(重慶郵電大學(xué)通信網(wǎng)與測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1,重慶 400065；重慶重郵匯測(cè)通信技術(shù)有限公司2,重慶 401121)

0 引言

移動(dòng)基站綜合信息采集儀是一體式的天線工程參數(shù)測(cè)試儀表，能夠?qū)竟こ虆?shù)進(jìn)行快速采集，提高采集效率。采集儀中內(nèi)置了GPS接收模塊，能夠幫助測(cè)試人員在第一時(shí)間明確基站位置。GPS數(shù)據(jù)精度有如下要求:定位經(jīng)緯度的精度為±10 m；空曠區(qū)域首次搜星時(shí)間至少小于60 s；系統(tǒng)休眠時(shí)喚醒搜星定位時(shí)間至少小于10 s。

GPS屬于高精度的導(dǎo)航系統(tǒng)，理論上將GPS模塊引入移動(dòng)基站綜合信息采集儀能夠?qū)崿F(xiàn)定位的功能。由于GPS衛(wèi)星的信號(hào)發(fā)射功率較小，到達(dá)地面后信號(hào)更為微弱，而采集儀分發(fā)電路復(fù)雜，會(huì)給GPS接收模塊帶來(lái)干擾，使得GPS模塊不能達(dá)到要求的精度甚至不能定位[1]。

本文對(duì)手持式移動(dòng)基站信息采集儀GPS信號(hào)易被干擾的問(wèn)題進(jìn)行了分析，并找到了改進(jìn)的方案。經(jīng)測(cè)試，該方案效果良好。

1 干擾分析

1.1 基站信息采集儀系統(tǒng)

GPS應(yīng)用系統(tǒng)由基站采集終端模塊和GPS接收處理模塊兩大部分組成，這兩個(gè)模塊之間利用串口機(jī)制進(jìn)行信息的交互。GPS模塊接收GPS衛(wèi)星信息，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送至基站采集終端[3]。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 基于基站采集系統(tǒng)終端GPS模塊設(shè)計(jì)圖

圖1中，GPS模塊獲取的數(shù)據(jù)將由串口函數(shù)實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)進(jìn)入串口中斷，讀取數(shù)據(jù)后向上層發(fā)送任務(wù)消息，此時(shí)中央處理模塊進(jìn)行串口初始化，初始化成功后得到串口文件描述符nFdGpS，判斷該數(shù)據(jù)是否大于0。若大于0，則設(shè)置串口各個(gè)參數(shù)并循環(huán)讀取GPS數(shù)據(jù)。

1.2 GPS接收機(jī)接收信號(hào)原理

GPS信號(hào)利用2個(gè)載波頻率(L1和L2)完成調(diào)制發(fā)射導(dǎo)航信號(hào)[2]。L1為1 575.42 MHz，L1利用了正交的方式分別調(diào)制了P(Y)碼和C/A碼；L2為1 227.60 MHz，目前只調(diào)制了P(Y)碼。P碼信號(hào)不僅定位精度高，而且保密性好。由于GPS衛(wèi)星的信號(hào)發(fā)射功率不可能很大，衛(wèi)星距地面又遠(yuǎn)(20 200 km)，信號(hào)到達(dá)地面時(shí)己經(jīng)很弱。因此，GPS用戶(hù)接收機(jī)很容易受外界干擾[4]。

1.3 基帶時(shí)鐘信號(hào)的干擾

在大多數(shù)數(shù)字系統(tǒng)中，電磁干擾的主要來(lái)源來(lái)自時(shí)鐘電路。時(shí)鐘源可以通過(guò)兩種方式產(chǎn)生電磁干擾，同步時(shí)鐘的重復(fù)特性以及沒(méi)有正確端接的線路都會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。在高速數(shù)字系統(tǒng)中，固定頻率的時(shí)鐘是主要的電磁干擾源。時(shí)鐘信號(hào)會(huì)影響其他設(shè)備正常工作，例如很多同步設(shè)備使用的典型頻率為33.3 MHz，這個(gè)頻率常用作PCI總線、ASIC、FPGA以及處理器的時(shí)鐘信號(hào)源。與33.3 MHz有關(guān)的是一系列諧波頻率，33.3 MHz的3次諧波即為99.9 MHz，因此一塊工作頻率為33 MHz的電路板可能使調(diào)諧99.90 MHz的收音機(jī)不能正常接收[5]。

GPS接收模塊是通過(guò)接收衛(wèi)星信號(hào)，進(jìn)行定位或者導(dǎo)航的終端。接收信號(hào)就必須用到天線。 GPS衛(wèi)星信號(hào)分為L(zhǎng)1和L2，頻率分別為1 575.42 MHz和1 228 MHz。L1為開(kāi)放的民用信號(hào)，信號(hào)為圓形極化。該頻率易受時(shí)鐘信號(hào)的高次諧波干擾。

基站采集手持終端核心中央處理模塊電路如圖2所示。

圖2 RC低通濾波器電路圖

從基帶主芯片時(shí)鐘信號(hào)出來(lái)的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)入核心模塊。這條鏈路富含時(shí)鐘信號(hào)頻率的各個(gè)高次諧波分量，時(shí)鐘信號(hào)的頻率標(biāo)準(zhǔn)值為100 MHz。實(shí)際上，時(shí)鐘信號(hào)并不穩(wěn)定，通過(guò)示波器觀察可知其頻率在95～105 MHz之間跳動(dòng)。這就會(huì)導(dǎo)致GPS在其所在頻段內(nèi)被干擾。在GPS頻段范圍內(nèi)包括較多高次諧波分量，所在頻點(diǎn)主要在1 575.42 MHz頻率附近，時(shí)鐘信號(hào)傳輸鏈路上攜帶有大量的基帶時(shí)鐘信號(hào)的高次諧波分量，造成高次諧波干擾[5]。具體參數(shù)如下。

時(shí)鐘頻率為98.9 MHz時(shí)，對(duì)應(yīng)其第16次高次諧波，頻率為1 575.42 MHz；時(shí)鐘頻率為105.028 MHz時(shí)，對(duì)應(yīng)其第15次高次諧波，頻率為1 575.42 MHz。

1.4 分發(fā)電路的電磁波干擾

在電器、電子設(shè)備等應(yīng)用產(chǎn)品中，電磁波無(wú)所不在，電磁波對(duì)于這些電子設(shè)備而言是潛在的干擾源[6]。干擾是電磁波造成的，而電磁波是由于帶電粒子在電場(chǎng)中移動(dòng)產(chǎn)生的，只要存在電信號(hào)就一定會(huì)產(chǎn)生電磁波。在高速電路以及其他系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，高頻信號(hào)線、集成電路的引腳、各種接插件等都是潛在的輻射干擾源。在實(shí)際工作中，因?yàn)閮蓚€(gè)設(shè)備之間發(fā)生干擾通常包含著許多途徑的耦合而產(chǎn)生共同干擾，使得電磁干擾很難被控制。在大多數(shù)數(shù)字系統(tǒng)中，電磁干擾的主要來(lái)源是時(shí)鐘信號(hào)以及其他功能模塊電路，統(tǒng)稱(chēng)為分發(fā)電路干擾。

上述手持式基站信息采集測(cè)試終端在GPS模塊就出現(xiàn)了被干擾的情況[6]。由于中央處理模塊以及其他模塊發(fā)射電磁波的干擾，使得GPS模塊無(wú)法快速搜星并達(dá)到3D定位。經(jīng)研究，本文提出兩種簡(jiǎn)單有效并且可以并行的機(jī)制，用以降低磁波干擾并縮短搜星時(shí)間。經(jīng)測(cè)試，該方案不僅順利達(dá)到消除電磁干擾的目的，并且廉價(jià)易行，極大地降低了開(kāi)發(fā)成本。

2 抗干擾方案設(shè)計(jì)

2.1 降低電磁波干擾的方案

降低數(shù)字產(chǎn)品的電磁波干擾有幾種常規(guī)方法，第一種是加上屏蔽的方式。該方式并不是改變電路的結(jié)構(gòu)，而是一種在機(jī)械結(jié)構(gòu)上的解決方案，利用金屬材質(zhì)的封裝，將整體結(jié)構(gòu)封閉在產(chǎn)品內(nèi)部，防止干擾電磁場(chǎng)向外擴(kuò)散。這種解決方法常用于對(duì)抗電磁干擾，但是通常會(huì)大幅增加產(chǎn)品制造成本，而且對(duì)于發(fā)熱量比較大的電路系統(tǒng)，加上屏蔽盒會(huì)影響散熱，沒(méi)有良好的散熱。這對(duì)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)是非常致命的，過(guò)熱甚至?xí)p傷器件或系統(tǒng)。第二種即為濾波和降低功率等手段，其原理即為找出散發(fā)電磁干擾的干擾源，將其隔離[7]。若測(cè)試出超出輻射規(guī)定的特定電波頻率，則鎖定這個(gè)頻率或諧波頻率，即可判別出是哪條電路造成的電磁波輻射。

上述兩種常規(guī)方法中，第一種方法比較常用且效果較好，但是由于基站信息采集終端模塊化設(shè)計(jì)理念的存在，無(wú)法在集成設(shè)計(jì)的核心板上加上屏蔽結(jié)構(gòu)，屏蔽盒的安裝是一個(gè)新的難題；第二種方法即本文采取的利用電容濾波性能去除時(shí)鐘信號(hào)高次諧波干擾的方法，原理簡(jiǎn)單且成本較低。針對(duì)分發(fā)電路產(chǎn)生的電磁波干擾也可能會(huì)干擾GPS模塊接收信號(hào)的強(qiáng)度，本文提出第三種較為簡(jiǎn)單且實(shí)用成本低的方法來(lái)降低電磁波干擾，即利用軟件控制使得中央處理模塊休眠，降低電信號(hào)強(qiáng)度，從而降低電磁波干擾。

2.2 電容濾波降低電磁干擾

2.2.1 電容濾波特性

在電路板中，電容可以用于控制電磁干擾。對(duì)于一個(gè)電容而言，電容容抗隨頻率的增加而降低[4],利用這個(gè)特點(diǎn)，可以把混雜在直流電里的交流成分過(guò)濾出來(lái)，叫做“濾波”。經(jīng)過(guò)濾波，交流成分都經(jīng)過(guò)電容器回到電源，電容器兩側(cè)剩下的就是沒(méi)有波動(dòng)的純直流電。利用同樣的原理，可以通過(guò)電容器篩選出交流信號(hào)，把直流成分去掉，這一作用被稱(chēng)為“耦合”。把電容并聯(lián)在負(fù)載兩側(cè)，交流電源同時(shí)也在給電容充電，充滿(mǎn)后電容對(duì)負(fù)載放電，可以提供額外的電平，補(bǔ)上正弦波的單調(diào)遞減部分，使波形的相對(duì)波動(dòng)小一些[8]。

2.2.2 利用電容降低諧波干擾

經(jīng)過(guò)頻譜分析儀檢測(cè)，SDRAM的數(shù)據(jù)線、地址線、時(shí)鐘信號(hào)、5個(gè)片選、讀出使能等干擾都比較強(qiáng)，其中時(shí)鐘信號(hào)特別強(qiáng)。為解決上述問(wèn)題，本文采用了RC低通濾波器來(lái)去除時(shí)鐘信號(hào)的干擾。在時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)接收電路之間并聯(lián)一個(gè)電容，使得低頻段的基帶時(shí)鐘信號(hào)可正常通過(guò)，而高頻段的干擾信號(hào)被直接阻隔掉，可明顯降低對(duì)中央處理模塊接收GPS信號(hào)的干擾[9]。RC濾波器等效電路如圖3所示。

圖3 RC濾波器等效電路圖

令Uo為輸出電壓，Ui為輸入電壓，用符號(hào)Au來(lái)表示傳遞函數(shù)，這里的Au為復(fù)數(shù)，即：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

利用對(duì)數(shù)傳輸單位，可將低通濾波器的幅頻特性寫(xiě)成:

(6)

2.3 利用休眠降低電磁干擾

GPS精確的定位時(shí)間和所處的環(huán)境有關(guān)，若處于晴天且空曠的地方，定位比較快。GPS芯片要求冷啟動(dòng)時(shí)間為42 s，考慮天氣等其他因素，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)休眠時(shí)間為60 s，即1 min能確保GPS能夠達(dá)到3D定位。每次搜星時(shí)，按下特定按鍵使主板進(jìn)入休眠。在此期間降低CPU及其他部件的功耗，而GPS模塊搜星定位繼續(xù)工作，從而去除因主板工作攜帶的電磁干擾。

雖然利用RC低通濾波去除了因?yàn)闀r(shí)鐘信號(hào)不穩(wěn)定造成的脈沖信號(hào)對(duì)GPS接收造成高次諧波干擾，但是還存在主板其他電路產(chǎn)生的電磁波對(duì)GPS接收的干擾。為解決上述問(wèn)題，通過(guò)嘗試主動(dòng)復(fù)位的辦法，采用外部條件對(duì)中央處理模塊進(jìn)行復(fù)位喚醒。當(dāng)中央處理模塊進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)除GPS模塊外均處于掉電模式。此模式下CPU定時(shí)器、其他模塊包括串行口均停止工作，且時(shí)鐘信號(hào)處于穩(wěn)定的狀態(tài)，不再左右波動(dòng)。這能夠去除時(shí)鐘波動(dòng)時(shí)其余頻率帶來(lái)的高次諧波干擾，更重要的是能夠去除其余電路的電磁波干擾。這里值得一提的是，利用核心處理模塊休眠最主要的作用是縮短搜星時(shí)間，提高搜星效果，即在60 s以?xún)?nèi)核心處理模塊休眠不僅能夠達(dá)到3D定位，并且能夠搜到更多的衛(wèi)星。搜到衛(wèi)星顆數(shù)越多，就越能夠提高GPS定位的精度[10-11]。

3 抗干擾效果驗(yàn)證

3.1 GPS信號(hào)強(qiáng)度的比較

在時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)接收電路之間串聯(lián)一個(gè)電容。該方式提高了搜星性能，縮短了搜星時(shí)間，并且增強(qiáng)了接收到的GPS信號(hào)強(qiáng)度，對(duì)于系統(tǒng)整體性能有了一定的提升。

本文利用麥哲倫手持GPS型號(hào)為explorist500的專(zhuān)業(yè)GPS測(cè)試終端搜星定位作為搜星效果的參照物。測(cè)試結(jié)果證明在同一地點(diǎn)，相同時(shí)間麥哲倫手持GPS能夠定位到9～11顆衛(wèi)星。相同情況下的多種測(cè)試結(jié)果對(duì)比結(jié)果如表1所示。表1中，斜線前方數(shù)據(jù)代表未加電容過(guò)濾高次諧波，斜線后方代表加電容過(guò)濾高次諧波。從表1可以看出，加電容后搜星顆數(shù)與參照設(shè)備麥哲倫手持GPS搜到的衛(wèi)星顆數(shù)基本一致，證明增加電容濾波模塊后基站工程參數(shù)手持采集終端能夠定位到的衛(wèi)星顆數(shù)與麥哲倫手持GPS定位到衛(wèi)星的數(shù)目一致，說(shuō)明串聯(lián)的RC低通濾波器降低了高次諧波干擾，有效增強(qiáng)了GPS信號(hào)強(qiáng)度。

表1 加入RC濾波器前/后搜星顆數(shù)對(duì)比

3.2 搜星時(shí)間的測(cè)試

通過(guò)實(shí)踐證明，采用屏蔽主板電磁干擾，即利用軟件使主板在GPS中工作時(shí)休眠，可有效縮短從開(kāi)機(jī)到3D定位的搜星時(shí)間。2012年10月22日,在重慶市某基站測(cè)試終端測(cè)試所得到的在處理器模塊不休眠時(shí)設(shè)備搜星時(shí)間結(jié)果如表2所示。表2中，設(shè)備1、設(shè)備2、設(shè)備3和設(shè)備4在同一地點(diǎn)測(cè)試10次搜星時(shí)間均在60 s以上，最長(zhǎng)時(shí)間可達(dá)154 s，最短時(shí)間也需要65 s。設(shè)備平均搜星時(shí)間為90 s左右。

表2 實(shí)地測(cè)試搜星時(shí)間表

加入休眠模塊后，測(cè)試方法為重啟終端后按下復(fù)位鍵并計(jì)時(shí)，60 s后點(diǎn)亮屏幕，查看是否搜到衛(wèi)星并達(dá)到3D定位,結(jié)果如表3所示。表3中，●代表60 s內(nèi)達(dá)到3D定位，○表示60 s內(nèi)未達(dá)到3D定位。從表3可以看出，使用主板休眠后，設(shè)備能在60 s內(nèi)搜到衛(wèi)星，達(dá)到3D定位的概率為80%。

表3 實(shí)地測(cè)試搜星效果表

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要介紹了在實(shí)踐中將GPS模塊應(yīng)用于手持終端時(shí)抗電磁波干擾問(wèn)題，并提出了兩種抗干擾的方法。其一為串聯(lián)RC低通濾波器降低基帶時(shí)鐘信號(hào)高次諧波干擾；其二為保持GPS模塊處于正常工作狀態(tài)，同時(shí)利用休眠處理器模塊降低其余分發(fā)電路的電磁波干擾。這兩種方法同時(shí)使用效果更佳，能夠保證手持終端在基站附近在正常情況下60 s內(nèi)達(dá)到3D定位。

經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，本文方案不僅效果顯著，并且成本低廉，對(duì)于實(shí)際中抗電磁波的操作有重要的參考價(jià)值。

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