卫星接收机干扰抑制关键技术研究与实现

刘艳（国家新闻出版广电总局916台，青海格尔木 816099）

卫星接收机干扰抑制关键技术研究与实现

刘艳
（国家新闻出版广电总局916台，青海格尔木 816099）

卫星接收机在广播电台中有很多应用，广播电视利用卫星传输，为了获得优质的节目信号，研究现有的GPS接收设备的卫星信道建模与抗干扰技术对广播电视卫星接收设备的抗干扰抑制关键技术有很好的借鉴意义。本文以卫星接收机作为主题与研究对象，探讨卫星机接收干扰抑制关键技术的研究与实现问题。首先对卫星信道建模与干扰进行了介绍，并对相关的研究现状进行了简要说明；主要从基于数字波束形成的干扰抑制、抗干扰关键技术方面对GPS抗干扰接收机关键技术进行了讨论，而且在分析了基于叠加测量序列的OFDM系统干扰抑制技术后，重点对GPS接收机抗干扰的关键技术FPGA实现问题做了深入分析。希望通过本文初步论述，可以引起更多的关注与更为广泛的交流，为该方面的研究工作与实践工作提供一些有价值的信息，以供参考。

卫星接收机 干扰抑制 关键技术 实现

空间无线电通信中的卫星导航、卫星移动通信系统是现代社会通信手段中重要的工具，也是研究方面的热点与重点；尤其是在现代社会中，已经实现了以计算机为主体、以互联网络为支撑的信息技术的普及与应用，因而，通过对多种技术的整合与综合研究及应用，极大的推动了人类的活动领域的扩展；但是在卫星系统的工作与运行中往往会受到各种类型的干扰，因此会给定位等带来极大影响，为了更好的提升卫星接收机的运行性能，可以通过研究抗干扰的方法来实现对这些干扰因素的消除与减弱。以下就从这方面展开具体讨论。

1 概述

在卫星接收机干扰抑制关键技术的研究方面，通过对典型性较强的卫星通信系统的研究，可以有效的提升其抗干扰设计的优越性并提高其可推广程度。以下就以GPS导航系统、OFDM调制技术低轨移动卫星通信系统为例，进行具体的讨论。首先，从卫星信道建模方面看，它具有星地链路传播特性，会在自由空间中出现损失，而且会被大气吸收，并通过电离层效应受到干扰与影响，比如极化旋转、电离层闪烁、雨衰、多径传输与多普勒频移等；从卫星移动通信信道模型方面看，有经验模型、概率分布模型、几何分析模型。其次，从卫星信道的噪声、干扰方面看，有同频段不同通信系统发射信号形成的共信道干扰、以电磁波形成的宽带、窄带干扰，还有人为释放的恶意干扰、传输环境及接收系统方面的宽带噪声等。

2 现状分析

虽然在干扰方面，会存在人为的与非人为的两大类型的干扰因素，但是，通过近年来的反干扰或抗干扰研究也同样获得了不少成果；尤其是在军事领域这方面的研究已经超出了一般的想象水平，可以达到真正的精准、科学的效果。以目前的研究来看，抗干扰技术主要有窄带干扰抑制（如中频实现、基带实现的窄带干扰抑制）、宽带干扰抑制技术；本次研究中，主要是对各种卫星干扰抑制接收机结构进行类型划分，并以多元接收的新理念，对接收机结构进行类型归纳，主要以波束或解扩、多级STAP或解扩或波束形成两类作为两大结构。

3 卫星接收机干扰抑制关键技术研究与实现

以下探讨的GPS接收机的抗干扰问题，应该以工程实现的角度进行干扰抑制结构的分析，并以仿真验证的办法对其抵抗办法展开针对性研究；而对于LEO通信系统则可以通过对OFDM传输方式的研究，以对用户数据的分离、部分功率训练序列的研究推导相关误码率的表达式，以此达到数值分析与仿真、验证，最后提出抑制方面的消因子最优值；最重要的是对于基带部分FPGA实现方面，要深圳市对模块、接口、功能、RTL结构图做出具体的分析与理解，从而提出真正的卫星接收机干扰技术，以此推动该领域的研究与应用发展。

3.1 GPS抗干扰接收机关键技术研究

（1）基于数字波束形成的干扰抑制方面，要求保持“最优”工作状态，从而使自适应得到有效的调节，这方面会给定条件：

若将滤波器、性能函数联系起来，则通过相关的最小值或最大值问题，即可根据自适应算法实现波器系数的最优化。

然后通过公式间的带入，就可以得到复基带信号并将其转换为矢量表示；具体如下：

若将中括号部分转置，则可以得到v（n）=［v1（n），…vM（n）］T；此时

（3）运用上面的公式，就可以进下赋值并通过干扰方向存在零点的条件，对期望信号方向的恒定增益进行计算，具体的公式（2）如下：

图1 抗干扰模块在基带处理结构中的位置

（4）抗干扰的关键技术研究方面，需要通过整机指标来进行，其中会通过划分模块的形式来进行抗干扰原理与设计，并通过对基带抗宽带、窄带干扰的技术分析来进一步深入探讨与其相关的实现问题，具体的抗干扰模块在基带处理结构中的位置如图1所示。但是在设计要求与性能指标方面有GPS信号、干扰信号及接收机设计方面的要求，以及对天线、射频部分抗干扰方面的阵列天线、前置滤波器、软限幅器、信道频率流程选择、锐截止滤波器等；而且在采样与数字下的变频要求进行仿真处理；以窄带干扰下不同量化位数对应的误码率性能为例，就可以看出，粗码、精码之间在同一通道采样，但会分两路进行数字变频。而且会在处理速度方面具备一定程度上的功耗。

再以宽带干扰抑制为例，接收机需要4颗卫星进行准确定位，而且在第l颗卫星方面的权适量矩阵、导向矢量可以根据上面所讨论的公式求得，然后，通过功率倒置算法，更改约束条件，然后以第一个天线阵元作为增益常数，那么，就可以得到各个天线的加权矢量：

W=［1，…，wM］T

最终通过优化，并对W=0的情况进行一个避免，那么，通过倒置算法，就会得到信号功率、干扰功率，并对其信号功率做出一具可见性的预算，从而确定GPS的应用环境，从此就可以了解到功率倒置会最大程度上达到抑制干扰的效果。

3.2 基于叠加测量序列的OFDM系统干扰抑制技术

（1）从OFDM调制技术特点方面看，集中体现了高速数据串并转换，可消除ISI；传统传输方法中，各频带之间以分离方式，实现简单，频率利用率较低，而它则是通过相互正交的各子载波，使信道频谱达到重叠，并达到对资源的有效利用；另一方面，在频率选择方面可以对子信道充分利用，以高的信噪比实现对系统性能的提升；即使在接入方法上，也可以选择多种多址方法甚至结合的形式也能实现；因此它的性能非常优良，颇具优势。（2）OFDM系统数据与训练序列间存在一种分离技术，可以通过它来解决测量序列对OFDM数据检测方面的干扰问题；比如，在系统模型方面，可以按照分组传输的方式进行发射，并且装饰每个符号长度进行确定，并且对用户数据等以BPSK的方式进行调制；如果明确了用户数据、导引符号，那么就可以通过调制然后将其离散，当输出与训练序列实现相加之后，则可以以射频部分辐射于多径信道；再如在信道模型方面，可以采用抽离头延迟线模型，若信道的冲击响应确定，则可以得出每个抽头系数的自相关函数。（3）对于OFDM承载数据与训练序列的具体分析，主要可以通过对接收系统模型、接收信号统计特性、信道估计、误码率分析、数值与仿真结果测算等实现。在本文化中的仿真，则可以将采样周期设定为200ns，从而在信道建模中通过2到5个复值抽头组成离散时变信道，若终端移动速度为15km/h，那么，就可以算出其它的仿真参数，然后，通过时间、频率方面的同步假设，利用测量序列完成仿真验证。

3.3 GPS接收机抗干扰的关键技术FPGA实现

首先，采用Altera StratixII芯片，它的器件特征集中体现在高密度（90nm）、高性能FPGA两大方面，而且具备强大的以ALM逻辑为基础的结构之上，速度更快，成本更低。主要是以“分段式”8输入LUT、加法器、寄存器各有2个，封闭式且能够减少布线，在存储器TriMatrix中，有512位、500kbit、4kbit三种不同模块存储位；而且备配有流水线式的DSP模块，并且有接口线路、高速差分I/O支持及时钟管理；其次，通过资源估算就可以对FPGA芯片进行确定与选择；通常情况下，可以按照7元阵列，先进行下变频降采样，然后将其送至DBF模块，并通过对7路16bit的并行信号X（n）的3次矩阵乘法X*（n）XT（n）W（n）完成，从而达到节约资源运算。在窄带干扰抑制模块消耗方面的DSP Blocks资源估算，只需进行4个FFT模块方面的2048点运算即可，比如应用24个9*9乘法器即可；而在宽带干扰抑制算法方面的实现，则可以以信号流程、模块化分、顶层设计、子模块设计、线性加权模块、编译综合报告等来实现；至于窄带干扰抑制算法的实现与此相同，但只需对其中的差异进行分析即可。以子模块设计为例，在窄带抑制方面，则包括加窗模块、FFT、IFFT模块、门限生成模块、干扰抑制模块等；不同的模块具有不同的功能，然后在模块的设计与运算之后，即通过编译综合报告即要以对上板调试，并获得性能指标的复核。

4 结语

总之，在新的时代就要坚持以可持续发展的原则作为指导，真正贯彻落实与时俱进、因时制宜的方法；通过上面的分析，加上对近些年来导航卫星移动通信研究领域的关注与经验及成果总结来看，GPS接收机的抗干扰技术在未来会得到更广泛的研究，从而将其提升到应用于普通环境的研究水准，减少各方面的干扰因子，再通过强大的传输系统方面的优化以及对于基于STAP滤波的FPGA实现，可以明显的确保接收信号的稳定性，GPS应用已经是比较成熟的技术，在卫星传输广播电视节目中，GPS接收机卫星信号的的抗干扰技术可以借鉴到广播电视信号能否稳定可靠的传输具有重要的意义。

［1］纪龙蛰，单庆晓，任立坤，等.基于C++ Builder的导航卫星接收机显示控制系统的设计与实现［J］.计算机测量与控制，2013（3）.

［2］柴进柱.基于改进AIS系统的卫星接收机船舶检测率［J］.大连海事大学学报，2013（3）.

［3］刘欣.卫星接收机同步广播技术的研究与讨论［J］.黑龙江科技信息，2015（32）.

［4］李海鸥.数字压缩卫星接收机（IRD）及其测量方法探讨［J］.数字技术与应用，2015（2）.

［5］詹胜旋.广播发射台数字卫星接收机工作原理和常见故障的分析与处理［J］.科教导刊，2015（17）.

［6］李达，贺宁蓉，王永芳，等.GPS卫星接收机的自适应抗干扰处理器设计［J］.遥测遥控，2013（3）.

［7］张培君.一款具有自动盲扫功能的免费卫星接收机——皇视HSR-2080数字卫星接收机［J］.卫星电视与宽带多媒体，2014（1）.

［8］曾祥志，廖昱博.天诚TCD-759型数字卫星接收机音频输出的改造［J］.赣南师范学院学报，2014（6）.

［9］刘风玲，张云，孟婉婷，等.UK-DMC卫星接收机GNSS反射信号的应用分析［J］.遥感信息，2015（1）.

［10］李超.基于DSP+FPGA的北斗卫星导航接收机的研究与设计［J］.南京理工大学学报，2015（16）.

刘艳（1976—），女，吉林桦甸人，本科，值机班长，工程师，研究方向：中波发射机值班维护和信息化。