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C波段卫星信号抗5G干扰措施应用的新进展

2019-09-26 17:32:27| 发布者: admin| 查看: 501

引言

随着5 G信号的正式商用,越来越多的城市开始大规模建设5 G基站,各大运营商也加紧布局各大城市中心城区的站点设置,未来5 G信号干扰C波段卫星信号接收的情况会越来越普遍。5 G信号频率占用了部分C波段频率范围。对高频头而言,C波段包括扩展C波段和标准C波段,下行频率分别为3 400 MHz~3 700 MHz和3 700 MHz~4 200 MHz,该波段信号较易受到同频信号的干扰。

 

抗干扰措施的选择

笔者曾在5 G干扰C波段卫星信号接收的成因分析及应对措施的研究》一文中,对5 G信号干扰C波段卫星信号问题的排查过程和做过的一些抗干扰措施进行详细阐述,并提出利用窄带高频头可解决5 G干扰,但前提条件是天线附近受到的5 G信号强度较弱,或C波段天线所处位置在郊区开阔的地区,周围没有复杂的电磁环境。但主城区5 G基站站点较密集,天线朝向则有可能正对着基站或所处电磁环境极其复杂的中心城区,而5 G基站发射的信号强度要远大于C波段的卫星信号强度,导致即使是窄带高频头也无法满足抗干扰的要求,5 G信号仍能使高频头性能饱和,从而影响信号接收,在解码画面上表现为花屏或者马赛克,在数值上表现为接收机的误码率增大,必须采取新的滤波抗饱和措施。笔者将对高强度5 G干扰环境下的抗干扰措施展开研究,对窄带滤波器和窄带高频头的原理和结构进行分析,测试窄带高频头(频段3 700 MHz~4 200 MHz)+窄带滤波器(频段3 700 MHz~4 200 MHz)的结合应用能否符合较强 5 G信号抗干扰的要求。

 

窄带高频头的测试分析

笔者使用我公司的窄带高频头,频率范围3 700 MHz~4 200 MHz,本振频率为5 150 MHz。


高频头原理及组成

高频头内部可分为低噪放大器和下变频器两个部分,实现对微弱的卫星信号低噪声放大和下变频两大功能,放大输入信号并将其降频为950~2 150 MHz的中频信号。高频头对电磁波干扰较为敏感,需将其包裹一层金属外壳以屏蔽电磁波。从结构上看,高频头主要有混频器、中放、本振、电源稳压装置几部分。卫星信号经馈源、耦合装置、高频头(低噪放大、混频)等环节处理后,形成中频信号,并通过同轴线将中频信号送给接收机处理。


高频头特性分析

高频头为有源设备,由图1可以看出,该窄带高频头在频带范围3700 MHz~4 200 MHz的射频信号能较好的通过,对低于3600 MHz的带外频率,衰减值可达到45dB左右,尤其是频率低于3500 MHz时,衰减值达到57dB左右。


1  窄带高频头带外反射性能示意图

窄带滤波器的测试分析

笔者测试所使用我公司的窄带滤波器,它能有效屏蔽C波段接收天线的带外干扰信号,具有低插损、低群延迟(典型值≤8 ns)等特点,工作频带范围3 700 MHz~4 200 MHz。该系列带通滤波器安装在卫星天线馈源和高频头LNB间,以抑制5 G信号引起的强带外干扰。从目前已规划和正式商用的5 G信号频率分配来看,工作频率(3400 MHz~3 600 MHz)刚好处于C波段卫星接收扩展频段,而目前广播电视领域绝大部分使用的高频头频率工作范围是3 400 MHz~4 200 MHz,且5 G信号的强度要远大于C波段卫星信号,因此5 G信号必定会干扰附近的C波段卫星信号接收。使用该系列滤波器可使射频信号在进高频头下变频前起到抑制带外5 G信号的作用,防止由带外强信号产生的混频谐波干扰。

 

笔者于2018年8月在无线电监测站专家的协助下,利用Agilent N5242A微波网络分析仪对某型号滤波器的带外抗干扰性能进行测试,测试环境和测试结果如图2所示:

          2-1 测试环境搭建                       2-2窄带滤波器带外抑制性能测试结果

2  窄带滤波器性能测试

在图2-1测试环境的搭建过程中,尤其要特别注意连接用的测试线不能弯折,否则将会对射频信号的测试结果产生影响,且需在滤波器两端接上转接头。测试环境搭建完成后,笔者对该滤波器测试。由图2-2可知,该滤波器能使频带范围3700MHz~4200MHz的射频信号较好的通过,对低于3 600 MHz的带外频率,衰减值可达到50 dB以上,尤其是频率低于3 500 MHz时,衰减值达到75 dB以上。

窄带高频头+窄带滤波器的结合

随着5 G的正式商用和更多基站的设置,笔者发现之前所采取的的窄带高频头的抗干扰措施并不完美,存在着部分天线受干扰的情况。笔者随即利用宽带高频头对中频信号频谱展开监测(C波段宽带高频头的频率范围为3 400 MHz~4 200 MHz,本振频率为5 150 MHz),图3所示分别为宽带高频头下变频后的中频信号当前测得的频谱图和2018年单个运营商在5 G信号试验阶段时(其频率范围3 500 MHz~3 600MHz)测得的中频信号频谱。

         3-1  多运营商5G信号同时干扰           3-2  单运营商5G试验信号干扰

3  C波段信号受干扰表现

由图3-1可见,干扰信号在M=1 600 MHz处(即变频前频率为3 550 MHz)存在着较强的导频信号,强度可以达到50 dBm,其次在M=1 700 MHz处(即变频前频率为3 450 MHz)也存在着较强的导频信号,其强度可以达到40 dBm,存在着电信和联通两大运营商5 G信号的强干扰。由图3-2可见,单运营商在2018年试验阶段时的5 G信号干扰在中频信号频谱中的M1(1 550 MHz)至M2(1 650 MHz),对应变频前的下行频率为(3 500 MHz~3 600 MHz),存着带宽为100 MHz的较强信号,且在变频后的1 600 MHz(对应变频前频率3 550 MHz)处有导频,峰值在45 dBm左右,比较前后两次5 G信号中频频谱的导频,发现导频信号的强度较试验阶段已较大增强,大约在5 dBm以上,整体信号的幅度也较试验阶段大幅增加。

 

为使测试更加专业和具有权威性,在笔者和市无线电监测站相关技术人员的共同努力下,对6楼平台和21楼平台的环境辐射进行测量,如图4所示。

          4-1  6楼平台                                       4-2  21楼平台

4天线平台环境辐射强度

5 G基站的发射强度是随时变化的,不是固定的。由图4可知,6楼平台的环境辐射强度在55dB左右,21楼平台的环境辐射强度在40dB左右,然而具体到每副天线受到的干扰强度,因天线仰角、天线朝向及5 G基站信号的发射方向变化而不同,有可能比测得的环境辐射强度更大。如此高强度的5G信号将有可能导致笔者在《5G干扰C波段卫星信号接收的成因分析及应对措施的研究》一文中所建议使用的窄带高频头抗干扰措施失效,因此根据目前测得的实际结果,须加一级窄带滤波器才能达到良好的滤波效果。

笔者对采取窄带高频头抗干扰措施后仍受到5 G干扰的情况展开测试,并加装窄带滤波器,其抗5 G干扰的效果从频谱变化上可明显看出,如图5所示。

 

             5-1  仅使用窄带高频头                     5-2  窄带高频头+窄带滤波器结合5  双措施结合的抗干扰频谱图

 

从频谱的变化上来看,载波上的干扰信号已经消失,表明采用窄带高频头和窄带滤波器的双措施结合能达到抗5 G信号干扰的效果。

 

但双措施结合的方法,真的能完全彻底解决5 G强信号干扰了吗?并不是!笔者在实际测试中发现,即使采用双措施,也不可避免地存在着无法完全滤除5 G信号的情况。此时在确保窄带滤波器和窄带高频头间的螺丝全部固定好后,还需按照实际滤波效果采取以下两种措施之一予以应对:1)对窄带高频头和窄带滤波器间的缝隙处用铝箔纸包裹;2)对窄带滤波器、窄带高频头及高频头输出口整体用铝箔纸包裹紧实。

 

结束语

5G基站发射的信号功率相对于C波段卫星信号而言是非常强的。面对如此强的信号干扰以及密集基站的选址建设,由此是否会产生5G信号多径干扰后的形成的干扰强度更大,从而导致采用一级窄带滤波器+一级窄带高频头都无法满足其滤波抗饱和的需求,目前不得而知,还需继续根据实际情况测试验证。若采用铝箔纸对滤波器、高频头和高频头输出口整体包裹,夏季高温炎热,高频头的温度是比环境温度高还是低?尚需一些实验数据来求证。此外对于存在必须用铝箔纸对滤波器、高频头和高频头输出口整体包裹才能达到完全抗干扰的特殊情况,笔者对其原理并未作深入研究,只在偶然情况下找到的临时措施,后续是否有更佳的处理方法还有待继续研究。

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