衛(wèi)星通信QPSK調(diào)制鏈路的干擾影響分析

劉建成，郝學(xué)坤，王賽宇，張國強，熊俊卿

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊050081；2.陸軍裝備部駐西安地區(qū)航空軍代室, 陜西 西安 710065；3.陸軍裝備部航空軍事代表局綜合處, 北京 100000)

0 引言

衛(wèi)星通信由于抗毀性強及通信距離遠(yuǎn)等優(yōu)點，成為必不可少的通信手段[1]。不過，某些應(yīng)用的特殊性致使衛(wèi)星通信面臨嚴(yán)重的電磁干擾，這些人為實施的電磁干擾具有多種形式，給衛(wèi)星通信鏈路帶來了不同的惡化程度。所以，分析不同干擾對衛(wèi)星通信鏈路的影響是實施有效抗干擾措施的基礎(chǔ)，對提升衛(wèi)星通信抗干擾能力至關(guān)重要。

針對衛(wèi)星通信技術(shù)所面臨的干擾情況和抗干擾技術(shù)方法，眾多研究者進(jìn)行了廣泛深入的研究。文獻(xiàn)[2]指出，由于衛(wèi)星通信遠(yuǎn)距離傳輸產(chǎn)生的路徑損耗較大，同時星上載荷發(fā)送功率受限，所以一般采用峰均比較低的調(diào)制方式，便于射頻前端功放工作在線性區(qū)，通常采用BPSK，QPSK，MAPSK等調(diào)制方式。衛(wèi)星通信系統(tǒng)面臨的干擾分為非惡意和惡意干擾2大類，其中非惡意干擾包括自然界的太陽黑子、宇宙射線和噪聲等干擾，以及其他無線系統(tǒng)因頻率相同或相近產(chǎn)生的系統(tǒng)間干擾[3]。對衛(wèi)星通信系統(tǒng)產(chǎn)生致命威脅的是惡意干擾，即由人為故意實施的破壞性干擾[1]，包括壓制式和靈巧式，其中壓制式干擾最為常見。目前衛(wèi)星通信系統(tǒng)也采用直接序列擴(kuò)頻和跳頻等方式應(yīng)對惡意干擾[1]。

更進(jìn)一步的抗干擾技術(shù)方法的實施需要建立在對干擾影響研究分析基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[4-5]對衛(wèi)星通信面臨的人為干擾進(jìn)行樣式分類，同時分析了干擾實施的方式及應(yīng)對措施。文獻(xiàn)[6]在研究衛(wèi)星通信認(rèn)知技術(shù)基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)面臨的干擾進(jìn)行建模分析，不過本文主要是針對系統(tǒng)間的非惡意干擾。文獻(xiàn)[7]分析了空基和地基干擾源分布對干擾效果的影響，同時分析了衛(wèi)星通信的鏈路損耗情況以及相同干信比對應(yīng)不同調(diào)制方式的誤碼率。不過，該文獻(xiàn)只是將干擾假定為寬帶噪聲，缺乏對不同干擾類型的分析。文獻(xiàn)[8]從被動干擾角度出發(fā)，分析了衛(wèi)星通信上下行鏈路干擾情況，并基于跳頻方式給出了編碼和交織的抗干擾技術(shù)方法。文獻(xiàn)[9]針對10 GHz以上頻段的臨星干擾問題，分析了干擾對臨星通信網(wǎng)終端的載干比影響，提出通過功率控制法抑制臨星干擾。文獻(xiàn)[10]針對OFDM調(diào)制，分析了窄帶噪聲干擾的影響，推導(dǎo)了干擾陷波情況下的系統(tǒng)誤碼率。文獻(xiàn)[11]初步分析了理想條件下調(diào)制干擾對QPSK誤碼率的影響，不過只針對系統(tǒng)誤碼率，并未從其他方面進(jìn)行更深入的分析。除干擾影響分析外，文獻(xiàn)[12-13]針對衛(wèi)星通信系統(tǒng)的抗干擾性能評估問題進(jìn)行研究，給出了對應(yīng)的評估指標(biāo)。文獻(xiàn)[14]研究了針對壓制式干擾的檢測問題，給出了基于分?jǐn)?shù)階傅里葉變換的檢測方法。文獻(xiàn)[15-16]分別從天線陣列自適應(yīng)優(yōu)化設(shè)計和信號特征空間變換處理進(jìn)行抗干擾方法研究。文獻(xiàn)[17]針對網(wǎng)絡(luò)空間數(shù)據(jù)鏈傳輸，研究了基于能量檢測的感知和動態(tài)分配的抗干擾技術(shù)。文獻(xiàn)[18-19]研究了衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，分析現(xiàn)有抗干擾措施方法的各自特點。

綜上所述，目前針對特定調(diào)制方式的不同干擾樣式影響分析相對較少。本文基于衛(wèi)星通信的QPSK調(diào)制，研究分析單音、多音、掃頻和窄帶噪聲等4種壓制式干擾對系統(tǒng)接收星座圖和誤碼率的影響，為采取有效的抗干擾應(yīng)對措施提供有力支撐。

1 衛(wèi)星通信QPSK調(diào)制鏈路模型

衛(wèi)星通信具有全球覆蓋、不受地理因素限制以及能迅速布設(shè)等優(yōu)點，能夠為用戶提供跨洲際、海洋的穩(wěn)定通信能力，成為必不可少的通信手段。由于衛(wèi)星通信傳輸路徑的損耗較大，射頻前端的大功率線性功放對調(diào)制信號的峰均比要求較高，致使衛(wèi)星通信一般采用低階調(diào)制[2]，QPSK因?qū)崿F(xiàn)簡單、性能優(yōu)越已成為應(yīng)用最多的調(diào)制方式。衛(wèi)星通信物理層的QPSK調(diào)制鏈路模型如圖1所示。

圖1 物理層QPSK調(diào)制鏈路模型

由圖1可見，衛(wèi)星通信物理層的QPSK調(diào)制鏈路所包含的功能部分與常規(guī)通信系統(tǒng)相同，區(qū)別在于傳輸信道。對于靜止軌道衛(wèi)星而言，其上下行傳輸信道主要是考慮噪聲、自由空間損耗、雨衰和自然界宇宙射線等干擾，以及最重要的人為壓制式干擾。此時，接收端基帶信號可表示為：

(1)

式中，s(t)為接收的期望信號，J(t)為壓制式干擾信號，ε(t)為外界噪聲。

當(dāng)系統(tǒng)收發(fā)同步時，星地傳輸信道中的壓制式干擾主要是影響接收端解調(diào)，惡化其性能，致使系統(tǒng)誤碼率急劇升高，甚至中斷傳輸。所以，如何有效分析壓制式干擾對解調(diào)的影響，對后續(xù)抗干擾具有重要意義。

2 干擾影響分析

接收端星座圖的變化能夠直接體現(xiàn)系統(tǒng)信干噪比及誤碼率等性能，在對4種干擾建模基礎(chǔ)上，重點分析對QPSK接收符號星座圖的影響。

2.1 4種干擾模型

基于傳輸鏈路模型，研究分析單音干擾、多音干擾、掃頻干擾和窄帶噪聲干擾對QPSK解調(diào)性能的惡化，包括干擾對接收端信號星座圖的影響和不同干信比對應(yīng)的系統(tǒng)誤碼率公式的數(shù)學(xué)推導(dǎo)。下面首先對單音、多音、線性掃頻和窄帶噪聲4種干擾進(jìn)行建模，其對應(yīng)表達(dá)式為：

(2)

2.2 干擾對QPSK星座圖的影響

在不考慮白噪聲情況下，由式(1)和式(2)得到受單音干擾的接收信號表達(dá)式：

(3)

對QPSK調(diào)制信號，接收端常用正交解調(diào)方式過程如下：

(4)

(5)

(6)

式中，ri(t)，rq(t)為解調(diào)的正交2路基帶信號，LPF(*)表示進(jìn)行低通濾波。

同理，對于多音、線性掃頻和窄帶噪聲干擾，可推導(dǎo)得出接收端正交2路基帶符號表達(dá)式：

(7)

(8)

(9)

由式(7)可見，多音干擾致使接收QPSK符號星座圖產(chǎn)生幅度變化，與多音干擾頻點個數(shù)及對應(yīng)的頻率差相關(guān)?？紤]多音干擾由N個單音合成，其不同于單音干擾的恒定幅度，呈現(xiàn)周期性的波動變化。所以，多音干擾將使QPSK星座圖產(chǎn)生類似雜亂無序的彌散。分析式(8)，可見線性掃頻干擾與單音干擾類似，其幅度恒定，不同之處在于頻率差值。所以線性掃頻干擾對QPSK星座圖產(chǎn)生的幅度變化與單音干擾類似。分析式(9)所示的窄帶噪聲干擾，在頻率差影響的同時，QPSK星座圖幅度將隨ε(t)波動，同時因ε(t)的隨機(jī)性將呈現(xiàn)無規(guī)則的彌散。

綜上所述，在干擾強度相同時，窄帶噪聲干擾最具隨機(jī)性，將對QPSK解調(diào)產(chǎn)生最嚴(yán)重的影響，而單音干擾和線性掃頻干擾具有幅度恒定的特征，對QPSK解調(diào)的影響相對多音干擾要小。

3 仿真驗證

通過仿真驗證理論分析的有效性，結(jié)合仿真結(jié)果進(jìn)一步分析4種干擾對QPSK調(diào)制鏈路的影響，為后續(xù)抗干擾奠定基礎(chǔ)。仿真QPSK信號由0，1信息序列進(jìn)行調(diào)制映射，再通過平方根升余弦成型濾波得到，接收端對接收的混合信號進(jìn)行匹配濾波、定時和抽取，得到待判決的正交2路符號，相關(guān)仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。在設(shè)定QPSK調(diào)制的符號速率基礎(chǔ)上，設(shè)置4種干擾相對于期望信號中心頻率的頻率差值，線性掃頻干擾的掃頻周期和窄帶噪聲干擾的相對帶寬等，如表2所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

調(diào)制方式符號速率R/sps成型(匹配)濾波滾降系數(shù)αQPSK1.28 M平方根升余弦0.25

表2 干擾對應(yīng)的參數(shù)

在表1和表2參數(shù)基礎(chǔ)上，首先仿真得到4種干擾接收信號頻譜圖，如圖2所示。由圖2可知，單音和多音干擾頻譜呈譜線特性，能量集中于干擾頻率，而線性掃頻和窄帶噪聲干擾能量分布于一定帶寬內(nèi)，相比之下線性掃頻干擾的帶內(nèi)強度分布較為均勻，窄帶噪聲干擾則是呈現(xiàn)隨機(jī)特性。分析4種干擾的頻域特征，能夠為后續(xù)干擾抑制提供依據(jù)，比如針對單音和多音2種干擾考慮采用陷波的方法進(jìn)行抑制。

仿真分析不同信干比(SJR)時，4種干擾對QPSK接收星座圖的影響。假設(shè)接收端QPSK信號與環(huán)境噪聲功率比為8 dB，仿真信干比為-10,4 dB兩種情況對應(yīng)的QPSK接收星座圖，分別如圖3和圖4所示。

圖2 SJR=-8 dB時干擾的接收信號頻譜(期望信號歸一化)

圖3 SJR=-10 dB不同干擾對應(yīng)星座圖

由圖3可見，單音和線性掃頻干擾對QPSK接收星座圖的惡化具有明顯的規(guī)律性，即QPSK星座圖分布在4個象限的符號點均發(fā)生了等幅旋轉(zhuǎn)，結(jié)合式(6)和式(8)所示的符號表達(dá)式分析可知，旋轉(zhuǎn)的等幅特性是因為單音和掃頻干擾具有幅度恒定的特征，同時由于接收符號的SJR=-10 dB，期望信號幅度相對于干擾較小，所以單音和掃頻干擾對應(yīng)的星座圖旋轉(zhuǎn)曲線較窄，星座點相對集中。相比之下，由于多音干擾幅度的波動變化，其對應(yīng)的星座圖則是根據(jù)干擾幅度變化呈現(xiàn)近似隨機(jī)的分布，窄帶噪聲干擾對星座圖產(chǎn)生的影響是完全隨機(jī)無規(guī)律的，其在原點分布較少是因為干擾的窄帶特性所致。對比圖3和圖4中單音和掃頻干擾對應(yīng)星座圖的4個象限符號點旋轉(zhuǎn)幅度變小，不過相對彌散度增大，這是因為SJR增大致使干擾幅度減小，期望信號幅度與干擾的相對值變大。伴隨SJR的增大，多音干擾對應(yīng)星座圖的擴(kuò)散范圍縮小，窄帶噪聲干擾對應(yīng)星座圖在4個象限的分布逐漸清晰，不過二者仍呈現(xiàn)一定的隨機(jī)性。

圖4 SJR=4 dB不同干擾對應(yīng)星座圖

由圖3和圖4的仿真結(jié)果和分析可知，當(dāng)SJR較小(-10 dB)時，4種干擾對應(yīng)的星座圖顯示均無法進(jìn)行準(zhǔn)確的解調(diào)判決，其中單音和多音干擾使4個符號點產(chǎn)生嚴(yán)重旋轉(zhuǎn)，大部分落于其他象限，將致使誤碼率嚴(yán)重惡化。相比之下，多音和窄帶噪聲干擾使得4個符號點產(chǎn)生近似隨機(jī)彌散，其誤碼率惡化程度將弱于前2種干擾。當(dāng)SJR較大(4 dB)時，4種干擾對星座圖的影響都在減弱，而幅度恒定的單音和掃頻干擾對應(yīng)的符號點旋轉(zhuǎn)大多都集中于一個象限，此時單音和掃頻干擾對誤碼率的惡化將弱于多音和窄帶噪聲干擾。

為進(jìn)一步驗證上述分析正確性，在原有仿真條件基礎(chǔ)上，設(shè)定10，16 dB兩種比特信噪比，無前向糾錯編碼，仿真不同信干比對應(yīng)的QPSK調(diào)制鏈路誤碼率，如圖5所示。

圖5 不同信干比時4種干擾對應(yīng)的QPSK誤碼率曲線

由圖5可以看出，在SJR<0 dB時，4種干擾均會嚴(yán)重惡化QPSK傳輸鏈路的誤碼性能，以單音和掃頻干擾最嚴(yán)重，但4種干擾的惡化程度差異較小。當(dāng)SJR>5 dB時，4種干擾對誤碼性能的惡化程度差異逐漸明顯，幅度恒定的單音和掃頻干擾近似一致，窄帶噪聲干擾的惡化最為嚴(yán)重，多音干擾次之。

通過上述分析可知，常見的4種干擾對QPSK信號星座圖影響不同，傳輸鏈路在不同信干比情況下的誤碼率性能最終反映了4種干擾對系統(tǒng)性能的惡化程度。所以，根據(jù)接收信號星座圖的變化可以初步判斷受干擾的類型，從而為采取針對性的抗干擾措施提供依據(jù)。另外，理論分析和仿真的信干比與誤碼率曲線，可以為建立干擾強度與系統(tǒng)可靠性之間關(guān)系提供有效支撐。

4 結(jié)束語

針對衛(wèi)星通信常用的QPSK調(diào)制傳輸鏈路受干擾情況，理論分析了常見的單音、多音、線性掃頻和窄帶噪聲4種干擾對鏈路性能的影響，主要是不同干擾對應(yīng)的系統(tǒng)接收星座圖變化趨勢，并從理論上分析了其原因。另外，分析一定信噪比情況下干擾強度與系統(tǒng)誤碼率之間的關(guān)系，并通過仿真驗證了理論分析的正確性。分析結(jié)論為衛(wèi)星通信后續(xù)干擾辨識、抗干擾能力分析提供有效支撐，對提升衛(wèi)星通信系統(tǒng)整體抗干擾能力具有重要意義，后續(xù)基于上述成果進(jìn)一步研究針對性抗干擾措施和方法。