基于星上处理的卫星通信抗干扰技术探究

◆李新科 朱英军

（武警士官学校 浙江 311403）

进一步提高卫星通信系统的抗干扰能力，是卫星通信领域非常重要的课题。当前卫星通信中常用的抗干扰技术有天线抗干扰技术、扩展频谱抗干扰技术、编码调制技术、星上处理技术等。随着电子对抗的不断升级，星上处理技术已经成为卫星通信抗干扰的主要方法技术，是未来通信卫星能够继续生存和发展的前提。

1 星上处理技术概述

卫星通信系统中比较薄弱的一个环节就是透明转发器，这一部位很容易在对方的高强度干扰下实现饱和，甚至损坏，因此采用星上处理技术对抵抗干扰就显得尤为重要。从抵抗干扰的角度来看，星上处理技术主要是使上行链路和下行链路之间去耦，避免上下行信号产生的相互干扰作用，同时避免转发器被推向饱和[1]。星上处理技术主要包含信号解调再生、“解跳”/再跳、解扩/再扩、译码/编码等等。星上技术已经成为卫星通信抗干扰的主要技术，在美国的一些较为先进的通信卫星都将星上处理作为抗干扰的主要技术手段。例如，美军的FLTSATCOM系统可以在星上进行解扩，AFSATCOM系统先在星上进行“解跳”/再跳后下行发送，这就避免在星上安装限幅器的情况，也就不会出现信号抑制的情况[2]。

2 基于星上处理的抗干扰关键技术

我们以移动用户目标卫星系统为例，对于通信卫星而言，只有进行星上处理，才能真正实现扩频抗干扰技术的效果。星上处理的流程有速率变换、矩阵处理、量化、编码、星上8PSK重调制等。具体流程如下：

针对速率变换模块来说，移动用户目标卫星系统属于宽带卫星通信系统，其接收设备的频率较高，因此在进行采样时很难利用奈奎斯特采样定理。在操作中，可以采用第三代宽带码分多址技术体制，基带信号码率为3.84MChip/s。在接收机中，为了进一步降低采样的速率，可以使用带通采样技术将其限制在一定的范围内，采样速率和原信号的速率呈现一定倍数关系，这里的倍数是非整数形式的[3]。星上的信号处理一般都是对码片速信号的符号信息进行处理。因此当地面接收机在接收这一信息的时候就需要对信息流进行速率变换的处理。整数倍内插的是想向两个相邻采样值之间插入一定个数的数据，并形成新序列的过程。插入前后信号频谱是不一样的，为了确保信号能够重新保持正常，需要在内插后进行滤波，将频率大于π/I的镜像部分消除。

针对哈达玛矩阵处理，对于多个并行但是没有联系的输入信号，哈达玛矩阵处理可以使各个输出信号呈现出相同的功率，为后续的量化步骤奠定基础。各个信号的变化值在一定范围内呈现较小的波动，从而达到量化电平阈值保持相同的目的。哈达玛矩阵处理主要包含两个部分：哈达玛变换和去相关。针对去相关来说，移动用户目标卫星系统通过去相关系列使输入的各路信号之间的相关性减小。利用二进制相移键控调制，采用WI序列进行去相关，每32个实数采样数据乘上WI，等到下一个时刻到来的32个数据再进行相乘，不断循环。

针对均匀量化，量化主要是用较小的误差实现用较少的数位表示高精度的数值，将采样点的变化幅度数字化。量化器将整个输入区域分割成若干个区间，并将其个数记作M，在移动用户目标卫星系统中M值为26。关于均匀量化器的误差，假设输入范围为[-V，+V]，考虑到输入的x服从的是均匀分布，可以将划分出M个均匀区间，量化的间隔相同，将其记作a，则有Δ=2V/M。经过计算得到量化误差为σ2q=Δ2/12。

针对TPC编译码，TPC编译码是若干个多维度的（n，k）分组码形成的，包含了明码、校验码等。例如，二维成城际码？的编码过程可以分成三个部分。首先，将信息填入到矩阵中；其次，用一个（n1，k1）的系统分组码对矩阵的每一行进行编码，得到n1列，k1行的矩阵；最后，对得到的矩阵用（n2，k2）的系统分组码对矩阵的每一行进行编码，得到n1列，n2行的矩阵。通过上述方式得到（n1×n2，k1×k2）的分组码，也就是乘积码。TPC译码的方法有两种：硬判决译码和软判决译码。前者主要是按照二进制符号来判决运行的，这种方式比较简单，但是可能出现永久错误图样的情况[4]。后者采用M比特量化后的时实数软信息进行译码，相较硬判译码来说，可以获得较多的增益。

针对星上8PSK重调制，移动用户目标卫星系统星上处理采用8PSK调制方法对编码后的比特流进行再调制发送，下行载波频率段为Ka波段。和地面不同，星上系统一定要选择合适的调制技术，确保能够满足星上通信载荷的要求。在选择星上调制方式的时候要充分考虑到功率效益、频带利用率、接收技术等因素，选择最佳的调制技术。卫星通信系统一般会受到功率的限制，因此在实际的工作中通常选择相移键控作为调制技术。8PSK采用相移键控的方式，这种方式的频谱利用率较高，能够较好地抵抗外界的干扰。在8PSK调相中，载波相位的一个周期可以分成8个相位，相位之差大概是π/4的整数倍。从星上基带信号处理的步骤来看，三个二进制可以映射成一个八进制的符号，同时，这一符号和已调波的相位相互对应。利用Matlab进行仿真模拟，通过调用系统模块的函数就可以实现8PSK调制。而modem.pskdemod可以实现8PSK软解调。

3 星上处理技术的抗干扰性能分析

本部分采用Matlab对星上基带处理的抗干扰性能进行了仿真分析。卫星通信系统经常会面临的干扰类型有音频干扰、噪声干扰等。其中，音频干扰主要是指一个或者是一个以上频率的干扰信号，而噪声干扰主要是指利用相位、频率等变化的电磁信号作为干扰源进行干扰。这里针对音频干扰建立干扰模型，对星上基带处理的抗干扰性能进行测试。

重调8PSK信号的表达式为：S8PSK=∑Akg（t）cos（ωct+Qk）=I（t）cosωct-Q（t）sinωct

“元码”信号可以用如下公式表示：S8PSK（t）=Ikcosωct-Qksinωct

单音干扰信号的表达式如下：Sj=Ajcos（ωjt+Qj）

接收端接收到到的信号表示为：S=S8PSK+Sj+n（t）

式中，信道为AWGN信道时，n（t）为高斯白噪声。

8PSK信号和单音干扰信号的合成信号为：

卫星通信系统的星载转发器包含透明转发器和星上处理转发器。前者结构比较简单，性能可靠度高，适用于电源功率受限制比较严重的卫星，这也意味着其抗干扰性能比较差。后者结构比较复杂，能够实现射频波束交换、基带信号分组交换等功能，具有较好的抗干扰能力。移动用户目标卫星系的信息流在整个传送过程中要经过上面所说的卫星转发器两次，处理转发在U2B链路的星上部分完成接收。这其中包括三个不同数字化信道，信道1和2采用的右旋圆极化，信道3采用左旋圆极化。从进行干扰的一方来看，要想对系统进行干扰，就需要破坏整个频段的信号，难度显然较大，这就形成了U2B链路的一种抵抗干扰的方式。

综上所述，星上处理技术降低了对地面站设备的要求，同时具有良好的抗干扰性能，在未来的卫星通信系统中有着良好应用前景。