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              C波段衛星信號抗5G干擾措施應用的新進展

              發布時間:2020-01-10 11:56      來源:未知       作者:金威電子      瀏覽次數:

              引言

                  隨著5 G信號的正式商用,越來越多的城市開始大規模建設5 G基站,各大運營商也加緊布局各大城市中心城區的站點設置,未來5 G信號干擾C波段衛星信號接收的情況會越來越普遍。5 G信號頻率占用了部分C波段頻率范圍。對高頻頭而言,C波段包括擴展C波段和標準C波段,下行頻率分別為3 400 MHz~3 700 MHz和3 700 MHz~4 200 MHz,該波段信號較易受到同頻信號的干擾。

              抗干擾措施的選擇
                 筆者曾在《5 G干擾C波段衛星信號接收的成因分析及應對措施的研究》一文中,對5 G信號干擾C波段衛星信號問題的排查過程和做過的一些抗干擾措施進行詳細闡述,并提出利用窄帶高頻頭可解決5 G干擾,但前提條件是天線附近受到的5 G信號強度較弱,或C波段天線所處位置在郊區開闊的地區,周圍沒有復雜的電磁環境。但主城區5 G基站站點較密集,天線朝向則有可能正對著基站或所處電磁環境極其復雜的中心城區,而5 G基站發射的信號強度要遠大于C波段的衛星信號強度,導致即使是窄帶高頻頭也無法滿足抗干擾的要求,5 G信號仍能使高頻頭性能飽和,從而影響信號接收,在解碼畫面上表現為花屏或者馬賽克,在數值上表現為接收機的誤碼率增大,必須采取新的濾波抗飽和措施。筆者將對高強度5 G干擾環境下的抗干擾措施展開研究,對窄帶濾波器和窄帶高頻頭的原理和結構進行分析,測試窄帶高頻頭(頻段3 700 MHz~4 200 MHz)+窄帶濾波器(頻段3 700 MHz~4 200 MHz)的結合應用能否符合較強 5 G信號抗干擾的要求。

              窄帶高頻頭的測試分析
                  筆者使用國外某品牌型號的窄帶高頻頭,頻率范圍3 700 MHz~4 200 MHz,本振頻率為5 150 MHz。
                  高頻頭原理及組成高頻頭內部可分為低噪放大器和下變頻器兩個部分,實現對微弱的衛星信號低噪聲放大和下變頻兩大功能,放大輸入信號并將其降頻為950~2 150 MHz的中頻信號。高頻頭對電磁波干擾較為敏感,需將其包裹一層金屬外殼以屏蔽電磁波。從結構上看,高頻頭主要有混頻器、中放、本振、電源穩壓裝置幾部分。衛星信號經饋源、耦合裝置、高頻頭(低噪放大、混頻)等環節處理后,形成中頻信號,并通過同軸線將中頻信號送給接收機處理。
                  高頻頭特性分析高頻頭為有源設備,因其他原因,筆者無法直接對高頻頭利用信號發生器測試其抗干擾性能,只能間接從廠家提供的設備出廠性能指標(如圖1)粗略估算出其帶外抗干擾性能。由圖1可以看出,該窄帶高頻頭在頻帶范圍3700 MHz~4 200 MHz的射頻信號能較好的通過,對低于3600 MHz的帶外頻率,衰減值可達到45dB左右,尤其是頻率低于3500 MHz時,衰減值達到57dB左右。
               
                                                                                                                           圖1 窄帶高頻頭帶外反射性能示意圖
              窄帶濾波器的測試分析
                  筆者測試所使用的是國外某品牌型號的窄帶濾波器,它能有效屏蔽C波段接收天線的帶外干擾信號,具有低插損、低群延遲(典型值≤8 ns)等特點,工作頻帶范圍3 700 MHz~4 200 MHz。該系列帶通濾波器安裝在衛星天線饋源和高頻頭LNB間,以抑制5 G信號引起的強帶外干擾。從目前已規劃和正式商用的5 G信號頻率分配來看,工作頻率(3400 MHz~3 600 MHz)剛好處于C波段衛星接收擴展頻段,而目前廣播電視領域絕大部分使用的高頻頭頻率工作范圍是3 400 MHz~4 200 MHz,且5 G信號的強度要遠大于C波段衛星信號,因此5 G信號必定會干擾附近的C波段衛星信號接收。使用該系列濾波器可使射頻信號在進高頻頭下變頻前起到抑制帶外5 G信號的作用,防止由帶外強信號產生的混頻諧波干擾。
                  筆者于2018年8月在無線電監測站專家的協助下,利用Agilent N5242A微波網絡分析儀對某型號濾波器的帶外抗干擾性能進行測試,測試環境和測試結果如圖2所示:

              2-1 測試環境搭建 2-2窄帶濾波器帶外抑制性能測試結果
                                                                                                      圖2 窄帶濾波器性能測試
                 在圖2-1測試環境的搭建過程中,尤其要特別注意連接用的測試線不能彎折,否則將會對射頻信號的測試結果產生影響,且需在濾波器兩端接上轉接頭。測試環境搭建完成后,筆者對該濾波器測試。由圖2-2可知,該濾波器能使頻帶范圍3700MHz~4200MHz的射頻信號較好的通過,對低于3 600 MHz的帶外頻率,衰減值可達到50 dB以上,尤其是頻率低于3 500 MHz時,衰減值達到75 dB以上。

              窄帶高頻頭+窄帶濾波器的結合
                  隨著5 G的正式商用和更多基站的設置,筆者發現之前所采取的的窄帶高頻頭的抗干擾措施并不完美,存在著部分天線受干擾的情況。筆者隨即利用寬帶高頻頭對中頻信號頻譜展開監測(C波段寬帶高頻頭的頻率范圍為3 400 MHz~4 200 MHz,本振頻率為5 150 MHz),圖3所示分別為寬帶高頻頭下變頻后的中頻信號當前測得的頻譜圖和2018年單個運營商在5 G信號試驗階段時(其頻率范圍3 500 MHz~3 600MHz)測得的中頻信號頻譜。
               

              3-1 多運營商5G信號同時干擾 3-2 單運營商5G試驗信號干擾
                                                                                                                 圖3 C波段信號受干擾表現
                  由圖3-1可見,干擾信號在M=1 600 MHz處(即變頻前頻率為3 550 MHz)存在著較強的導頻信號,強度可以達到50 dBm,其次在M=1 700 MHz處(即變頻前頻率為3 450 MHz)也存在著較強的導頻信號,其強度可以達到40 dBm,存在著電信和聯通兩大運營商5 G信號的強干擾。由圖3-2可見,單運營商在2018年試驗階段時的5 G信號干擾在中頻信號頻譜中的M1(1 550 MHz)至M2(1 650 MHz),對應變頻前的下行頻率為(3 500 MHz~3 600 MHz),存著帶寬為100 MHz的較強信號,且在變頻后的1 600 MHz(對應變頻前頻率3 550 MHz)處有導頻,峰值在45 dBm左右,比較前后兩次5 G信號中頻頻譜的導頻,發現導頻信號的強度較試驗階段已較大增強,大約在5 dBm以上,整體信號的幅度也較試驗階段大幅增加。
                 為使測試更加專業和具有權威性,在筆者和市無線電監測站相關技術人員的共同努力下,對6樓平臺和21樓平臺的環境輻射進行測量,如圖4所示。
               
              4-1 6樓平臺 4-2 21樓平臺
                                                                                                                   圖4天線平臺環境輻射強度
                  5 G基站的發射強度是隨時變化的,不是固定的。由圖4可知,6樓平臺的環境輻射強度在55dB左右,21樓平臺的環境輻射強度在40dB左右,然而具體到每副天線受到的干擾強度,因天線仰角、天線朝向及5 G基站信號的發射方向變化而不同,有可能比測得的環境輻射強度更大。如此高強度的5G信號將有可能導致筆者在《5G干擾C波段衛星信號接收的成因分析及應對措施的研究》一文中所建議使用的窄帶高頻頭抗干擾措施失效,因此根據目前測得的實際結果,須加一級窄帶濾波器才能達到良好的濾波效果。
              筆者對采取窄帶高頻頭抗干擾措施后仍受到5 G干擾的情況展開測試,并加裝窄帶濾波器,其抗5 G干擾的效果從頻譜變化上可明顯看出,如圖5所示。
              5-1 僅使用窄帶高頻頭 5-2 窄帶高頻頭+窄帶濾波器結合
                                                                                                            圖5 雙措施結合的抗干擾頻譜圖
                  從頻譜的變化上來看,載波上的干擾信號已經消失,表明采用窄帶高頻頭和窄帶濾波器的雙措施結合能達到抗5 G信號干擾的效果。
                  但雙措施結合的方法,真的能完全徹底解決5 G強信號干擾了嗎?并不是!筆者在實際測試中發現,即使采用雙措施,也不可避免地存在著無法完全濾除5 G信號的情況。此時在確保窄帶濾波器和窄帶高頻頭間的螺絲全部固定好后,還需按照實際濾波效果采取以下兩種措施之一予以應對:1)對窄帶高頻頭和窄帶濾波器間的縫隙處用鋁箔紙包裹;2)對窄帶濾波器、窄帶高頻頭及高頻頭輸出口整體用鋁箔紙包裹緊實。

              結束語
                  5G基站發射的信號功率相對于C波段衛星信號而言是非常強的。面對如此強的信號干擾以及密集基站的選址建設,由此是否會產生5G信號多徑干擾后的形成的干擾強度更大,從而導致采用一級窄帶濾波器+一級窄帶高頻頭都無法滿足其濾波抗飽和的需求,目前不得而知,還需繼續根據實際情況測試驗證。若采用鋁箔紙對濾波器、高頻頭和高頻頭輸出口整體包裹,夏季高溫炎熱,高頻頭的溫度是比環境溫度高還是低?尚需一些實驗數據來求證。此外對于存在必須用鋁箔紙對濾波器、高頻頭和高頻頭輸出口整體包裹才能達到完全抗干擾的特殊情況,筆者對其原理并未作深入研究,只在偶然情況下找到的臨時措施,后續是否有更佳的處理方法還有待繼續研究。
               

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