嵌入式系統輻射干擾對北斗接收性能的影響研究

龔力，崔曉偉

（清華大學 電子工程系，北京100084）

引 言

嵌入式系統是指為特定應用而設計的專用計算機系統。它以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件、硬件可以根據需要裁減，滿足對功能、可靠性、成本、體積、功耗等要求而專門設計的計算機系統，被廣泛用于手持設備、電信交換機、汽車電子、醫療設備、多媒體電器、軍事裝備、航空等領域。[1]其輻射干擾均來自硬件部分。

2012年12月27日，北斗系統空間信號接口控制文件正式版正式公布，北斗導航業務正式對亞太地區提供無源定位、導航、授時服務。[2]北斗衛星信號和GPS衛星信號都屬于低于噪聲電平的微弱信號，因此如果輻射干擾信號位于衛星信號的有效帶寬內部或是邊緣，則可能會導致接收模塊信號的捕獲靈敏度下降，甚至無法捕獲跟蹤衛星信號。

在導航儀等嵌入式系統應用中，北斗接收模塊正在逐漸取代GPS接收模塊。固有嵌入式系統產生的輻射干擾盡管不會影響到GPS接收模塊的性能，但其干擾信號很有可能落入北斗接收頻點的有效帶寬內，導致衛星信號與干擾信號混疊，提高了信號的噪聲電平，直接影響北斗接收模塊的捕獲靈敏度，所以往往需要對嵌入式系統進行改進。本文以北斗B1頻點接收模塊為例，對一些潛在的輻射干擾源進行論述和分析，既能幫助改進固有的嵌入式系統設計，又能為新的嵌入式系統設計提供參考。

1 衛星系統與接收模塊簡介

1.1 北斗衛星導航系統介紹

北斗衛星導航系統是中國正在實施的自主發展、獨立運行的全球衛星導航系統。系統建設目標是：建成獨立自主、開放兼容、技術先進、穩定可靠的覆蓋全球的北斗衛星導航系統，促進衛星導航產業鏈形成，形成完善的國家衛星導航應用產業支撐、推廣和保障體系，推動衛星導航在國民經濟社會各行業的廣泛應用。[3]

北斗衛星導航系統目前是區域定位導航系統（RNSS），共包括5顆地球靜止軌道衛星、5顆傾斜地球同步軌道衛星、4顆中地球軌道衛星，發射B1、B2、B3共3個頻點的信號。除此之外，還支持雙向衛星通信功能。

1.2 北斗接收模塊簡介

北斗接收模塊包括天線、低噪聲放大器、下變頻電路、模數轉換電路、基帶信號處理電路、定位解算電路幾個部分，如圖1所示。

天線將北斗衛星信號微弱的電磁波轉化為電流信號，并對這種信號進行放大和下變頻處理。再經過模數轉換電路將其轉換為數字信號，基帶處理電路對數字信號進行濾波、捕獲、跟蹤、解調，由定位解算電路計算出位置、速度、時間等信息。

北斗接收模塊的模擬電路部分，也就是天線、低噪聲放大器、下變頻電路、模數轉換電路都是比較容易受到干擾的部分。輻射干擾信號主要從天線引入接收模塊。

圖1 北斗接收模塊

1.3 主流北斗B1接收模塊主要性能指標

主流北斗B1接收模塊的主要性能指標包括捕獲靈敏度、跟蹤靈敏度、啟動時間、定位精度等指標，如表1所列。[4]

表1 主要性能指標

1.4 嵌入式系統與北斗接收模塊的關系

在嵌入式系統應用中，很多都會利用衛星接收模塊來獲取位置、速度、方向、時間等信息。如導航儀、手機等應用，接收模塊一般屬于其中的子模塊，通過串口等形式與系統連接。

普通手機的原理框圖如圖2所示。其中的北斗接收模塊為其中一部分，負責將計算出的位置、速度等信息通過串口的形式發送給應用處理器。

圖2 普通手機原理框圖

北斗接收模塊的基帶處理電路和定位解算電路在沒有芯片化之前，一般會采用FPGA結合DSP或AP的方式實現，其本質上也屬于一個小型的嵌入式系統。

2 嵌入式系統組成

嵌入式系統一般會包括DSP（數字信號處理器）、FPGA（現場可編程門陣列）、MCU（微控制器）、AP（應用處理器）和ASIC（專用集成電路）中的一種或是幾種。除了上述處理器外，還可能包括高速 RAM、高速 AD/DA、FLASH、CPLD、邏輯門電路、網卡、USB、電源、視頻解碼等芯片。

隨著加工工藝的提高，元器件的運行速率越來越快，數據接口的傳輸速率也越來越高，導致由此產生的輻射干擾信號幅度迅速變大。

3 嵌入式系統對北斗接收模塊的干擾分析

3.1 主要干擾類型及方式

由嵌入式系統產生的輻射干擾是影響北斗接收模塊性能的主要原因之一。

輻射干擾是指通過空間以電磁波形式傳播的電磁干擾。對于北斗接收模塊來說，其主要通過北斗接收模塊的天線進入到接收模塊內部，并對衛星信號的捕獲和跟蹤造成影響。所以，天線距干擾源的距離會直接影響北斗接收模塊的性能。

目前，高端嵌入式處理器的主頻已經超過了1 GHz，對于塑料封裝的集成電路，其本身內部邏輯變化速度快，上升時間短，會輻射出更多的干擾信號。這種無線形式的對北斗接收模塊的干擾，是包含北斗接收模塊的嵌入式系統設計中遇到的主要問題之一。

不管是DSP、FPGA還是AP等嵌入式處理器，都需要外置晶振產生的時鐘信號才能正常工作，有時嵌入式處理器還會再向外輸出時鐘信號以驅動RAM、接口電路、AD/DA等芯片。這些時鐘信號都是潛在的干擾源。

26 MHz頻點的時鐘在嵌入式處理中使用很廣泛，很多手機的解決方案也是采用該時鐘。而26 MHz的60次諧波為1 560 MHz，其對GPS L1頻點（1 575.42 MHz）接收模塊沒有影響，但是剛好在北斗B1頻點（1561.098 MHz）信號的帶寬內，會嚴重影響北斗B1頻點接收模塊的捕獲靈敏度等指標。除了26 MHz外，由其倍頻生成的52 MHz、104 MHz等信號都會輻射出較強能量。

3.2 干擾幅度理論計算

下面根據假設計算26 MHz時鐘信號高次諧波干擾的大致幅度。

根據傅里葉展開公式，梯形方波n次諧波處的諧波分量為：

A：信號峰峰值幅度，假設為1 V。

n：諧波次數，為60。

t0：脈沖寬度，假設為13 ns。

tr：上升時間，假設為4 ns。

T：時鐘周期，約為38.46 ns。

由式（1）計算可得26 MHz的60次諧波幅度C（60）≈0.128 3 m V≈42.2 dBμV。對于50Ω阻抗的信號源來說，其功率約為-64.8 dBm。

高次諧波信號通過天線發射到近場中，對于近場情況來說，干擾信號電磁波傳輸滿足Friis公式：

Pr：接收天線收到的信號功率。

Pt：發射天線發射的信號功率。

Gt：發射天線增益。

Gr：接收天線增益。

λ：信號波長，B1頻點為19.23 cm。

d：接收天線與發射天線的距離。

由于各種環境因素的不同，Gt和Gr也不同，故先將式（2）表示為：

將其單位換算為dBm，即為：

假設發射天線和接收天線的方向增益都為0，則式（4）可以簡化成：

根據式（1）和式（5）可得出表2的結果。

表2 天線接收干擾信號強度與距離的關系

由表2可以看出，在北斗接收天線和發射天線的方向增益都為0 dB時，盡管北斗接收天線與干擾信號發射天線的距離已經達到25 cm，但北斗接收天線仍能收到大于-90 dBm的信號，遠大于衛星信號強度。

3.3 干擾實測分析

使用信號源生成-130 dBm的北斗B1頻點信號和-80 dBm的1 560 MHz頻點單頻干擾信號，測試干擾信號對載噪比的影響。兩種信號通過合路器進入接收模塊低噪聲放大器電路后，一起被放大并進入下變頻電路。下變頻電路在輸出模擬中頻時，為了能夠使干擾信號也滿足模數轉換電路采樣幅度的要求，會將中頻增益降低，導致真正的衛星信號增益也被降低。根據實際測試，加入干擾信號后中頻有效信號的幅度降低了約13 dB，導致模數轉換電路輸出的有效位數變少，接收模塊實際估算的載噪比最多下降了5 dB，如圖3、圖4所示。

圖3 未加入干擾信號時北斗接收模塊的載噪比

圖4 加入干擾信號后北斗接收模塊的載噪比

加入干擾前后北斗接收模塊的載噪比變化如表3所列。

表3 加入干擾前后北斗接收模塊的載噪比變化

當干擾信號幅度提高到-75 dBm后，北斗接收模塊完全失鎖，無法再捕獲到衛星信號。

4 抑制輻射干擾的幾種方法

首先，應嘗試從根源上解決嵌入式系統產生的輻射干擾。改變使用的時鐘頻率是最簡單、方便的解決方法，只要避免高次諧波落入衛星信號帶寬內即可。

實際工程中往往必須使用某一頻率的時鐘信號，由式（1）可看出，sin nπ（t0＋tr）/T如果能夠等于0，也就是n（t0＋tr）/T等于整數，則可以使諧波幅度為0，從而徹底消除干擾源。但是實際情況中，普通晶振的時鐘穩定度有幾十ppm，溫補晶振也有1 ppm，相當于T是在不斷變化的，t0和tr也因負載不同而不同，很難使n（t0＋tr）/T等于整數。從式（1）中的另一部分可以看出，如果，sin nπtr/T能夠等于0，即tr/T等于1/2，也可以使偶次諧波的諧波幅度等于0。如果tr/T等于1/2，即意味著時鐘上升時間等于其周期的一半，該時鐘為三角波或正弦波。因此，盡量使用幅度低的正弦波或三角波時鐘作為驅動源，是降低輻射干擾的解決方法之一。

其次，如果干擾源已經存在，又不得不對成本和架構妥協，則只能通過其他方式解決問題：

①使輻射干擾源盡可能遠離接收模塊天線。

②通過屏蔽措施來降低輻射干擾的影響。一般使用屏蔽殼、導電橡膠、導電漆等方法來降低輻射干擾的幅度，其屏蔽效率可達20～80 dB。

結 語

在實際應用中，不僅是北斗B1頻點接收模塊，嵌入式系統中其他頻點的北斗或GPS接收模塊，也都有可能面臨由輻射干擾導致中頻信號幅度被壓縮，造成接收模塊，接收靈敏度降低。其解決方法主要是，降低輻射干擾的幅度和增加屏蔽措施。希望設計者能夠從中吸取精髓，舉一反三，從根源上解決干擾問題。

北斗衛星導航系統正在逐漸被應用于國防、通信、金融、鐵路等各個領域，其中嵌入式系統的應用也層出不窮。本文通過分析，計算了嵌入式系統造成的輻射干擾對北斗B1頻點接收模塊捕獲靈敏度產生負面影響的原因，總結了一些改進措施和設計中需要避免的情況，對今后嵌入式系統在升級改造和重新設計中有一定的指導和借鑒意義。

[1]施樂平，楊征宇，馬憲民，等.ARM 嵌入式系統綜述[J].中國測試，2012，38（z）：14-16.

[2]王寶平，余江鑫，陳衛強.北斗二代導航接收機的衛星導航系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2013（7）：40-43.

[3]北斗衛星導航系統網站.北斗衛星導航系統簡介[EB/OL].[2014-03-09].http：//www.beidou.gov.cn/2013/11/04/201311044b202f1cdeb74d1c886c290eabfbddf9.html.

[4]東莞泰斗微電子.TD3020產品介紹[EB/OL].[2014-03-09].http：//www.techtotop.com/Item/Show.asp？m ＝ 1＆d＝1067.