基于星上處理的衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)探究

◆李新科 朱英軍

（武警士官學(xué)校 浙江 311403）

進(jìn)一步提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的抗干擾能力，是衛(wèi)星通信領(lǐng)域非常重要的課題。當(dāng)前衛(wèi)星通信中常用的抗干擾技術(shù)有天線抗干擾技術(shù)、擴(kuò)展頻譜抗干擾技術(shù)、編碼調(diào)制技術(shù)、星上處理技術(shù)等。隨著電子對抗的不斷升級，星上處理技術(shù)已經(jīng)成為衛(wèi)星通信抗干擾的主要方法技術(shù)，是未來通信衛(wèi)星能夠繼續(xù)生存和發(fā)展的前提。

1 星上處理技術(shù)概述

衛(wèi)星通信系統(tǒng)中比較薄弱的一個環(huán)節(jié)就是透明轉(zhuǎn)發(fā)器，這一部位很容易在對方的高強(qiáng)度干擾下實(shí)現(xiàn)飽和，甚至損壞，因此采用星上處理技術(shù)對抵抗干擾就顯得尤為重要。從抵抗干擾的角度來看，星上處理技術(shù)主要是使上行鏈路和下行鏈路之間去耦，避免上下行信號產(chǎn)生的相互干擾作用，同時(shí)避免轉(zhuǎn)發(fā)器被推向飽和[1]。星上處理技術(shù)主要包含信號解調(diào)再生、“解跳”/再跳、解擴(kuò)/再擴(kuò)、譯碼/編碼等等。星上技術(shù)已經(jīng)成為衛(wèi)星通信抗干擾的主要技術(shù)，在美國的一些較為先進(jìn)的通信衛(wèi)星都將星上處理作為抗干擾的主要技術(shù)手段。例如，美軍的FLTSATCOM系統(tǒng)可以在星上進(jìn)行解擴(kuò)，AFSATCOM系統(tǒng)先在星上進(jìn)行“解跳”/再跳后下行發(fā)送，這就避免在星上安裝限幅器的情況，也就不會出現(xiàn)信號抑制的情況[2]。

2 基于星上處理的抗干擾關(guān)鍵技術(shù)

我們以移動用戶目標(biāo)衛(wèi)星系統(tǒng)為例，對于通信衛(wèi)星而言，只有進(jìn)行星上處理，才能真正實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻抗干擾技術(shù)的效果。星上處理的流程有速率變換、矩陣處理、量化、編碼、星上8PSK重調(diào)制等。具體流程如下：

針對速率變換模塊來說，移動用戶目標(biāo)衛(wèi)星系統(tǒng)屬于寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其接收設(shè)備的頻率較高，因此在進(jìn)行采樣時(shí)很難利用奈奎斯特采樣定理。在操作中，可以采用第三代寬帶碼分多址技術(shù)體制，基帶信號碼率為3.84MChip/s。在接收機(jī)中，為了進(jìn)一步降低采樣的速率，可以使用帶通采樣技術(shù)將其限制在一定的范圍內(nèi)，采樣速率和原信號的速率呈現(xiàn)一定倍數(shù)關(guān)系，這里的倍數(shù)是非整數(shù)形式的[3]。星上的信號處理一般都是對碼片速信號的符號信息進(jìn)行處理。因此當(dāng)?shù)孛娼邮諜C(jī)在接收這一信息的時(shí)候就需要對信息流進(jìn)行速率變換的處理。整數(shù)倍內(nèi)插的是想向兩個相鄰采樣值之間插入一定個數(shù)的數(shù)據(jù)，并形成新序列的過程。插入前后信號頻譜是不一樣的，為了確保信號能夠重新保持正常，需要在內(nèi)插后進(jìn)行濾波，將頻率大于π/I的鏡像部分消除。

針對哈達(dá)瑪矩陣處理，對于多個并行但是沒有聯(lián)系的輸入信號，哈達(dá)瑪矩陣處理可以使各個輸出信號呈現(xiàn)出相同的功率，為后續(xù)的量化步驟奠定基礎(chǔ)。各個信號的變化值在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)較小的波動，從而達(dá)到量化電平閾值保持相同的目的。哈達(dá)瑪矩陣處理主要包含兩個部分：哈達(dá)瑪變換和去相關(guān)。針對去相關(guān)來說，移動用戶目標(biāo)衛(wèi)星系統(tǒng)通過去相關(guān)系列使輸入的各路信號之間的相關(guān)性減小。利用二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制，采用WI序列進(jìn)行去相關(guān)，每32個實(shí)數(shù)采樣數(shù)據(jù)乘上WI，等到下一個時(shí)刻到來的32個數(shù)據(jù)再進(jìn)行相乘，不斷循環(huán)。

針對均勻量化，量化主要是用較小的誤差實(shí)現(xiàn)用較少的數(shù)位表示高精度的數(shù)值，將采樣點(diǎn)的變化幅度數(shù)字化。量化器將整個輸入?yún)^(qū)域分割成若干個區(qū)間，并將其個數(shù)記作M，在移動用戶目標(biāo)衛(wèi)星系統(tǒng)中M值為26。關(guān)于均勻量化器的誤差，假設(shè)輸入范圍為[-V，+V]，考慮到輸入的x服從的是均勻分布，可以將劃分出M個均勻區(qū)間，量化的間隔相同，將其記作a，則有Δ=2V/M。經(jīng)過計(jì)算得到量化誤差為σ2q=Δ2/12。

針對TPC編譯碼，TPC編譯碼是若干個多維度的（n，k）分組碼形成的，包含了明碼、校驗(yàn)碼等。例如，二維成城際碼？的編碼過程可以分成三個部分。首先，將信息填入到矩陣中；其次，用一個（n1，k1）的系統(tǒng)分組碼對矩陣的每一行進(jìn)行編碼，得到n1列，k1行的矩陣；最后，對得到的矩陣用（n2，k2）的系統(tǒng)分組碼對矩陣的每一行進(jìn)行編碼，得到n1列，n2行的矩陣。通過上述方式得到（n1×n2，k1×k2）的分組碼，也就是乘積碼。TPC譯碼的方法有兩種：硬判決譯碼和軟判決譯碼。前者主要是按照二進(jìn)制符號來判決運(yùn)行的，這種方式比較簡單，但是可能出現(xiàn)永久錯誤圖樣的情況[4]。后者采用M比特量化后的時(shí)實(shí)數(shù)軟信息進(jìn)行譯碼，相較硬判譯碼來說，可以獲得較多的增益。

針對星上8PSK重調(diào)制，移動用戶目標(biāo)衛(wèi)星系統(tǒng)星上處理采用8PSK調(diào)制方法對編碼后的比特流進(jìn)行再調(diào)制發(fā)送，下行載波頻率段為Ka波段。和地面不同，星上系統(tǒng)一定要選擇合適的調(diào)制技術(shù)，確保能夠滿足星上通信載荷的要求。在選擇星上調(diào)制方式的時(shí)候要充分考慮到功率效益、頻帶利用率、接收技術(shù)等因素，選擇最佳的調(diào)制技術(shù)。衛(wèi)星通信系統(tǒng)一般會受到功率的限制，因此在實(shí)際的工作中通常選擇相移鍵控作為調(diào)制技術(shù)。8PSK采用相移鍵控的方式，這種方式的頻譜利用率較高，能夠較好地抵抗外界的干擾。在8PSK調(diào)相中，載波相位的一個周期可以分成8個相位，相位之差大概是π/4的整數(shù)倍。從星上基帶信號處理的步驟來看，三個二進(jìn)制可以映射成一個八進(jìn)制的符號，同時(shí)，這一符號和已調(diào)波的相位相互對應(yīng)。利用Matlab進(jìn)行仿真模擬，通過調(diào)用系統(tǒng)模塊的函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)8PSK調(diào)制。而modem.pskdemod可以實(shí)現(xiàn)8PSK軟解調(diào)。

3 星上處理技術(shù)的抗干擾性能分析

本部分采用Matlab對星上基帶處理的抗干擾性能進(jìn)行了仿真分析。衛(wèi)星通信系統(tǒng)經(jīng)常會面臨的干擾類型有音頻干擾、噪聲干擾等。其中，音頻干擾主要是指一個或者是一個以上頻率的干擾信號，而噪聲干擾主要是指利用相位、頻率等變化的電磁信號作為干擾源進(jìn)行干擾。這里針對音頻干擾建立干擾模型，對星上基帶處理的抗干擾性能進(jìn)行測試。

重調(diào)8PSK信號的表達(dá)式為：S8PSK=∑Akg（t）cos（ωct+Qk）=I（t）cosωct-Q（t）sinωct

“元碼”信號可以用如下公式表示：S8PSK（t）=Ikcosωct-Qksinωct

單音干擾信號的表達(dá)式如下：Sj=Ajcos（ωjt+Qj）

接收端接收到到的信號表示為：S=S8PSK+Sj+n（t）

式中，信道為AWGN信道時(shí)，n（t）為高斯白噪聲。

8PSK信號和單音干擾信號的合成信號為：

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的星載轉(zhuǎn)發(fā)器包含透明轉(zhuǎn)發(fā)器和星上處理轉(zhuǎn)發(fā)器。前者結(jié)構(gòu)比較簡單，性能可靠度高，適用于電源功率受限制比較嚴(yán)重的衛(wèi)星，這也意味著其抗干擾性能比較差。后者結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，能夠?qū)崿F(xiàn)射頻波束交換、基帶信號分組交換等功能，具有較好的抗干擾能力。移動用戶目標(biāo)衛(wèi)星系的信息流在整個傳送過程中要經(jīng)過上面所說的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器兩次，處理轉(zhuǎn)發(fā)在U2B鏈路的星上部分完成接收。這其中包括三個不同數(shù)字化信道，信道1和2采用的右旋圓極化，信道3采用左旋圓極化。從進(jìn)行干擾的一方來看，要想對系統(tǒng)進(jìn)行干擾，就需要破壞整個頻段的信號，難度顯然較大，這就形成了U2B鏈路的一種抵抗干擾的方式。

綜上所述，星上處理技術(shù)降低了對地面站設(shè)備的要求，同時(shí)具有良好的抗干擾性能，在未來的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中有著良好應(yīng)用前景。