一種擴頻測控鏈路中PIM的全盲抑制算法

安金坤，田林,丁凱

中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094

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一種擴頻測控鏈路中PIM的全盲抑制算法

安金坤*，田林,丁凱

中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094

針對航天器擴頻體制測控鏈路中無源互調(diào)(PIM)干擾的問題，提出了一種基于小波包分解的全盲PIM抑制算法。該算法將接收的擴頻測控信號進行小波包多層分解，根據(jù)分解后的信號應滿足高斯分布的特性，完成對干擾進行抑制，而整個處理過程不涉及干擾門限的設置，是一種全盲的PIM干擾抑制方法。Matlab仿真表明，采用該抗干擾算法可將信干比提高7dB。

測控鏈路； 擴頻通信；無源互調(diào)；小波包；干擾抑制

測控通信系統(tǒng)是航天器最重要的組成系統(tǒng)之一，是運行的航天器和地面控制站之間聯(lián)系的唯一紐帶。通過其上行的遙控鏈路可以實現(xiàn)對航天器的控制，下行的遙測鏈路可以實現(xiàn)對航天器狀態(tài)的把握。上下行的話音和圖像鏈路可以實現(xiàn)地面與載人航天器中航天員的交流與溝通。因此，航天器測控通信鏈路能否有效而可靠地運行是決定航天器任務成敗的必要條件。

測控通信鏈路自身或者外界產(chǎn)生的干擾會對測控鏈路的有效性和可靠性產(chǎn)生影響[1-4]。兩個或兩個以上的信號在無源器件中相遇，產(chǎn)生的線性組合產(chǎn)物落入信號帶內(nèi)，產(chǎn)生一種由自身激發(fā)的干擾[5-6]，即無源互調(diào)(Passive Inter-Modulation, PIM)，其來源于無源器件自身的非線性，可以分為材料非線性和接觸非線性兩類[7-8]。針對這種由設備本身產(chǎn)生的自干擾，人們通常采用改進工藝或換用材料的方法來降低PIM干擾，但由于PIM建模、預測、測量以及具體機理研究難度較大，國內(nèi)外研究進展緩慢[9-12]，抑制效果并不理想。

擴頻通信系統(tǒng)由于其抗干擾、抗截獲、可多址通信、可測距等諸多優(yōu)點，逐漸成為航天器測控通信系統(tǒng)的主流體制。本文即針對擴頻測控鏈路中的PIM，從信號處理的角度研究PIM的處理方法，在擴頻接收機正常處理接收信號前(包括同步、解擴、解調(diào)、譯碼等處理)，先將接收信號經(jīng)過一個干擾抑制模塊完成對帶有PIM接收信號的預處理，然后再完成同步、解調(diào)等常規(guī)處理。采用的處理工具為小波包變換，它計算量小，成熟度高，軟件極易實現(xiàn)，且整個算法能夠避免對干擾門限的設置，具有較強的靈活性和可實現(xiàn)性，從而為航天器實用化抗PIM接收機的研制提供了一種工程化的實現(xiàn)途徑。

1　直擴信號模型及理論依據(jù)

1.1含PIM的直擴信號接收模型

PIM是由系統(tǒng)中的非線性部件所引起的，其主要特性表現(xiàn)為如下特點[13]：1)時變特性；2)門限效應；3)功率電平的不可預知性；4)干擾的寬帶噪聲特性。因此，PIM干擾可建模成一種在時間上隨機出現(xiàn)，在頻率上(信號帶內(nèi))隨機跳變的寬帶干擾模型。

含有抗PIM干擾模塊的擴頻測控系統(tǒng)框圖如圖1所示，接收信號R(t)可以表示為

(1)

式中：S(t)為擴頻信號；J(t)為PIM干擾信號；N(t)為高斯白噪聲信號。

圖1　含抗PIM模塊的擴頻接收系統(tǒng)Fig.1　DSSS signal receiving system with PIM suppression model

(2)

(3)

式中：Ik為第k個信息比特；L為擴頻碼的碼長；ak是第k位擴頻碼，p(t-kTc)為持續(xù)時間為Tc的成形波。接收端依據(jù)擴頻碼與有用信號的相關性和與干擾信號的不相關性，實現(xiàn)擴頻信號一定的抗干擾能力。雖然擴頻信號本身具有一定的干擾抑制能力，但是當干擾過強，超過了擴頻系統(tǒng)固有的干擾容限[14]，仍會造成擴頻接收機的失鎖或誤碼。通過在接收信號解擴前對擴頻信號進行干擾抑制后再行處理，可以提高擴頻系統(tǒng)的抗干擾能力，也是本文研究的出發(fā)點。

1.2算法理論依據(jù)

下面給出本文算法中用到的一個重要依據(jù)：對一個線性系統(tǒng)，若系統(tǒng)輸入端的平穩(wěn)隨機過程為非高斯分布，則只要輸入過程的等效噪聲帶寬遠大于系統(tǒng)的通頻帶，在系統(tǒng)的輸出端便能得到接近于高斯分布的隨機過程[15]。

接收端的噪聲滿足高斯分布(有用信號由于淹沒在噪聲中而不于考慮)，時頻域隨機的PIM干擾信號不滿足高斯分布，兩者之和不滿足高斯分布，小波包分解采用Mallat算法[16],該算法通過線性濾波器實現(xiàn)小波包分解，滿足依據(jù)中的線性系統(tǒng)的要求。其次，小波包具有帶通特性，在小波分解層數(shù)足夠多的條件下，每層小波包對應的帶寬遠小于輸入信號的帶寬。依據(jù)上述定理，小波包分解后的無擾信號應接近高斯分布。

2　干擾抑制算法

擴頻測控鏈路全盲抗PIM算法流程如圖2所示，其基本步驟如下：

1)對含有PIM干擾的直擴通信信號采用db30小波進行小波包完全分解，小波包分解采用Mallat算法，分解到8層信號。

2)對小波包分解后的信號進行頻移，防止信號頻率混疊。

3)對小波包分解后的葉子節(jié)點進行處理，計算每個葉子節(jié)點系數(shù)的方差,將超過M倍方差的系數(shù)置零或者鉗位，M取2～5。再計算此時葉子節(jié)點系數(shù)的方差，將超過M倍方差的系數(shù)置零或者鉗位。

4)不斷重復步驟3)的過程，直到葉子節(jié)點系數(shù)基本保持不變?yōu)橹埂?/p>

5)根據(jù)處理后的葉子節(jié)點重構信號，此步完成PIM干擾的抑制。

6)對完成干擾抑制的信號送常規(guī)的擴頻接收機完成信息解擴、解調(diào)和譯碼。

圖2　擴頻系統(tǒng)全盲抗PIM算法流程Fig.2　PIM suppression algorithm flow graph

3　仿真結(jié)果

采用仿真軟件Matlab完成擴頻測控鏈路全盲抗PIM算法抑制效果的性能仿真，結(jié)果如圖3所示，其包含不抑制干擾的誤碼率曲線，每次循環(huán)系數(shù)倍數(shù)M的取值范圍為2～5。橫坐標為信干比SIR=-30∶5∶0；對應每個信干比下的信噪比SNR=SIR+15。縱坐標為誤碼率(取對數(shù)后的結(jié)果)，可以看到該盲算法能夠顯著抑制具有時頻隨機特征的PIM干擾信號。

圖3　不同M下全盲抗PIM算法的性能Fig.3　Algorithm performance under different M

從圖3可以看到，當M這一倍數(shù)選擇為2時，該算法處理后的系統(tǒng)誤碼率水平獲得很大的提升，在10-2的誤碼率上，經(jīng)過全盲算法處理后的誤碼率比不經(jīng)過處理后的誤碼率提高了約7 dB。當M過大的時候，由于抑制干擾的同時也抑制了有用信號，系統(tǒng)的誤碼性能反而降低。

4　結(jié)束語

本文提出了一種實用化的擴頻體制測控鏈路PIM干擾全盲抑制算法，該算法利用無干擾擴頻信號經(jīng)小波包分解后應滿足高斯分布的特性，完成對含PIM干擾的擴頻體制測控信號的盲處理，而無須擴頻測控信號的任何先驗信息。最后，通過計算機仿真技術驗證了該算法PIM干擾抑制性能。

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(編輯：高珍)

A full-blind PIM suppression algorithm for spread spectrum TT & C link

AN Jinkun*，TIAN Lin，DING Kai

Institute of Manned Space System Engineering，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China

Focusing on the passive inter-modulation (PIM) problem in spread spectrum scheme TT & C link, a wavelet packet decomposition based full-blind PIM suppression algorithm was proposed. Multi-layers wavelet packet decomposition was employed on the received spread spectrum TT & C signals,according to the characteristic the decomposed signal should obey Gaussian distribution,and interference suppression was achieved,No suppression gate was set during the whole process and this was a full-blind PIM suppressed algorithm. Finally,Matlab simulation result shows that 7 dB signal interference ratio gain can be obtained.

TT & C link；spread spectrum；passive inter--modulation； wavelet packet； interference suppression

10.16708/j.cnki.1000-758X.2016.0043

2015-12-25；

2016-04-15；錄用日期：2016-05-11；

時間：2016-07-1213:26:37

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20160712.1326.002.html

安金坤(1982-)，男，博士，ajk8208@163.com，主要研究方向為航天器測控與通信系統(tǒng)設計，通信抗干擾

V416.6

A

http:∥zgkj.cast.cn

引用格式：安金坤,田林,丁凱. 一種擴頻測控鏈路中PIM的全盲抑制算法[J].中國空間科學技術, 2016,36(4)：

47-50.ANJK,TIANL,DINGK.Afull-blindPIMsuppressionalgorithmforspreadspectrumTT&Clink[J].ChineseSpaceScienceandTechnology, 2016,36(4)：47-50(inChinese).