吳 慶 ,王 彤,趙長嘯

(北京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院,北京100191)

1 引 言

由于超寬帶(Ultra-Wideband,UWB)信號具有大帶寬、低功率、抗干擾、低截獲的優(yōu)勢,人們開始設(shè)想在航空器上使用超寬帶無線通信系統(tǒng)取代總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,以增加數(shù)據(jù)傳輸帶寬,提高飛機(jī)有效載荷,降低維護(hù)成本。但是,超寬帶信號占用了大量且連續(xù)的無線信號頻段,當(dāng)這些頻段與其他機(jī)載無線設(shè)備信號工作頻段無法避免地重疊時,超寬帶信號將成為主要干擾信號進(jìn)入其他機(jī)載無線接收設(shè)備后端,降低設(shè)備工作性能。為了能讓超寬帶無線通信設(shè)備與其他機(jī)載無線設(shè)備共存,首先需要保證超寬帶信號不會對已有的機(jī)載無線設(shè)備(如衛(wèi)星導(dǎo)航信號接收機(jī)等)的工作性能造成影響。目前廣泛研究的是超寬帶無線信號對GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)接收機(jī)的影響[1-4],很少有超寬帶信號對“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航信號干擾的相關(guān)研究。

超寬帶信號對于第二代“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航信號而言是噪聲信號,為了保證“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)正常工作,可以采取以下兩種方法來保證“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航接收信號的信噪比:一是降低超寬帶信號的發(fā)射總功率,二是增加超寬帶信號發(fā)射機(jī)與“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)之間的距離。但是,前者是以降低超寬帶無線通信距離為代價,后者雖然保證了超寬帶無線通信距離,但受到機(jī)艙物理空間尺寸的限制。

本文在超寬帶信號中利用虛載波技術(shù),抑制超寬帶信號對艙內(nèi)第二代“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)接收信號的干擾。在超寬帶無線信號所使用的頻帶內(nèi),為“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航信號讓出足夠的帶寬,讓出的頻帶內(nèi)超寬帶信號發(fā)射功率要遠(yuǎn)低于超寬帶信號頻帶內(nèi)其他頻點(diǎn)的發(fā)射功率,提高了“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航接收信號的信干比,保證“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)載波恢復(fù)環(huán)路的工作性能。理論計算和仿真實(shí)驗(yàn)證明,在保證“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)誤碼率和超寬帶信號發(fā)射功率不變的前提下,此方法減小了超寬帶設(shè)備對“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的安全距離,解決了安全距離受機(jī)艙物理空間尺寸限制的問題。

2 超寬帶信號模型及虛載波技術(shù)

超寬帶信號的實(shí)現(xiàn)方式主要有兩種:單脈沖超寬帶(Impulse Radio Ultra-WideBand,IR-UWB)和多頻帶正交頻分復(fù)用(Multi-Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing,MB-OFDM)。相對于IR-UWB,MBOFDM采用多頻帶子載波方式,可以對特定頻段進(jìn)行靈活配置,達(dá)到設(shè)置虛載波的目的。本文研究的超寬帶信號即為MB-OFDM實(shí)現(xiàn)方式。

2.1 MB-OFDM信號模型

MB-OFDM方案將整個規(guī)定的可用頻段(3.1～10.6 GHz)劃分為14個子頻帶,每個子頻帶的帶寬為528MHz,每個子頻帶都分別使用OFDM技術(shù)傳輸信息。傳統(tǒng)的OFDM信號可以描述為[5]

式中,ts≤t≤ts+T,N為子載波個數(shù),T為OFDM符號周期,di為被調(diào)制數(shù)據(jù),fi為第i個子載波的頻率,rect(t)為矩形函數(shù)。

MB-OFDM系統(tǒng)按照協(xié)議規(guī)定[6]將14個子頻帶分成6組,每組分別包含2～3個子頻帶。系統(tǒng)通過跳頻技術(shù)交替使用組內(nèi)各個子頻帶,將傳統(tǒng)的OFDM信號的頻帶進(jìn)一步展寬,實(shí)際的傳輸信號與復(fù)基帶信號之間的關(guān)系為

式中,Re(·)表示取實(shí)部;sn(t)是第n個子頻帶OFDM符號的復(fù)基帶信號,其持續(xù)時間為(0,T);NB是組內(nèi)使用的子載波數(shù);fi是第 i個子載波的中心頻率。sn(t)可以通過快速傅里葉反變換(IFFT)來實(shí)現(xiàn)。

2.2 虛載波技術(shù)

MB-OFDM信號產(chǎn)生經(jīng)過數(shù)據(jù)編碼、打孔交織、星座映射、子載波分配、插入導(dǎo)頻和保護(hù)間隔、IFFT、跳頻調(diào)制等過程,最終超寬帶信號通過天線輻射出去。在子載波分配環(huán)節(jié)中,可以通過將特定子載波上的數(shù)據(jù)設(shè)置為恒零來形成虛載波,實(shí)現(xiàn)對特定頻率的避讓。如圖1所示,在 NB=128個子載波中,將第31至第40個、以及第89至第98個子載波用零來填充形成虛載波。這樣,超寬帶信號在相應(yīng)頻率3.296～ 3.333 GHz和3.535～3.572 GHz范圍內(nèi)為其他信號提供了兩個約37 MHz帶寬的通頻帶,超寬帶信號在這個頻帶內(nèi)有20 dB的衰減。利用這個原理,當(dāng)超寬帶信號的頻帶覆蓋到其他有用窄帶信號時,可以利用在超寬帶頻段中將相應(yīng)子載波設(shè)置成虛載波形成通頻帶的方法,減少超寬帶信號對其他窄帶信號的干擾。

圖1 設(shè)置虛載波形成通頻帶Fig.1 Passband with zero subcarriers

3 第二代“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航接收系統(tǒng)

第二代“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機(jī)由天線模塊(含低噪聲放大器)、RF模塊、IF模塊、電源模塊、時鐘模塊和測高儀組成。

在IF模塊中,載波恢復(fù)的作用就是消除本地載波與輸入載波信號的頻率和相位偏差。這種頻率和相位的偏差是由多普勒效應(yīng)和頻率源晶振的偏差引起的。通過載波鎖相環(huán)可提取和輸入信號相干的載波,達(dá)到相干解調(diào)的目的。基本原理如圖2所示,輸入的中頻信號與本地載波相乘,經(jīng)過低通濾波器濾除高頻分量后,得到的基帶信號與PN碼跟蹤模塊輸出的PN碼相乘,完成解擴(kuò)運(yùn)算,I通道輸出為調(diào)制信息。I通道數(shù)據(jù)以一個符號碼元為時間單位進(jìn)行積分后,輸出到維特比譯碼模塊。

圖2 “北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)載波恢復(fù)電路Fig.2Carrier recovery loop of Beidou navigation satellite receiver

系統(tǒng)輸入的是載波頻率為12 MHz、調(diào)制碼速率4.08 Mb/s的BPSK信號

式中,D(t)為調(diào)制數(shù)據(jù),ωc為載波頻率,ωdop為多普勒頻率。經(jīng)量化后得

其中,Ψ=wTs,Ts為采樣周期。令總相位偏差 θe為Ψdopn+ ,設(shè)本地載波信號為 cos(Ψcn)和sin(Ψcn),經(jīng)乘法器得

經(jīng)低通濾波器濾除倍頻分量和解擴(kuò)后得到

由

可求得相位誤差,經(jīng)環(huán)路濾波器濾波,即可得到NCO的控制信號,校正本地載波,使其鎖定到輸入信號載波上。

4 超寬帶信號抑制及安全距離

在特定情況下,超寬帶信號會對在同一頻段內(nèi)的其他窄帶信號造成干擾。為了研究“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)載波恢復(fù)環(huán)路在超寬帶信號干擾下的誤碼率性能,將超寬帶信號頻率覆蓋到“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航信號頻率2483.5～2500 MHz范圍內(nèi),即設(shè)置超寬帶信號頻率范圍為1.82～3.40 GHz?！氨倍贰毙l(wèi)星導(dǎo)航接收天線接收到的信號s(t)包含了“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航信號sBD(t)、超寬帶信號 sUWB(t)和其他噪聲信號n(t):

接收信號s(t)經(jīng)過濾波和兩級下變頻,通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣后進(jìn)入IF模塊。

當(dāng)存在超寬帶信號干擾時,“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航信號等效載波功率與噪聲單邊功率譜密度之比可以表示為[7]

式中,C、N0、J、RC分別表示載波功率、噪聲單邊功率譜密度、干擾功率、碼速率?！氨倍贰毙l(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的干擾容限是接收信噪比(C/N0)eq降低到(C/N0)th,即保證接收機(jī)載波跟蹤環(huán)鎖定到要求的最低信噪比。則干擾容限為

干擾容限的最大值滿足

式中,GP=Rc/Rb為處理增益。“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)接收信號誤碼率為10-5,則接收的Eb/N0不小于7 dB。“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航信號的測距碼速率和信息比特率分別為4.08Mchip/s和8 kb/s,則 GP=27 dB,計算可得“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)干擾容限上界不超過47 dB。

定義SSR(Signal-to-Signal Ratio)為“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)接收到的“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航信號與超寬帶信號的功率比:

則在滿足干擾容限的條件下,

“北斗”衛(wèi)星信號的最低發(fā)射功率為76.0 dBm,經(jīng)過36000 km的自由空間傳輸并考慮傳輸過程中可能的各種損耗因素,“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)接收到的信號電平約為-127.6 dBm。根據(jù)“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)干擾容限-66.8 dB,計算得到“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)接收到的超寬帶信號最大功率為

根據(jù)美國聯(lián)邦通信委員會的相關(guān)規(guī)定[8],超寬帶發(fā)射機(jī)在 1.82～1.99 GHz、1.99～ 3.40GHz頻段內(nèi)的信號發(fā)射功率譜密度上限分別為-53.3 dBm/MHz和-51.3 dBm/MHz,計算可得頻帶內(nèi)超寬帶信號發(fā)射總功率上限為-21.3 dBm。為了滿足式(15)的干擾容限上界條件和超寬帶信號最大發(fā)射功率限制,超寬帶信號在自由空間的傳播損耗至少為

超寬帶自由空間傳播損耗PL與傳播路徑d的關(guān)系可以用下式表示[9]

式中,PL0表示在距離d0(通常是1m)下的歸一化路徑損耗,n是傳播損耗系數(shù),Xσ表示大尺度衰落帶來的隨機(jī)變化量,通常認(rèn)為符合正態(tài)分布。

根據(jù)文獻(xiàn)[10-11]得到的機(jī)艙環(huán)境下傳播損耗系數(shù)和大尺度衰落變量,由式(17)～(18)可以計算出在機(jī)艙內(nèi)部超寬帶發(fā)射機(jī)對“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的安全距離d為48 m。

若采用2.2節(jié)所描述的設(shè)置虛載波避讓的方法,假設(shè)“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航信號包含在超寬帶信號頻帶中,且“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航信號頻率在超寬帶信號虛載波形成的通頻帶處,則滿足“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航接收信號干擾容限的SSR值為-101.2 dB,即“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)接收到的超寬帶信號最大功率為

由式(17)的結(jié)果可以計算出超寬帶信號路徑損耗不小于5.1 dB即可滿足干擾容限要求,由式(18)可得相應(yīng)的傳播距離(即安全距離)為1.8 m,遠(yuǎn)小于未利用虛載波技術(shù)時所需要的安全距離48 m,能夠在機(jī)艙物理空間尺寸限制下實(shí)現(xiàn)設(shè)備布局。

5 仿真模型與仿真結(jié)果

通過MATLAB Simulink建立如圖3所示仿真模型,包括“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航信號源、超寬帶信號源(信號發(fā)射機(jī)和傳輸信道)、RF接收模塊(下變頻和濾波)、“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航信號載波恢復(fù)模塊等。超寬帶信號源基帶采用5/8碼率的卷積編碼,交織包括塊內(nèi)交織和塊間交織,調(diào)制方式為初始相移 π/4的QPSK,IFFT變換點(diǎn)數(shù)為128點(diǎn),循環(huán)前綴為37點(diǎn),跳頻方式采用TFC1[5],3個載波頻率分別為2080.32 MHz、2608.32 MHz、3136.32 MHz。 MBOFDM超寬帶信號子載波數(shù)為128,并將第32～39、90～97個子載波設(shè)置成虛載波,信道模型為艙內(nèi)超寬帶傳輸模型[10]。超寬帶信號在1.82～3.40 GHz頻率范圍內(nèi),有6個帶寬為33 MHz的通頻帶,其中避讓“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航接收信號的通頻帶頻率范圍是2.477～2.506 GHz。RF接收模塊包括兩次下變頻(本地載波頻率分別為2398 MHz和105.75MHz)和相應(yīng)濾波器?！氨倍贰毙l(wèi)星導(dǎo)航信號載波恢復(fù)模塊包括乘法器、濾波器、鑒相器、VCO等。仿真實(shí)驗(yàn)過程中,PN碼已經(jīng)正確捕獲同步。

圖3 通過Simulink建立的系統(tǒng)仿真模型Fig.3 System model in Simulink

改變“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航信號源和超寬帶信號源輸出信號的功率比,仿真得到不同信號功率比SSR下“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的誤碼率,如圖4所示。根據(jù)要求,“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)接收信號誤碼率閾值為10-5,由仿真結(jié)果可知,當(dāng)SSR≥-98 dB時,即可保證載波恢復(fù)電路正常工作,和第4節(jié)理論計算得到的滿足干擾容限的SSR值-101.2 dB保持一致。

圖4 不同SSR下的接收信號誤碼率Fig.4 BER at different SSR

保持“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航信號源模塊輸出信號功率為-127.6 dBm,保持超寬帶信號源發(fā)射機(jī)總功率滿足規(guī)定的上限發(fā)射功率-21.3 dBm,改變超寬帶信號源傳輸信道的傳播距離參數(shù),仿真得到“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)與超寬帶信號發(fā)射機(jī)在不同距離下“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的誤碼率,如圖5所示。從圖5可以看出,為了保證誤碼率小于10-5,“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)與超寬帶發(fā)射機(jī)之間的距離至少應(yīng)為2.2 m。若不采用虛載波方式,則需要“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)與超寬帶發(fā)射機(jī)之間間隔約58 m,超出了飛機(jī)的長度限制。

圖5 不同距離下的接收信號誤碼率Fig.5 BER at different distance

由于部分用于傳輸數(shù)據(jù)的子載波被設(shè)置成虛載波,原本用于傳輸有效數(shù)據(jù)的100個子載波剩下85個(第39個子載波為導(dǎo)頻子載波)。為了使原始基帶數(shù)據(jù)在卷積、打孔、交織、分配子載波等過程中符合數(shù)據(jù)變換長度要求,最大理論數(shù)據(jù)傳輸速率從53.3 Mb/s下降為42.64 Mb/s。這樣的數(shù)據(jù)傳輸速率仍大于現(xiàn)有的航空總線MIL-STD-1553B數(shù)據(jù)傳輸速率。

6 結(jié) 論

在信號實(shí)現(xiàn)方式為MB-OFDM的超寬帶無線信號中采用虛載波技術(shù),能有效抑制機(jī)載超寬帶信號對艙內(nèi)第二代“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的干擾,保證“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的誤碼率要求。在超寬帶信號發(fā)射功率為最大限制發(fā)射功率的情況下,經(jīng)過理論計算,機(jī)載超寬帶信號發(fā)射機(jī)和第二代“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)之間的安全距離從48 m縮短至1.8 m。在這個安全距離之外,“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的誤碼率保持在10-5以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)建立系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真,驗(yàn)證了與理論計算結(jié)果的一致性。

采用合理有效的信號實(shí)現(xiàn)方式,能夠保證超寬帶設(shè)備不會對同一環(huán)境中使用的其他設(shè)備造成影響。雖然設(shè)置虛載波降低了超寬帶信號數(shù)據(jù)傳輸速率,但仍大于目前機(jī)載航空總線數(shù)據(jù)傳輸速率,在進(jìn)一步的研究中可以尋求更高效的編碼方式來補(bǔ)償虛載波造成的傳輸速率損失。超寬帶信號的干擾抑制及避讓研究將逐步推進(jìn)超寬帶無線通信設(shè)備在機(jī)艙環(huán)境中的應(yīng)用。

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