卫星通信抗干扰设计考虑及性能分析✴

黄爱军（中国西南电子技术研究所，成都610036）

卫星通信抗干扰设计考虑及性能分析✴

黄爱军
（中国西南电子技术研究所，成都610036）

提出了直接序列扩频和自适应调零天线相结合的卫星通信抗干扰设计思路，针对不同干扰条件和不同卫星转发方式，进行了系统抗干扰性能的理论分析，结果表明，直接序列扩频和自适应调零天线相结合，经星上再生处理转发可有效提高系统抗干扰能力。相关分析与结论对工程应用具有一定的参考意义。

卫星通信；抗干扰；直接序列扩频；自适应调零；干扰容限

1 引言

复杂电磁环境下的通信会受到各种自然和人为干扰的影响，尤其卫星通信。卫星长期暴露于覆盖区上空，敌我共视，特别容易受到干扰和攻击。为保证通信的有效性和可靠性，抗干扰是卫星通信系统设计必须考虑的关键问题之一。

卫星通信抗干扰设计通常采用扩频、星上处理等方式。本文结合工程实践，将直接序列扩频（DSSS）和自适应调零天线相结合，给出了抗干扰卫星通信链路信道模型和设计建议。在此基础上，对卫星通信上、下行链路的抗干扰表达式进行了理论推导，并通过定量计算，对不同干扰条件、不同卫星转发方式下系统的抗干扰性能进行了比较和分析。

2 抗干扰基本原理

根据无线通信抗干扰基本概念，当干扰进入通信系统（接收机）后，不考虑门限效应，通信系统正常工作的条件是［1］接收机输入干信比小于系统干扰容限，即：

提高通信系统抗干扰能力可以通过降低接收机输入干信比和提高系统干扰容限两方面采取措施。

降低接收机输入干信比的途径有：提高信号发射功率、发射与接收天线增益、干扰传输路径损耗、干扰和信号的时域／频域／极化重合损耗，减小信号传输路径损耗、干扰接收天线增益等［1］。

提高系统干扰容限的途径有：提高接收机信干比处理增益，降低实现损耗和解调器输入端要求的门限信噪比。

3 卫星通信抗干扰设计

3.1 设计思路

卫星通信功率、带宽受限，干扰环境复杂、多变，许多小型应用平台设备体积、重量、功耗受限，因此，无法采用单一手段达到较为理想的抗干扰效果，系统设计时，需综合考虑抗干扰措施。

根据抗干扰基本原理，可以通过上行链路功率调节（改善收端信号质量），降低系统通信信息速率（提高链路信噪比），采用自适应调零天线技术（通过空域滤波进行干扰信号抑制）等措施降低接收机输入干信比；通过扩频技术、干扰抑制技术（提高接收机信干比处理增益），信源编码、信道编码和有效调制方式（降低解调器输入端门限信干比要求），优化设备设计（降低信干比损失）等措施提高系统干扰容限。

其中直接序列扩频与自适应调零天线相结合的通信终端设计，是卫星通信抗综合干扰的一种优化方案。

3.2 自适应调零天线

自适应调零天线特别适合复杂电磁环境条件下对接收链路通信质量有较高要求的应用。除大型卫星通信地球站外，一般小型应用平台无法通过增大天线口径来获得高增益，可采用自适应调零天线改善信号干扰之比，以实现对干扰信号的抑制，保证卫星信号有效接收。

自适应调零天线利用相控阵天线原理，在干扰源方向形成波束零点；利用数字信号处理技术对干扰信号进行识别和检测；利用自适应技术自动调整天线波束的零点指向，使干扰信号最小，通过波束形成算法，设置对期望信号到达方向（卫星来波方向）的增益约束，保证天线主波束始终指向有用信号方向。

一般M阵元的天线阵列有M-1个自由度，可形成多个方向图零陷，有效抑制不同方向的干扰信号。干扰越强，自适应调零天线零陷越深。目前工程水平可以实现大于40 dB的干扰抑制。

采用自适应调零天线，在通信和干扰来波方向夹角较大时，抗干扰效果明显，能有效提高接收机输入信干比，但当信号和干扰方向一致或十分接近时，则干扰抑制作用基本消失。

3.3 直接序列扩频

自适应调零天线可以抑制接收端数量有限的较强干扰，为进一步提高系统抗干扰性能，应对更多的其他形式干扰，如窄带、宽带、多径干扰等，系统可进一步采用直接序列扩频方式。

当干扰信号进入接收机后，包括接收机热噪声，扩频系统接收的每比特信号能量与单边噪声、干扰功率谱密度比为［2］

式中，Eb为每比特信号能量，nj为干扰单边功率谱密度，n0为等效噪声单边功率谱密度，W为扩频带宽（近似等于扩频码速率Rc），Ps为有用信号功率，Pj为干扰功率，Rb为信息速率，Gp=Rc／Rb为扩频处理增益。

由式（2）可以得出如下结论：

（1）系统正常工作，（SNR）O＞（SNR）th；

（2）当（SNR）O足够大时，接收机等效噪声单边功率谱密度n0对抗干扰性能的影响可以忽略，式（2）变形为

（3）Gp、（SNR）th一定时，系统干扰容限随（SNR）O增加而增加，同时其增量随（SNR）O增加而减小。不同Gp，干扰容限与（SNR）O-（SNR）th的变化关系一致。

取［（SNR）th］为10 dB，直扩系统干扰容限与输入信噪比对应关系如图1所示。

从图1可以看出，当［（SNR）O］超过［（SNR）th］8 dB以上时，干扰容限值趋于稳定。工程设计时，结合抗干扰性能要求及实现代价，取（SNR）O高于（SNR）th3～8 dB为宜。

卫星透明转发时，［（SNR）O］取上下行链路总信噪比（Eb／n0）total，即：

式中，（Eb／n0）u、（Eb／n0）d分别表示上、下行链路每比特信号能量与单边噪声功率谱密度比。

星上再生转发时，信号分别在星上和卫星通信终端解扩、解调，上下行链路相互独立，（SNR）O分别取上、下行链路的信噪比（Eb／n0）u和（Eb／n0）d。

4 抗干扰性能分析

4.1 卫星通信干扰模型

卫星通信信道由上行链路、卫星、下行链路组成。一个完整的通信链路中，可分别针对上行链路、卫星、下行链路3处实施干扰（对卫星的干扰亦是通过上行信号对卫星转发器干扰，只是干扰信号不一定在信号频带内）。卫星通信信道干扰模型如图2所示［1］。

设定卫星通信信道模型参数如下：

扩频码速率Rc=8 Mchip／s；数据速率Rb= 1 kbit／s；扩频处理增益［Gp］=39.03 dB；卫星通信终端接收解调门限信噪比［（SNR）th］=10 dB；下行载波频率fd=2.5 GHz（对应的自由空间传播损耗［L］=192 dB）；卫星输出功率［（EIRP）s］=35 dBW；卫星通信终端自适应调零接收天线增益［GE］=6 dB，干扰抑制能力［GA］=40 dB；卫星通信终端接收等效噪声温度Td=300 K；若（SNR）O足够高，直接序列扩频后，接收端干扰容限

再加上自适应调零天线的空域干扰抑制能力，接收端干扰容限

可见扩频和自适应调零天线相结合，使接收端干扰容限大幅提高。但卫星通信链路的抗干扰性能不完全等同于接收端的抗干扰性能。干扰条件不同，卫星转发方式不同，卫星通信上、下行链路抗干扰性能亦不同。

下面分别讨论只存在上行链路干扰、只存在下行链路干扰和同时存在上下行链路干扰情况下的系统抗干扰性能。

4.2 只存在上行链路干扰时系统抗干扰性能

（1）透明转发器转发

令转发器输入干信比为JSRu，输出干信比为JSRo，取Δ=，Δ＞1［1］。

卫星输出的有用信号功率?

卫星输出的干扰信号功率

卫星通信终端接收到的有用信号功率

卫星通信终端接收到的干扰信号功率

卫星通信终端噪声功率为kTdW。

根据干扰容限定义，当下行链路无干扰时，卫星通信终端干扰容限

变换式（5），得透明转发（用下标T表示）时上行链路允许的最大干信比为

上行链路干扰随有用信号一起从卫星下来，接收端自适应调零天线无法对其进行空域鉴别、隔离。将设定的卫星通信信道模型参数代人式（6），得

由式（7）可见，干扰容限设计值为29.03 dB的DSSS系统，通过卫星透明转发，在卫星通信终端接收天线增益6 dB，等效噪温300 K的条件下，上行链路抗干扰能力降为12.49-［Δ］dB，［Δ］为透明转发器引入的信干比损失。上行链路允许的最大干信比与卫星通信终端接收G／T值对应关系如图3所示。

从图3可以看出，卫星透明转发时，上行链路抗干扰能力与下行链路接收能力相关。当卫星通信终端接收能力较弱（G／T值小）时，上行链路干扰对星上功率的掠夺会导致下行链路信噪比降低，接收机前端的高斯白噪声将严重影响DSSS系统的抗干扰能力。随着下行链路接收能力的增强，DSSS系统上行链路抗干扰能力受到的影响将会减弱。当接收G／T值大于5 dB后，上行链路允许的最大干信比值趋于稳定，接收端噪声影响基本可以忽略。

（2）再生转发器转发

星上再生转发（用下标R表示）时，上行链路允许的最大干信比即上行链路干扰容限（设星上解调输入（SNR）O足够大）：

式中，（Eb／No）sth为星上解调门限信噪比。系统上行链路抗干扰能力取决于星上接收解调能力。设星上解调门限信噪比与卫星通信终端解调门限信噪比一致，则上行链路干扰容限同设计干扰容限值，即：

星上再生处理可以避免非线性效应造成的卫星功率掠夺和互调干扰，保证星上功率的充分利用，抗上行干扰能力强于透明转发，特别有利于小口径终端。

4.3 只存在下行链路干扰时系统抗干扰性能

不论透明转发还是再生转发，卫星EIRP全部用于有用信号。

卫星通信终端接收到的有用信号功率Ps=（EIRP）s（1／L）GE。

卫星通信终端接收允许的最大干扰功率

式中，JA为自适应调零天线作用范围内最大可承受的干扰功率。

下行链路允许的最大干信比即干扰容限

由式（12）、式（13）可见，再生转发抗下行链路干扰能力优于透明转发。由式（12）～（15）可见，自适应调零天线（干扰抑制能力为［GA］）在抗下行链路干扰方面作用显著。

4.4 上下行链路同时存在干扰时系统抗干扰性能

（1）透明转发器转发

上行链路允许的最大干信比

式中，JD为下行链路卫星通信终端收到的有效干扰功率。

当下行链路干扰与卫星来波方向不同，干扰强度＜JA时，JD=0，自适应调零天线从空域完全抑制干扰，可认为系统无下行链路干扰，式（16）等同式（6）；当干扰与卫星信号来波方向一致或十分接近时，天线对干扰无抑制作用，JD=干扰强度，式（16）

较式（6）增加了一个恶化因子JD，系统上行链路允许的最大干信比随下行链路干扰的增强而减弱。

当系统上、下行链路均存在干扰时，下行链路卫星通信终端允许的最大干扰功率

PjmaxT3=PsMj-kTdW+JA=

下行链路最大干信比即下行链路干扰容限

式（18）与式（12）虽表达形式一样，但由于干扰条件不同，上下行链路信噪比及总的链路信噪比值不同，所得结果也不同。

代入设定的信道模型参数值，得

（2）再生转发器转发

再生转发时，上行链路和下行链路分别解调，抗干扰性能相互独立。上行链路干扰容限如式（9）所示，下行链路卫星通信终端允许的最大干扰功率同式（10），下行链路干扰容限同式（13）、式（15）。

通过上面分析，比较式（16）～（20），当上下行链路都存在干扰时，再生转发上下行链路的抗干扰性能均优于透明转发。

5 结束语

从实际性能和工程实现考虑，各种抗干扰技术都有其优点和不足。直接序列扩频和自适应调零天线分别从频域和空域进行干扰抑制，两者兼容性好，可相互弥补不足。直接序列扩频和自适应调零天线相结合的技术体制经星上再生处理转发可以极大地压制强干扰信号，是卫星通信中的有效抗干扰手段。

［1］张邦宁，魏安全，郭道省，等.通信抗干扰技术［M］.北京：机械工业出版社，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原理与应用［M］.2版.邱致和，王万义，译.北京：电子工业出版社，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

黄爱军（1968—），女，四川眉山人，高级工程师，主要研究方向为卫星通信。

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