一種擴(kuò)頻測(cè)控鏈路中PIM的全盲抑制算法

安金坤，田林,丁凱

中國(guó)空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094

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一種擴(kuò)頻測(cè)控鏈路中PIM的全盲抑制算法

安金坤*，田林,丁凱

中國(guó)空間技術(shù)研究院 載人航天總體部，北京 100094

針對(duì)航天器擴(kuò)頻體制測(cè)控鏈路中無(wú)源互調(diào)(PIM)干擾的問題，提出了一種基于小波包分解的全盲PIM抑制算法。該算法將接收的擴(kuò)頻測(cè)控信號(hào)進(jìn)行小波包多層分解，根據(jù)分解后的信號(hào)應(yīng)滿足高斯分布的特性，完成對(duì)干擾進(jìn)行抑制，而整個(gè)處理過(guò)程不涉及干擾門限的設(shè)置，是一種全盲的PIM干擾抑制方法。Matlab仿真表明，采用該抗干擾算法可將信干比提高7dB。

測(cè)控鏈路； 擴(kuò)頻通信；無(wú)源互調(diào)；小波包；干擾抑制

測(cè)控通信系統(tǒng)是航天器最重要的組成系統(tǒng)之一，是運(yùn)行的航天器和地面控制站之間聯(lián)系的唯一紐帶。通過(guò)其上行的遙控鏈路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器的控制，下行的遙測(cè)鏈路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器狀態(tài)的把握。上下行的話音和圖像鏈路可以實(shí)現(xiàn)地面與載人航天器中航天員的交流與溝通。因此，航天器測(cè)控通信鏈路能否有效而可靠地運(yùn)行是決定航天器任務(wù)成敗的必要條件。

測(cè)控通信鏈路自身或者外界產(chǎn)生的干擾會(huì)對(duì)測(cè)控鏈路的有效性和可靠性產(chǎn)生影響[1-4]。兩個(gè)或兩個(gè)以上的信號(hào)在無(wú)源器件中相遇，產(chǎn)生的線性組合產(chǎn)物落入信號(hào)帶內(nèi)，產(chǎn)生一種由自身激發(fā)的干擾[5-6]，即無(wú)源互調(diào)(Passive Inter-Modulation, PIM)，其來(lái)源于無(wú)源器件自身的非線性，可以分為材料非線性和接觸非線性兩類[7-8]。針對(duì)這種由設(shè)備本身產(chǎn)生的自干擾，人們通常采用改進(jìn)工藝或換用材料的方法來(lái)降低PIM干擾，但由于PIM建模、預(yù)測(cè)、測(cè)量以及具體機(jī)理研究難度較大，國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展緩慢[9-12]，抑制效果并不理想。

擴(kuò)頻通信系統(tǒng)由于其抗干擾、抗截獲、可多址通信、可測(cè)距等諸多優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為航天器測(cè)控通信系統(tǒng)的主流體制。本文即針對(duì)擴(kuò)頻測(cè)控鏈路中的PIM，從信號(hào)處理的角度研究PIM的處理方法，在擴(kuò)頻接收機(jī)正常處理接收信號(hào)前(包括同步、解擴(kuò)、解調(diào)、譯碼等處理)，先將接收信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)干擾抑制模塊完成對(duì)帶有PIM接收信號(hào)的預(yù)處理，然后再完成同步、解調(diào)等常規(guī)處理。采用的處理工具為小波包變換，它計(jì)算量小，成熟度高，軟件極易實(shí)現(xiàn)，且整個(gè)算法能夠避免對(duì)干擾門限的設(shè)置，具有較強(qiáng)的靈活性和可實(shí)現(xiàn)性，從而為航天器實(shí)用化抗PIM接收機(jī)的研制提供了一種工程化的實(shí)現(xiàn)途徑。

1　直擴(kuò)信號(hào)模型及理論依據(jù)

1.1含PIM的直擴(kuò)信號(hào)接收模型

PIM是由系統(tǒng)中的非線性部件所引起的，其主要特性表現(xiàn)為如下特點(diǎn)[13]：1)時(shí)變特性；2)門限效應(yīng)；3)功率電平的不可預(yù)知性；4)干擾的寬帶噪聲特性。因此，PIM干擾可建模成一種在時(shí)間上隨機(jī)出現(xiàn)，在頻率上(信號(hào)帶內(nèi))隨機(jī)跳變的寬帶干擾模型。

含有抗PIM干擾模塊的擴(kuò)頻測(cè)控系統(tǒng)框圖如圖1所示，接收信號(hào)R(t)可以表示為

(1)

式中：S(t)為擴(kuò)頻信號(hào)；J(t)為PIM干擾信號(hào)；N(t)為高斯白噪聲信號(hào)。

圖1　含抗PIM模塊的擴(kuò)頻接收系統(tǒng)Fig.1　DSSS signal receiving system with PIM suppression model

(2)

(3)

式中：Ik為第k個(gè)信息比特；L為擴(kuò)頻碼的碼長(zhǎng)；ak是第k位擴(kuò)頻碼，p(t-kTc)為持續(xù)時(shí)間為Tc的成形波。接收端依據(jù)擴(kuò)頻碼與有用信號(hào)的相關(guān)性和與干擾信號(hào)的不相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻信號(hào)一定的抗干擾能力。雖然擴(kuò)頻信號(hào)本身具有一定的干擾抑制能力，但是當(dāng)干擾過(guò)強(qiáng)，超過(guò)了擴(kuò)頻系統(tǒng)固有的干擾容限[14]，仍會(huì)造成擴(kuò)頻接收機(jī)的失鎖或誤碼。通過(guò)在接收信號(hào)解擴(kuò)前對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行干擾抑制后再行處理，可以提高擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾能力，也是本文研究的出發(fā)點(diǎn)。

1.2算法理論依據(jù)

下面給出本文算法中用到的一個(gè)重要依據(jù)：對(duì)一個(gè)線性系統(tǒng)，若系統(tǒng)輸入端的平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程為非高斯分布，則只要輸入過(guò)程的等效噪聲帶寬遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的通頻帶，在系統(tǒng)的輸出端便能得到接近于高斯分布的隨機(jī)過(guò)程[15]。

接收端的噪聲滿足高斯分布(有用信號(hào)由于淹沒在噪聲中而不于考慮)，時(shí)頻域隨機(jī)的PIM干擾信號(hào)不滿足高斯分布，兩者之和不滿足高斯分布，小波包分解采用Mallat算法[16],該算法通過(guò)線性濾波器實(shí)現(xiàn)小波包分解，滿足依據(jù)中的線性系統(tǒng)的要求。其次，小波包具有帶通特性，在小波分解層數(shù)足夠多的條件下，每層小波包對(duì)應(yīng)的帶寬遠(yuǎn)小于輸入信號(hào)的帶寬。依據(jù)上述定理，小波包分解后的無(wú)擾信號(hào)應(yīng)接近高斯分布。

2　干擾抑制算法

擴(kuò)頻測(cè)控鏈路全盲抗PIM算法流程如圖2所示，其基本步驟如下：

1)對(duì)含有PIM干擾的直擴(kuò)通信信號(hào)采用db30小波進(jìn)行小波包完全分解，小波包分解采用Mallat算法，分解到8層信號(hào)。

2)對(duì)小波包分解后的信號(hào)進(jìn)行頻移，防止信號(hào)頻率混疊。

3)對(duì)小波包分解后的葉子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，計(jì)算每個(gè)葉子節(jié)點(diǎn)系數(shù)的方差,將超過(guò)M倍方差的系數(shù)置零或者鉗位，M取2～5。再計(jì)算此時(shí)葉子節(jié)點(diǎn)系數(shù)的方差，將超過(guò)M倍方差的系數(shù)置零或者鉗位。

4)不斷重復(fù)步驟3)的過(guò)程，直到葉子節(jié)點(diǎn)系數(shù)基本保持不變?yōu)橹埂?/p>

5)根據(jù)處理后的葉子節(jié)點(diǎn)重構(gòu)信號(hào)，此步完成PIM干擾的抑制。

6)對(duì)完成干擾抑制的信號(hào)送常規(guī)的擴(kuò)頻接收機(jī)完成信息解擴(kuò)、解調(diào)和譯碼。

圖2　擴(kuò)頻系統(tǒng)全盲抗PIM算法流程Fig.2　PIM suppression algorithm flow graph

3　仿真結(jié)果

采用仿真軟件Matlab完成擴(kuò)頻測(cè)控鏈路全盲抗PIM算法抑制效果的性能仿真，結(jié)果如圖3所示，其包含不抑制干擾的誤碼率曲線，每次循環(huán)系數(shù)倍數(shù)M的取值范圍為2～5。橫坐標(biāo)為信干比SIR=-30∶5∶0；對(duì)應(yīng)每個(gè)信干比下的信噪比SNR=SIR+15?？v坐標(biāo)為誤碼率(取對(duì)數(shù)后的結(jié)果)，可以看到該盲算法能夠顯著抑制具有時(shí)頻隨機(jī)特征的PIM干擾信號(hào)。

圖3　不同M下全盲抗PIM算法的性能Fig.3　Algorithm performance under different M

從圖3可以看到，當(dāng)M這一倍數(shù)選擇為2時(shí)，該算法處理后的系統(tǒng)誤碼率水平獲得很大的提升，在10-2的誤碼率上，經(jīng)過(guò)全盲算法處理后的誤碼率比不經(jīng)過(guò)處理后的誤碼率提高了約7 dB。當(dāng)M過(guò)大的時(shí)候，由于抑制干擾的同時(shí)也抑制了有用信號(hào)，系統(tǒng)的誤碼性能反而降低。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種實(shí)用化的擴(kuò)頻體制測(cè)控鏈路PIM干擾全盲抑制算法，該算法利用無(wú)干擾擴(kuò)頻信號(hào)經(jīng)小波包分解后應(yīng)滿足高斯分布的特性，完成對(duì)含PIM干擾的擴(kuò)頻體制測(cè)控信號(hào)的盲處理，而無(wú)須擴(kuò)頻測(cè)控信號(hào)的任何先驗(yàn)信息。最后，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)驗(yàn)證了該算法PIM干擾抑制性能。

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(編輯：高珍)

A full-blind PIM suppression algorithm for spread spectrum TT & C link

AN Jinkun*，TIAN Lin，DING Kai

Institute of Manned Space System Engineering，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China

Focusing on the passive inter-modulation (PIM) problem in spread spectrum scheme TT & C link, a wavelet packet decomposition based full-blind PIM suppression algorithm was proposed. Multi-layers wavelet packet decomposition was employed on the received spread spectrum TT & C signals,according to the characteristic the decomposed signal should obey Gaussian distribution,and interference suppression was achieved,No suppression gate was set during the whole process and this was a full-blind PIM suppressed algorithm. Finally,Matlab simulation result shows that 7 dB signal interference ratio gain can be obtained.

TT & C link；spread spectrum；passive inter--modulation； wavelet packet； interference suppression

10.16708/j.cnki.1000-758X.2016.0043

2015-12-25；

2016-04-15；錄用日期：2016-05-11；

時(shí)間：2016-07-1213:26:37

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20160712.1326.002.html

安金坤(1982-)，男，博士，ajk8208@163.com，主要研究方向?yàn)楹教炱鳒y(cè)控與通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通信抗干擾

V416.6

A

http:∥zgkj.cast.cn

引用格式：安金坤,田林,丁凱. 一種擴(kuò)頻測(cè)控鏈路中PIM的全盲抑制算法[J].中國(guó)空間科學(xué)技術(shù), 2016,36(4)：

47-50.ANJK,TIANL,DINGK.Afull-blindPIMsuppressionalgorithmforspreadspectrumTT&Clink[J].ChineseSpaceScienceandTechnology, 2016,36(4)：47-50(inChinese).