卫星通信QPSK调制链路的干扰影响分析

刘建成，郝学坤，王赛宇，张国强，熊俊卿

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄050081；2.陆军装备部驻西安地区航空军代室, 陕西 西安 710065；3.陆军装备部航空军事代表局综合处, 北京 100000)

0 引言

卫星通信由于抗毁性强及通信距离远等优点，成为必不可少的通信手段[1]。不过，某些应用的特殊性致使卫星通信面临严重的电磁干扰，这些人为实施的电磁干扰具有多种形式，给卫星通信链路带来了不同的恶化程度。所以，分析不同干扰对卫星通信链路的影响是实施有效抗干扰措施的基础，对提升卫星通信抗干扰能力至关重要。

针对卫星通信技术所面临的干扰情况和抗干扰技术方法，众多研究者进行了广泛深入的研究。文献[2]指出，由于卫星通信远距离传输产生的路径损耗较大，同时星上载荷发送功率受限，所以一般采用峰均比较低的调制方式，便于射频前端功放工作在线性区，通常采用BPSK，QPSK，MAPSK等调制方式。卫星通信系统面临的干扰分为非恶意和恶意干扰2大类，其中非恶意干扰包括自然界的太阳黑子、宇宙射线和噪声等干扰，以及其他无线系统因频率相同或相近产生的系统间干扰[3]。对卫星通信系统产生致命威胁的是恶意干扰，即由人为故意实施的破坏性干扰[1]，包括压制式和灵巧式，其中压制式干扰最为常见。目前卫星通信系统也采用直接序列扩频和跳频等方式应对恶意干扰[1]。

更进一步的抗干扰技术方法的实施需要建立在对干扰影响研究分析基础上，文献[4-5]对卫星通信面临的人为干扰进行样式分类，同时分析了干扰实施的方式及应对措施。文献[6]在研究卫星通信认知技术基础上，对系统面临的干扰进行建模分析，不过本文主要是针对系统间的非恶意干扰。文献[7]分析了空基和地基干扰源分布对干扰效果的影响，同时分析了卫星通信的链路损耗情况以及相同干信比对应不同调制方式的误码率。不过，该文献只是将干扰假定为宽带噪声，缺乏对不同干扰类型的分析。文献[8]从被动干扰角度出发，分析了卫星通信上下行链路干扰情况，并基于跳频方式给出了编码和交织的抗干扰技术方法。文献[9]针对10 GHz以上频段的临星干扰问题，分析了干扰对临星通信网终端的载干比影响，提出通过功率控制法抑制临星干扰。文献[10]针对OFDM调制，分析了窄带噪声干扰的影响，推导了干扰陷波情况下的系统误码率。文献[11]初步分析了理想条件下调制干扰对QPSK误码率的影响，不过只针对系统误码率，并未从其他方面进行更深入的分析。除干扰影响分析外，文献[12-13]针对卫星通信系统的抗干扰性能评估问题进行研究，给出了对应的评估指标。文献[14]研究了针对压制式干扰的检测问题，给出了基于分数阶傅里叶变换的检测方法。文献[15-16]分别从天线阵列自适应优化设计和信号特征空间变换处理进行抗干扰方法研究。文献[17]针对网络空间数据链传输，研究了基于能量检测的感知和动态分配的抗干扰技术。文献[18-19]研究了卫星通信抗干扰技术现状和发展趋势，分析现有抗干扰措施方法的各自特点。

综上所述，目前针对特定调制方式的不同干扰样式影响分析相对较少。本文基于卫星通信的QPSK调制，研究分析单音、多音、扫频和窄带噪声等4种压制式干扰对系统接收星座图和误码率的影响，为采取有效的抗干扰应对措施提供有力支撑。

1 卫星通信QPSK调制链路模型

卫星通信具有全球覆盖、不受地理因素限制以及能迅速布设等优点，能够为用户提供跨洲际、海洋的稳定通信能力，成为必不可少的通信手段。由于卫星通信传输路径的损耗较大，射频前端的大功率线性功放对调制信号的峰均比要求较高，致使卫星通信一般采用低阶调制[2]，QPSK因实现简单、性能优越已成为应用最多的调制方式。卫星通信物理层的QPSK调制链路模型如图1所示。

图1 物理层QPSK调制链路模型

由图1可见，卫星通信物理层的QPSK调制链路所包含的功能部分与常规通信系统相同，区别在于传输信道。对于静止轨道卫星而言，其上下行传输信道主要是考虑噪声、自由空间损耗、雨衰和自然界宇宙射线等干扰，以及最重要的人为压制式干扰。此时，接收端基带信号可表示为：

(1)

式中，s(t)为接收的期望信号，J(t)为压制式干扰信号，ε(t)为外界噪声。

当系统收发同步时，星地传输信道中的压制式干扰主要是影响接收端解调，恶化其性能，致使系统误码率急剧升高，甚至中断传输。所以，如何有效分析压制式干扰对解调的影响，对后续抗干扰具有重要意义。

2 干扰影响分析

接收端星座图的变化能够直接体现系统信干噪比及误码率等性能，在对4种干扰建模基础上，重点分析对QPSK接收符号星座图的影响。

2.1 4种干扰模型

基于传输链路模型，研究分析单音干扰、多音干扰、扫频干扰和窄带噪声干扰对QPSK解调性能的恶化，包括干扰对接收端信号星座图的影响和不同干信比对应的系统误码率公式的数学推导。下面首先对单音、多音、线性扫频和窄带噪声4种干扰进行建模，其对应表达式为：

(2)

2.2 干扰对QPSK星座图的影响

在不考虑白噪声情况下，由式(1)和式(2)得到受单音干扰的接收信号表达式：

(3)

对QPSK调制信号，接收端常用正交解调方式过程如下：

(4)

(5)

(6)

式中，ri(t)，rq(t)为解调的正交2路基带信号，LPF(*)表示进行低通滤波。

同理，对于多音、线性扫频和窄带噪声干扰，可推导得出接收端正交2路基带符号表达式：

(7)

(8)

(9)

由式(7)可见，多音干扰致使接收QPSK符号星座图产生幅度变化，与多音干扰频点个数及对应的频率差相关。考虑多音干扰由N个单音合成，其不同于单音干扰的恒定幅度，呈现周期性的波动变化。所以，多音干扰将使QPSK星座图产生类似杂乱无序的弥散。分析式(8)，可见线性扫频干扰与单音干扰类似，其幅度恒定，不同之处在于频率差值。所以线性扫频干扰对QPSK星座图产生的幅度变化与单音干扰类似。分析式(9)所示的窄带噪声干扰，在频率差影响的同时，QPSK星座图幅度将随ε(t)波动，同时因ε(t)的随机性将呈现无规则的弥散。

综上所述，在干扰强度相同时，窄带噪声干扰最具随机性，将对QPSK解调产生最严重的影响，而单音干扰和线性扫频干扰具有幅度恒定的特征，对QPSK解调的影响相对多音干扰要小。

3 仿真验证

通过仿真验证理论分析的有效性，结合仿真结果进一步分析4种干扰对QPSK调制链路的影响，为后续抗干扰奠定基础。仿真QPSK信号由0，1信息序列进行调制映射，再通过平方根升余弦成型滤波得到，接收端对接收的混合信号进行匹配滤波、定时和抽取，得到待判决的正交2路符号，相关仿真参数设置如表1所示。在设定QPSK调制的符号速率基础上，设置4种干扰相对于期望信号中心频率的频率差值，线性扫频干扰的扫频周期和窄带噪声干扰的相对带宽等，如表2所示。

表1 仿真参数设置

调制方式符号速率R/sps成型(匹配)滤波滚降系数αQPSK1.28 M平方根升余弦0.25

表2 干扰对应的参数

在表1和表2参数基础上，首先仿真得到4种干扰接收信号频谱图，如图2所示。由图2可知，单音和多音干扰频谱呈谱线特性，能量集中于干扰频率，而线性扫频和窄带噪声干扰能量分布于一定带宽内，相比之下线性扫频干扰的带内强度分布较为均匀，窄带噪声干扰则是呈现随机特性。分析4种干扰的频域特征，能够为后续干扰抑制提供依据，比如针对单音和多音2种干扰考虑采用陷波的方法进行抑制。

仿真分析不同信干比(SJR)时，4种干扰对QPSK接收星座图的影响。假设接收端QPSK信号与环境噪声功率比为8 dB，仿真信干比为-10,4 dB两种情况对应的QPSK接收星座图，分别如图3和图4所示。

图2 SJR=-8 dB时干扰的接收信号频谱(期望信号归一化)

图3 SJR=-10 dB不同干扰对应星座图

由图3可见，单音和线性扫频干扰对QPSK接收星座图的恶化具有明显的规律性，即QPSK星座图分布在4个象限的符号点均发生了等幅旋转，结合式(6)和式(8)所示的符号表达式分析可知，旋转的等幅特性是因为单音和扫频干扰具有幅度恒定的特征，同时由于接收符号的SJR=-10 dB，期望信号幅度相对于干扰较小，所以单音和扫频干扰对应的星座图旋转曲线较窄，星座点相对集中。相比之下，由于多音干扰幅度的波动变化，其对应的星座图则是根据干扰幅度变化呈现近似随机的分布，窄带噪声干扰对星座图产生的影响是完全随机无规律的，其在原点分布较少是因为干扰的窄带特性所致。对比图3和图4中单音和扫频干扰对应星座图的4个象限符号点旋转幅度变小，不过相对弥散度增大，这是因为SJR增大致使干扰幅度减小，期望信号幅度与干扰的相对值变大。伴随SJR的增大，多音干扰对应星座图的扩散范围缩小，窄带噪声干扰对应星座图在4个象限的分布逐渐清晰，不过二者仍呈现一定的随机性。

图4 SJR=4 dB不同干扰对应星座图

由图3和图4的仿真结果和分析可知，当SJR较小(-10 dB)时，4种干扰对应的星座图显示均无法进行准确的解调判决，其中单音和多音干扰使4个符号点产生严重旋转，大部分落于其他象限，将致使误码率严重恶化。相比之下，多音和窄带噪声干扰使得4个符号点产生近似随机弥散，其误码率恶化程度将弱于前2种干扰。当SJR较大(4 dB)时，4种干扰对星座图的影响都在减弱，而幅度恒定的单音和扫频干扰对应的符号点旋转大多都集中于一个象限，此时单音和扫频干扰对误码率的恶化将弱于多音和窄带噪声干扰。

为进一步验证上述分析正确性，在原有仿真条件基础上，设定10，16 dB两种比特信噪比，无前向纠错编码，仿真不同信干比对应的QPSK调制链路误码率，如图5所示。

图5 不同信干比时4种干扰对应的QPSK误码率曲线

由图5可以看出，在SJR<0 dB时，4种干扰均会严重恶化QPSK传输链路的误码性能，以单音和扫频干扰最严重，但4种干扰的恶化程度差异较小。当SJR>5 dB时，4种干扰对误码性能的恶化程度差异逐渐明显，幅度恒定的单音和扫频干扰近似一致，窄带噪声干扰的恶化最为严重，多音干扰次之。

通过上述分析可知，常见的4种干扰对QPSK信号星座图影响不同，传输链路在不同信干比情况下的误码率性能最终反映了4种干扰对系统性能的恶化程度。所以，根据接收信号星座图的变化可以初步判断受干扰的类型，从而为采取针对性的抗干扰措施提供依据。另外，理论分析和仿真的信干比与误码率曲线，可以为建立干扰强度与系统可靠性之间关系提供有效支撑。

4 结束语

针对卫星通信常用的QPSK调制传输链路受干扰情况，理论分析了常见的单音、多音、线性扫频和窄带噪声4种干扰对链路性能的影响，主要是不同干扰对应的系统接收星座图变化趋势，并从理论上分析了其原因。另外，分析一定信噪比情况下干扰强度与系统误码率之间的关系，并通过仿真验证了理论分析的正确性。分析结论为卫星通信后续干扰辨识、抗干扰能力分析提供有效支撑，对提升卫星通信系统整体抗干扰能力具有重要意义，后续基于上述成果进一步研究针对性抗干扰措施和方法。