衛星直擴通信系統干擾檢測技術研究

摘 要：提出一種衛星直擴通信系統的干擾檢測方法，首先將時域接收信號構造為一個復矢量信號，接著對該復信號進行加窗快速傅里葉變換(FFT)，然后根據接收信號在頻域上呈現的統計特性，估計出自適應干擾檢測門限，譜線幅度大于干擾檢測門限的譜線被認為是干擾信號的頻譜，最后根據干擾信號的特性估計出該信號的頻率、帶寬和功率。理論分析和實驗表明，該方法對于衛星直擴通信系統中的干擾信號具有很好的檢測性能。

關鍵詞：衛星通信； 直擴通信系統； 干擾檢測； 參數估計

中圖分類號：

TN927+.2-34 文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)17-0007-03

Research on Detection of Narrow-band Interference in DSSS System of Satellite

ZHANG Ai-min， WANG Xing-quan， ZHANG De-xing， WANG Tie-jun

(Communication Training Base of PLA General Staff Headquarters， Xuanhua 075100， China)

Abstract： An interference detection method of satellite direct sequence spread spectrum (DSSS) communication system is put forward. A complex vector signal in time domain must be constructed， then the Windowed Fast Fourier Transform（FFT）can be performed， finally the adaptive threshold of interference detection can be estimated according to statistical characteristic of the signal in frequency domain. The amplitude of spectral lines which exceeds the spectral lines of interference detection threshold can be identified as the spectrum of interference signal. According to characteristics of interference signal， the frequency， bandwidth and power of interference signal can be estimated. Theoretical analysis and simulation show that the method has good detection performance on interference detection in DSSS communication system of satellite.

Keywords： satellite communication; DSSS communication system; interference detection; parameter estimation

0 引 言

直接序列擴頻通信系統因具有較強的抗干擾能力和防截獲能力，在軍用衛星通信、GPS和軍事微波通信等系統中得到廣泛的應用。衛星通信的路徑損耗大，接收功率低，有用信號經常淹沒在噪聲當中，容易受到各種大功率信號的干擾。通過衛星通信干擾檢測器，可以使頻譜監測系統正確區分正常信號、惡意干擾信號和地面干擾信號，對于不同來源、不同性質的干擾信號實施不同處置措施［1-2］。

1 干擾檢測接收機信號和系統的基本模型

在衛星擴頻通信系統中，寬帶直接序列擴頻信號和加性高斯白噪聲在頻域上具有相似的特性，單頻或者窄帶干擾信號與二者相比在頻域上會呈現較高的峰值，利用這一不同特性對接收信號進行DFT，然后根據干擾信號在頻域上呈現的特性計算出干擾信號的功率、頻率和帶寬，由時域信號變換為頻域信號時采用加窗FFT，由于截斷后序列在邊界不連續，則會導致信號經過DFT變換之后出現頻譜泄漏。為了減輕DFT變換的能量泄漏，常用的方法是在對信號進行DFT之前進行加窗，文獻［3-4］對加窗FFT進行了詳細的研究。干擾檢測原理框圖如圖1所示。

式中:P(K)表示擴頻信號的頻譜;N(K)表示噪聲的頻譜;J(K)表示Δf的頻譜，K=0，1，2，…，N-1。復信號R(K)進行FFT后得到R(K)在數字頻域上不再具有以N/2點為中心的對稱幅頻特性［5］，而是單邊帶頻譜特性，且與其Δf正負有關。當Δf為正值時，譜峰值出現在0～N/2-1之間;當Δf為負值時，譜峰值出現在N/2～N-1之間。正是這種不對稱的頻譜特征，決定了可檢測出Δf正負和大小，而對實信號進行FFT后只能檢測出Δf大小，但是正負無法確定。

要想判斷哪些譜線是干擾信號的譜線，必須有一個干擾檢測門限作為參考，當某一譜線的幅度大于干擾檢測門限時，判定為干擾信號頻譜。因此如何確定干擾檢測門限成為一個關鍵性問題。

2 自適應干擾檢測門限設置的理論依據

在很多情況下信號和干擾都是時變的，對干擾門限的選擇也不應該是固定的，門限設置太高，一些干擾信號難以檢測出來；門限設置太低，有用信號和噪聲會被誤認為是干擾，所以干擾門限的設計應該以接收信號的統計特性為依據［5］。

衛星直擴通信系統在低信噪比下工作，期望信號淹沒在背景噪聲當中，例如GPS擴頻信號要比背景噪聲低幾十dB。直擴信號在較大擴展比下，其頻譜類似白噪聲。當不存在干擾時，由于直擴信號的功率遠遠小于高斯白噪聲功率，從頻域上看，即P(K)N(K)，所以P(K)+N(K)也近似服從窄帶高斯分布。由窄帶高斯分布的特性［4］可知，隨機變量P(K)+N(K)的包絡P(K)+N(K)服從瑞利分布，其相位服從［0，2π)的均勻分布，包絡的平方P(K)+N(K)2服從指數分布，包絡和相位在同一時刻是相互獨立的隨機變量［6-7］。現在假設干擾檢測門限為TH，那么必須滿足窄帶高斯信號的包絡平方不超過TH的概率逼近于1，即：

這樣干擾檢測門限TH=n/λ就很容易確定，這里選擇TH=8/λ，當R(K)2大于TH時，在該頻率點上必然存在干擾，此時R(K)=P(K)+N(K)+J(K)，但絕大部分頻段R(K)=P(K)+N(K)，干擾信號帶寬相對于寬帶信號總是很窄的，所以R(K)2大于TH的譜線不能作為干擾檢測門限估計的樣本值。由此可見，估計干擾檢測門限的樣本值是隨著信號的變化實時更新的，能更好地適應信號和干擾多變的環境。

3 干擾信號的參數估計

由前面的分析可知，復信號經過加窗FFT后得到R(K)=P(K)+N(K)+J(K)，根據這些樣本值可估計出干擾檢測門限，當R(K)2大于干擾檢測門限時，判定該頻率點存在干擾，根據頻譜特性還可以分析出干擾信號的功率和帶寬。這里假設采樣頻率為fs，這時的頻譜分辨率為F=fs/N(N為做FFT的點數)，采樣頻率太大，會導致頻譜分辨率下降。根據抽樣定理可知，采樣頻率fs必須大于信號最高頻率的2倍才不會發生混疊失真，所以采樣頻率也不能太小，在工程應用中要根據實際情況確定［9］。

當第n點的譜線被判定為干擾時，該點的頻率Δf為：當n0且其絕對值大小為nF；當n>N/2時，Δf<0且其絕對值大小為(N-n)F；當n=N/2時，Δf絕對值為fs/2，正負不能確定；當n=0時，Δf為0。那么干擾信號的頻率為fJ=fc+Δf，這時估計誤差小于0.5F。

還可以得到以下結論：

(1) 假設“連續”大于干擾檢測門限的譜線為第k1，k2，…，kn(0

(2) 假設“連續”大于干擾檢測門限的譜線為第k1，k2，…，kn(0

4 仿真與分析

假設接收端信號中存在窄帶干擾和單頻干擾，則選用3個正弦信號之和作為窄帶干擾模型。文獻［10］指出用多個正弦信號之和或由窄帶白噪聲模擬窄帶干擾幾乎具有相同的性能。那么接收信號為:

假設采樣頻率fs=8 000 Hz，這時的頻譜分辨率為F=fs/N=15.625。對上述數據進行了加窗FFT后首先估計出干擾檢測門限，TH=8/λ=45 037，大于干擾檢測門限R(K)2和對應的FFT點數如表2所示。

5 結 語

衛星通信干擾檢測是一項重要研究內容，本文首先分析接收信號模型，接著分析干擾檢測原理，確定了干擾檢測門限，最后對干擾檢測算法進行了仿真和驗證。計算結果表明，該干擾檢測方法可以方便地估計出干擾信號參數，而且估計誤差較小，適合工程應用。

參 考 文 獻

［1］郭黎利，孫志國.通信對抗技術［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2007.

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［3］曾祥華，李崢嶸，王飛雪.擴頻系統頻域窄帶干擾抑制算法加窗損耗研究［J］.電子與信息學報，2004，26(8)：1276-1281.

［4］張春海，盧樹軍，張爾揚.基于加窗DFT的DSSS系統變換域窄帶干擾抑制技術［J］.解放軍理工大學學報:自然科學版，2004(4)：11-15.

［5］薛巍，向敬成，周治中.一種PN碼捕獲的門限自適應估計方法［J］.電子學報，2003，31(12)：1870-1873.

［6］張春海，薛麗君，張爾揚.基于自適應多門限算法的變換域窄帶干擾抑制［J］.電子與信息學報，2006，28(3):461-465.

［7］常建平，李海林.隨機信號分析［M］.北京：科學出版社，2006.

［8］張愛民，胡艷龍，韓方景.低信噪比下基于自適應門限的窄帶干擾抑制研究［J］.電子信息對抗技術，2009，24(1):51-54.

［9］陳大夫，張爾揚，朱江.快速傅里葉變換載波頻偏估計算法［J］.電路與系統學報，2006，11(2):128-132.

［10］CAOPZZA P T. A sing-chip narrow-band frequency-domain excuser for a Global positioning system (GPS) receiver [J]. IEEE J. of Solid State Circuit， 2000， 35(3): 401-411.

作者簡介：

張愛民 男，1977年出生，講師，碩士。主要研究方向為軍用無線通信與網絡、通信抗干擾技術。

王星全 男，1959年出生，高級講師。主要研究方向為無線通信。

張德興 男，1970年出生，高級講師，碩士。主要研究方向為通信網絡管理與控制。

王鐵軍 男，1969年出生，講師。主要研究方向為無線通信。