衛(wèi)星通信地球站干擾條件下性能仿真與分析＊

陳樂(lè)伯 徐 慨 鮑 凱

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

衛(wèi)星地球站面臨的無(wú)意干擾有很多種，按干擾源所處的地理位置，干擾可以分為三種形式，即地基干擾、天基際干擾和空基干擾［1］。地基干擾以地面廣播電視臺(tái)、微波接力站和雷達(dá)站等為主，這些站點(diǎn)距離地球站很近，且分布較廣，即使很小的干擾也可能對(duì)地球站產(chǎn)生干擾。文獻(xiàn)［2］研究了微波站對(duì)C波段接收地球站的干擾情況，文獻(xiàn)［3］研究了雷達(dá)信號(hào)對(duì)4GHz頻段固定站的干擾。

本文在干擾性能分析的基礎(chǔ)上，給出了地球站常見(jiàn)干擾信號(hào)的模型，并建立衛(wèi)星通信干擾仿真模型，研究了不同信號(hào)干擾時(shí)地球站的誤碼率性能。

2 干擾條件下的性能分析

當(dāng)?shù)厍蛘局車(chē)臻g存在電磁干擾時(shí)，用J表示干擾信號(hào)總功率，W 表示干擾分布帶寬。地球站接收機(jī)輸入端的載波功率與總的噪聲和干擾功率譜密度之比為［4］

其中，Nou、Nod分別表示上行和下行噪聲功率譜密度。對(duì)于不同的干擾試樣，需要修正其中的J／W，如果干擾在信號(hào)頻帶之外，則對(duì)信噪比沒(méi)有影響。

假定干擾信號(hào)帶寬占接收機(jī)帶寬B的比值為ρ。將式（1）整理得：

EIRPi、EIRPs分別表示發(fā)射地球站和衛(wèi)星的有效全向輻射功率；Lu、Ld分別表示上行和下行自由空間損耗；L′表示大氣衰減，相對(duì)于自由空間損耗可以忽略不計(jì)；［G／T］t、［G／T］r分別表示衛(wèi)星和接收地球站的品質(zhì)因素；k是波爾茲曼常數(shù)，10lgk＝－228.6（dB）；BOo表示衛(wèi)星上高功放的輸出回退量。

信號(hào)傳輸速率為Rb時(shí)，C＝EbRb，由式（2）可得接收系統(tǒng)總的信噪比為

無(wú)干擾時(shí)，對(duì)于QPSK調(diào)制方式，誤碼率Pb可表示為

當(dāng)存在干擾時(shí)，誤碼率公式修正為：

3 干擾信號(hào)功率譜密度

衛(wèi)星通信中干擾信號(hào)樣式主要有：?jiǎn)我舾蓴_、多音干擾、寬帶噪聲干擾、部分頻帶噪聲干擾、窄帶噪聲干擾、脈沖干擾等［5～6］。下面給出幾種常見(jiàn)干擾信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式和功率譜密度表達(dá)式。

3.1 單音干擾

單音干擾是音調(diào)干擾的一種，信號(hào)形式可表示為［7］

假設(shè)相位ψ是在［0，2π］上均勻分布的隨機(jī)變量，可以求得單頻干擾信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)為

其功率譜密度函數(shù)為

而多音干擾可看著是由Ni個(gè)獨(dú)立的具有相同功率的單音干擾組成。在一段時(shí)間內(nèi)，干擾信號(hào)的頻率會(huì)改變，干擾頻率fj為隨機(jī)變量。

當(dāng)Ni?1時(shí)，多音干擾信號(hào)類(lèi)似與高斯噪聲［8］。

3.2 脈沖干擾

設(shè)脈沖干擾的脈沖周期為T(mén)，脈沖寬度為τ，在接收機(jī)帶寬內(nèi)干擾信號(hào)的平均功率為Pj，其功率譜密度可表示為［9］

假設(shè)一個(gè)干擾脈沖持續(xù)整個(gè)數(shù)據(jù)碼元，那么它將間斷地影響整個(gè)數(shù)據(jù)碼元，脈沖干擾的有效時(shí)間為τ／T。在干擾脈寬以外，干擾功率為0，只考慮噪聲引起的誤碼率，在干擾脈寬內(nèi)，系統(tǒng)的誤碼率可表示為

所以，平均誤碼率為［12］

4 仿真模型建立與結(jié)果分析

采用MATLAB／SIMULINK搭建仿真模型，如圖1所示。隨機(jī)數(shù)發(fā)生器采用幀格式輸出，采樣頻率為25kHz，每幀包含100個(gè)采樣點(diǎn)。然后對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行QPSK調(diào)制，相位偏移設(shè)置為π／4，然后調(diào)制信號(hào)進(jìn)入滾降系數(shù)α＝0.3、向上采樣數(shù)為8的升余弦濾波器進(jìn)行濾波。高功放采用Saleh模型，AM／AM 參數(shù)設(shè)置為［2.1587 1.1517］，AM／PM參數(shù)設(shè)為［4.033 9.104］。衛(wèi)星發(fā)射天線直徑為0.4m，下行信號(hào)頻率為f＝4GHz，衛(wèi)星高度為36000km，可算得下行鏈路自由空間損耗為196dB。接收系統(tǒng)噪聲溫度設(shè)為典型噪聲水平T＝290K。下行鏈路相位噪聲設(shè)為－100dBc／Hz。濾波與解調(diào)參數(shù)設(shè)置和前面發(fā)射機(jī)單元相對(duì)應(yīng)。利用仿真模型分別對(duì)幾種干擾信號(hào)進(jìn)行仿真。

圖1 干擾仿真模型

對(duì)于不同幅度的單音干擾信號(hào)，設(shè)置每周期采樣點(diǎn)數(shù)為10，采樣時(shí)間為0.0001s，此時(shí)信號(hào)頻率為1kHz。分別設(shè)信號(hào)幅度為0、3、7、12進(jìn)行仿真，可得系統(tǒng)誤碼率關(guān)系曲線如圖2所示。圖2中A的值表示干擾信號(hào)幅度?？梢钥闯霎?dāng)A＝0，即無(wú)干擾時(shí)誤碼率最低，在相同信噪比情況下，隨著干擾信號(hào)幅度增大，系統(tǒng)誤碼率性能下降。這是因?yàn)榉仍酱螅蓴_功率越大，對(duì)地球站接收系統(tǒng)的影響也就越大。

對(duì)于脈沖干擾，當(dāng)脈沖信號(hào)每周期采樣數(shù)為100，采樣時(shí)將為0.0001s，即脈沖重復(fù)頻率f＝100Hz時(shí)，取脈沖寬度t＝1ms，分別設(shè)脈沖最大幅值為0、3、7和12進(jìn)行系統(tǒng)仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，A＝0時(shí)即表示無(wú)干擾情況，誤碼率較小。隨著干擾幅值的增加，誤碼率隨之變大。與單音干擾情況結(jié)論一致。

圖2 單音干擾時(shí)的誤碼率曲線

圖3 脈沖干擾時(shí)系統(tǒng)誤碼率曲線

將取相同平均功率時(shí)的單音干擾、多音干擾和脈沖干擾進(jìn)行比較，仿真結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，多音干擾時(shí)地球站接收系統(tǒng)誤碼率比單音干擾大，而信噪比小于20dB時(shí)，脈沖干擾對(duì)地球站接收系統(tǒng)干擾最大。這是因?yàn)閷?duì)于平均功率相同的脈沖干擾和其他干擾樣式，脈沖干擾將主要的能量都集中在了很小的脈沖寬度內(nèi)，其峰值功率可以比平均功率高出2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。所以脈沖干擾能在短時(shí)間內(nèi)使接收系統(tǒng)誤碼率增大很多。

圖4 幾種干擾對(duì)地球站性能影響比較

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)理論分析和仿真研究可知，在干擾距離和角度確定時(shí)，干擾信號(hào)功率決定了干擾對(duì)地球站接收系統(tǒng)的影響程度，干擾功率越大，系統(tǒng)誤碼率越高。對(duì)于不同類(lèi)型的干擾，脈沖干擾對(duì)地球站干擾最大，其次是多音干擾，干擾最小的是單音干擾。地球站所面臨的電磁環(huán)境十分復(fù)雜，通常是多種干擾并存，因此在地球站建站選址和電磁兼容時(shí)要同時(shí)考慮多種干擾對(duì)地球站的影響。

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