擴頻測控系統的抗干擾能力分析

張 旭,吳 潛

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

1 引 言

隨著國際形勢的發展,航天測控系統在高覆蓋率、多目標同時測控、信息安全、防摧毀能力、高抗干擾能力等方面有著新的需求。擴頻測控技術因其優越的隱蔽性能、良好的抗干擾性能以及抗衰落[1,2]等特點,得到了迅速發展。

測控通信系統中干擾的形式是多種的,有單頻干擾、窄帶干擾、寬帶干擾以及白噪聲干擾等。在不同的干擾下,擴頻系統的抗干擾能力是不同的。研究擴頻系統抗干擾能力可用于指導測控系統抗干擾試驗,為其提供理論方法與相關測試數據基準,為測控抗干擾試驗系統的改進提供依據。針對擴頻系統的抗干擾性能,很多文獻都進行了分析,主要集中在對比系統對各類干擾的處理增益[3,4]或系統面對各類干擾的誤碼性能[5,6]。本文基于直接序列擴頻系統,側重分析抗各種干擾的原理及抗干擾能力,對擴頻系統和非擴頻系統對抗各種干擾的性能進行全面比較,給出了具有抗干擾能力的擴頻接收機系統設計思路,最后通過建模仿真驗證了理論分析結果。

2 擴頻系統抗干擾原理分析與設計建議

在直接序列擴頻中,抗干擾的基本原理是在發射端用偽碼對信息數據進行擴頻調制,在接收端對接收的有用信號用同步偽碼進行解擴,此時干擾信號則被擴頻。下面以BPSK直擴系統為例,分別針對單頻干擾、窄帶干擾和寬帶干擾等進行具體分析。

2.1 單頻干擾和窄帶干擾

擴頻系統對單頻干擾和窄帶干擾的抗干擾原理相同。經解擴后,被擴頻的有用信號與擴頻碼序列相乘恢復為窄帶信號,干擾信號的頻譜被擴展,通過窄帶濾波器后,濾掉干擾信號的大部分能量,提高了解擴后的信噪比,從而達到抗干擾的目的。

以同頻干擾信號為例進行分析。設 s(t)為解擴系統收到的信號形式[7]:

在收端經解擴后,信號形式為

可以看出,有用的調制信號被恢復成窄帶信號,而單頻干擾信號則被PN碼擴展。

2.2 寬帶偽隨機序列干擾

本文提到的寬帶干擾主要指帶寬大于等于擴頻信號帶寬的干擾信號。通常為使干擾能量集中,寬帶干擾信號的帶寬等于擴頻信號的帶寬。

對于偽隨機序列的寬帶干擾,當偽隨機序列與擴頻系統偽碼時鐘同步且碼率成整倍數關系時,干擾信號經過解擴系統后,頻譜將不會被擴展,相應地,干擾信號功率譜密度不會下降。這時,擴頻系統對寬帶干擾信號沒有更好的抑制作用。當偽隨機序列與擴頻系統偽碼時鐘異步時,干擾信號與擴頻系統偽碼相乘后,頻譜會被擴展,其功率譜密度將降低,從而有效抑制了干擾。

在偽隨機序列寬帶干擾中較為特殊的是相關偽碼擴頻干擾,指進入接收機的干擾信號與有用信號中心頻率相同,具有相同的擴頻碼型,且兩者精確同步。該信號經過解擴系統后,與系統偽碼相乘,恢復為窄帶信號,干擾功率可完全進入,直擴系統對其處理增益為0。但采用此種干擾形式需要完全掌握對方擴頻系統所使用的擴頻碼,且需做到完全同步,這是非常困難的。

2.3 白噪聲干擾

白噪聲干擾屬于另一種寬帶干擾。當干擾在整個頻帶均勻分布時,即帶寬無限寬,成為白噪聲干擾。實際上,理想白噪聲是不存在的。當噪聲帶寬大于或等于接收機帶寬時,此寬帶噪聲即可看作白噪聲。圖1所示為相同白噪聲干擾條件下,擴頻系統和非擴頻系統的比較。白噪聲信號與擴頻序列不相關,進入解擴系統以后,其頻譜不會被擴展,解擴前后干擾信號的功率譜密度不發生改變,經過接收機濾波以后,通過的干擾信號功率是相同的。因此,擴頻系統與不擴頻系統相比對于抗白噪聲干擾沒有改善。但在干擾功率一定的條件下,白噪聲干擾的功率譜密度更低,比窄帶干擾或單頻干擾的干擾效果差。

圖1 白噪聲干擾下擴頻系統和非擴頻系統比較Fig.1 Comparison between DS system and non-DS system under white noise interference

2.4 擴頻抗干擾接收機設計建議

在擴頻測控中,接收機接收的信號通常具有較大的多普勒,要求接收機在一定多普勒范圍內完成擴頻碼和載波的捕獲,進而解調出信息。從上述擴頻系統對多種干擾信號的抗干擾機理分析可以看出,擴頻系統對干擾信號具有抗干擾能力的前提是建立在擴頻接收機首先完成對接收信號的“二次擴頻”基礎上,“二次擴頻”指的是對有用信號的解擴,對干擾信號的擴頻。

目前擴頻接收機的設計在捕獲方式上主要可以分為兩類。一類是,首先在時間域和頻域同時進行的二維搜索過程完成擴頻碼捕獲和多普勒的估計,再完成載波的同步和信號的解調。另一類是,直接對接收信號平方,去掉擴頻碼和調制信息,然后FFT測頻完成多普勒估計,最后在載波同步的基礎上輔助完成擴頻碼的同步,這種思路可以簡化接收機的設計,提高捕獲時間,但是從本質上講在信號的捕獲過程中沒有對干擾信號擴頻,沒有最大限度地利用擴頻碼降低干擾信號功率譜密度的功能。因此,要在擴頻接收機中有效實現抗干擾的能力,建議采用第一類捕獲方式。

3 擴頻系統抗干擾性能比較

抗干擾容限表示系統在某一干擾條件下能夠正常工作的能力,以干擾功率與信號功率的比值表示[3,4,8,9]:

式中,α為系統損耗;S0/N0為要求的接收機信噪比,可根據相應誤碼率對信噪比的要求來確定;Gp為處理增益[6,10]。

在現有文獻中,給出的處理增益通常都只與干擾信號的帶寬相關,而實際上,同樣帶寬的干擾信號產生的干擾效果并不完全相同。下面詳細分析各類干擾的處理增益。

3.1 單頻干擾

單頻干擾通過濾波器輸出的有效干擾功率與濾波器帶寬Bm有關。設有用信號功率為P,干擾功率為P′,擴頻系統擴頻帶寬為Bs,經過接收機濾波后的有效干擾功率為(P′/Bs)Bm,有用信號功率不發生改變仍為P,因此其增益應為

式中,n=Bs/Bm表示干擾信號被擴展的倍數,反映了干擾功率降低的情況。

以同樣的干擾對非擴頻系統進行干擾,干擾功率完全進入,處理增益為0。

3.2 窄帶干擾

窄帶干擾經解擴后其頻譜被擴展,擴展后的帶寬有兩種情況。文獻[3,6]描述,窄帶干擾頻譜擴展后的帶寬為(Bs+Bj)。此時,處理增益為

式(7)描述僅為其中一種情況。本文補充描述的另一種情況是,當窄帶干擾是偽隨機序列調制信號,而其偽碼時鐘與擴頻系統偽碼時鐘同步且碼率為整倍數關系時,干擾頻譜擴展后帶寬為 Bs。此時,處理增益由式(6)給出。

以同樣的窄帶干擾對非擴頻系統進行干擾,有效干擾功率為(P′/Bj)Bm。若 Bj小于Bm,則干擾功率全部進入;若Bj小于Bm,則干擾功率進入一部分。

3.3 寬帶干擾

在文獻[3,6,8]中,寬帶干擾的處理增益被描述為Gp=M+3,這也是通常文獻所說的擴頻系統中采用寬帶干擾會比單頻干擾多出一倍的功率代價。本文將寬帶干擾的處理增益分以下幾種情況分別討論。

寬帶偽隨機序列干擾信號的偽隨機序列與擴頻系統偽碼時鐘同步且碼率為整倍數關系時,干擾頻譜不會被擴展,保持為Bj,經濾波后,有效干擾功率為(P′/Bj)Bm。因此,處理增益為

當干擾帶寬等于Bs時,Gp=M。

大多時候干擾信號偽隨機序列與擴頻系統偽碼時鐘不同步,干擾頻譜將被擴展,擴頻后帶寬為(Bs+Bj),經過接收機濾波后的有效干擾功率為(P′/(Bj+Bs))Bm,其增益為

當干擾帶寬等于Bs時,Gp=M+3。

對于寬帶白噪聲干擾,干擾頻譜不被擴展,其處理增益同式(8)。

以同樣的寬帶干擾對非擴頻系統進行干擾,能夠通過的有效干擾功率為(P′/Bj)Bm,處理增益與擴頻系統相同。

由上述分析,無論是擴頻系統還是非擴頻系統,寬帶干擾的有效干擾功率都較單頻干擾和窄帶干擾低,其干擾效果更差。而偽隨機序列與系統PN碼相同且同步的寬帶調制信號,其干擾效果非常優越,被稱為最佳干擾形式[3],但對于敵意干擾,要想準確獲知系統PN碼是非常困難的。

文獻[5]指出,由于擴頻系統相對非擴頻系統來說,抗窄帶干擾或單頻干擾的性能更好,而抗寬帶干擾則無優越性,因此要對擴頻系統實施干擾,采用寬帶干擾比采用單頻干擾或窄帶干擾更好。但實際上,在同樣功率的干擾下,寬帶干擾即使頻譜不能被PN碼擴展,其功率譜密度比窄帶干擾或單頻干擾經過PN碼擴展后的功率譜密度也更低,進入濾波器的有效干擾功率仍是小于窄帶干擾或單頻干擾的。因此,并不能說明寬帶干擾比窄帶干擾或單頻干擾的效果更佳。文獻[11]的結論也說明了這點。

4 抗干擾性能仿真

下面分別針對單頻干擾、偽碼調制信號干擾(包括窄帶和寬帶)和白噪聲干擾進行仿真。

4.1 單頻干擾

在擴頻系統中加入與中心頻率同頻、同相的單載波干擾,測試不同干信比下系統的誤碼性能。將系統損耗為0時算出的理論抗干擾容限Mj與仿真實測干信比J/S相比較,結果如圖2(a)所示。仿真結果進一步驗證了對擴頻系統抗單頻干擾性能的理論分析。

在非擴頻系統中,加入上述單頻干擾信號。針對不同的干擾功率與信號功率比,測試系統解調后的誤碼情況,仿真結果如圖2(b)所示。

圖2 單頻干擾對擴頻系統及非擴頻系統的影響Fig.2 The influence of single carrier interference on DS and non-DS systems

4.2 偽碼調制信號干擾

窄帶偽碼調制信號干擾與寬帶偽碼調制信號干擾類似,下面以兩種帶寬(100 Hz,10 kHz)的偽碼調制信號干擾為例進行仿真。使干擾的偽碼時鐘與擴頻系統碼鐘不同步。仿真結果如圖3所示,從圖中可以看出,擴頻系統抗10 kHz干擾信號的能力較抗100 Hz干擾信號能力略強。

圖3 擴頻系統抗偽碼調制信號干擾性能Fig.3 The influence of PN code modulation signal interference on DS system

在非擴頻系統中,采用偽碼調制信號進行干擾,其性能如圖4所示。

圖4 偽碼調制信號干擾下非擴頻系統性能Fig 4 The influence of PN code modulation signal interference on non-DS system

從圖4可以看出,干擾帶寬小于窄帶濾波器帶寬Bm時,干擾信號功率完全進入,此時當干擾功率大于等于信號功率即會產生誤碼;干擾帶寬大于Bm時,干擾信號功率只有一部分進入,其誤碼性能比前者好。

4.3 白噪聲干擾

仿真中,白噪聲帶寬為1 MHz。分別在擴頻系統和非擴頻系統中加入該白噪聲干擾,仿真實測結果如圖5所示。可以看出,對于擴頻系統和非擴頻系統,受到相同的白噪聲干擾,系統誤碼性能相同。

圖5 白噪聲干擾下擴頻與非擴頻系統性能Fig.5 The influence of white noise interference on DS and non-DS systems

5 結束語

本文針對擴頻系統抗干擾機理以及不同形式干擾信號對擴頻系統干擾效果和相應的抗干擾容限進行了詳盡研究。研究發現與非擴頻系統相比,擴頻系統對單頻干擾的抑制最好,相干偽碼干擾信號會極大地干擾擴頻系統,對非擴頻系統的影響則較小。在擴頻測控系統抗干擾接收機的設計中,建議先進行碼捕獲,再完成載波同步和信號解調。本文的研究結果對于指導擴頻測控系統抗干擾實驗的開展具有積極意義。

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