基于處理轉(zhuǎn)發(fā)器的衛(wèi)星跳頻通信系統(tǒng)性能研究*

戶凌志，張海勇，韓 東

（海軍大連艦艇學(xué)院信息系統(tǒng)系，遼寧 大連 116018）

0 引 言

衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍廣，通信距離遠；頻帶寬，容量大；組網(wǎng)靈活等優(yōu)點，是打贏現(xiàn)代化戰(zhàn)爭，奪取信息控制權(quán)的重要手段。但是，由于衛(wèi)星暴露在空間軌道，易受到敵方的有意干擾，而導(dǎo)致通信鏈路被破壞，甚至整個衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)陷入癱瘓[1]。為了保證通信的可靠，必須采用高效的抗干擾技術(shù)。而采用處理轉(zhuǎn)發(fā)器的衛(wèi)星跳頻通信系統(tǒng)，將星上處理（On-board Processing，OBP）與跳頻技術(shù)（Frequency Hopping，F(xiàn)H）相結(jié)合，具有良好的抗干擾能力，是各國軍事衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)發(fā)展的重點[2]。因此，對處理轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星跳頻通信系統(tǒng)的研究具有一定的現(xiàn)實意義。

目前，國內(nèi)對處理轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星跳頻通信系統(tǒng)的研究相對較少。文獻[3]分析了不同干擾方式對衛(wèi)星跳頻通信上行鏈路的干擾效果，得出梳狀譜干擾效果最佳的結(jié)論；文獻[4]分析了跟蹤干擾對衛(wèi)星跳頻通信的干擾橢圓，給出了最基本的干擾機設(shè)計訣竅。但是以上研究都未考慮處理轉(zhuǎn)發(fā)器對通信鏈路的影響，而導(dǎo)致系統(tǒng)性能分析不夠精確，為了保證處理轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星跳頻通信系統(tǒng)的合理使用，以最大限度發(fā)揮其抗干擾能力，需要對其系統(tǒng)性能進行精確的分析。

1 基于處理轉(zhuǎn)發(fā)器的衛(wèi)星鏈路分析

1.1 處理轉(zhuǎn)發(fā)器的工作原理與特性

處理轉(zhuǎn)發(fā)器又稱為再生式轉(zhuǎn)發(fā)器，它可以對接收到的上行頻率信號，經(jīng)過一系列的星上處理，再通過下行頻率轉(zhuǎn)發(fā)給地球接收站，其工作原理如圖1所示。

圖1 處理轉(zhuǎn)發(fā)器工作流程示意圖

處理轉(zhuǎn)發(fā)器對接收到的上行鏈路信號，經(jīng)過低噪放大后，進行解跳得到中頻信號，然后將中頻信號送入解調(diào)器，解調(diào)為基帶信號，再通過再生處理對信號加以增強，隨后，將處理后的基帶信號再重新調(diào)制到下行載波頻率上，進行再跳頻，最后通過末級功率放大器對信號進行放大，轉(zhuǎn)發(fā)至下行鏈路地球站接收。

由于處理轉(zhuǎn)發(fā)器通過對信號進行星上解調(diào)和再生，可以去除上行鏈路中的噪聲及干擾，而不會隨信號轉(zhuǎn)移到下行鏈路，從而提高了整個傳輸鏈路的通信質(zhì)量；而且可以通過星上處理，避免末級功率放大器的非線性影響而導(dǎo)致的功率掠奪及交調(diào)干擾，提高了星上功率資源的利用率[5]。

1.2 衛(wèi)星通信鏈路分析

研究處理轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星跳頻通信系統(tǒng)的傳輸性能，首先要研究衛(wèi)星的通信鏈路。而星上處理轉(zhuǎn)發(fā)器主要采用數(shù)字信號的傳輸[6]，通常以誤比特率表示通信鏈路的性能。以下變量加方括號表示取10lg（）計算。

上行鏈路是指信號從地球站發(fā)射到衛(wèi)星接收的鏈路。設(shè)地球站的有效全向輻射功率（Effective Isotropic Radiated Power，EIRP）為EIRPE，與輸出功率PT及發(fā)射天線增益GT有關(guān)，計算如下：

式中LFT為發(fā)射天線饋線損耗。設(shè)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器接收增益為GR，則接收機輸入端載波功率為：

其中，Lu為上行鏈路損耗，由上行大氣損耗、上行自由空間損耗及其他損耗組成，如果鏈路中存在降雨，還需要補充降雨損耗。

已知衛(wèi)星接收系統(tǒng)等效噪聲溫度Ts及有效噪聲帶寬Bn，則上行噪聲功率Nu=kTsBn，噪聲功率譜密度為其中Bn與濾波器滾降系數(shù)α，信息速率Rb,編碼效率Cr,以及調(diào)制因子M有關(guān)，關(guān)系如下：

則上行鏈路載噪比為：

式中，GR/TS為衛(wèi)星接收品質(zhì)因數(shù)，衡量衛(wèi)星接收能力的重要指標(biāo)。載波功率可以表示為Cu=Eb*Rb，則上行每比特能量與噪聲功率密度比可表示為：

其中，k為玻爾茲曼常數(shù)，[k]=-228.6 dBW/(K·Hz)。誤比特率Pb是[Eb/N0]的函數(shù)，與具體的調(diào)制方式有關(guān)。以二進制頻移鍵控（Binary Frequency-Shift Keying，BFSK）為例，在高斯信道的條件下，采用非相干解調(diào)的上行鏈路誤比特率為：

同理，可以求得下行鏈路的誤比特率。下行鏈路是指信號由衛(wèi)星發(fā)射給地球站的鏈路。設(shè)衛(wèi)星有效全向輻射功率為EIRPs，下行鏈路衰減為Ld，同上行鏈路一樣，由下行大氣損耗、下行自由空間損耗及其他損耗等組成，下行鏈路載噪比為[8]：

式中，GE/TE為地球站接收品質(zhì)因數(shù)。則下行每比特能量與噪聲功率密度比可表示為：

同樣，對于采用BFSK調(diào)制，經(jīng)非相干解調(diào)后的下行誤比特率為：

由于采用星上處理轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)過星上再生處理，上行鏈路的噪聲和干擾不會影響到下行鏈路，只會在星上解調(diào)時引起誤碼。上行鏈路的噪聲以誤碼的形式傳遞到下行鏈路，所以，全鏈路的總誤比特率由上、下行鏈路的誤比特率共同決定[9]，工程上可通過以下公式計算：

具體的系統(tǒng)誤比特率需要根據(jù)具體的調(diào)制解調(diào)方式而確定。

2 衛(wèi)星跳頻通信系統(tǒng)性能分析

2.1 系統(tǒng)的工作原理

衛(wèi)星跳頻通信是使窄帶調(diào)制信號的載波在較寬帶寬上按一定規(guī)律隨機跳變，從而對干擾信號的躲避，達到抗干擾的效果。這種跳變規(guī)律又稱為跳頻圖案，由一組偽隨機碼控制[10]。跳頻通信系統(tǒng)基本工作原理如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星跳頻通信系統(tǒng)基本工作原理

在地面發(fā)射站中，先將信息碼調(diào)制為帶寬為Bm的調(diào)制信號，然后用PN碼控制頻率合成器輸出不同頻率的載波對調(diào)制信號在帶寬BC上以跳頻周期Th的時間間隔進行跳變，形成跳頻信號，再由發(fā)射機經(jīng)上變頻、放大經(jīng)上行鏈路發(fā)送給衛(wèi)星。定義跳頻增益GP為跳頻帶寬BC與信息速率Rb的比值，即GP=BC/Rb，這樣定義的好處是可以使GP與調(diào)制方式與編碼體制無關(guān)[2]。

衛(wèi)星采用星上處理轉(zhuǎn)發(fā)器，對接收到的跳頻信號進行解跳、解調(diào)，再生，調(diào)制，跳頻，然后經(jīng)過下變頻、放大經(jīng)下行鏈路轉(zhuǎn)發(fā)給地面接收站。

在接收站中，通過同步電路對接收到跳頻信號進行捕獲分析，使本地產(chǎn)生與發(fā)射端相同跳頻圖案，對接收的跳頻信號進行解跳，然后解調(diào)恢復(fù)出信息碼。

在衛(wèi)星跳頻通信系統(tǒng)中，主要采用的調(diào)制方式為多進制頻移鍵控（Multi-digit Frequency-Shift Keying，MFSK）和差分相移鍵控（Differential Phase-Shift Keying，DPSK）。其中MFSK的M為調(diào)制因子，表示調(diào)制進制數(shù)，例如，當(dāng)M取4時，即4FSK，表示四進制頻移鍵控；同理8FSK表示八進制頻移鍵控。由于保持相位的相干性非常困難，通常采用非相干解調(diào)。

2.2 干擾條件下的系統(tǒng)性能

對于MFSK調(diào)制的跳頻系統(tǒng)（FH/MFSK），在高斯信道的條件下，非相干接收的誤比特率可由文獻[11]得到：

其中，n=log2M，Gc為編碼增益。若鏈路中存在干擾，其實質(zhì)上相當(dāng)于鏈路中引起的附加噪聲，設(shè)干擾功率為J，干擾功率譜密度為Nj，此時噪聲功率譜密度由N0變?yōu)镹t=N0+Nj。則干擾環(huán)境下的系統(tǒng)誤比特率為：

信號功率為P，與信息速率有如下關(guān)系：

已知干擾功率與信號功率的比值稱為干信比（Jamming to Signal Ratio，JSR），則誤比特率與干信比JSR=J/P的關(guān)系如下：

由2.1節(jié)討論可知，處理轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星跳頻通信鏈路性能是由上、下行鏈路誤比特率共同決定，可以得MFSK衛(wèi)星跳頻通信系統(tǒng)的鏈路總誤比特率，表達式為：

式中，當(dāng)鏈路中無干擾時，Nt=N0；存在干擾時，Nt=N0+Nj。由已知系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，帶入式（5）、式（8）得到計算結(jié)果，將結(jié)果帶入式（15），即可得FH/MFSK衛(wèi)星通信鏈路總誤比特率。

對于DPSK的衛(wèi)星跳頻系統(tǒng)（FH/DPSK），在高斯信道下的非相干解調(diào)誤比特率為[12]：

同理，在存在干擾的環(huán)境下，則DPSK調(diào)制的跳頻系統(tǒng)的平均誤比特率為：

因此，DPSK調(diào)制的衛(wèi)星跳頻通信系統(tǒng)的鏈路總誤比特率可表示為：

3 仿真及分析

為了分析處理轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星跳頻通信系統(tǒng)的抗干擾性能，下面分別對采用MFSK及DPSK調(diào)制方式的衛(wèi)星跳頻通信系統(tǒng)在未受干擾和受不同程度干擾的條件下進行仿真。設(shè)系統(tǒng)采用R3/4及RS（204，188）級聯(lián)編碼，編碼增益為5 dB，使3.6 kbit/s的數(shù)據(jù)在400 MHz的帶寬上進行跳頻傳輸，可計算跳頻增益為50.5 dB，系統(tǒng)誤比特率要求Pb≤10-6。首先分析系統(tǒng)在無人為干擾時，采用DPSK及MFSK在M=2，4，8的情況下，系統(tǒng)誤比特率隨信噪比的變化情況，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同信噪比下的系統(tǒng)誤比特率曲線圖

從圖3可以看出，當(dāng)系統(tǒng)未受干擾時，隨著信噪比的增加，系統(tǒng)的誤比特率逐漸減小，系統(tǒng)的性能也逐漸提高；采用不同調(diào)制方式，系統(tǒng)的傳輸性能不同，分別采用BFSK，4FSK、8FSK和DPSK調(diào)制方式時，達到門限誤比特率所需的信噪比分別為12.58 dB，9.73 dB，8.29 dB和9.58 dB，則系統(tǒng)性能DPSK與4FSK相近，且高于BFSK低于8FSK；對于MFSK調(diào)制，隨著M的增加，系統(tǒng)的誤比特率逐漸減小，所以多進制的頻移鍵控能夠改善系統(tǒng)的性能。

當(dāng)鏈路中存在干擾時，圖4、圖5、圖6分別給出了干擾信號功率比（JSR）為30 dB、35 dB和40 dB情況下，不同調(diào)制方式的系統(tǒng)誤比特率仿真曲線圖。

圖4 JSR=30 dB的系統(tǒng)誤比特率曲線圖

圖5 JSR=35 dB的系統(tǒng)誤比特率曲線圖

圖6 JSR=40 dB的系統(tǒng)誤比特率曲線圖

從圖4、圖5、圖6中可以看出，系統(tǒng)誤比特率隨著信噪比的增大而逐漸減小，系統(tǒng)性能逐漸升高；當(dāng)干信比為30 dB時，采用BFSK，4FSK，8FSK及DPSK調(diào)制方式下的系統(tǒng)信噪比門限分別為14.83 dB，10.69 dB，9.31 dB和10.69 dB；當(dāng)干信比為35 dB時，采用4FSK調(diào)制方式的系統(tǒng)的門限信噪比相比JSR=30 dB時系統(tǒng)的門限信噪比提高了4.14 dB，DPSK也提高了2.76，而8FSK僅提高1.38 dB，而采用BFSK調(diào)制，系統(tǒng)誤比特率與信噪比無關(guān)，始終大于4×105，無法正常通信；當(dāng)JSR=40 dB時，無論MFSK還是DPSK調(diào)制誤比特率始終大于門限值，通信被嚴(yán)重干擾。

4 結(jié) 語

本文對基于再生式處理轉(zhuǎn)發(fā)器的衛(wèi)星跳頻通信系統(tǒng)性能進行了研究，首先根據(jù)處理轉(zhuǎn)發(fā)器的工作原理與特性，推導(dǎo)了基于星上再生處理轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星通信鏈路誤比特率計算表達式，然后結(jié)合跳頻技術(shù)，分析了衛(wèi)星跳頻通信系統(tǒng)的工作原理并對在干擾條件下的系統(tǒng)誤比特率表達式進行修正，最后對在不同調(diào)制方式下的衛(wèi)星跳頻通信系統(tǒng)性能進行仿真。

仿真結(jié)果表明，采用不同的調(diào)制方式，系統(tǒng)的抗干擾性能不同，采用8FSK調(diào)制的系統(tǒng)抗干擾能力最強，其次是DPSK和4FSK，BFSK最弱，因此，可以采用高進制數(shù)的MFSK調(diào)制使系統(tǒng)獲得較好的抗干擾性能；當(dāng)系統(tǒng)受到干擾時，隨著干擾噪聲功率增加，系統(tǒng)誤比特率逐漸增大，系統(tǒng)性能明顯下降，當(dāng)干擾過大，單純的增加信號功率無法改善系統(tǒng)的誤比特率，此時可以采用如靜默、突發(fā)等人為手段來抵御干擾。