賈連志 師 煜

(1.南昌軌道交通集團有限公司，330038，南昌;2.華東交通大學信息工程學院，330013，南昌;3.中鐵通信信號勘測設計(北京)有限公司，100036，北京∥第一作者，工程師、碩士研究生)

不同移動制式信源主體產(chǎn)生信號的機理不同，按照信號產(chǎn)生的原因或來源干擾一般分為雜散干擾和互調(diào)干擾(也稱組合干擾)。前者是由于系統(tǒng)本身的不完善性造成的在必要帶寬之外某個或某些頻率的發(fā)射，對頻譜的其他用戶造成干擾;后者是系統(tǒng)內(nèi)部的有用信號在單個系統(tǒng)或多個系統(tǒng)間相互作用而產(chǎn)生的不需要的干擾分量。根據(jù)造成的后果干擾一般分為雜散干擾、互調(diào)干擾、阻塞干擾。一般干擾會造成系統(tǒng)接收靈敏度降低、減小系統(tǒng)覆蓋范圍，相應地影響系統(tǒng)的通信質(zhì)量，嚴重時將阻塞系統(tǒng)接收，造成系統(tǒng)癱瘓，形成阻塞。因此有必要對地鐵環(huán)境中不同制式下多網(wǎng)共存的通信系統(tǒng)間的干擾進行分析。

1 干擾的種類分析

1.1 雜散干擾

雜散干擾主要是指由于發(fā)射機的濾波特性不好，而使一些二次和三次諧波分量在發(fā)射機輸出極輸出，產(chǎn)生雜波輻射信號。另外，如果發(fā)射機的技術(shù)指標不合格也會使以載波為中心的噪聲分布相當寬，在幾兆赫茲的頻帶內(nèi)造成干擾。包括Tx和Rx頻帶雜散、交叉頻帶雜散和帶外雜散。

1.1.1 Tx和 Rx頻帶雜散

Tx頻帶雜散是指落入各個通信系統(tǒng)Tx頻帶的雜散信號。Rx頻帶雜散是發(fā)射機向Rx頻帶發(fā)射雜散信號，其大小關(guān)系到Tx雜散不會“阻塞”或者說使相鄰信道接收機的靈敏度降低。表1為各系統(tǒng)的Tx和Rx頻帶。

表1 各系統(tǒng)的Tx和Rx頻帶 MHz

1.1.2 交叉頻帶雜散

在我國，CDMA 800和GSM 900是并存的，包括新推出的第三代(3G)通信系統(tǒng)。基于此，ETSI 3GPP標準需要規(guī)范交叉頻帶性能以確保發(fā)射機向各個系統(tǒng)接收頻帶輻射最小的能量。為避免相互干擾，我國無線電管理委員會制定了相應的規(guī)范。

1.1.3 帶外雜散信號

帶外雜散信號是覆蓋100 kHz到12.75 GHz這一很大頻率范圍的一系列頻譜。

1.2 互調(diào)干擾

互調(diào)干擾主要是由系統(tǒng)設備中的非線性引起的，由于非有用信號混入而造成的干擾。互調(diào)干擾又分為發(fā)射機互調(diào)干擾和接收機互調(diào)干擾。發(fā)射機互調(diào)干擾是多部發(fā)射機信號落入另一部發(fā)射機，并在此末級功放的非線性作用下相互調(diào)制，產(chǎn)生不需要的組合頻率，對接收信號頻率與這些組合頻率相同的接收機造成的干擾。接收機互調(diào)干擾是當多個強信號同時進入接收機時，在接收機前端非線性電路作用下產(chǎn)生互調(diào)頻率，互調(diào)頻率落入接收機頻帶內(nèi)造成的干擾。

1.3 阻塞干擾

阻塞干擾是指當接收微弱的有用信號時，受到接收頻率兩旁、高頻回路帶內(nèi)一強干擾信號的干擾。輕則降低接收靈敏度，重則造成接收機飽和，通信中斷。阻塞干擾在于鄰近頻率的強干擾信號進入了接收機而造成接收機的信道阻塞。表2為GSM移動臺的阻塞特性。其中，f為信號接受頻率，fo為f的鄰近頻率。

表2 GSM移動臺的阻塞特性

WCDMA 的阻塞特性參考3GPP TS25.104V 3.8.0，在輸入有用信號業(yè)務信道功率為－114 dBm/3.84 MHz時，頻偏10 MHz，阻塞電平 －51 dBm;頻偏15 MHz，阻塞電平－39 dBm。阻塞干擾指標遠遠低于雜散或互調(diào)干擾指標要求。這反過來證明，只要雜散影響滿足系統(tǒng)要求，系統(tǒng)也就滿足阻塞要求，因此在以后的干擾分析中重點分析雜散和互調(diào)干擾的影響。

2 干擾對系統(tǒng)的影響

互調(diào)干擾和雜散干擾對系統(tǒng)的影響主要是造成靈敏度降低。靈敏度是接收機性能的基本指標，規(guī)范了在給定的解調(diào)信息錯誤百分比下最小的接收信號電平。干擾對系統(tǒng)的影響與系統(tǒng)的特性有關(guān)。信道內(nèi)、信道外和頻帶外等3個頻率區(qū)域的性能是十分關(guān)鍵的(見圖1)。

圖1 信道內(nèi)、信道外和頻帶外三個頻率區(qū)域示意圖

(1)信道內(nèi)同頻干擾:凡是無用信號的載頻與有用信號的載頻相同，并對接收同頻道有用信號的接收機造成干擾的都稱為同頻干擾。

(2)信道外鄰頻道干擾:干擾臺鄰頻道功率落入接收鄰頻道接收機通帶內(nèi)造成的干擾。

(3)帶外干擾:發(fā)射機的諧波或雜散輻射在接收有用信號的通帶內(nèi)造成的干擾。給無線電頻譜的非本系統(tǒng)用戶(如軍事、公安、航空等)也帶來了干擾。所有其他的雜散信號(諧波、寬帶信號等)都包含在這一項里。

3 靈敏度分析

本文所涉及的無線通信系統(tǒng)，種類不同，各有特點，抗干擾性能各不相同，以下從靈敏度等指標對其進行分析。

GSM系統(tǒng)均采用0.3 GMSK(高斯最小頻移鍵控)調(diào)制技術(shù)，F(xiàn)DD/TDMA復用，基站接收靈敏度一般為－106 dBm左右。呼叫質(zhì)量用載波干擾保護比表示。

同頻干擾保護比:C/I≥12 dB(不開跳頻);C/I≥9B(開跳頻)。

鄰頻干擾保護比:200 kHz鄰頻干擾保護比，C/I≥ －6 dB。

相對于GSM系統(tǒng)，CDMA系統(tǒng)的抗干擾性要強一些。CDMA系統(tǒng)是一個擴頻系統(tǒng)。擴頻通信在空間傳輸時所占有的帶寬相對較寬，而接收端又采用相關(guān)檢測的辦法來解擴，使有用寬帶信息信號恢復成窄帶信號，而把非所需信號擴展成寬帶信號，然后通過窄帶濾波技術(shù)提取有用的信號。這樣，對于各種干擾信號，因其在接收端的非相關(guān)性，解擴后窄帶信號中只有很微弱的成份，信噪比很高，因此抗干擾性強。在目前商用的通信系統(tǒng)中，擴頻通信是唯一能夠工作于負信噪比條件下的通信方式。

窄帶信號通過采用專門的代碼擴展，經(jīng)過擴頻技術(shù)，任何出現(xiàn)在信道中的干擾，在接收端都被降低G=Bss/B倍，稱為處理增益。Bss為擴頻后的信號帶寬，B為擴頻前信號帶寬。對于EIA/TIA—1995－B標準，處理增益為 10 lg(1.23/0.009 6)=21 dB。CDMA信號在傳輸中要經(jīng)受強干擾，主要是來自相同小區(qū)其他用戶的干擾和來自相鄰小區(qū)的干擾。總干擾還包括本底噪聲和其它寄生信號。當信號被接收時，相關(guān)器恢復所需要的信號，抑制干擾。相關(guān)器使用處理增益把需要的信號從噪聲中恢復。CDMA擴頻調(diào)制解調(diào)原理框圖如圖2所示。

圖2 CDMA擴頻調(diào)制解調(diào)原理框圖

CDMA呼叫質(zhì)量用每比特能量與干擾功率密度比來表示，要求Ec/Io≥－10 dB系統(tǒng)的接收靈敏度可達－116 dBm。

4 熱噪聲分析

多種頻段信號進入一套分布系統(tǒng)后，單一系統(tǒng)的雜散信號和若干系統(tǒng)的互調(diào)信號將可能干擾另外的通信系統(tǒng)，不僅影響系統(tǒng)通信效果，嚴重時將阻塞基站，使受干擾系統(tǒng)癱瘓。

熱噪聲是任何通信系統(tǒng)都會面臨的噪聲干擾。電路中熱噪聲是通信系統(tǒng)設計中熟知的干擾源，是由導體中載流子的熱隨機振動引起的，本質(zhì)是“電荷的布朗運動”。熱噪聲公式:N=kTB，其中k是波爾茲曼常數(shù)，單位:J/K;T是環(huán)境溫度，單位:K;B是測量系統(tǒng)帶寬，單位:Hz。

由于熱噪聲特性決定其噪聲功率譜密度是一常數(shù)，與頻率無關(guān)，因此也叫白噪聲。并且，在通信鏈路中噪聲功率和所要求的信號功率一起線性增加，從而會降低接收系統(tǒng)的靈敏度。如對一具有20 dB增益的通信鏈路，噪聲功率同樣會上升20 dB;如對一具有20 dB衰減的通信鏈路，噪聲功率會下降，但不會低于自然環(huán)境下熱噪聲電平。

N0=kTB=－174 dBm/Hz，將常量代入公式可以簡化為:

下面給出了各種移動通信系統(tǒng)的熱噪聲電平計算結(jié)果:

(1)GSM系統(tǒng)工作信道帶寬為200 kHz，因此，由式(1)，GSM、DCS 1800系統(tǒng)工作信道帶寬內(nèi)總的熱噪聲功率Pn1=－121 dBm。

(2)CDMA系統(tǒng)工作信道帶寬為1.23 MHz，因此，由式(1)，CDMA系統(tǒng)工作信道帶寬內(nèi)總的熱噪聲功率Pn2=－113 dBm。

(3)TD-SCDMA系統(tǒng)工作信道帶寬為1.28×(1+α)MHz(TD-SCDMA系統(tǒng)一個頻道的帶寬，α為基帶成型濾波器的滾降系數(shù)，α=0.22)，因此，由式(1)，TD-SCDMA系統(tǒng)工作信道帶寬內(nèi)總的熱噪聲功率Pn3=－112 dBm。

(4)WCDMA系統(tǒng)工作信道帶寬為 3.84×(1+α)MHz(WCDMA系統(tǒng)一個頻道的帶寬)，因此，由式(1)，WCDMA系統(tǒng)工作信道帶寬內(nèi)總的熱噪聲功率Pn4=－107 dBm。

5 系統(tǒng)噪聲分析

由于區(qū)間的狹長和系統(tǒng)信號的衰減，對于有些區(qū)間不可避免地需要使用有源中繼設備作為補充。目前3G、WLAN及2G系統(tǒng)在中繼設備的選用上是有所區(qū)別的，由此，各系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲的機理也是不同的，分述如下。

5.1 3G、WLAN系統(tǒng)噪聲分析

3G系統(tǒng)主要采用RRU(射頻拉遠單元)作為區(qū)間的補充方式。RRU采用基帶處理模式，將上下行的射頻信號轉(zhuǎn)化為基帶I/Q兩路信號，并饋入上下行專用光纖分別傳輸，不會產(chǎn)生射頻噪聲的積累與疊加。故不會給系統(tǒng)的鏈路帶來噪聲的積累。

WLAN系統(tǒng)作用機理與3G系統(tǒng)相似，故同樣不會給系統(tǒng)的鏈路帶來噪聲的積累。

5.2 2G系統(tǒng)噪聲分析

2G系統(tǒng)主要采用光纖直放站作為區(qū)間的補充方式。光纖直放站是將基站的射頻信號轉(zhuǎn)化為光信號后，通過單獨的光纖傳輸，在遠端再將信號恢復成無線信號。在這個過程中會產(chǎn)生噪聲。以下對GSM和CDMA系統(tǒng)分析如下:

(1)直放站的噪聲到達基站接收機輸入端的等效熱噪聲電平Nin=kTB+NFrep+Grep－LEDP。其中:NFrep為直放站噪聲系數(shù);Grep為直放站增益;LEDP為有效路徑損耗。

(2)基站接收機等效熱噪聲電平Nbts=kTB+NFbts。NFbts為基站接收機噪聲系數(shù)。

(3)基站接收機等效熱噪聲電平升高ΔNROT=10 lg［(Nbts+Nin)/Nbts］。

圖3 基站的熱噪聲提升與噪聲注入余量的關(guān)系

圖3為基站的熱噪聲提升與噪聲注入余量的關(guān)系圖。從圖3及以上的公式可以看出:基站接收機輸入端熱噪聲的增加量ΔNROT決定了直放站反向鏈路對主基站反向鏈路的影響，即Nin值越大，則直放站在主基站接收端引起的噪聲增加量ΔNROT越小，反之則越大。而Nin直接取決于直放站反向鏈路增益Grep，若Grep值越大，則Nin越小，導致ΔNROT增大，使得主基站接收靈敏度降低。若Grep值越小，則Nin越大，此時ΔNROT增加不大，對主基站接收靈敏度無明顯影響，但直放站的覆蓋范圍會變小。通常當Grep比LEDP減NFrep小時，直放站對基站的影響比較小，此時直放站的輸出功率應比基站功率低。綜合考慮接收機接收靈敏度、基站覆蓋范圍和直放站覆蓋范圍這3個因素，在實際應用中可以通過調(diào)整直放站反向鏈路增益來達到最優(yōu)化的目的。

6 雜散干擾

由于是無源系統(tǒng)，系統(tǒng)本身不產(chǎn)生任何雜散發(fā)射。作為發(fā)射信號設備的基站，其雜散發(fā)射特性應滿足國家制定的相關(guān)標準規(guī)范。根據(jù)國家無線電管理委員會、信息產(chǎn)業(yè)部的要求和相關(guān)國際、國內(nèi)標準，對GSM、CDMA、WCDMA系統(tǒng)設備雜散干擾指標要求如表3所示。

表3 設備雜散干擾指標要求

從表3中可以看出，對CDMA網(wǎng)絡設備雜散指標要求較GSM網(wǎng)絡設備高。

引入眾多的無線通信系統(tǒng)，必然會產(chǎn)生信號相互的干擾。根據(jù)上述分析，CDMA是一個擴頻系統(tǒng)，所以抗干擾能力很強，一般情況GSM系統(tǒng)對其干擾很小;相反，GSM相比CDMA其抗干擾能力弱。由于CDMA與GSM從頻段分配上更為接近，于是問題主要集中在CDMA系統(tǒng)對GSM系統(tǒng)的干擾上。

GSM 900和CDMA 800的頻段劃分。CDMA的發(fā)射頻段距離GSM的接收頻段最小只有5 MHz的間隔(CDMA 880 MHz，GSM 885 MHz)，在兩系統(tǒng)臨界處CDMA為基站下行發(fā)射，功率較大，GSM為上行接收，CDMA基站發(fā)射通道的帶外雜散信號很容易落在GSM基站的接收通道內(nèi)。雜散干擾與CDMA系統(tǒng)目前在885 MHz附近的帶外發(fā)射有關(guān)，這是接收方(GSM系統(tǒng))自身無法克服的，抬高了GSM基站接收噪聲的電平，使系統(tǒng)靈敏度降低，影響GSM網(wǎng)絡覆蓋，將導致GSM系統(tǒng)信噪比下降，服務質(zhì)量惡化甚至阻塞基站。

根據(jù)前面熱噪聲的分析，常溫下(27℃)熱噪聲功率為－174 dBm/Hz，GSM技術(shù)體制下信道寬度(200 kHz)內(nèi)的熱噪聲功率為－121 dBm。假設基站噪聲系數(shù)為2 dB，可推算基站輸入端固有等效噪聲功率為－119 dBm。為了不對基站接收靈敏度造成影響，希望基站接收的上行信號底部噪聲應為這個值的1/10，即≤－129 dBm，相當基站接收靈敏度惡化0.4 dB。熱噪聲對系統(tǒng)的惡化影響主要與使用有源設備有關(guān)。

即使分布系統(tǒng)全部采用無源結(jié)構(gòu)設計，雜散干擾仍然會影響整個通信系統(tǒng)正常工作，因此必須提高分布系統(tǒng)對引入不同無線信號的隔離度指標。

7 互調(diào)干擾

電路的非線性特性是造成互調(diào)干擾的根本原因。當幾個不同頻率信號同時加入一非線性網(wǎng)絡，會產(chǎn)生各種頻率組合成分，若這些組合頻率正好落在某一頻段并為接收機接收，便造成組合頻率干擾。互調(diào)組合將產(chǎn)生很多干擾頻率，根據(jù)互調(diào)干擾產(chǎn)生的機理，可將影響因素分為3種:存在非線性部件;輸入信號頻率滿足其組合頻率能落入接收頻段;輸入信號幅度足夠大就產(chǎn)生幅度較大的干擾成分。后兩種影響因素是由蜂窩基站或引入信源系統(tǒng)具體情況確定的，與分布系統(tǒng)無關(guān)，因此設計的要點就是如何改善和提高系統(tǒng)的線性度，從而改善系統(tǒng)本身的互調(diào)指標。另一點就是如何通過合理設計，提高系統(tǒng)的收發(fā)隔離度，降低互調(diào)信號進入接收通道的強度。

根據(jù)本文介紹的引入信號種類，分析并列出所有可能的二階和三階組合頻率，其中部分落入接收系統(tǒng)頻段的組合頻率便構(gòu)成組合頻率干擾。更高階數(shù)的組合頻率同樣存在，但由于其功率電平分量遠遠小于二階和三階分量，可忽略不計。

7.1 二階組合頻率列表分析

二階互調(diào)干擾的結(jié)果主要表現(xiàn)為移動通信接收系統(tǒng)將受影響，降低系統(tǒng)接收靈敏度，信噪比下降和服務質(zhì)量惡化，更加嚴重的甚至讓接收機飽和而無法工作，整個系統(tǒng)因此癱瘓。二階組合干擾如圖4所示。

圖4 二階組合干擾

圖4中有底色的部分就是能產(chǎn)生干擾的信號。如果是上、下行分開(GSM，CDMA，3G(FDD))的系統(tǒng)，因為增加了空間的隔離度，所以不會造成干擾。

7.2 三階組合頻率列表分析

三階組合干擾表如表4所示。三階互調(diào)干擾的結(jié)果主要表現(xiàn)為移動通信接收系統(tǒng)將受影響，降低系統(tǒng)接收靈敏度，信噪比下降和服務質(zhì)量惡化，更加嚴重的甚至讓接收機飽和而無法工作，整個系統(tǒng)因此癱瘓。

表4 三階組合干擾表

［1］黃標，彭木根，王文博.第三代移動通信系統(tǒng)干擾共存研究［J］.電信科學，2004(7):326.

［2］黃標.第三代移動通信系統(tǒng)頻率使用的研究［J］.中國無線電，2004(8):16.

［3］蘇華鴻，孫儒石，薛鋒章.蜂窩移動通信射頻工程［M］.北京:人民郵電出版社，2007.