一種提高衛(wèi)星擴(kuò)頻測控鏈路抗干擾能力的方法*

譚維鳳，王雪賓，竇 驕

（航天東方紅衛(wèi)星公司，北京 100094）

0 引 言

衛(wèi)星測控設(shè)備處于復(fù)雜的電磁環(huán)境中，面臨的各種干擾日益嚴(yán)重。它的安全性直接決定了衛(wèi)星的可用性和生存能力[1]。目前，衛(wèi)星測控鏈路多采用直接序列擴(kuò)頻體制。雖然擴(kuò)頻體制自身具有一定的抗干擾能力，但是受限于擴(kuò)頻增益，其抗干擾能力非常有限[2]。本文針對衛(wèi)星測控鏈路抗干擾能力低的問題，提出一種時頻結(jié)合的抗干擾處理算法。該算法通過設(shè)計(jì)隨干擾位置變化的可變時域?yàn)V波器消除干擾，大幅提升了衛(wèi)星測控鏈路的抗干擾能力。

1 擴(kuò)頻測控系統(tǒng)抗干擾能力分析

衛(wèi)星擴(kuò)頻測控系統(tǒng)由地面站和星載設(shè)備組成。地面跟蹤測量站對衛(wèi)星發(fā)送擴(kuò)頻遙控信號和偽隨機(jī)碼序列測距信號，星載擴(kuò)頻應(yīng)答機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)測距偽隨機(jī)序列，對擴(kuò)頻遙控信號進(jìn)行解擴(kuò)解調(diào)后得到遙控指令，同時完成對星上遙測信息與測距數(shù)據(jù)的調(diào)制發(fā)送。

擴(kuò)頻測控系統(tǒng)的抗干擾能力在接收端解擴(kuò)處理過程中獲取。若解擴(kuò)前信號占用的帶寬為B，解擴(kuò)后信號占用帶寬為Bss，假設(shè)干擾的功率譜密度在解擴(kuò)前后可以近似看做均勻分布的情況下，可以有如下推導(dǎo)：

可見，在假設(shè)干擾的功率譜密度在解擴(kuò)前后可以近似看做均勻分布的情況下，可以得到處理增益近似等于擴(kuò)頻倍數(shù)的結(jié)論[3]。

例如，對于一個遙控信息速率為4 kb/s進(jìn)行卷積（2,1,7）編碼后，采用偽隨機(jī)序列擴(kuò)頻到3 Mcps后完成BPSK調(diào)制的一個遙控鏈路來說，其擴(kuò)頻增益為：

則該遙控鏈路的抗干擾能力可以估算為：

可以看到，當(dāng)?shù)竭_(dá)接收機(jī)入口的干擾信號電平比信號電平高16 dB后，將導(dǎo)致遙控鏈路產(chǎn)生大量誤碼甚至中斷。以衛(wèi)星的上行鏈路發(fā)射EIRP為50 dBW為例，相同通信距離的地基干擾機(jī)采用5 m口徑發(fā)射天線發(fā)射功率，僅需不到1 kW就可以成功干擾到上行鏈路。

因此，雖然目前大多數(shù)具有安全保密抗干擾要求的衛(wèi)星普遍采用擴(kuò)頻體制的測控體制，但是受限于通信帶寬、擴(kuò)頻倍數(shù)等因素，其抗干擾能力依然非常有限。所以，研究其他方法用以提升衛(wèi)星測控鏈路的抗干擾能力的需求十分迫切。

2 抗干擾算法

目前，抗干擾算法主要分為兩大類——時域自適應(yīng)處理技術(shù)和頻域處理技術(shù)。其中，時域自適應(yīng)處理技術(shù)主要是利用信號和窄帶干擾在可預(yù)測性上的差異。這種算法發(fā)展的較早，理論也比較成熟，但是算法復(fù)雜，一般采用迭代的方式進(jìn)行預(yù)測，存在是否收斂的問題，且響應(yīng)時間長，對快變化的干擾抑制效果差。隨著技術(shù)和器件的發(fā)展，頻域處理技術(shù)逐漸被青睞。它是將信號變換到頻域去處理，利用信號和干擾在頻域特性的不同，可以開環(huán)自適應(yīng)對干擾進(jìn)行檢測處理，對干擾的位置、個數(shù)、大小等不敏感，實(shí)現(xiàn)速度快，處理效果好[4]。考慮到窗函數(shù)的影響，在頻域需要經(jīng)過多路重疊加窗的方法，頻域處理的效果才能達(dá)到最優(yōu)。但是，重疊加窗處理法消耗的資源大，不適用于星載設(shè)備。因此，本文提出了一種時頻域結(jié)合的干擾抑制算法，即在頻域進(jìn)行干擾監(jiān)測，然后根據(jù)監(jiān)測結(jié)果在時域設(shè)計(jì)可變?yōu)V波器濾除干擾。

如圖1所示，接收到的擴(kuò)頻信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后分為兩路，分別送入頻域處理模塊和時域處理模塊。其中，頻域處理模塊由FFT變換模塊、干擾檢測模塊、自適應(yīng)門限生成模塊和FIR時域?yàn)V波器系數(shù)生成模塊等部分組成。時域處理部分由FIR濾波模塊構(gòu)成。

圖1 時頻結(jié)合干擾抑制算法

本算法采用FIR濾波器線性延遲的特點(diǎn)，當(dāng)信號經(jīng)過該模塊時輸出的時延值是固定量。當(dāng)沒有檢測到干擾時，信號經(jīng)過時間延遲后直通送入后端解調(diào)；存在干擾時，經(jīng)過FIR干擾消除濾波器，其時延是固定量與直通支路一致，保證了輸出信號的完全同步。當(dāng)它在兩路信號之間切換時，不會造成解擴(kuò)解調(diào)模塊的失步甚至重捕。

系統(tǒng)的工作過程如下。接收到的擴(kuò)頻信號由三部分組成，即：

式中，s(t)是接收到的含有干擾和加性高斯白噪聲的信號，n(t)是單邊功率譜密度N0/2的高斯白噪聲，i(t)是窄帶干擾。

s(t)的表達(dá)式為：

式中，an為信息序列，且{an=±1,1≤n≤N}，g(t)為寬度是T的矩形脈沖，T為比特周期。cos(2πfc)為調(diào)制載波，c(t)為擴(kuò)頻碼信號，表達(dá)式為：

式中，ci為取值±1的擴(kuò)頻碼，Lc為擴(kuò)頻倍數(shù)，p(t)為寬度為Tc的矩形脈沖，Tc為擴(kuò)頻碼周期。

此處，選幾個正弦波之和作為窄帶干擾模型，如下：

式中，K為單頻干擾的個數(shù)，Ai為單頻干擾的幅度，fj為單頻干擾的頻率，為單頻干擾的初相。

接收到的含有窄帶干擾和高斯白噪聲的信號首先經(jīng)過A/D采樣輸出到FFT變換模塊進(jìn)行加窗FFT變換，干擾檢測模塊將接收信號頻譜中的每個樣點(diǎn)逐一與自適應(yīng)干擾門限模塊產(chǎn)生的門限進(jìn)行比較，其中幅度高于門限的頻譜樣點(diǎn)被認(rèn)為存在干擾，得到干擾信號的中心頻率和帶寬，傳給FIR濾波器設(shè)計(jì)模塊。FIR濾波器設(shè)計(jì)模塊根據(jù)干擾檢測模塊送來的干擾信息進(jìn)行FIR濾波器設(shè)計(jì)，把生成的FIR濾波器系數(shù)傳給時域處理部分的FIR濾波模塊。時域處理部分的FIR濾波模塊根據(jù)FIR濾波器系數(shù)進(jìn)行時域?yàn)V波處理。

上述處理過程中，時域處理部分僅僅做FIR濾波，而需要分塊處理的干擾信號估計(jì)及濾波器設(shè)計(jì)等較為復(fù)雜的過程均由頻域處理來完成，以充分提高系統(tǒng)的實(shí)時性。盡管當(dāng)前用于時域?yàn)V波的FIR濾波器系數(shù)是由前一時間單位接收到的數(shù)據(jù)塊估計(jì)的，但在實(shí)際電磁環(huán)境中，干擾信號的變化一般較這段估計(jì)的滯后要小得多，所以對干擾抑制效果幾乎不會產(chǎn)生影響。與傳統(tǒng)的基于FFT頻域干擾抑制方法相比，它的復(fù)雜度僅僅相當(dāng)于原來的一半，而實(shí)時性卻有一個時間處理塊的提高。

合理的干擾檢測門限值是本文干擾抑制方法成功的關(guān)鍵之一。自適應(yīng)門限估計(jì)模塊就是完成干擾信號門限的自適應(yīng)設(shè)置[5]。

取NFFT點(diǎn)接收到的信號，即：

式中，s(n)是A/D轉(zhuǎn)換后的擴(kuò)頻信號，n=1,2,…,NFFT，NFFT為FFT變換的點(diǎn)數(shù)，w(n)為窗函數(shù)，sw(n)是經(jīng)過加窗處理后的信號。對sw(n)做NFFT點(diǎn)FFT變換，得：

式中，u(m)是sw(n)的FFT變換，m=1,2,…,NFFT。在每一頻點(diǎn)處的信號能量可以表示為：

式中，λ≥1為加權(quán)因子。自適應(yīng)門限依據(jù)最近的M個FFT塊的各頻點(diǎn)能量來確定，如下：

式中，Th為自適應(yīng)門限；Thmin為自適應(yīng)門限最小值，表示不含干擾的信號；M是用來確定自適應(yīng)門限的FFT的塊數(shù)；η是與接收信號有關(guān)的參數(shù)，需根據(jù)接收機(jī)進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)干擾檢測模塊的輸出結(jié)果利用窗函數(shù)法在FIR濾波器設(shè)計(jì)模塊中進(jìn)行計(jì)算，得到FIR濾波器的相關(guān)系數(shù)。若干擾的位置沒有發(fā)生變化，則維持上次設(shè)計(jì)的濾波器脈沖響應(yīng)的參數(shù)；若發(fā)生變化，則進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，保證設(shè)計(jì)的濾波器對快速變化干擾的濾除能力。

為了保證濾波信號和非濾波信號的同步性，對不進(jìn)行濾波的支路進(jìn)行時間延遲，延遲的時長為FIR濾波器的時延值。這就保證了抗干擾模塊的輸出值在濾波和不濾波之間切換時兩路信號完全同步，不會造成后端接收端因?yàn)橄辔坏耐蛔兌斐墒фi或中斷。

3 性能仿真

為了檢驗(yàn)本文所提出的抗干擾方法的效果，采用蒙特卡洛模型對系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真。為了便于仿真，采用255倍直接序列擴(kuò)譜系統(tǒng)，信息速率設(shè)置為12 kb/s，擴(kuò)頻碼速率Rs為3.06 MHz，信道為高斯白噪聲Eb/N0=12，仿真碼元數(shù)為100 000個。圖2為信號頻譜圖，信噪比12，干信比20，干擾形式為單音干擾。如圖3所示，可以看到在收發(fā)兩端完全同步的情況下，系統(tǒng)已經(jīng)造成了較大的信噪比損失。

圖2 發(fā)射信號頻譜

根據(jù)干擾檢測的結(jié)果，利用窗函數(shù)法設(shè)計(jì)一個中心頻率為6.5 MHz、帶寬300 kHz的帶阻濾波器，以消除系統(tǒng)中存在的單音干擾，其幅頻/相頻響應(yīng)如圖4所示?？梢钥吹?，它的陷波深度超過40 dB。圖5是經(jīng)過干擾消除后的信號頻譜圖，干擾已經(jīng)完全消除，但是對有用信號的部分頻譜也造成了一定損傷，只是這種損傷很小。如圖6所示，它造成的信噪比損失小于0.5 dB。

圖3 干信比20 dB系統(tǒng)誤碼曲線

圖4 設(shè)計(jì)的FIR幅頻、相頻響應(yīng)

圖5 干擾消除前后頻譜

圖6 陷波前后信噪比損失

設(shè)置系統(tǒng)信噪比為12，仿真系統(tǒng)在干擾濾除前后的誤碼情況，如圖7所示。可以看到，經(jīng)過陷波器后，系統(tǒng)的抗干擾性能大幅提升，可以達(dá)到45 dB以上。

圖7 干擾濾除前后系統(tǒng)誤碼性能

4 結(jié) 語

本文針對衛(wèi)星測控鏈路抗干擾能力僅依賴擴(kuò)頻體制、抗干擾能力弱的問題，提出了一種時頻結(jié)合的抗干擾算法。該算法可保證在無干擾時對信號零損傷，在干擾存在時快速消除干擾，響應(yīng)速度快，消耗的資源量少。仿真結(jié)果表明，該算法可以大幅提升系統(tǒng)的抗干擾能力，是一種有效提升衛(wèi)星測控鏈路抗干擾能力的方法。