基站信息采集儀中GPS模塊干擾問題的解決

(重慶郵電大學通信網與測試技術重點實驗室1,重慶 400065；重慶重郵匯測通信技術有限公司2,重慶 401121)

0 引言

移動基站綜合信息采集儀是一體式的天線工程參數測試儀表，能夠對基站工程參數進行快速采集，提高采集效率。采集儀中內置了GPS接收模塊，能夠幫助測試人員在第一時間明確基站位置。GPS數據精度有如下要求:定位經緯度的精度為±10 m；空曠區域首次搜星時間至少小于60 s；系統休眠時喚醒搜星定位時間至少小于10 s。

GPS屬于高精度的導航系統，理論上將GPS模塊引入移動基站綜合信息采集儀能夠實現定位的功能。由于GPS衛星的信號發射功率較小，到達地面后信號更為微弱，而采集儀分發電路復雜，會給GPS接收模塊帶來干擾，使得GPS模塊不能達到要求的精度甚至不能定位[1]。

本文對手持式移動基站信息采集儀GPS信號易被干擾的問題進行了分析，并找到了改進的方案。經測試，該方案效果良好。

1 干擾分析

1.1 基站信息采集儀系統

GPS應用系統由基站采集終端模塊和GPS接收處理模塊兩大部分組成，這兩個模塊之間利用串口機制進行信息的交互。GPS模塊接收GPS衛星信息，并將數據實時發送至基站采集終端[3]。其結構圖如圖1所示。

圖1 基于基站采集系統終端GPS模塊設計圖

圖1中，GPS模塊獲取的數據將由串口函數實現，數據進入串口中斷，讀取數據后向上層發送任務消息，此時中央處理模塊進行串口初始化，初始化成功后得到串口文件描述符nFdGpS，判斷該數據是否大于0。若大于0，則設置串口各個參數并循環讀取GPS數據。

1.2 GPS接收機接收信號原理

GPS信號利用2個載波頻率(L1和L2)完成調制發射導航信號[2]。L1為1 575.42 MHz，L1利用了正交的方式分別調制了P(Y)碼和C/A碼；L2為1 227.60 MHz，目前只調制了P(Y)碼。P碼信號不僅定位精度高，而且保密性好。由于GPS衛星的信號發射功率不可能很大，衛星距地面又遠(20 200 km)，信號到達地面時己經很弱。因此，GPS用戶接收機很容易受外界干擾[4]。

1.3 基帶時鐘信號的干擾

在大多數數字系統中，電磁干擾的主要來源來自時鐘電路。時鐘源可以通過兩種方式產生電磁干擾，同步時鐘的重復特性以及沒有正確端接的線路都會產生電磁干擾。在高速數字系統中，固定頻率的時鐘是主要的電磁干擾源。時鐘信號會影響其他設備正常工作，例如很多同步設備使用的典型頻率為33.3 MHz，這個頻率常用作PCI總線、ASIC、FPGA以及處理器的時鐘信號源。與33.3 MHz有關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的電路板可能使調諧99.90 MHz的收音機不能正常接收[5]。

GPS接收模塊是通過接收衛星信號，進行定位或者導航的終端。接收信號就必須用到天線。 GPS衛星信號分為L1和L2，頻率分別為1 575.42 MHz和1 228 MHz。L1為開放的民用信號，信號為圓形極化。該頻率易受時鐘信號的高次諧波干擾。

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

從基帶主芯片時鐘信號出來的時鐘信號進入核心模塊。這條鏈路富含時鐘信號頻率的各個高次諧波分量，時鐘信號的頻率標準值為100 MHz。實際上，時鐘信號并不穩定，通過示波器觀察可知其頻率在95～105 MHz之間跳動。這就會導致GPS在其所在頻段內被干擾。在GPS頻段范圍內包括較多高次諧波分量，所在頻點主要在1 575.42 MHz頻率附近，時鐘信號傳輸鏈路上攜帶有大量的基帶時鐘信號的高次諧波分量，造成高次諧波干擾[5]。具體參數如下。

時鐘頻率為98.9 MHz時，對應其第16次高次諧波，頻率為1 575.42 MHz；時鐘頻率為105.028 MHz時，對應其第15次高次諧波，頻率為1 575.42 MHz。

1.4 分發電路的電磁波干擾

在電器、電子設備等應用產品中，電磁波無所不在，電磁波對于這些電子設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中移動產生的，只要存在電信號就一定會產生電磁波。在高速電路以及其他系統設計中，高頻信號線、集成電路的引腳、各種接插件等都是潛在的輻射干擾源。在實際工作中，因為兩個設備之間發生干擾通常包含著許多途徑的耦合而產生共同干擾，使得電磁干擾很難被控制。在大多數數字系統中，電磁干擾的主要來源是時鐘信號以及其他功能模塊電路，統稱為分發電路干擾。

上述手持式基站信息采集測試終端在GPS模塊就出現了被干擾的情況[6]。由于中央處理模塊以及其他模塊發射電磁波的干擾，使得GPS模塊無法快速搜星并達到3D定位。經研究，本文提出兩種簡單有效并且可以并行的機制，用以降低磁波干擾并縮短搜星時間。經測試，該方案不僅順利達到消除電磁干擾的目的，并且廉價易行，極大地降低了開發成本。

2 抗干擾方案設計

2.1 降低電磁波干擾的方案

降低數字產品的電磁波干擾有幾種常規方法，第一種是加上屏蔽的方式。該方式并不是改變電路的結構，而是一種在機械結構上的解決方案，利用金屬材質的封裝，將整體結構封閉在產品內部，防止干擾電磁場向外擴散。這種解決方法常用于對抗電磁干擾，但是通常會大幅增加產品制造成本，而且對于發熱量比較大的電路系統，加上屏蔽盒會影響散熱，沒有良好的散熱。這對產品來說是非常致命的，過熱甚至會損傷器件或系統。第二種即為濾波和降低功率等手段，其原理即為找出散發電磁干擾的干擾源，將其隔離[7]。若測試出超出輻射規定的特定電波頻率，則鎖定這個頻率或諧波頻率，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計理念的存在，無法在集成設計的核心板上加上屏蔽結構，屏蔽盒的安裝是一個新的難題；第二種方法即本文采取的利用電容濾波性能去除時鐘信號高次諧波干擾的方法，原理簡單且成本較低。針對分發電路產生的電磁波干擾也可能會干擾GPS模塊接收信號的強度，本文提出第三種較為簡單且實用成本低的方法來降低電磁波干擾，即利用軟件控制使得中央處理模塊休眠，降低電信號強度，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。對于一個電容而言，電容容抗隨頻率的增加而降低[4],利用這個特點，可以把混雜在直流電里的交流成分過濾出來，叫做“濾波”。經過濾波，交流成分都經過電容器回到電源，電容器兩側剩下的就是沒有波動的純直流電。利用同樣的原理，可以通過電容器篩選出交流信號，把直流成分去掉，這一作用被稱為“耦合”。把電容并聯在負載兩側，交流電源同時也在給電容充電，充滿后電容對負載放電，可以提供額外的電平，補上正弦波的單調遞減部分，使波形的相對波動小一些[8]。

2.2.2 利用電容降低諧波干擾

經過頻譜分析儀檢測，SDRAM的數據線、地址線、時鐘信號、5個片選、讀出使能等干擾都比較強，其中時鐘信號特別強。為解決上述問題，本文采用了RC低通濾波器來去除時鐘信號的干擾。在時鐘信號發生器和信號接收電路之間并聯一個電容，使得低頻段的基帶時鐘信號可正常通過，而高頻段的干擾信號被直接阻隔掉，可明顯降低對中央處理模塊接收GPS信號的干擾[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Au來表示傳遞函數，這里的Au為復數，即：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

利用對數傳輸單位，可將低通濾波器的幅頻特性寫成:

(6)

2.3 利用休眠降低電磁干擾

GPS精確的定位時間和所處的環境有關，若處于晴天且空曠的地方，定位比較快。GPS芯片要求冷啟動時間為42 s，考慮天氣等其他因素，設定標準休眠時間為60 s，即1 min能確保GPS能夠達到3D定位。每次搜星時，按下特定按鍵使主板進入休眠。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低通濾波去除了因為時鐘信號不穩定造成的脈沖信號對GPS接收造成高次諧波干擾，但是還存在主板其他電路產生的電磁波對GPS接收的干擾。為解決上述問題，通過嘗試主動復位的辦法，采用外部條件對中央處理模塊進行復位喚醒。當中央處理模塊進入休眠狀態時，整個系統除GPS模塊外均處于掉電模式。此模式下CPU定時器、其他模塊包括串行口均停止工作，且時鐘信號處于穩定的狀態，不再左右波動。這能夠去除時鐘波動時其余頻率帶來的高次諧波干擾，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間，提高搜星效果，即在60 s以內核心處理模塊休眠不僅能夠達到3D定位，并且能夠搜到更多的衛星。搜到衛星顆數越多，就越能夠提高GPS定位的精度[10-11]。

3 抗干擾效果驗證

3.1 GPS信號強度的比較

在時鐘信號發生器和信號接收電路之間串聯一個電容。該方式提高了搜星性能，縮短了搜星時間，并且增強了接收到的GPS信號強度，對于系統整體性能有了一定的提升。

本文利用麥哲倫手持GPS型號為explorist500的專業GPS測試終端搜星定位作為搜星效果的參照物。測試結果證明在同一地點，相同時間麥哲倫手持GPS能夠定位到9～11顆衛星。相同情況下的多種測試結果對比結果如表1所示。表1中，斜線前方數據代表未加電容過濾高次諧波，斜線后方代表加電容過濾高次諧波。從表1可以看出，加電容后搜星顆數與參照設備麥哲倫手持GPS搜到的衛星顆數基本一致，證明增加電容濾波模塊后基站工程參數手持采集終端能夠定位到的衛星顆數與麥哲倫手持GPS定位到衛星的數目一致，說明串聯的RC低通濾波器降低了高次諧波干擾，有效增強了GPS信號強度。

表1 加入RC濾波器前/后搜星顆數對比

3.2 搜星時間的測試

通過實踐證明，采用屏蔽主板電磁干擾，即利用軟件使主板在GPS中工作時休眠，可有效縮短從開機到3D定位的搜星時間。2012年10月22日,在重慶市某基站測試終端測試所得到的在處理器模塊不休眠時設備搜星時間結果如表2所示。表2中，設備1、設備2、設備3和設備4在同一地點測試10次搜星時間均在60 s以上，最長時間可達154 s，最短時間也需要65 s。設備平均搜星時間為90 s左右。

表2 實地測試搜星時間表

加入休眠模塊后，測試方法為重啟終端后按下復位鍵并計時，60 s后點亮屏幕，查看是否搜到衛星并達到3D定位,結果如表3所示。表3中，●代表60 s內達到3D定位，○表示60 s內未達到3D定位。從表3可以看出，使用主板休眠后，設備能在60 s內搜到衛星，達到3D定位的概率為80%。

表3 實地測試搜星效果表

4 結束語

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

經過實際驗證，本文方案不僅效果顯著，并且成本低廉，對于實際中抗電磁波的操作有重要的參考價值。

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