衛星通信抗干擾設計考慮及性能分析?

黃愛軍（中國西南電子技術研究所，成都610036）

衛星通信抗干擾設計考慮及性能分析?

黃愛軍
（中國西南電子技術研究所，成都610036）

提出了直接序列擴頻和自適應調零天線相結合的衛星通信抗干擾設計思路，針對不同干擾條件和不同衛星轉發方式，進行了系統抗干擾性能的理論分析，結果表明，直接序列擴頻和自適應調零天線相結合，經星上再生處理轉發可有效提高系統抗干擾能力。相關分析與結論對工程應用具有一定的參考意義。

衛星通信；抗干擾；直接序列擴頻；自適應調零；干擾容限

1 引言

復雜電磁環境下的通信會受到各種自然和人為干擾的影響，尤其衛星通信。衛星長期暴露于覆蓋區上空，敵我共視，特別容易受到干擾和攻擊。為保證通信的有效性和可靠性，抗干擾是衛星通信系統設計必須考慮的關鍵問題之一。

衛星通信抗干擾設計通常采用擴頻、星上處理等方式。本文結合工程實踐，將直接序列擴頻（DSSS）和自適應調零天線相結合，給出了抗干擾衛星通信鏈路信道模型和設計建議。在此基礎上，對衛星通信上、下行鏈路的抗干擾表達式進行了理論推導，并通過定量計算，對不同干擾條件、不同衛星轉發方式下系統的抗干擾性能進行了比較和分析。

2 抗干擾基本原理

根據無線通信抗干擾基本概念，當干擾進入通信系統（接收機）后，不考慮門限效應，通信系統正常工作的條件是［1］接收機輸入干信比小于系統干擾容限，即：

提高通信系統抗干擾能力可以通過降低接收機輸入干信比和提高系統干擾容限兩方面采取措施。

降低接收機輸入干信比的途徑有：提高信號發射功率、發射與接收天線增益、干擾傳輸路徑損耗、干擾和信號的時域／頻域／極化重合損耗，減小信號傳輸路徑損耗、干擾接收天線增益等［1］。

提高系統干擾容限的途徑有：提高接收機信干比處理增益，降低實現損耗和解調器輸入端要求的門限信噪比。

3 衛星通信抗干擾設計

3.1 設計思路

衛星通信功率、帶寬受限，干擾環境復雜、多變，許多小型應用平臺設備體積、重量、功耗受限，因此，無法采用單一手段達到較為理想的抗干擾效果，系統設計時，需綜合考慮抗干擾措施。

根據抗干擾基本原理，可以通過上行鏈路功率調節（改善收端信號質量），降低系統通信信息速率（提高鏈路信噪比），采用自適應調零天線技術（通過空域濾波進行干擾信號抑制）等措施降低接收機輸入干信比；通過擴頻技術、干擾抑制技術（提高接收機信干比處理增益），信源編碼、信道編碼和有效調制方式（降低解調器輸入端門限信干比要求），優化設備設計（降低信干比損失）等措施提高系統干擾容限。

其中直接序列擴頻與自適應調零天線相結合的通信終端設計，是衛星通信抗綜合干擾的一種優化方案。

3.2 自適應調零天線

自適應調零天線特別適合復雜電磁環境條件下對接收鏈路通信質量有較高要求的應用。除大型衛星通信地球站外，一般小型應用平臺無法通過增大天線口徑來獲得高增益，可采用自適應調零天線改善信號干擾之比，以實現對干擾信號的抑制，保證衛星信號有效接收。

自適應調零天線利用相控陣天線原理，在干擾源方向形成波束零點；利用數字信號處理技術對干擾信號進行識別和檢測；利用自適應技術自動調整天線波束的零點指向，使干擾信號最小，通過波束形成算法，設置對期望信號到達方向（衛星來波方向）的增益約束，保證天線主波束始終指向有用信號方向。

一般M陣元的天線陣列有M-1個自由度，可形成多個方向圖零陷，有效抑制不同方向的干擾信號。干擾越強，自適應調零天線零陷越深。目前工程水平可以實現大于40 dB的干擾抑制。

采用自適應調零天線，在通信和干擾來波方向夾角較大時，抗干擾效果明顯，能有效提高接收機輸入信干比，但當信號和干擾方向一致或十分接近時，則干擾抑制作用基本消失。

3.3 直接序列擴頻

自適應調零天線可以抑制接收端數量有限的較強干擾，為進一步提高系統抗干擾性能，應對更多的其他形式干擾，如窄帶、寬帶、多徑干擾等，系統可進一步采用直接序列擴頻方式。

當干擾信號進入接收機后，包括接收機熱噪聲，擴頻系統接收的每比特信號能量與單邊噪聲、干擾功率譜密度比為［2］

式中，Eb為每比特信號能量，nj為干擾單邊功率譜密度，n0為等效噪聲單邊功率譜密度，W為擴頻帶寬（近似等于擴頻碼速率Rc），Ps為有用信號功率，Pj為干擾功率，Rb為信息速率，Gp=Rc／Rb為擴頻處理增益。

由式（2）可以得出如下結論：

（1）系統正常工作，（SNR）O＞（SNR）th；

（2）當（SNR）O足夠大時，接收機等效噪聲單邊功率譜密度n0對抗干擾性能的影響可以忽略，式（2）變形為

（3）Gp、（SNR）th一定時，系統干擾容限隨（SNR）O增加而增加，同時其增量隨（SNR）O增加而減小。不同Gp，干擾容限與（SNR）O-（SNR）th的變化關系一致。

取［（SNR）th］為10 dB，直擴系統干擾容限與輸入信噪比對應關系如圖1所示。

從圖1可以看出，當［（SNR）O］超過［（SNR）th］8 dB以上時，干擾容限值趨于穩定。工程設計時，結合抗干擾性能要求及實現代價，取（SNR）O高于（SNR）th3～8 dB為宜。

衛星透明轉發時，［（SNR）O］取上下行鏈路總信噪比（Eb／n0）total，即：

式中，（Eb／n0）u、（Eb／n0）d分別表示上、下行鏈路每比特信號能量與單邊噪聲功率譜密度比。

星上再生轉發時，信號分別在星上和衛星通信終端解擴、解調，上下行鏈路相互獨立，（SNR）O分別取上、下行鏈路的信噪比（Eb／n0）u和（Eb／n0）d。

4 抗干擾性能分析

4.1 衛星通信干擾模型

衛星通信信道由上行鏈路、衛星、下行鏈路組成。一個完整的通信鏈路中，可分別針對上行鏈路、衛星、下行鏈路3處實施干擾（對衛星的干擾亦是通過上行信號對衛星轉發器干擾，只是干擾信號不一定在信號頻帶內）。衛星通信信道干擾模型如圖2所示［1］。

設定衛星通信信道模型參數如下：

擴頻碼速率Rc=8 Mchip／s；數據速率Rb= 1 kbit／s；擴頻處理增益［Gp］=39.03 dB；衛星通信終端接收解調門限信噪比［（SNR）th］=10 dB；下行載波頻率fd=2.5 GHz（對應的自由空間傳播損耗［L］=192 dB）；衛星輸出功率［（EIRP）s］=35 dBW；衛星通信終端自適應調零接收天線增益［GE］=6 dB，干擾抑制能力［GA］=40 dB；衛星通信終端接收等效噪聲溫度Td=300 K；若（SNR）O足夠高，直接序列擴頻后，接收端干擾容限

再加上自適應調零天線的空域干擾抑制能力，接收端干擾容限

可見擴頻和自適應調零天線相結合，使接收端干擾容限大幅提高。但衛星通信鏈路的抗干擾性能不完全等同于接收端的抗干擾性能。干擾條件不同，衛星轉發方式不同，衛星通信上、下行鏈路抗干擾性能亦不同。

下面分別討論只存在上行鏈路干擾、只存在下行鏈路干擾和同時存在上下行鏈路干擾情況下的系統抗干擾性能。

4.2 只存在上行鏈路干擾時系統抗干擾性能

（1）透明轉發器轉發

令轉發器輸入干信比為JSRu，輸出干信比為JSRo，取Δ=，Δ＞1［1］。

衛星輸出的有用信號功率?

衛星輸出的干擾信號功率

衛星通信終端接收到的有用信號功率

衛星通信終端接收到的干擾信號功率

衛星通信終端噪聲功率為kTdW。

根據干擾容限定義，當下行鏈路無干擾時，衛星通信終端干擾容限

變換式（5），得透明轉發（用下標T表示）時上行鏈路允許的最大干信比為

上行鏈路干擾隨有用信號一起從衛星下來，接收端自適應調零天線無法對其進行空域鑒別、隔離。將設定的衛星通信信道模型參數代人式（6），得

由式（7）可見，干擾容限設計值為29.03 dB的DSSS系統，通過衛星透明轉發，在衛星通信終端接收天線增益6 dB，等效噪溫300 K的條件下，上行鏈路抗干擾能力降為12.49-［Δ］dB，［Δ］為透明轉發器引入的信干比損失。上行鏈路允許的最大干信比與衛星通信終端接收G／T值對應關系如圖3所示。

從圖3可以看出，衛星透明轉發時，上行鏈路抗干擾能力與下行鏈路接收能力相關。當衛星通信終端接收能力較弱（G／T值小）時，上行鏈路干擾對星上功率的掠奪會導致下行鏈路信噪比降低，接收機前端的高斯白噪聲將嚴重影響DSSS系統的抗干擾能力。隨著下行鏈路接收能力的增強，DSSS系統上行鏈路抗干擾能力受到的影響將會減弱。當接收G／T值大于5 dB后，上行鏈路允許的最大干信比值趨于穩定，接收端噪聲影響基本可以忽略。

（2）再生轉發器轉發

星上再生轉發（用下標R表示）時，上行鏈路允許的最大干信比即上行鏈路干擾容限（設星上解調輸入（SNR）O足夠大）：

式中，（Eb／No）sth為星上解調門限信噪比。系統上行鏈路抗干擾能力取決于星上接收解調能力。設星上解調門限信噪比與衛星通信終端解調門限信噪比一致，則上行鏈路干擾容限同設計干擾容限值，即：

星上再生處理可以避免非線性效應造成的衛星功率掠奪和互調干擾，保證星上功率的充分利用，抗上行干擾能力強于透明轉發，特別有利于小口徑終端。

4.3 只存在下行鏈路干擾時系統抗干擾性能

不論透明轉發還是再生轉發，衛星EIRP全部用于有用信號。

衛星通信終端接收到的有用信號功率Ps=（EIRP）s（1／L）GE。

衛星通信終端接收允許的最大干擾功率

式中，JA為自適應調零天線作用范圍內最大可承受的干擾功率。

下行鏈路允許的最大干信比即干擾容限

由式（12）、式（13）可見，再生轉發抗下行鏈路干擾能力優于透明轉發。由式（12）～（15）可見，自適應調零天線（干擾抑制能力為［GA］）在抗下行鏈路干擾方面作用顯著。

4.4 上下行鏈路同時存在干擾時系統抗干擾性能

（1）透明轉發器轉發

上行鏈路允許的最大干信比

式中，JD為下行鏈路衛星通信終端收到的有效干擾功率。

當下行鏈路干擾與衛星來波方向不同，干擾強度＜JA時，JD=0，自適應調零天線從空域完全抑制干擾，可認為系統無下行鏈路干擾，式（16）等同式（6）；當干擾與衛星信號來波方向一致或十分接近時，天線對干擾無抑制作用，JD=干擾強度，式（16）

較式（6）增加了一個惡化因子JD，系統上行鏈路允許的最大干信比隨下行鏈路干擾的增強而減弱。

當系統上、下行鏈路均存在干擾時，下行鏈路衛星通信終端允許的最大干擾功率

PjmaxT3=PsMj-kTdW+JA=

下行鏈路最大干信比即下行鏈路干擾容限

式（18）與式（12）雖表達形式一樣，但由于干擾條件不同，上下行鏈路信噪比及總的鏈路信噪比值不同，所得結果也不同。

代入設定的信道模型參數值，得

（2）再生轉發器轉發

再生轉發時，上行鏈路和下行鏈路分別解調，抗干擾性能相互獨立。上行鏈路干擾容限如式（9）所示，下行鏈路衛星通信終端允許的最大干擾功率同式（10），下行鏈路干擾容限同式（13）、式（15）。

通過上面分析，比較式（16）～（20），當上下行鏈路都存在干擾時，再生轉發上下行鏈路的抗干擾性能均優于透明轉發。

5 結束語

從實際性能和工程實現考慮，各種抗干擾技術都有其優點和不足。直接序列擴頻和自適應調零天線分別從頻域和空域進行干擾抑制，兩者兼容性好，可相互彌補不足。直接序列擴頻和自適應調零天線相結合的技術體制經星上再生處理轉發可以極大地壓制強干擾信號，是衛星通信中的有效抗干擾手段。

［1］張邦寧，魏安全，郭道省，等.通信抗干擾技術［M］.北京：機械工業出版社，2006. ZHANG Bang-ning，WEI An-quan，GUO Dao-xing，et al.Communication Anti-jamming Technology［M］.Beijing：Machine Press，2006.（in Chinese）

［2］Kaplan E D.GPS原理與應用［M］.2版.邱致和，王萬義，譯.北京：電子工業出版社，2002：140-141. Kaplan E D.GPS Principle and Application［M］.2 nd ed.Translated by QIU Zhi-he，WANG Wan-yi.Beijing：Publishing House of Electronic Industry，2002：140-141.（in Chinese）

Anti-jamming Design Consideration and Performance Analysis in Satellite Communication

HUANG Ai-jun
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

A satellite communication anti-jamming design combing directsequence spread spectrum（DSSS）and adaptive nulling antenna is proposed.For different jamming conditions and satellite transponding modes，theoreticalanalysis ofsystem anti-jamming performance is given.Itis concluded thatthe system anti-jamming capability can be effectivly improved by combining DSSS and adaptive nulling antenna and then performing onboard regeneration processing and transponding.

satellite communication；anti-jamming；DSSS；adaptive nulling；jamming tolerance

TN927

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2012.03.001

黃愛軍（1968—），女，四川眉山人，高級工程師，主要研究方向為衛星通信。

1001-893X（2012）03-0259-05

2012-02-06；

2012-03-08

HUANG Ai-jun was born in Meishan，Sichuan Province，in 1968.She is now a senior engineer.Her research concerns satellite communication.

Email：huangaijx＠sina.com