擴(kuò)頻測(cè)控系統(tǒng)的抗干擾能力分析

張 旭,吳 潛

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

隨著國(guó)際形勢(shì)的發(fā)展,航天測(cè)控系統(tǒng)在高覆蓋率、多目標(biāo)同時(shí)測(cè)控、信息安全、防摧毀能力、高抗干擾能力等方面有著新的需求。擴(kuò)頻測(cè)控技術(shù)因其優(yōu)越的隱蔽性能、良好的抗干擾性能以及抗衰落[1,2]等特點(diǎn),得到了迅速發(fā)展。

測(cè)控通信系統(tǒng)中干擾的形式是多種的,有單頻干擾、窄帶干擾、寬帶干擾以及白噪聲干擾等。在不同的干擾下,擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾能力是不同的。研究擴(kuò)頻系統(tǒng)抗干擾能力可用于指導(dǎo)測(cè)控系統(tǒng)抗干擾試驗(yàn),為其提供理論方法與相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)基準(zhǔn),為測(cè)控抗干擾試驗(yàn)系統(tǒng)的改進(jìn)提供依據(jù)。針對(duì)擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾性能,很多文獻(xiàn)都進(jìn)行了分析,主要集中在對(duì)比系統(tǒng)對(duì)各類干擾的處理增益[3,4]或系統(tǒng)面對(duì)各類干擾的誤碼性能[5,6]。本文基于直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng),側(cè)重分析抗各種干擾的原理及抗干擾能力,對(duì)擴(kuò)頻系統(tǒng)和非擴(kuò)頻系統(tǒng)對(duì)抗各種干擾的性能進(jìn)行全面比較,給出了具有抗干擾能力的擴(kuò)頻接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路,最后通過(guò)建模仿真驗(yàn)證了理論分析結(jié)果。

2 擴(kuò)頻系統(tǒng)抗干擾原理分析與設(shè)計(jì)建議

在直接序列擴(kuò)頻中,抗干擾的基本原理是在發(fā)射端用偽碼對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制,在接收端對(duì)接收的有用信號(hào)用同步偽碼進(jìn)行解擴(kuò),此時(shí)干擾信號(hào)則被擴(kuò)頻。下面以BPSK直擴(kuò)系統(tǒng)為例,分別針對(duì)單頻干擾、窄帶干擾和寬帶干擾等進(jìn)行具體分析。

2.1 單頻干擾和窄帶干擾

擴(kuò)頻系統(tǒng)對(duì)單頻干擾和窄帶干擾的抗干擾原理相同。經(jīng)解擴(kuò)后,被擴(kuò)頻的有用信號(hào)與擴(kuò)頻碼序列相乘恢復(fù)為窄帶信號(hào),干擾信號(hào)的頻譜被擴(kuò)展,通過(guò)窄帶濾波器后,濾掉干擾信號(hào)的大部分能量,提高了解擴(kuò)后的信噪比,從而達(dá)到抗干擾的目的。

以同頻干擾信號(hào)為例進(jìn)行分析。設(shè) s(t)為解擴(kuò)系統(tǒng)收到的信號(hào)形式[7]:

在收端經(jīng)解擴(kuò)后,信號(hào)形式為

可以看出,有用的調(diào)制信號(hào)被恢復(fù)成窄帶信號(hào),而單頻干擾信號(hào)則被PN碼擴(kuò)展。

2.2 寬帶偽隨機(jī)序列干擾

本文提到的寬帶干擾主要指帶寬大于等于擴(kuò)頻信號(hào)帶寬的干擾信號(hào)。通常為使干擾能量集中,寬帶干擾信號(hào)的帶寬等于擴(kuò)頻信號(hào)的帶寬。

對(duì)于偽隨機(jī)序列的寬帶干擾,當(dāng)偽隨機(jī)序列與擴(kuò)頻系統(tǒng)偽碼時(shí)鐘同步且碼率成整倍數(shù)關(guān)系時(shí),干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)解擴(kuò)系統(tǒng)后,頻譜將不會(huì)被擴(kuò)展,相應(yīng)地,干擾信號(hào)功率譜密度不會(huì)下降。這時(shí),擴(kuò)頻系統(tǒng)對(duì)寬帶干擾信號(hào)沒(méi)有更好的抑制作用。當(dāng)偽隨機(jī)序列與擴(kuò)頻系統(tǒng)偽碼時(shí)鐘異步時(shí),干擾信號(hào)與擴(kuò)頻系統(tǒng)偽碼相乘后,頻譜會(huì)被擴(kuò)展,其功率譜密度將降低,從而有效抑制了干擾。

在偽隨機(jī)序列寬帶干擾中較為特殊的是相關(guān)偽碼擴(kuò)頻干擾,指進(jìn)入接收機(jī)的干擾信號(hào)與有用信號(hào)中心頻率相同,具有相同的擴(kuò)頻碼型,且兩者精確同步。該信號(hào)經(jīng)過(guò)解擴(kuò)系統(tǒng)后,與系統(tǒng)偽碼相乘,恢復(fù)為窄帶信號(hào),干擾功率可完全進(jìn)入,直擴(kuò)系統(tǒng)對(duì)其處理增益為0。但采用此種干擾形式需要完全掌握對(duì)方擴(kuò)頻系統(tǒng)所使用的擴(kuò)頻碼,且需做到完全同步,這是非常困難的。

2.3 白噪聲干擾

白噪聲干擾屬于另一種寬帶干擾。當(dāng)干擾在整個(gè)頻帶均勻分布時(shí),即帶寬無(wú)限寬,成為白噪聲干擾。實(shí)際上,理想白噪聲是不存在的。當(dāng)噪聲帶寬大于或等于接收機(jī)帶寬時(shí),此寬帶噪聲即可看作白噪聲。圖1所示為相同白噪聲干擾條件下,擴(kuò)頻系統(tǒng)和非擴(kuò)頻系統(tǒng)的比較。白噪聲信號(hào)與擴(kuò)頻序列不相關(guān),進(jìn)入解擴(kuò)系統(tǒng)以后,其頻譜不會(huì)被擴(kuò)展,解擴(kuò)前后干擾信號(hào)的功率譜密度不發(fā)生改變,經(jīng)過(guò)接收機(jī)濾波以后,通過(guò)的干擾信號(hào)功率是相同的。因此,擴(kuò)頻系統(tǒng)與不擴(kuò)頻系統(tǒng)相比對(duì)于抗白噪聲干擾沒(méi)有改善。但在干擾功率一定的條件下,白噪聲干擾的功率譜密度更低,比窄帶干擾或單頻干擾的干擾效果差。

圖1 白噪聲干擾下擴(kuò)頻系統(tǒng)和非擴(kuò)頻系統(tǒng)比較Fig.1 Comparison between DS system and non-DS system under white noise interference

2.4 擴(kuò)頻抗干擾接收機(jī)設(shè)計(jì)建議

在擴(kuò)頻測(cè)控中,接收機(jī)接收的信號(hào)通常具有較大的多普勒,要求接收機(jī)在一定多普勒范圍內(nèi)完成擴(kuò)頻碼和載波的捕獲,進(jìn)而解調(diào)出信息。從上述擴(kuò)頻系統(tǒng)對(duì)多種干擾信號(hào)的抗干擾機(jī)理分析可以看出,擴(kuò)頻系統(tǒng)對(duì)干擾信號(hào)具有抗干擾能力的前提是建立在擴(kuò)頻接收機(jī)首先完成對(duì)接收信號(hào)的“二次擴(kuò)頻”基礎(chǔ)上,“二次擴(kuò)頻”指的是對(duì)有用信號(hào)的解擴(kuò),對(duì)干擾信號(hào)的擴(kuò)頻。

目前擴(kuò)頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)在捕獲方式上主要可以分為兩類。一類是,首先在時(shí)間域和頻域同時(shí)進(jìn)行的二維搜索過(guò)程完成擴(kuò)頻碼捕獲和多普勒的估計(jì),再完成載波的同步和信號(hào)的解調(diào)。另一類是,直接對(duì)接收信號(hào)平方,去掉擴(kuò)頻碼和調(diào)制信息,然后FFT測(cè)頻完成多普勒估計(jì),最后在載波同步的基礎(chǔ)上輔助完成擴(kuò)頻碼的同步,這種思路可以簡(jiǎn)化接收機(jī)的設(shè)計(jì),提高捕獲時(shí)間,但是從本質(zhì)上講在信號(hào)的捕獲過(guò)程中沒(méi)有對(duì)干擾信號(hào)擴(kuò)頻,沒(méi)有最大限度地利用擴(kuò)頻碼降低干擾信號(hào)功率譜密度的功能。因此,要在擴(kuò)頻接收機(jī)中有效實(shí)現(xiàn)抗干擾的能力,建議采用第一類捕獲方式。

3 擴(kuò)頻系統(tǒng)抗干擾性能比較

抗干擾容限表示系統(tǒng)在某一干擾條件下能夠正常工作的能力,以干擾功率與信號(hào)功率的比值表示[3,4,8,9]:

式中,α為系統(tǒng)損耗;S0/N0為要求的接收機(jī)信噪比,可根據(jù)相應(yīng)誤碼率對(duì)信噪比的要求來(lái)確定;Gp為處理增益[6,10]。

在現(xiàn)有文獻(xiàn)中,給出的處理增益通常都只與干擾信號(hào)的帶寬相關(guān),而實(shí)際上,同樣帶寬的干擾信號(hào)產(chǎn)生的干擾效果并不完全相同。下面詳細(xì)分析各類干擾的處理增益。

3.1 單頻干擾

單頻干擾通過(guò)濾波器輸出的有效干擾功率與濾波器帶寬Bm有關(guān)。設(shè)有用信號(hào)功率為P,干擾功率為P′,擴(kuò)頻系統(tǒng)擴(kuò)頻帶寬為Bs,經(jīng)過(guò)接收機(jī)濾波后的有效干擾功率為(P′/Bs)Bm,有用信號(hào)功率不發(fā)生改變?nèi)詾镻,因此其增益應(yīng)為

式中,n=Bs/Bm表示干擾信號(hào)被擴(kuò)展的倍數(shù),反映了干擾功率降低的情況。

以同樣的干擾對(duì)非擴(kuò)頻系統(tǒng)進(jìn)行干擾,干擾功率完全進(jìn)入,處理增益為0。

3.2 窄帶干擾

窄帶干擾經(jīng)解擴(kuò)后其頻譜被擴(kuò)展,擴(kuò)展后的帶寬有兩種情況。文獻(xiàn)[3,6]描述,窄帶干擾頻譜擴(kuò)展后的帶寬為(Bs+Bj)。此時(shí),處理增益為

式(7)描述僅為其中一種情況。本文補(bǔ)充描述的另一種情況是,當(dāng)窄帶干擾是偽隨機(jī)序列調(diào)制信號(hào),而其偽碼時(shí)鐘與擴(kuò)頻系統(tǒng)偽碼時(shí)鐘同步且碼率為整倍數(shù)關(guān)系時(shí),干擾頻譜擴(kuò)展后帶寬為 Bs。此時(shí),處理增益由式(6)給出。

以同樣的窄帶干擾對(duì)非擴(kuò)頻系統(tǒng)進(jìn)行干擾,有效干擾功率為(P′/Bj)Bm。若 Bj小于Bm,則干擾功率全部進(jìn)入;若Bj小于Bm,則干擾功率進(jìn)入一部分。

3.3 寬帶干擾

在文獻(xiàn)[3,6,8]中,寬帶干擾的處理增益被描述為Gp=M+3,這也是通常文獻(xiàn)所說(shuō)的擴(kuò)頻系統(tǒng)中采用寬帶干擾會(huì)比單頻干擾多出一倍的功率代價(jià)。本文將寬帶干擾的處理增益分以下幾種情況分別討論。

寬帶偽隨機(jī)序列干擾信號(hào)的偽隨機(jī)序列與擴(kuò)頻系統(tǒng)偽碼時(shí)鐘同步且碼率為整倍數(shù)關(guān)系時(shí),干擾頻譜不會(huì)被擴(kuò)展,保持為Bj,經(jīng)濾波后,有效干擾功率為(P′/Bj)Bm。因此,處理增益為

當(dāng)干擾帶寬等于Bs時(shí),Gp=M。

大多時(shí)候干擾信號(hào)偽隨機(jī)序列與擴(kuò)頻系統(tǒng)偽碼時(shí)鐘不同步,干擾頻譜將被擴(kuò)展,擴(kuò)頻后帶寬為(Bs+Bj),經(jīng)過(guò)接收機(jī)濾波后的有效干擾功率為(P′/(Bj+Bs))Bm,其增益為

當(dāng)干擾帶寬等于Bs時(shí),Gp=M+3。

對(duì)于寬帶白噪聲干擾,干擾頻譜不被擴(kuò)展,其處理增益同式(8)。

以同樣的寬帶干擾對(duì)非擴(kuò)頻系統(tǒng)進(jìn)行干擾,能夠通過(guò)的有效干擾功率為(P′/Bj)Bm,處理增益與擴(kuò)頻系統(tǒng)相同。

由上述分析,無(wú)論是擴(kuò)頻系統(tǒng)還是非擴(kuò)頻系統(tǒng),寬帶干擾的有效干擾功率都較單頻干擾和窄帶干擾低,其干擾效果更差。而偽隨機(jī)序列與系統(tǒng)PN碼相同且同步的寬帶調(diào)制信號(hào),其干擾效果非常優(yōu)越,被稱為最佳干擾形式[3],但對(duì)于敵意干擾,要想準(zhǔn)確獲知系統(tǒng)PN碼是非常困難的。

文獻(xiàn)[5]指出,由于擴(kuò)頻系統(tǒng)相對(duì)非擴(kuò)頻系統(tǒng)來(lái)說(shuō),抗窄帶干擾或單頻干擾的性能更好,而抗寬帶干擾則無(wú)優(yōu)越性,因此要對(duì)擴(kuò)頻系統(tǒng)實(shí)施干擾,采用寬帶干擾比采用單頻干擾或窄帶干擾更好。但實(shí)際上,在同樣功率的干擾下,寬帶干擾即使頻譜不能被PN碼擴(kuò)展,其功率譜密度比窄帶干擾或單頻干擾經(jīng)過(guò)PN碼擴(kuò)展后的功率譜密度也更低,進(jìn)入濾波器的有效干擾功率仍是小于窄帶干擾或單頻干擾的。因此,并不能說(shuō)明寬帶干擾比窄帶干擾或單頻干擾的效果更佳。文獻(xiàn)[11]的結(jié)論也說(shuō)明了這點(diǎn)。

4 抗干擾性能仿真

下面分別針對(duì)單頻干擾、偽碼調(diào)制信號(hào)干擾(包括窄帶和寬帶)和白噪聲干擾進(jìn)行仿真。

4.1 單頻干擾

在擴(kuò)頻系統(tǒng)中加入與中心頻率同頻、同相的單載波干擾,測(cè)試不同干信比下系統(tǒng)的誤碼性能。將系統(tǒng)損耗為0時(shí)算出的理論抗干擾容限Mj與仿真實(shí)測(cè)干信比J/S相比較,結(jié)果如圖2(a)所示。仿真結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了對(duì)擴(kuò)頻系統(tǒng)抗單頻干擾性能的理論分析。

在非擴(kuò)頻系統(tǒng)中,加入上述單頻干擾信號(hào)。針對(duì)不同的干擾功率與信號(hào)功率比,測(cè)試系統(tǒng)解調(diào)后的誤碼情況,仿真結(jié)果如圖2(b)所示。

圖2 單頻干擾對(duì)擴(kuò)頻系統(tǒng)及非擴(kuò)頻系統(tǒng)的影響Fig.2 The influence of single carrier interference on DS and non-DS systems

4.2 偽碼調(diào)制信號(hào)干擾

窄帶偽碼調(diào)制信號(hào)干擾與寬帶偽碼調(diào)制信號(hào)干擾類似,下面以兩種帶寬(100 Hz,10 kHz)的偽碼調(diào)制信號(hào)干擾為例進(jìn)行仿真。使干擾的偽碼時(shí)鐘與擴(kuò)頻系統(tǒng)碼鐘不同步。仿真結(jié)果如圖3所示,從圖中可以看出,擴(kuò)頻系統(tǒng)抗10 kHz干擾信號(hào)的能力較抗100 Hz干擾信號(hào)能力略強(qiáng)。

圖3 擴(kuò)頻系統(tǒng)抗偽碼調(diào)制信號(hào)干擾性能Fig.3 The influence of PN code modulation signal interference on DS system

在非擴(kuò)頻系統(tǒng)中,采用偽碼調(diào)制信號(hào)進(jìn)行干擾,其性能如圖4所示。

圖4 偽碼調(diào)制信號(hào)干擾下非擴(kuò)頻系統(tǒng)性能Fig 4 The influence of PN code modulation signal interference on non-DS system

從圖4可以看出,干擾帶寬小于窄帶濾波器帶寬Bm時(shí),干擾信號(hào)功率完全進(jìn)入,此時(shí)當(dāng)干擾功率大于等于信號(hào)功率即會(huì)產(chǎn)生誤碼;干擾帶寬大于Bm時(shí),干擾信號(hào)功率只有一部分進(jìn)入,其誤碼性能比前者好。

4.3 白噪聲干擾

仿真中,白噪聲帶寬為1 MHz。分別在擴(kuò)頻系統(tǒng)和非擴(kuò)頻系統(tǒng)中加入該白噪聲干擾,仿真實(shí)測(cè)結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?對(duì)于擴(kuò)頻系統(tǒng)和非擴(kuò)頻系統(tǒng),受到相同的白噪聲干擾,系統(tǒng)誤碼性能相同。

圖5 白噪聲干擾下擴(kuò)頻與非擴(kuò)頻系統(tǒng)性能Fig.5 The influence of white noise interference on DS and non-DS systems

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)擴(kuò)頻系統(tǒng)抗干擾機(jī)理以及不同形式干擾信號(hào)對(duì)擴(kuò)頻系統(tǒng)干擾效果和相應(yīng)的抗干擾容限進(jìn)行了詳盡研究。研究發(fā)現(xiàn)與非擴(kuò)頻系統(tǒng)相比,擴(kuò)頻系統(tǒng)對(duì)單頻干擾的抑制最好,相干偽碼干擾信號(hào)會(huì)極大地干擾擴(kuò)頻系統(tǒng),對(duì)非擴(kuò)頻系統(tǒng)的影響則較小。在擴(kuò)頻測(cè)控系統(tǒng)抗干擾接收機(jī)的設(shè)計(jì)中,建議先進(jìn)行碼捕獲,再完成載波同步和信號(hào)解調(diào)。本文的研究結(jié)果對(duì)于指導(dǎo)擴(kuò)頻測(cè)控系統(tǒng)抗干擾實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展具有積極意義。

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