI的主要特點(diǎn)是種類多、數(shù)量大;工作頻段與BDS頻段毗鄰、部分重疊甚或完全重疊;發(fā)射功率較大;帶外抑制、雜散抑制等要求不夠貼切;時(shí)域特征有連續(xù)和脈沖兩種。

2 導(dǎo)航用戶設(shè)備EMS現(xiàn)狀

國(guó)際電聯(lián)(International Telecommunications Union,ITU)規(guī)定:衛(wèi)星—地面鏈路在1.525～2.500 GHz頻段、任意4 k Hz內(nèi),衛(wèi)星信號(hào)的功率通量密度不超過(guò)-154 d BW/m2。因此,用戶段必須對(duì)電磁信號(hào)非常敏感,才能在信噪比低至-20 dB左右時(shí)響應(yīng)、處理衛(wèi)星信號(hào)。對(duì)電磁信號(hào)非常敏感具有兩面性,正面為接收靈敏度高,負(fù)面為易受電磁干擾影響[5-9]。無(wú)論是美國(guó)GPS、歐洲Galileo的導(dǎo)航接收機(jī),還是BDS用戶設(shè)備均是如此。

2.1 GPS-L1接收機(jī)EMS現(xiàn)狀

國(guó)際民用航空組織(International Civil Aviation Organization,ICAO)出版的《國(guó)際民用航空公約》附件10第I卷[10],以及航空無(wú)線電委員會(huì)(Radio Technical Commission for Aeronautics,RTCA)制定的技術(shù)指導(dǎo)文件RTCA/DO-253A、RTCA/DO-235B中給出[11],GPS-L1接收機(jī)的電磁敏感度具體如下。

在衛(wèi)星信號(hào)功率-134.5 d Bm、跟蹤解調(diào)門(mén)限載噪比29.93 dBHz、跟蹤精度優(yōu)于0.4 m的邊界條件下,GPS-L1接收機(jī)的音頻干擾功率容限如圖1所示;帶限噪聲干擾功率容限如圖2所示;脈沖干擾功率容限見(jiàn)表3。這里的衛(wèi)星信號(hào)功率、干擾功率為接收天線輸出端的衛(wèi)星信號(hào)功率、干擾功率;跟蹤精度既不含多徑、電離層、對(duì)流層等信號(hào)傳播效應(yīng),也不含星歷、衛(wèi)星鐘差等。

圖1 GPS-L1接收機(jī)的音頻干擾功率容限

圖2 GPS-L1接收機(jī)的帶限噪聲干擾功率容限

表3 GPS-L1接收機(jī)的脈沖干擾功率容限

2.2 GPS-L5接收機(jī)EMS現(xiàn)狀

航空無(wú)線電委員會(huì)制定的技術(shù)指導(dǎo)文件RTCA/DO-292文件給出[12],GPS-L5接收機(jī)的電磁敏感度具體如下。

在衛(wèi)星信號(hào)功率-130.4 dBm、跟蹤解調(diào)門(mén)限載噪比27 d BHz、跟蹤精度優(yōu)于0.4 m的邊界條件下,GPS-L5接收機(jī)音頻干擾功率容限如圖3所示;帶限噪聲干擾功率容限如圖4所示,其中實(shí)線對(duì)應(yīng)于跟蹤、虛線對(duì)應(yīng)于捕獲。

圖3 GPS-L5接收機(jī)的音頻干擾功率容限

圖4 GPS-L5接收機(jī)的帶限噪聲干擾功率容限

2.3 BDS用戶設(shè)備EMS現(xiàn)狀

由于BDS的信號(hào)體制有別于GPS,國(guó)內(nèi)的技術(shù)積累、工藝水平等與國(guó)外存在差距,再加上前期對(duì)BDS用戶設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍、頻率選擇性等沒(méi)有做強(qiáng)制性的統(tǒng)一要求,因此BDS用戶設(shè)備的EMS與GPS接收機(jī)存在一定的差距。

2013年8月,以鄰頻系統(tǒng)4G為例測(cè)試BDS用戶設(shè)備EMS。測(cè)試平臺(tái)如圖5所示,主要由BDS用戶設(shè)備測(cè)試系統(tǒng)、4G集總模擬設(shè)備(R&S SMU200A)、受試BDS用戶設(shè)備、帶阻濾波器、可變衰減器、合路器和若干電纜組成。受試7型BDS用戶設(shè)備的運(yùn)載方式、結(jié)構(gòu)形態(tài)、功能類別等屬性基本覆蓋主用BDS用戶設(shè)備。

圖5 BDS用戶設(shè)備EMS測(cè)試平臺(tái)組成

7型BDS用戶設(shè)備的EMS測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。當(dāng)4G信號(hào)的中心頻率從2 491 MHz移至2 540 MHz 時(shí),7型BDS用戶設(shè)備對(duì)4G集總功率容限的差異分別高達(dá)13 dB、22 dB、26 dB、25 dB、27 dB、25 dB和32 dB;即7型用戶設(shè)備的干擾功率容限不盡相同,最大相差32 dB。

表4 7型BDS用戶設(shè)備的EMS差異

綜上所述:BDS用戶設(shè)備電磁敏感度現(xiàn)狀,與鄰頻系統(tǒng)電磁干擾水平之間的矛盾相當(dāng)突出。為了消除或者緩解兩者之間矛盾,首當(dāng)其沖的是對(duì)BDS用戶設(shè)備電磁敏感度進(jìn)行優(yōu)化。

圖6 寬動(dòng)態(tài)銳截止方案架構(gòu)

3 BDS用戶設(shè)備EMS優(yōu)化

針對(duì)鄰頻EMI在頻率域(與BDS頻段毗鄰或重疊)、功率域(發(fā)射功率大、帶外抑制及雜散抑制等要求不夠貼切)和時(shí)間域(連續(xù)、脈沖)上的特點(diǎn),宜采用寬動(dòng)態(tài)銳截止方案、連續(xù)干擾抑制(continuous interference suppression,CIS)方案和脈沖干擾置零(pulsed interference blanking,PIB)方案。

3.1 寬動(dòng)態(tài)銳截止方案

寬動(dòng)態(tài)銳截止方案采用圖6所示“多級(jí)濾波—放大級(jí)聯(lián)+射頻芯片”架構(gòu)。第一級(jí)濾波器為抗燒毀功率較大、插損小、體積不大的介質(zhì)濾波器;第一級(jí)放大器為噪聲系數(shù)低的低噪聲放大器;第二級(jí)濾波器為頻率選擇性較好、插損較小、體積較小的聲表面波(surface acoustic wave,SAW)濾波器;第二級(jí)放大器為噪聲系數(shù)較低的低噪聲放大器;第三級(jí)濾波器為頻率選擇性好、插損適中、體積小的SAW或薄膜體聲波(film bulk acoustic resonator,FBAR)濾波器。射頻芯片為基于“兩次下變頻+外置中頻SAW+自動(dòng)增益控制”結(jié)構(gòu)的48腳方形扁平無(wú)引腳(quad Flat no-lead package,QFN)封裝單芯片。

該寬動(dòng)態(tài)銳截止方案可實(shí)現(xiàn)輸入動(dòng)態(tài)范圍拓展、無(wú)用頻率衰減、噪聲系數(shù)控制等方面的綜合最優(yōu)[13]。

3.2 連續(xù)干擾抑制方案

圖7 重疊加窗頻域?yàn)V波處理流程

連續(xù)干擾抑制技術(shù)主要有時(shí)域?yàn)V波、頻域?yàn)V波、空域?yàn)V波、空域時(shí)域聯(lián)合濾波、空域頻域聯(lián)合濾波等;其中時(shí)域?yàn)V波、頻域?yàn)V波具有技術(shù)成熟度高、性價(jià)比高等特點(diǎn),適于各種運(yùn)載方式的BDS用戶設(shè)備。

重疊加窗頻域?yàn)V波是一種高性價(jià)比的頻域?yàn)V波方法,其處理流程如圖7所示。

首先按照“一個(gè)數(shù)據(jù)塊N個(gè)數(shù)據(jù)、相鄰數(shù)據(jù)塊重疊γN個(gè)數(shù)據(jù)”的方式對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行重疊式分塊,第i個(gè)數(shù)據(jù)塊的起、止序號(hào)分別為(i-1)(1 -γ)N+1和(i-1)(1-γ)N+N,重疊因子γ通常取為1/2和2/3;然后各數(shù)據(jù)塊與窗函數(shù)相乘,實(shí)現(xiàn)對(duì)各數(shù)據(jù)塊的時(shí)域加窗處理;接著進(jìn)行N點(diǎn)快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)、譜線幅度檢測(cè)、濾波函數(shù)構(gòu)造、頻域?yàn)V波和N點(diǎn)快速傅里葉反變換(fast Fourier inverse transform, IFFT);最后選取各數(shù)據(jù)塊居中的(1-γ)N個(gè)數(shù)據(jù),并依照數(shù)據(jù)塊相鄰關(guān)系拼接,得到與輸入時(shí)序一致、無(wú)重疊的數(shù)據(jù)流。

時(shí)域加窗是為了改善時(shí)域截?cái)嗨鸬念l譜能量泄露。數(shù)據(jù)分塊是為了提高FFT、IFFT的處理效率。先重疊式分塊、再選取式拼接是為了補(bǔ)償窗函數(shù)邊緣衰減對(duì)輸入數(shù)據(jù)的失真效應(yīng)。除了選取式拼接外,還可用直接相加拼接—相鄰數(shù)據(jù)塊直接相加;后者的信噪比損失要小些,但計(jì)算量要大些。

3.3 脈沖干擾置零方案

脈沖干擾置零的原理是對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行功率檢測(cè),當(dāng)輸入信號(hào)功率超出門(mén)限時(shí)將數(shù)模轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter,ADC)輸出清零。功率檢測(cè)既可基于模擬功率測(cè)量的模擬電路,也可基于ADC輸出直方圖分析的數(shù)字電路。

數(shù)字脈沖置零方案逐個(gè)處理ADC的輸出采樣點(diǎn),既無(wú)需識(shí)別脈沖何時(shí)起始、何時(shí)終止,也無(wú)需存儲(chǔ)脈沖持續(xù)期間的采樣點(diǎn),是一種高性價(jià)比的脈沖干擾置零方案[14]。數(shù)字式脈沖干擾置零方案的處理流程如圖8所示。

圖8 數(shù)字式脈沖干擾置零處理流程

圖8中過(guò)門(mén)限置零處理前數(shù)據(jù)位數(shù)n位,過(guò)門(mén)限置零處理后數(shù)據(jù)位數(shù)降至m位;與各數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)同步的樣點(diǎn)過(guò)限標(biāo)記信號(hào),用來(lái)標(biāo)識(shí)各采樣點(diǎn)是否超過(guò)門(mén)限、是否經(jīng)過(guò)置零。這樣設(shè)計(jì)的原因在于:為確保自動(dòng)增益控制(automatic gain control,AGC)、ADC工作正常,應(yīng)根據(jù)熱噪聲水平(低于門(mén)限、未被置零的采樣點(diǎn)功率水平)調(diào)整AGC;不能根據(jù)含脈沖干擾的采樣點(diǎn)或者置零后的采樣點(diǎn)功率水平。前者造成AGC增益過(guò)小,繼而導(dǎo)致ADC空載或低負(fù)荷;后者造成AGC增益過(guò)高,繼而導(dǎo)致ADC滿負(fù)荷或過(guò)載。

3.4 試樣EMS性能

上述EMS優(yōu)化方案在具體實(shí)施時(shí),還受到用戶設(shè)備的接收靈敏度、寬溫適應(yīng)、尺寸、功耗、量產(chǎn)和成本等方面約束。

以S頻點(diǎn)BDS用戶設(shè)備為例:BDS用戶設(shè)備的信噪比余量?jī)H1 dB左右;寬溫適應(yīng)性要求為工作溫度-40℃～+60℃,儲(chǔ)存溫度-55℃～+70℃;運(yùn)載方式有手持式、車載式等,手持式設(shè)備的尺寸要求為長(zhǎng)×寬×高不超過(guò)190 mm× 80 mm×60 mm;平均功耗不超過(guò)3.5 W。

為此,射頻模塊EMS優(yōu)化的約束條件:信噪比余量1 dB,溫度適應(yīng)范圍-55℃～+85℃,長(zhǎng)×寬×高不超過(guò)53 mm×38 mm×13 mm,平均功耗不超過(guò)0.5 W,成本不超過(guò)手持式用戶設(shè)備成本的20%,量產(chǎn)階段(較設(shè)計(jì)定型階段)惡化程度不超過(guò)1 d B。

基于滿足如上約束條件的EMS優(yōu)化方案研制新型射頻模塊,將新型射頻模塊與BDS手持用戶設(shè)備主板組裝而成BDS用戶設(shè)備試樣。測(cè)試表明:當(dāng)4G信號(hào)的中心頻率分別為2 520 MHz、2 530 MHz 和2 540 MHz,BDS用戶設(shè)備試樣的干擾功率容限比前述7型BDS用戶設(shè)備的干擾功率容限最大值分別高出21 d B、15 dB和4 d B。

4 BDS業(yè)務(wù)保護(hù)要求

多重約束下的EMS優(yōu)化方案最大限度地優(yōu)化了BDS用戶設(shè)備EMS,但仍無(wú)法應(yīng)對(duì)多個(gè)鄰頻系統(tǒng)的電磁輻射考驗(yàn)。以S頻點(diǎn)BDS用戶設(shè)備試樣為例,其基本可應(yīng)對(duì)單個(gè)4G時(shí)分雙工長(zhǎng)期演進(jìn)(time division duplexing long term evolution, TDD-LTE)下行信號(hào)中心頻率為2 530 MHz時(shí)的電磁輻射考驗(yàn);但無(wú)法應(yīng)對(duì)4G TDD-LTE下行信號(hào)、上行信號(hào)時(shí)分復(fù)用以及WLAN、MMDS等多個(gè)鄰頻系統(tǒng)的電磁輻射考驗(yàn)。

為此,亟需制定、實(shí)施貼切的BDS業(yè)務(wù)保護(hù)要求。這里的BDS業(yè)務(wù)保護(hù)要求是指對(duì)BDS用戶設(shè)備工作環(huán)境中電磁干擾輻射功率的要求;所謂貼切是指應(yīng)在苛刻與寬松之間很好的折衷,苛刻則難以達(dá)成,寬松則形同虛設(shè)。貼切的業(yè)務(wù)保護(hù)要求既為BDS用戶設(shè)備提供具備規(guī)范性效力的基本保護(hù),也為其他系統(tǒng)的應(yīng)用、研制、設(shè)計(jì)、論證提供依據(jù)。

為確保BDS業(yè)務(wù)保護(hù)要求直觀,采用圖9所示帶內(nèi)平坦、帶外線性的凹形折線形式;相應(yīng)的特征參數(shù)為帶內(nèi)起止頻率、帶內(nèi)干擾輻射功率限值,以及帶外頻率、帶外干擾輻射功率限值。為確保業(yè)務(wù)保護(hù)要求貼切,帶內(nèi)起止頻率分別取為衛(wèi)星信號(hào)的通帶起止頻率,帶內(nèi)干擾輻射功率限值比BDS用戶設(shè)備干擾功率容限低6 dB(即安全裕度6 dB,考慮到多個(gè)鄰頻系統(tǒng)的疊加效應(yīng)等因素);帶外干擾輻射功率限值由頻率選擇性而定。

圖9 BDS業(yè)務(wù)保護(hù)要求示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了BDS用戶設(shè)備“不容樂(lè)觀”的電磁兼容現(xiàn)狀,以及“積極進(jìn)取”的電磁兼容進(jìn)展。BDS用戶設(shè)備目前的電磁敏感程度很難應(yīng)對(duì)鄰頻系統(tǒng)的電磁輻射考驗(yàn)。電磁兼容解決途徑,需從BDS用戶設(shè)備電磁敏感度優(yōu)化和BDS業(yè)務(wù)保護(hù)兩方面著手:設(shè)計(jì)合理可行的寬動(dòng)態(tài)銳截止、連續(xù)干擾抑制、脈沖干擾置零方案,盡可能優(yōu)化BDS用戶設(shè)備電磁敏感度;制定貼切直觀的BDS業(yè)務(wù)保護(hù)要求,給予BDS用戶設(shè)備規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)層面的基本保護(hù)。藉此,較徹底、全面解決BDS用戶設(shè)備與鄰頻系統(tǒng)的電磁兼容,推動(dòng)BDS的廣泛深入應(yīng)用。

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Status and Progress of EMC of BDS User Equipment

LI Lin,TAN Shusen
(Beijing Satellite Navigation Center,Beijing 100094,China)

As for the EMC problem of Beidou user equipment with adjacent-band systems,this paper put forward the means of Beidou user equipment optimizing and Beidou system service protecting.As for the inner inducement,namely Beidou user equipment is susceptible to electromagnetic,the technical scheme is designed to optimize its electromagnetic susceptibility considerably.As for the outer inducement,that is,many electromagnetic interference sources of adjacent-band systems,the service protection requirement is determined to accord protection primarily.By the above means,the EMC problem of Beidou user equipment can be solved thoroughly.

satellite navigation system;electromagnetic compatible(EMC);electromagnetic compatibility(EMC);electromagnetic susceptibility(EMS);electromagnetic interference(EMI)

P228

A

2095-4999(2015)04-0001-06

2014-10-18

李琳(1976—),女,陜西咸陽(yáng)人,高級(jí)工程師,博士,現(xiàn)主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航用戶設(shè)備電磁兼容、抗干擾技術(shù)研究方面工作。

李琳,譚述森.BDS用戶設(shè)備的電磁兼容現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].導(dǎo)航定位學(xué)報(bào),2015,3(4):1-6.LI Lin,TAN Shusen.Status and Progress of EMC of BDS User Equipment[J].Journal of Navigation and Positioning,2015,3(4):1-6.

10.16547/j.cnki.10-1096.20150401