李冬霞呂自鵬劉瑞華

中國民航大學電子信息與自動化學院，天津300300

超寬帶信號對北斗信號干擾分析*

李冬霞呂自鵬 劉瑞華

中國民航大學電子信息與自動化學院，天津300300

超寬帶(UWB)信號頻譜可覆蓋北斗(BDS)導航信號頻率范圍，對北斗接收機的正常工作造成干擾威脅。針對這一問題，通過理論分析、計算機仿真并結合真實北斗B1信號，研究了在跳時-脈位調制(TH-PPM)方式下的UWB信號對北斗軟件接收機的干擾情況，并給出了減輕干擾的途徑。

超寬帶；北斗；干擾；軟件接收機

超寬帶(UWB)通信是一種新型的擴頻傳輸技術，與其他通信技術的根本不同之處在于它不使用載波，而是采用皮秒至納秒寬度的脈沖來傳輸數(shù)據(jù)。由于UWB具有抗干擾性能強、傳輸速率高和發(fā)送功率小等諸多優(yōu)勢，正逐漸成為一項倍受關注的技術，在雷達技術領域和許多民用通信領域[1-2]得到應用。UWB占用的頻帶非常寬，需要加入多址來區(qū)分不同用戶，如跳時多址，直接序列多址和脈沖波形多址等，其中跳時多址是最典型的一種方式。

中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是中國自行研制的全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是繼美國GPS、俄羅斯GLONASS之后第3個成熟的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。北斗導航衛(wèi)星發(fā)射的導航信號到達接收機天線輸出端的最小保證電平只有-163dBw[3]，遠低于環(huán)境熱噪聲基底，易受其他信號干擾，從而導致其接收機工作性能下降，甚至失去定位能力。UWB信號能量在很寬的頻率范圍上分布—從接近直流到幾個GHz[2]，覆蓋了北斗系統(tǒng)工作頻帶?？紤]到未來UWB設備將會廣泛應用，UWB信號對北斗接收機的正常工作造成的干擾威脅將無法避免。此外，中國民航未來的主用導航系統(tǒng)也會逐步過渡到以北斗系統(tǒng)為基礎，兼容多導航星座的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。而諸如UWB等電磁干擾對北斗導航的精度、完好性、連續(xù)性和可用性都會構成嚴重威脅，影響飛機飛行安全。因此，研究UWB信號對BDS接收機的干擾有重要的現(xiàn)實意義。

針對超寬帶信號對導航信號的干擾問題，國內外學者就不同UWB脈沖重復頻率、脈寬、UWB設備數(shù)量以及與導航接收機的不同距離等因素對導航信號的干擾情況進行分析[4-7]，得到了一系列影響干擾效果的超寬帶信號參數(shù)特征，例如隨脈沖寬度的增加，接收機失鎖時對應的脈沖幅值呈現(xiàn)先減后增[7]的變化規(guī)律。但已有的研究中對于最典型實用的采用跳時-脈位調制(TH-PPM)方式的UWB信號，其跳時碼周期和上界對導航信號干擾效果的影響沒有深入分析，而具有不同跳時碼周期和上界的UWB信號對北斗信號造成的干擾效果明顯不同，其影響不可忽視。

本文基于北斗系統(tǒng)真實信號以及軟件接收機，研究加入跳時多址和脈沖位置調制下的UWB信號對北斗信號的干擾情況，研究結果對評估UWB信號的干擾特性以及二者共存環(huán)境下北斗軟件接收機工作性能的評估具有一定的參考價值。

1 UWB系統(tǒng)模型

工程中，UWB系統(tǒng)的發(fā)射波形常建模為一個高斯函數(shù)及其各階導數(shù)，本文采用高斯二階導數(shù)脈沖作為發(fā)送脈沖，其時域表達式為[8]：

(1)

其中，參數(shù)σ影響脈沖的寬度和幅度，σ減小，脈沖幅度增大，脈沖寬度變窄。UWB脈沖時域波形見圖1。

圖1 單脈沖波形(σ=0.15ns)

由N個單脈沖組成的二階高斯脈沖序列為：

(2)

其中，Ts是脈沖間隔。

上述高斯脈沖序列功率譜密度為：

(3)

其中，P(f)為p(t)的傅里葉變換。由式(3)可見，在頻率點f=k/Ts處有離散譜線存在，兩譜線間隔即為脈沖重復頻率fPRF=1/Ts。

在頻段[a,b]內的脈沖功率為：

(4)

其中，I(·)為階躍函數(shù)。若[a,b]為北斗軟件接收機工作頻段，且有高強度的UWB離散譜線落入該頻帶，則會對接收機產(chǎn)生干擾。

加入跳時-脈沖位置調制(TH-PPM)后UWB脈沖序列信號為[9]：

(5)

其中，第j個脈沖對應的時刻為jTb-ηj-bjε，Tb為比特間隔，ηj表示由跳時碼引起的時間偏移，bj為二進制信息，ε為時間偏移常量，bjε為由PPM調制引起的脈沖位移。

2 UWB信號對BDS信號干擾分析

為充分分析UWB信號對BDS信號的干擾問題，將UWB信號分為以下3種具體形式，分別分析其對BDS信號產(chǎn)生的影響：1)未經(jīng)調制的UWB信號；2)加入跳時多址的UWB信號(TH-UWB)；3)加入跳時多址和脈沖位置調制的UWB信號(TH-PPM-UWB)。

2.1 未調制的UWB信號對BDS信號干擾分析

未經(jīng)調制的UWB信號由等間隔脈沖組成，脈沖間隔為Ts，從式(3)看出，其功率譜密度呈離散譜線分布，譜線間隔為脈沖重復頻率(fPRF)，信號功率集中在脈沖重復頻率整數(shù)倍的離散譜線上。

對中心頻率在1561.098MHz的北斗B1信號，若UWB信號的主頻覆蓋了北斗信號頻帶，則會對北斗軟件接收機的工作性能造成潛在威脅，對于未外加抗干擾措施的北斗軟件接收機，其本身就具有一定的抗干擾能力，但當進入軟件接收機內的干擾信號功率大于軟件接收機干擾容限時，軟件接收機將不能正常工作[7]。

若UWB信號的脈沖重復頻率fPRF大于軟件接收機工作帶寬，則最多會有一根UWB離散譜線進入軟件接收機工作帶寬內，此時UWB信號是否會對北斗軟件接收機造成干擾取決于其脈沖重復頻率的整數(shù)倍是否會恰好落到軟件接收機工作頻帶范圍內，且譜線距離北斗信號中心頻率越近，干擾影響越大。若fPRF小于軟件接收機工作帶寬，則至少會有一根離散譜線進入軟件接收機工作頻帶范圍內。

由此可得，脈沖重復頻率越大，不一定干擾越強，而是當UWB信號脈沖重復頻率的整數(shù)倍能夠落入BDS軟件接收機工作頻帶范圍內時，干擾影響最大，此時干擾程度隨脈沖重復頻率增大而增大。

2.2 TH-UWB信號對BDS信號干擾分析

若UWB跳時碼周期Np等于每比特的脈沖數(shù)Ns，則其離散譜線出現(xiàn)在1/Tb及其諧波處，其中Tb=NsTs=NpTs為比特間隔，Ts=1/fPRF。雖然此時仍是離散譜，但因為1/Tb<1/Ts，所以譜線出現(xiàn)的頻率多于未加入跳時碼時的情況，相同的功率被分散到更多的譜線中去，譜線的峰值變小。說明加入TH碼有減小強功率譜線數(shù)目的作用，此時UWB信號在BDS軟件接收機工作帶寬內的總功率更小，若要對軟件接收機造成干擾，則需要更大的干擾功率。

可以預見，Np越大，進入軟件接收機工作帶寬內的干擾功率越小。

2.3 TH-PPM-UWB對BDS信號干擾分析

對于TH-PPM-UWB信號，其功率譜密度為[9]：

(6)

(7)

(8)

(9)

由于信源信息的隨機性，導致PPM調制增加了脈沖位置的隨機性，而脈沖位置的隨機性可使其功率譜被進一步白化。由于PPM調制導致的脈沖位置偏移相對于TH碼導致的偏移非常小，其對功率譜的白化效果不會很大。

由以上分析可得，要使TH-PPM-UWB信號對BDS信號干擾減小，關鍵是讓其具有接近白噪聲的功率譜，每個脈沖位置越趨于隨機，功率譜的白化效果越好，因此，除增加TH碼的周期Np和加入PPM調制以外，增大TH碼的碼元最大值上界Nh，也有助于減少高峰值譜線，這是因為增大Nh，使得每個脈沖有更多的跳時位置可以選擇，使其位置更加隨機化。

2.4 UWB干擾對信號跟蹤的影響

北斗軟件接收機通過捕獲獲得粗略的載波相位和碼相位后轉入跟蹤階段，通過碼跟蹤環(huán)路獲得偽距值。碼環(huán)的測量誤差源主要包括碼相位抖動誤差以及動態(tài)應力誤差。

定義碼相位抖動誤差σtDLL為[10]：

(10)

可見，σtDLL受前后相關器間距D、環(huán)路噪聲帶寬BL、信號載噪比C/N0以及相干積分時間Tcoh等幾個變量的影響。

UWB干擾信號會改變C/N0的值，從而影響σtDLL的大小。軟件接收機可以額外配置一個只含噪聲的接收通道，利用該噪聲通道來估算噪聲基底，從而實時測定C/N0的大小。

軟件接收機本地產(chǎn)生的擴頻碼在對有用信號解擴的同時，也對干擾信號進行了擴頻，使其增加了接收機的噪聲基底，導致了C/N0的下降，由式(10)可知，C/N0的下降會導致σtDLL的增大，進而影響偽距精度，隨著干擾功率的增加，跟蹤誤差逐漸加大，直到完全失鎖。

3 UWB信號對BDS軟件接收機干擾試驗

3.1 試驗參數(shù)

試驗所用BDS信號采用13m大口徑天線采集的北斗1號GEO衛(wèi)星播發(fā)的B1I數(shù)字中頻信號，其功率譜如圖2所示，載噪比為67dBw-Hz，中心頻率為61.098MHz。

圖2 北斗B1I信號功率譜

北斗軟件接收機參數(shù)設置如表1。

表1 仿真參數(shù)

3.2 未調制的UWB信號對BDS信號干擾仿真

試驗設置UWB信號的脈沖重復頻率為60MHz，其功率譜如圖3所示，為間隔60MHz的離散譜線，將其疊加到BDS真實信號上，仿真時間設為100ms，在第60ms加入UWB干擾信號。其對BDS信號的干擾程度可由導致軟件接收機失鎖的干擾功率來衡量，若以碼跟蹤誤差大于0.3(碼片)判定為接收機失鎖，如圖4所示，則當脈沖平均功率為100.8dBw時，接收機跟蹤失鎖，對應的數(shù)據(jù)解調情況如圖5所示，其中實線為同向支路相干積分值，虛線為正交支路相干積分值，可看出此時軟件接收機并不能可靠地解調數(shù)據(jù)。

圖3 UWB功率譜(fPRF=60MHz)

圖4 碼跟蹤誤差

圖5 數(shù)據(jù)解調

圖6顯示受UWB干擾的BDS信號功率譜，可看到此時在BDS信號功率譜主瓣內有一根位于fPRF=60MHz處功率很高的譜線，除此之外，還有其諧波處的譜線：120MHz，180MHz等間隔為60MHz的位于BDS信號主瓣帶寬之外的譜線，這些譜線距離BDS信號中心頻率較遠，產(chǎn)生的干擾影響較小。

圖6 UWB干擾BDS信號功率(Np=1,Nh=10)

當fPRF分別為20MHz，55MHz，65MHz時，導致軟件接收機失鎖所需脈沖功率測試結果如表2所示。可見當fPRF為20MHz，60MHz時，干擾功率較小，這是因為此時UWB離散譜線能落在BDS信號的主瓣帶寬內，有較大比例的脈沖功率能進入BDS軟件接收機，而且fPRF越大，離散譜線幅度越大，對BDS信號的干擾影響越大。而當fPRF為55MHz，65MHz時，導致軟件接收機失鎖所需脈沖平均功率較大，這是因為UWB離散譜線偏離了BDS信號主瓣，且偏離BDS中心頻率越遠，對BDS信號的干擾影響越小。

表2 脈沖干擾信號功率

3.3 加入跳時多址之后的UWB信號對BDS信號的干擾仿真

以fPRF=60MHz的UWB信號為例，分析加入跳時多址后UWB信號對BDS信號的干擾效果。

設置UWB跳時碼周期Np等于每比特的脈沖數(shù)Ns，數(shù)值為5，其他參數(shù)不變，其功率譜密度如圖7所示，圖8為圖7的局部放大。由圖8可見，加入跳時多址后的UWB信號譜線出現(xiàn)在1/Tb=12MHz及其諧波處，其中Tb=NsTs=NpTs=83.335ns為比特間隔，Ts=1/fPRF=16.667ns，譜線出現(xiàn)的頻率比Np=1的情況要多，且譜線的峰值更小，與理論分析結果一致。將此UWB信號疊加到BDS信號上，仿真可得導致軟件接收機失鎖的干擾功率為102.4dBw，與沒有加入TH多址的相同脈沖重復頻率的UWB信號相比，該干擾功率數(shù)值增加了1.6dBw，與理論分析一致。

圖7 TH-UWB信號功率譜

圖8 TH-UWB信號功率譜局部放大

圖9顯示了增大Np后UWB信號對BDS信號的干擾效果。可見隨著TH碼周期Np的增加，接收機失鎖所需干擾功率增加，但Np增大到一定值后干擾功率增長變緩。

圖9 干擾功率隨Np的變化

3.4 TH-PPM-UWB信號對BDS的干擾仿真

對3.3節(jié)中的fPRF=60MHz，TH碼周期為5的UWB信號加入PPM調制，設PPM時間偏移ε為0.25ns，其功率譜如圖10所示，與圖7相比，其功率譜峰值譜線有所減小，用此信號干擾BDS軟件接收機，與不加PPM調制的UWB信號相比，此時導致接收機失鎖所需的干擾功率增大了0.2dB，可見PPM調制對UWB信號的功率譜影響較0小。

圖10 TH-PPM-UWB功率譜

將上述TH-PPM-UWB信號TH碼的碼元最大值上界Nh擴大10倍，即每幀的時隙數(shù)增加10倍，脈沖位置的方差相應增大。其功率譜如圖11所示，相比于圖10，其功率譜被進一步白化。用此信號干擾BDS軟件接收機，與Nh擴大10倍前的UWB信號相比，此時導致接收機失鎖所需的干擾功率增大了5dB。

圖11 增大Nh后UWB功率譜

在fPRF=60MHz，Np=100，PPM=0.25ns的條件下，不同Nh下干擾功率的變化如圖12所示，可見隨著Nh的增加，導致軟件接收機失鎖所需干擾功率增大，但Nh增加到一定值后干擾功率增長緩慢。

圖12 干擾功率隨Nh的變化

在TH碼周期Np=100 ，碼元最大值上界Nh=100，干擾功率為108.72dBW的情況下，軟件接收機失鎖，此時信號功率譜如圖13所示，與圖6所示的Np=1，Nh=10信號相比，導致軟件接收機失鎖所需的干擾功率提高了7.92dBW。由圖13所示，雖然此時離散譜線變多了，但每根譜線的幅值降低，且沒有特別強的離散譜線，UWB信號呈現(xiàn)出類似高斯白噪聲的性質，此時干擾影響較小。

圖13 UWB干擾BDS信號功率譜(Np=100,Nh=100)

4 結論

通過理論分析和數(shù)值仿真，研究了跳時-脈位調制下的超寬帶信號對北斗軟件接收機干擾效果與脈沖參數(shù)之間的依賴關系： 1)若脈沖重復頻率的整數(shù)倍能落入軟件接收機工作帶寬內，則干擾效果較強； 2)脈位調制對干擾效果影響不大； 3)跳時碼周期越大，干擾影響越小，但跳時碼周期增加到一定值后影響不明顯； 4)跳時碼碼元最大值上界越大，干擾影響越小，但上界增加到一定值后影響效果不明顯。因此，通過適當改變超寬帶信號的脈沖重復頻率，跳時碼周期和碼元最大值上界，可以減小超寬帶信號對北斗軟件接收機的干擾。

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AnalysisofUWBInterferencetoBDSSignal

Li Dongxia， Lv Zipeng， Liu Ruihua

College of Electronic Information and Automation, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China

Theultra-wideband(UWB)signalspectrumcancoverthefrequencyrangeoftheBeidounavigationsatellitesystem(BDS),whichposesathreattothenormaloperationoftheBeidoureceiver.Inthispaper，theinterferenceofUWBsignaltoBeidousoftwarereceiverunderTH-PPMmodulationmodeisstudiedbytheoreticalanalysis,computersimulationandrealBeidouB1signalcompared,andtheapproachofinterferencereductionisprovided.

UWB; BDS;Interference;Softwarereceiver

TN967.1

A

1006-3242(2017)05-0058-06

* 國家重點研發(fā)計劃課題“星基定位監(jiān)視與機載設備適航技術”(2016YFB0502402)； 民航安全能力建設基金(ADDSA0007)

2017-04-18

李冬霞(1971-)，女，陜西人，博士，副教授，主要研究方向為航空移動通信、甚高頻數(shù)據(jù)鏈；呂自鵬(1991-)，男，邯鄲人，碩士研究生，主要研究方向為衛(wèi)星導航信號干擾評估；劉瑞華(1965-)，男，陜西人，博士，教授，主要研究方向為衛(wèi)星導航在民航中的應用、衛(wèi)星導航與組合導航。