基于處理轉發器的衛星跳頻通信系統性能研究*

戶凌志，張海勇，韓 東

（海軍大連艦艇學院信息系統系，遼寧 大連 116018）

0 引 言

衛星通信具有覆蓋范圍廣，通信距離遠；頻帶寬，容量大；組網靈活等優點，是打贏現代化戰爭，奪取信息控制權的重要手段。但是，由于衛星暴露在空間軌道，易受到敵方的有意干擾，而導致通信鏈路被破壞，甚至整個衛星通信網絡陷入癱瘓[1]。為了保證通信的可靠，必須采用高效的抗干擾技術。而采用處理轉發器的衛星跳頻通信系統，將星上處理（On-board Processing，OBP）與跳頻技術（Frequency Hopping，FH）相結合，具有良好的抗干擾能力，是各國軍事衛星通信抗干擾技術發展的重點[2]。因此，對處理轉發衛星跳頻通信系統的研究具有一定的現實意義。

目前，國內對處理轉發衛星跳頻通信系統的研究相對較少。文獻[3]分析了不同干擾方式對衛星跳頻通信上行鏈路的干擾效果，得出梳狀譜干擾效果最佳的結論；文獻[4]分析了跟蹤干擾對衛星跳頻通信的干擾橢圓，給出了最基本的干擾機設計訣竅。但是以上研究都未考慮處理轉發器對通信鏈路的影響，而導致系統性能分析不夠精確，為了保證處理轉發衛星跳頻通信系統的合理使用，以最大限度發揮其抗干擾能力，需要對其系統性能進行精確的分析。

1 基于處理轉發器的衛星鏈路分析

1.1 處理轉發器的工作原理與特性

處理轉發器又稱為再生式轉發器，它可以對接收到的上行頻率信號，經過一系列的星上處理，再通過下行頻率轉發給地球接收站，其工作原理如圖1所示。

圖1 處理轉發器工作流程示意圖

處理轉發器對接收到的上行鏈路信號，經過低噪放大后，進行解跳得到中頻信號，然后將中頻信號送入解調器，解調為基帶信號，再通過再生處理對信號加以增強，隨后，將處理后的基帶信號再重新調制到下行載波頻率上，進行再跳頻，最后通過末級功率放大器對信號進行放大，轉發至下行鏈路地球站接收。

由于處理轉發器通過對信號進行星上解調和再生，可以去除上行鏈路中的噪聲及干擾，而不會隨信號轉移到下行鏈路，從而提高了整個傳輸鏈路的通信質量；而且可以通過星上處理，避免末級功率放大器的非線性影響而導致的功率掠奪及交調干擾，提高了星上功率資源的利用率[5]。

1.2 衛星通信鏈路分析

研究處理轉發衛星跳頻通信系統的傳輸性能，首先要研究衛星的通信鏈路。而星上處理轉發器主要采用數字信號的傳輸[6]，通常以誤比特率表示通信鏈路的性能。以下變量加方括號表示取10lg（）計算。

上行鏈路是指信號從地球站發射到衛星接收的鏈路。設地球站的有效全向輻射功率（Effective Isotropic Radiated Power，EIRP）為EIRPE，與輸出功率PT及發射天線增益GT有關，計算如下：

式中LFT為發射天線饋線損耗。設衛星轉發器接收增益為GR，則接收機輸入端載波功率為：

其中，Lu為上行鏈路損耗，由上行大氣損耗、上行自由空間損耗及其他損耗組成，如果鏈路中存在降雨，還需要補充降雨損耗。

已知衛星接收系統等效噪聲溫度Ts及有效噪聲帶寬Bn，則上行噪聲功率Nu=kTsBn，噪聲功率譜密度為其中Bn與濾波器滾降系數α，信息速率Rb,編碼效率Cr,以及調制因子M有關，關系如下：

則上行鏈路載噪比為：

式中，GR/TS為衛星接收品質因數，衡量衛星接收能力的重要指標。載波功率可以表示為Cu=Eb*Rb，則上行每比特能量與噪聲功率密度比可表示為：

其中，k為玻爾茲曼常數，[k]=-228.6 dBW/(K·Hz)。誤比特率Pb是[Eb/N0]的函數，與具體的調制方式有關。以二進制頻移鍵控（Binary Frequency-Shift Keying，BFSK）為例，在高斯信道的條件下，采用非相干解調的上行鏈路誤比特率為：

同理，可以求得下行鏈路的誤比特率。下行鏈路是指信號由衛星發射給地球站的鏈路。設衛星有效全向輻射功率為EIRPs，下行鏈路衰減為Ld，同上行鏈路一樣，由下行大氣損耗、下行自由空間損耗及其他損耗等組成，下行鏈路載噪比為[8]：

式中，GE/TE為地球站接收品質因數。則下行每比特能量與噪聲功率密度比可表示為：

同樣，對于采用BFSK調制，經非相干解調后的下行誤比特率為：

由于采用星上處理轉發，經過星上再生處理，上行鏈路的噪聲和干擾不會影響到下行鏈路，只會在星上解調時引起誤碼。上行鏈路的噪聲以誤碼的形式傳遞到下行鏈路，所以，全鏈路的總誤比特率由上、下行鏈路的誤比特率共同決定[9]，工程上可通過以下公式計算：

具體的系統誤比特率需要根據具體的調制解調方式而確定。

2 衛星跳頻通信系統性能分析

2.1 系統的工作原理

衛星跳頻通信是使窄帶調制信號的載波在較寬帶寬上按一定規律隨機跳變，從而對干擾信號的躲避，達到抗干擾的效果。這種跳變規律又稱為跳頻圖案，由一組偽隨機碼控制[10]。跳頻通信系統基本工作原理如圖2所示。

圖2 衛星跳頻通信系統基本工作原理

在地面發射站中，先將信息碼調制為帶寬為Bm的調制信號，然后用PN碼控制頻率合成器輸出不同頻率的載波對調制信號在帶寬BC上以跳頻周期Th的時間間隔進行跳變，形成跳頻信號，再由發射機經上變頻、放大經上行鏈路發送給衛星。定義跳頻增益GP為跳頻帶寬BC與信息速率Rb的比值，即GP=BC/Rb，這樣定義的好處是可以使GP與調制方式與編碼體制無關[2]。

衛星采用星上處理轉發器，對接收到的跳頻信號進行解跳、解調，再生，調制，跳頻，然后經過下變頻、放大經下行鏈路轉發給地面接收站。

在接收站中，通過同步電路對接收到跳頻信號進行捕獲分析，使本地產生與發射端相同跳頻圖案，對接收的跳頻信號進行解跳，然后解調恢復出信息碼。

在衛星跳頻通信系統中，主要采用的調制方式為多進制頻移鍵控（Multi-digit Frequency-Shift Keying，MFSK）和差分相移鍵控（Differential Phase-Shift Keying，DPSK）。其中MFSK的M為調制因子，表示調制進制數，例如，當M取4時，即4FSK，表示四進制頻移鍵控；同理8FSK表示八進制頻移鍵控。由于保持相位的相干性非常困難，通常采用非相干解調。

2.2 干擾條件下的系統性能

對于MFSK調制的跳頻系統（FH/MFSK），在高斯信道的條件下，非相干接收的誤比特率可由文獻[11]得到：

其中，n=log2M，Gc為編碼增益。若鏈路中存在干擾，其實質上相當于鏈路中引起的附加噪聲，設干擾功率為J，干擾功率譜密度為Nj，此時噪聲功率譜密度由N0變為Nt=N0+Nj。則干擾環境下的系統誤比特率為：

信號功率為P，與信息速率有如下關系：

已知干擾功率與信號功率的比值稱為干信比（Jamming to Signal Ratio，JSR），則誤比特率與干信比JSR=J/P的關系如下：

由2.1節討論可知，處理轉發衛星跳頻通信鏈路性能是由上、下行鏈路誤比特率共同決定，可以得MFSK衛星跳頻通信系統的鏈路總誤比特率，表達式為：

式中，當鏈路中無干擾時，Nt=N0；存在干擾時，Nt=N0+Nj。由已知系統的相關參數，帶入式（5）、式（8）得到計算結果，將結果帶入式（15），即可得FH/MFSK衛星通信鏈路總誤比特率。

對于DPSK的衛星跳頻系統（FH/DPSK），在高斯信道下的非相干解調誤比特率為[12]：

同理，在存在干擾的環境下，則DPSK調制的跳頻系統的平均誤比特率為：

因此，DPSK調制的衛星跳頻通信系統的鏈路總誤比特率可表示為：

3 仿真及分析

為了分析處理轉發衛星跳頻通信系統的抗干擾性能，下面分別對采用MFSK及DPSK調制方式的衛星跳頻通信系統在未受干擾和受不同程度干擾的條件下進行仿真。設系統采用R3/4及RS（204，188）級聯編碼，編碼增益為5 dB，使3.6 kbit/s的數據在400 MHz的帶寬上進行跳頻傳輸，可計算跳頻增益為50.5 dB，系統誤比特率要求Pb≤10-6。首先分析系統在無人為干擾時，采用DPSK及MFSK在M=2，4，8的情況下，系統誤比特率隨信噪比的變化情況，仿真結果如圖3所示。

圖3 不同信噪比下的系統誤比特率曲線圖

從圖3可以看出，當系統未受干擾時，隨著信噪比的增加，系統的誤比特率逐漸減小，系統的性能也逐漸提高；采用不同調制方式，系統的傳輸性能不同，分別采用BFSK，4FSK、8FSK和DPSK調制方式時，達到門限誤比特率所需的信噪比分別為12.58 dB，9.73 dB，8.29 dB和9.58 dB，則系統性能DPSK與4FSK相近，且高于BFSK低于8FSK；對于MFSK調制，隨著M的增加，系統的誤比特率逐漸減小，所以多進制的頻移鍵控能夠改善系統的性能。

當鏈路中存在干擾時，圖4、圖5、圖6分別給出了干擾信號功率比（JSR）為30 dB、35 dB和40 dB情況下，不同調制方式的系統誤比特率仿真曲線圖。

圖4 JSR=30 dB的系統誤比特率曲線圖

圖5 JSR=35 dB的系統誤比特率曲線圖

圖6 JSR=40 dB的系統誤比特率曲線圖

從圖4、圖5、圖6中可以看出，系統誤比特率隨著信噪比的增大而逐漸減小，系統性能逐漸升高；當干信比為30 dB時，采用BFSK，4FSK，8FSK及DPSK調制方式下的系統信噪比門限分別為14.83 dB，10.69 dB，9.31 dB和10.69 dB；當干信比為35 dB時，采用4FSK調制方式的系統的門限信噪比相比JSR=30 dB時系統的門限信噪比提高了4.14 dB，DPSK也提高了2.76，而8FSK僅提高1.38 dB，而采用BFSK調制，系統誤比特率與信噪比無關，始終大于4×105，無法正常通信；當JSR=40 dB時，無論MFSK還是DPSK調制誤比特率始終大于門限值，通信被嚴重干擾。

4 結 語

本文對基于再生式處理轉發器的衛星跳頻通信系統性能進行了研究，首先根據處理轉發器的工作原理與特性，推導了基于星上再生處理轉發的衛星通信鏈路誤比特率計算表達式，然后結合跳頻技術，分析了衛星跳頻通信系統的工作原理并對在干擾條件下的系統誤比特率表達式進行修正，最后對在不同調制方式下的衛星跳頻通信系統性能進行仿真。

仿真結果表明，采用不同的調制方式，系統的抗干擾性能不同，采用8FSK調制的系統抗干擾能力最強，其次是DPSK和4FSK，BFSK最弱，因此，可以采用高進制數的MFSK調制使系統獲得較好的抗干擾性能；當系統受到干擾時，隨著干擾噪聲功率增加，系統誤比特率逐漸增大，系統性能明顯下降，當干擾過大，單純的增加信號功率無法改善系統的誤比特率，此時可以采用如靜默、突發等人為手段來抵御干擾。