衛(wèi)星通信抗干擾設(shè)計(jì)考慮及性能分析?

黃愛軍（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

衛(wèi)星通信抗干擾設(shè)計(jì)考慮及性能分析?

黃愛軍
（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

提出了直接序列擴(kuò)頻和自適應(yīng)調(diào)零天線相結(jié)合的衛(wèi)星通信抗干擾設(shè)計(jì)思路，針對(duì)不同干擾條件和不同衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)方式，進(jìn)行了系統(tǒng)抗干擾性能的理論分析，結(jié)果表明，直接序列擴(kuò)頻和自適應(yīng)調(diào)零天線相結(jié)合，經(jīng)星上再生處理轉(zhuǎn)發(fā)可有效提高系統(tǒng)抗干擾能力。相關(guān)分析與結(jié)論對(duì)工程應(yīng)用具有一定的參考意義。

衛(wèi)星通信；抗干擾；直接序列擴(kuò)頻；自適應(yīng)調(diào)零；干擾容限

1 引言

復(fù)雜電磁環(huán)境下的通信會(huì)受到各種自然和人為干擾的影響，尤其衛(wèi)星通信。衛(wèi)星長(zhǎng)期暴露于覆蓋區(qū)上空，敵我共視，特別容易受到干擾和攻擊。為保證通信的有效性和可靠性，抗干擾是衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮的關(guān)鍵問題之一。

衛(wèi)星通信抗干擾設(shè)計(jì)通常采用擴(kuò)頻、星上處理等方式。本文結(jié)合工程實(shí)踐，將直接序列擴(kuò)頻（DSSS）和自適應(yīng)調(diào)零天線相結(jié)合，給出了抗干擾衛(wèi)星通信鏈路信道模型和設(shè)計(jì)建議。在此基礎(chǔ)上，對(duì)衛(wèi)星通信上、下行鏈路的抗干擾表達(dá)式進(jìn)行了理論推導(dǎo)，并通過定量計(jì)算，對(duì)不同干擾條件、不同衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)方式下系統(tǒng)的抗干擾性能進(jìn)行了比較和分析。

2 抗干擾基本原理

根據(jù)無(wú)線通信抗干擾基本概念，當(dāng)干擾進(jìn)入通信系統(tǒng)（接收機(jī)）后，不考慮門限效應(yīng)，通信系統(tǒng)正常工作的條件是［1］接收機(jī)輸入干信比小于系統(tǒng)干擾容限，即：

提高通信系統(tǒng)抗干擾能力可以通過降低接收機(jī)輸入干信比和提高系統(tǒng)干擾容限兩方面采取措施。

降低接收機(jī)輸入干信比的途徑有：提高信號(hào)發(fā)射功率、發(fā)射與接收天線增益、干擾傳輸路徑損耗、干擾和信號(hào)的時(shí)域／頻域／極化重合損耗，減小信號(hào)傳輸路徑損耗、干擾接收天線增益等［1］。

提高系統(tǒng)干擾容限的途徑有：提高接收機(jī)信干比處理增益，降低實(shí)現(xiàn)損耗和解調(diào)器輸入端要求的門限信噪比。

3 衛(wèi)星通信抗干擾設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

衛(wèi)星通信功率、帶寬受限，干擾環(huán)境復(fù)雜、多變，許多小型應(yīng)用平臺(tái)設(shè)備體積、重量、功耗受限，因此，無(wú)法采用單一手段達(dá)到較為理想的抗干擾效果，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需綜合考慮抗干擾措施。

根據(jù)抗干擾基本原理，可以通過上行鏈路功率調(diào)節(jié)（改善收端信號(hào)質(zhì)量），降低系統(tǒng)通信信息速率（提高鏈路信噪比），采用自適應(yīng)調(diào)零天線技術(shù)（通過空域?yàn)V波進(jìn)行干擾信號(hào)抑制）等措施降低接收機(jī)輸入干信比；通過擴(kuò)頻技術(shù)、干擾抑制技術(shù)（提高接收機(jī)信干比處理增益），信源編碼、信道編碼和有效調(diào)制方式（降低解調(diào)器輸入端門限信干比要求），優(yōu)化設(shè)備設(shè)計(jì)（降低信干比損失）等措施提高系統(tǒng)干擾容限。

其中直接序列擴(kuò)頻與自適應(yīng)調(diào)零天線相結(jié)合的通信終端設(shè)計(jì)，是衛(wèi)星通信抗綜合干擾的一種優(yōu)化方案。

3.2 自適應(yīng)調(diào)零天線

自適應(yīng)調(diào)零天線特別適合復(fù)雜電磁環(huán)境條件下對(duì)接收鏈路通信質(zhì)量有較高要求的應(yīng)用。除大型衛(wèi)星通信地球站外，一般小型應(yīng)用平臺(tái)無(wú)法通過增大天線口徑來(lái)獲得高增益，可采用自適應(yīng)調(diào)零天線改善信號(hào)干擾之比，以實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)的抑制，保證衛(wèi)星信號(hào)有效接收。

自適應(yīng)調(diào)零天線利用相控陣天線原理，在干擾源方向形成波束零點(diǎn)；利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和檢測(cè)；利用自適應(yīng)技術(shù)自動(dòng)調(diào)整天線波束的零點(diǎn)指向，使干擾信號(hào)最小，通過波束形成算法，設(shè)置對(duì)期望信號(hào)到達(dá)方向（衛(wèi)星來(lái)波方向）的增益約束，保證天線主波束始終指向有用信號(hào)方向。

一般M陣元的天線陣列有M-1個(gè)自由度，可形成多個(gè)方向圖零陷，有效抑制不同方向的干擾信號(hào)。干擾越強(qiáng)，自適應(yīng)調(diào)零天線零陷越深。目前工程水平可以實(shí)現(xiàn)大于40 dB的干擾抑制。

采用自適應(yīng)調(diào)零天線，在通信和干擾來(lái)波方向夾角較大時(shí)，抗干擾效果明顯，能有效提高接收機(jī)輸入信干比，但當(dāng)信號(hào)和干擾方向一致或十分接近時(shí)，則干擾抑制作用基本消失。

3.3 直接序列擴(kuò)頻

自適應(yīng)調(diào)零天線可以抑制接收端數(shù)量有限的較強(qiáng)干擾，為進(jìn)一步提高系統(tǒng)抗干擾性能，應(yīng)對(duì)更多的其他形式干擾，如窄帶、寬帶、多徑干擾等，系統(tǒng)可進(jìn)一步采用直接序列擴(kuò)頻方式。

當(dāng)干擾信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)后，包括接收機(jī)熱噪聲，擴(kuò)頻系統(tǒng)接收的每比特信號(hào)能量與單邊噪聲、干擾功率譜密度比為［2］

式中，Eb為每比特信號(hào)能量，nj為干擾單邊功率譜密度，n0為等效噪聲單邊功率譜密度，W為擴(kuò)頻帶寬（近似等于擴(kuò)頻碼速率Rc），Ps為有用信號(hào)功率，Pj為干擾功率，Rb為信息速率，Gp=Rc／Rb為擴(kuò)頻處理增益。

由式（2）可以得出如下結(jié)論：

（1）系統(tǒng)正常工作，（SNR）O＞（SNR）th；

（2）當(dāng)（SNR）O足夠大時(shí)，接收機(jī)等效噪聲單邊功率譜密度n0對(duì)抗干擾性能的影響可以忽略，式（2）變形為

（3）Gp、（SNR）th一定時(shí)，系統(tǒng)干擾容限隨（SNR）O增加而增加，同時(shí)其增量隨（SNR）O增加而減小。不同Gp，干擾容限與（SNR）O-（SNR）th的變化關(guān)系一致。

?。郏⊿NR）th］為10 dB，直擴(kuò)系統(tǒng)干擾容限與輸入信噪比對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。

從圖1可以看出，當(dāng)［（SNR）O］超過［（SNR）th］8 dB以上時(shí)，干擾容限值趨于穩(wěn)定。工程設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)合抗干擾性能要求及實(shí)現(xiàn)代價(jià)，?。⊿NR）O高于（SNR）th3～8 dB為宜。

衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，［（SNR）O］取上下行鏈路總信噪比（Eb／n0）total，即：

式中，（Eb／n0）u、（Eb／n0）d分別表示上、下行鏈路每比特信號(hào)能量與單邊噪聲功率譜密度比。

星上再生轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，信號(hào)分別在星上和衛(wèi)星通信終端解擴(kuò)、解調(diào)，上下行鏈路相互獨(dú)立，（SNR）O分別取上、下行鏈路的信噪比（Eb／n0）u和（Eb／n0）d。

4 抗干擾性能分析

4.1 衛(wèi)星通信干擾模型

衛(wèi)星通信信道由上行鏈路、衛(wèi)星、下行鏈路組成。一個(gè)完整的通信鏈路中，可分別針對(duì)上行鏈路、衛(wèi)星、下行鏈路3處實(shí)施干擾（對(duì)衛(wèi)星的干擾亦是通過上行信號(hào)對(duì)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器干擾，只是干擾信號(hào)不一定在信號(hào)頻帶內(nèi)）。衛(wèi)星通信信道干擾模型如圖2所示［1］。

設(shè)定衛(wèi)星通信信道模型參數(shù)如下：

擴(kuò)頻碼速率Rc=8 Mchip／s；數(shù)據(jù)速率Rb= 1 kbit／s；擴(kuò)頻處理增益［Gp］=39.03 dB；衛(wèi)星通信終端接收解調(diào)門限信噪比［（SNR）th］=10 dB；下行載波頻率fd=2.5 GHz（對(duì)應(yīng)的自由空間傳播損耗［L］=192 dB）；衛(wèi)星輸出功率［（EIRP）s］=35 dBW；衛(wèi)星通信終端自適應(yīng)調(diào)零接收天線增益［GE］=6 dB，干擾抑制能力［GA］=40 dB；衛(wèi)星通信終端接收等效噪聲溫度Td=300 K；若（SNR）O足夠高，直接序列擴(kuò)頻后，接收端干擾容限

再加上自適應(yīng)調(diào)零天線的空域干擾抑制能力，接收端干擾容限

可見擴(kuò)頻和自適應(yīng)調(diào)零天線相結(jié)合，使接收端干擾容限大幅提高。但衛(wèi)星通信鏈路的抗干擾性能不完全等同于接收端的抗干擾性能。干擾條件不同，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)方式不同，衛(wèi)星通信上、下行鏈路抗干擾性能亦不同。

下面分別討論只存在上行鏈路干擾、只存在下行鏈路干擾和同時(shí)存在上下行鏈路干擾情況下的系統(tǒng)抗干擾性能。

4.2 只存在上行鏈路干擾時(shí)系統(tǒng)抗干擾性能

（1）透明轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)

令轉(zhuǎn)發(fā)器輸入干信比為JSRu，輸出干信比為JSRo，取Δ=，Δ＞1［1］。

衛(wèi)星輸出的有用信號(hào)功率?

衛(wèi)星輸出的干擾信號(hào)功率

衛(wèi)星通信終端接收到的有用信號(hào)功率

衛(wèi)星通信終端接收到的干擾信號(hào)功率

衛(wèi)星通信終端噪聲功率為kTdW。

根據(jù)干擾容限定義，當(dāng)下行鏈路無(wú)干擾時(shí)，衛(wèi)星通信終端干擾容限

變換式（5），得透明轉(zhuǎn)發(fā)（用下標(biāo)T表示）時(shí)上行鏈路允許的最大干信比為

上行鏈路干擾隨有用信號(hào)一起從衛(wèi)星下來(lái)，接收端自適應(yīng)調(diào)零天線無(wú)法對(duì)其進(jìn)行空域鑒別、隔離。將設(shè)定的衛(wèi)星通信信道模型參數(shù)代人式（6），得

由式（7）可見，干擾容限設(shè)計(jì)值為29.03 dB的DSSS系統(tǒng)，通過衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)，在衛(wèi)星通信終端接收天線增益6 dB，等效噪溫300 K的條件下，上行鏈路抗干擾能力降為12.49-［Δ］dB，［Δ］為透明轉(zhuǎn)發(fā)器引入的信干比損失。上行鏈路允許的最大干信比與衛(wèi)星通信終端接收G／T值對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

從圖3可以看出，衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，上行鏈路抗干擾能力與下行鏈路接收能力相關(guān)。當(dāng)衛(wèi)星通信終端接收能力較弱（G／T值?。r(shí)，上行鏈路干擾對(duì)星上功率的掠奪會(huì)導(dǎo)致下行鏈路信噪比降低，接收機(jī)前端的高斯白噪聲將嚴(yán)重影響DSSS系統(tǒng)的抗干擾能力。隨著下行鏈路接收能力的增強(qiáng)，DSSS系統(tǒng)上行鏈路抗干擾能力受到的影響將會(huì)減弱。當(dāng)接收G／T值大于5 dB后，上行鏈路允許的最大干信比值趨于穩(wěn)定，接收端噪聲影響基本可以忽略。

（2）再生轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)

星上再生轉(zhuǎn)發(fā)（用下標(biāo)R表示）時(shí)，上行鏈路允許的最大干信比即上行鏈路干擾容限（設(shè)星上解調(diào)輸入（SNR）O足夠大）：

式中，（Eb／No）sth為星上解調(diào)門限信噪比。系統(tǒng)上行鏈路抗干擾能力取決于星上接收解調(diào)能力。設(shè)星上解調(diào)門限信噪比與衛(wèi)星通信終端解調(diào)門限信噪比一致，則上行鏈路干擾容限同設(shè)計(jì)干擾容限值，即：

星上再生處理可以避免非線性效應(yīng)造成的衛(wèi)星功率掠奪和互調(diào)干擾，保證星上功率的充分利用，抗上行干擾能力強(qiáng)于透明轉(zhuǎn)發(fā)，特別有利于小口徑終端。

4.3 只存在下行鏈路干擾時(shí)系統(tǒng)抗干擾性能

不論透明轉(zhuǎn)發(fā)還是再生轉(zhuǎn)發(fā)，衛(wèi)星EIRP全部用于有用信號(hào)。

衛(wèi)星通信終端接收到的有用信號(hào)功率Ps=（EIRP）s（1／L）GE。

衛(wèi)星通信終端接收允許的最大干擾功率

式中，JA為自適應(yīng)調(diào)零天線作用范圍內(nèi)最大可承受的干擾功率。

下行鏈路允許的最大干信比即干擾容限

由式（12）、式（13）可見，再生轉(zhuǎn)發(fā)抗下行鏈路干擾能力優(yōu)于透明轉(zhuǎn)發(fā)。由式（12）～（15）可見，自適應(yīng)調(diào)零天線（干擾抑制能力為［GA］）在抗下行鏈路干擾方面作用顯著。

4.4 上下行鏈路同時(shí)存在干擾時(shí)系統(tǒng)抗干擾性能

（1）透明轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)

上行鏈路允許的最大干信比

式中，JD為下行鏈路衛(wèi)星通信終端收到的有效干擾功率。

當(dāng)下行鏈路干擾與衛(wèi)星來(lái)波方向不同，干擾強(qiáng)度＜JA時(shí)，JD=0，自適應(yīng)調(diào)零天線從空域完全抑制干擾，可認(rèn)為系統(tǒng)無(wú)下行鏈路干擾，式（16）等同式（6）；當(dāng)干擾與衛(wèi)星信號(hào)來(lái)波方向一致或十分接近時(shí)，天線對(duì)干擾無(wú)抑制作用，JD=干擾強(qiáng)度，式（16）

較式（6）增加了一個(gè)惡化因子JD，系統(tǒng)上行鏈路允許的最大干信比隨下行鏈路干擾的增強(qiáng)而減弱。

當(dāng)系統(tǒng)上、下行鏈路均存在干擾時(shí)，下行鏈路衛(wèi)星通信終端允許的最大干擾功率

PjmaxT3=PsMj-kTdW+JA=

下行鏈路最大干信比即下行鏈路干擾容限

式（18）與式（12）雖表達(dá)形式一樣，但由于干擾條件不同，上下行鏈路信噪比及總的鏈路信噪比值不同，所得結(jié)果也不同。

代入設(shè)定的信道模型參數(shù)值，得

（2）再生轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)

再生轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，上行鏈路和下行鏈路分別解調(diào)，抗干擾性能相互獨(dú)立。上行鏈路干擾容限如式（9）所示，下行鏈路衛(wèi)星通信終端允許的最大干擾功率同式（10），下行鏈路干擾容限同式（13）、式（15）。

通過上面分析，比較式（16）～（20），當(dāng)上下行鏈路都存在干擾時(shí)，再生轉(zhuǎn)發(fā)上下行鏈路的抗干擾性能均優(yōu)于透明轉(zhuǎn)發(fā)。

5 結(jié)束語(yǔ)

從實(shí)際性能和工程實(shí)現(xiàn)考慮，各種抗干擾技術(shù)都有其優(yōu)點(diǎn)和不足。直接序列擴(kuò)頻和自適應(yīng)調(diào)零天線分別從頻域和空域進(jìn)行干擾抑制，兩者兼容性好，可相互彌補(bǔ)不足。直接序列擴(kuò)頻和自適應(yīng)調(diào)零天線相結(jié)合的技術(shù)體制經(jīng)星上再生處理轉(zhuǎn)發(fā)可以極大地壓制強(qiáng)干擾信號(hào)，是衛(wèi)星通信中的有效抗干擾手段。

［1］張邦寧，魏安全，郭道省，等.通信抗干擾技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006. ZHANG Bang-ning，WEI An-quan，GUO Dao-xing，et al.Communication Anti-jamming Technology［M］.Beijing：Machine Press，2006.（in Chinese）

［2］Kaplan E D.GPS原理與應(yīng)用［M］.2版.邱致和，王萬(wàn)義，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2002：140-141. Kaplan E D.GPS Principle and Application［M］.2 nd ed.Translated by QIU Zhi-he，WANG Wan-yi.Beijing：Publishing House of Electronic Industry，2002：140-141.（in Chinese）

Anti-jamming Design Consideration and Performance Analysis in Satellite Communication

HUANG Ai-jun
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

A satellite communication anti-jamming design combing directsequence spread spectrum（DSSS）and adaptive nulling antenna is proposed.For different jamming conditions and satellite transponding modes，theoreticalanalysis ofsystem anti-jamming performance is given.Itis concluded thatthe system anti-jamming capability can be effectivly improved by combining DSSS and adaptive nulling antenna and then performing onboard regeneration processing and transponding.

satellite communication；anti-jamming；DSSS；adaptive nulling；jamming tolerance

TN927

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.03.001

黃愛軍（1968—），女，四川眉山人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信。

1001-893X（2012）03-0259-05

2012-02-06；

2012-03-08

HUANG Ai-jun was born in Meishan，Sichuan Province，in 1968.She is now a senior engineer.Her research concerns satellite communication.

Email：huangaijx＠sina.com