衛(wèi)星直擴(kuò)通信系統(tǒng)干擾檢測(cè)技術(shù)研究

摘 要：提出一種衛(wèi)星直擴(kuò)通信系統(tǒng)的干擾檢測(cè)方法，首先將時(shí)域接收信號(hào)構(gòu)造為一個(gè)復(fù)矢量信號(hào)，接著對(duì)該復(fù)信號(hào)進(jìn)行加窗快速傅里葉變換(FFT)，然后根據(jù)接收信號(hào)在頻域上呈現(xiàn)的統(tǒng)計(jì)特性，估計(jì)出自適應(yīng)干擾檢測(cè)門(mén)限，譜線幅度大于干擾檢測(cè)門(mén)限的譜線被認(rèn)為是干擾信號(hào)的頻譜，最后根據(jù)干擾信號(hào)的特性估計(jì)出該信號(hào)的頻率、帶寬和功率。理論分析和實(shí)驗(yàn)表明，該方法對(duì)于衛(wèi)星直擴(kuò)通信系統(tǒng)中的干擾信號(hào)具有很好的檢測(cè)性能。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星通信； 直擴(kuò)通信系統(tǒng)； 干擾檢測(cè)； 參數(shù)估計(jì)

中圖分類號(hào)：

TN927+.2-34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2011)17-0007-03

Research on Detection of Narrow-band Interference in DSSS System of Satellite

ZHANG Ai-min， WANG Xing-quan， ZHANG De-xing， WANG Tie-jun

(Communication Training Base of PLA General Staff Headquarters， Xuanhua 075100， China)

Abstract： An interference detection method of satellite direct sequence spread spectrum (DSSS) communication system is put forward. A complex vector signal in time domain must be constructed， then the Windowed Fast Fourier Transform（FFT）can be performed， finally the adaptive threshold of interference detection can be estimated according to statistical characteristic of the signal in frequency domain. The amplitude of spectral lines which exceeds the spectral lines of interference detection threshold can be identified as the spectrum of interference signal. According to characteristics of interference signal， the frequency， bandwidth and power of interference signal can be estimated. Theoretical analysis and simulation show that the method has good detection performance on interference detection in DSSS communication system of satellite.

Keywords： satellite communication; DSSS communication system; interference detection; parameter estimation

0 引 言

直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)因具有較強(qiáng)的抗干擾能力和防截獲能力，在軍用衛(wèi)星通信、GPS和軍事微波通信等系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。衛(wèi)星通信的路徑損耗大，接收功率低，有用信號(hào)經(jīng)常淹沒(méi)在噪聲當(dāng)中，容易受到各種大功率信號(hào)的干擾。通過(guò)衛(wèi)星通信干擾檢測(cè)器，可以使頻譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正確區(qū)分正常信號(hào)、惡意干擾信號(hào)和地面干擾信號(hào)，對(duì)于不同來(lái)源、不同性質(zhì)的干擾信號(hào)實(shí)施不同處置措施［1-2］。

1 干擾檢測(cè)接收機(jī)信號(hào)和系統(tǒng)的基本模型

在衛(wèi)星擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，寬帶直接序列擴(kuò)頻信號(hào)和加性高斯白噪聲在頻域上具有相似的特性，單頻或者窄帶干擾信號(hào)與二者相比在頻域上會(huì)呈現(xiàn)較高的峰值，利用這一不同特性對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行DFT，然后根據(jù)干擾信號(hào)在頻域上呈現(xiàn)的特性計(jì)算出干擾信號(hào)的功率、頻率和帶寬，由時(shí)域信號(hào)變換為頻域信號(hào)時(shí)采用加窗FFT，由于截?cái)嗪笮蛄性谶吔绮贿B續(xù)，則會(huì)導(dǎo)致信號(hào)經(jīng)過(guò)DFT變換之后出現(xiàn)頻譜泄漏。為了減輕DFT變換的能量泄漏，常用的方法是在對(duì)信號(hào)進(jìn)行DFT之前進(jìn)行加窗，文獻(xiàn)［3-4］對(duì)加窗FFT進(jìn)行了詳細(xì)的研究。干擾檢測(cè)原理框圖如圖1所示。

式中:P(K)表示擴(kuò)頻信號(hào)的頻譜;N(K)表示噪聲的頻譜;J(K)表示Δf的頻譜，K=0，1，2，…，N-1。復(fù)信號(hào)R(K)進(jìn)行FFT后得到R(K)在數(shù)字頻域上不再具有以N/2點(diǎn)為中心的對(duì)稱幅頻特性［5］，而是單邊帶頻譜特性，且與其Δf正負(fù)有關(guān)。當(dāng)Δf為正值時(shí)，譜峰值出現(xiàn)在0～N/2-1之間;當(dāng)Δf為負(fù)值時(shí)，譜峰值出現(xiàn)在N/2～N-1之間。正是這種不對(duì)稱的頻譜特征，決定了可檢測(cè)出Δf正負(fù)和大小，而對(duì)實(shí)信號(hào)進(jìn)行FFT后只能檢測(cè)出Δf大小，但是正負(fù)無(wú)法確定。

要想判斷哪些譜線是干擾信號(hào)的譜線，必須有一個(gè)干擾檢測(cè)門(mén)限作為參考，當(dāng)某一譜線的幅度大于干擾檢測(cè)門(mén)限時(shí)，判定為干擾信號(hào)頻譜。因此如何確定干擾檢測(cè)門(mén)限成為一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題。

2 自適應(yīng)干擾檢測(cè)門(mén)限設(shè)置的理論依據(jù)

在很多情況下信號(hào)和干擾都是時(shí)變的，對(duì)干擾門(mén)限的選擇也不應(yīng)該是固定的，門(mén)限設(shè)置太高，一些干擾信號(hào)難以檢測(cè)出來(lái)；門(mén)限設(shè)置太低，有用信號(hào)和噪聲會(huì)被誤認(rèn)為是干擾，所以干擾門(mén)限的設(shè)計(jì)應(yīng)該以接收信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性為依據(jù)［5］。

衛(wèi)星直擴(kuò)通信系統(tǒng)在低信噪比下工作，期望信號(hào)淹沒(méi)在背景噪聲當(dāng)中，例如GPS擴(kuò)頻信號(hào)要比背景噪聲低幾十dB。直擴(kuò)信號(hào)在較大擴(kuò)展比下，其頻譜類似白噪聲。當(dāng)不存在干擾時(shí)，由于直擴(kuò)信號(hào)的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于高斯白噪聲功率，從頻域上看，即P(K)N(K)，所以P(K)+N(K)也近似服從窄帶高斯分布。由窄帶高斯分布的特性［4］可知，隨機(jī)變量P(K)+N(K)的包絡(luò)P(K)+N(K)服從瑞利分布，其相位服從［0，2π)的均勻分布，包絡(luò)的平方P(K)+N(K)2服從指數(shù)分布，包絡(luò)和相位在同一時(shí)刻是相互獨(dú)立的隨機(jī)變量［6-7］。現(xiàn)在假設(shè)干擾檢測(cè)門(mén)限為T(mén)H，那么必須滿足窄帶高斯信號(hào)的包絡(luò)平方不超過(guò)TH的概率逼近于1，即：

這樣干擾檢測(cè)門(mén)限TH=n/λ就很容易確定，這里選擇TH=8/λ，當(dāng)R(K)2大于TH時(shí)，在該頻率點(diǎn)上必然存在干擾，此時(shí)R(K)=P(K)+N(K)+J(K)，但絕大部分頻段R(K)=P(K)+N(K)，干擾信號(hào)帶寬相對(duì)于寬帶信號(hào)總是很窄的，所以R(K)2大于TH的譜線不能作為干擾檢測(cè)門(mén)限估計(jì)的樣本值。由此可見(jiàn)，估計(jì)干擾檢測(cè)門(mén)限的樣本值是隨著信號(hào)的變化實(shí)時(shí)更新的，能更好地適應(yīng)信號(hào)和干擾多變的環(huán)境。

3 干擾信號(hào)的參數(shù)估計(jì)

由前面的分析可知，復(fù)信號(hào)經(jīng)過(guò)加窗FFT后得到R(K)=P(K)+N(K)+J(K)，根據(jù)這些樣本值可估計(jì)出干擾檢測(cè)門(mén)限，當(dāng)R(K)2大于干擾檢測(cè)門(mén)限時(shí)，判定該頻率點(diǎn)存在干擾，根據(jù)頻譜特性還可以分析出干擾信號(hào)的功率和帶寬。這里假設(shè)采樣頻率為fs，這時(shí)的頻譜分辨率為F=fs/N(N為做FFT的點(diǎn)數(shù))，采樣頻率太大，會(huì)導(dǎo)致頻譜分辨率下降。根據(jù)抽樣定理可知，采樣頻率fs必須大于信號(hào)最高頻率的2倍才不會(huì)發(fā)生混疊失真，所以采樣頻率也不能太小，在工程應(yīng)用中要根據(jù)實(shí)際情況確定［9］。

當(dāng)?shù)趎點(diǎn)的譜線被判定為干擾時(shí)，該點(diǎn)的頻率Δf為：當(dāng)n0且其絕對(duì)值大小為nF；當(dāng)n>N/2時(shí)，Δf<0且其絕對(duì)值大小為(N-n)F；當(dāng)n=N/2時(shí)，Δf絕對(duì)值為fs/2，正負(fù)不能確定；當(dāng)n=0時(shí)，Δf為0。那么干擾信號(hào)的頻率為fJ=fc+Δf，這時(shí)估計(jì)誤差小于0.5F。

還可以得到以下結(jié)論：

(1) 假設(shè)“連續(xù)”大于干擾檢測(cè)門(mén)限的譜線為第k1，k2，…，kn(0

(2) 假設(shè)“連續(xù)”大于干擾檢測(cè)門(mén)限的譜線為第k1，k2，…，kn(0

4 仿真與分析

假設(shè)接收端信號(hào)中存在窄帶干擾和單頻干擾，則選用3個(gè)正弦信號(hào)之和作為窄帶干擾模型。文獻(xiàn)［10］指出用多個(gè)正弦信號(hào)之和或由窄帶白噪聲模擬窄帶干擾幾乎具有相同的性能。那么接收信號(hào)為:

假設(shè)采樣頻率fs=8 000 Hz，這時(shí)的頻譜分辨率為F=fs/N=15.625。對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行了加窗FFT后首先估計(jì)出干擾檢測(cè)門(mén)限，TH=8/λ=45 037，大于干擾檢測(cè)門(mén)限R(K)2和對(duì)應(yīng)的FFT點(diǎn)數(shù)如表2所示。

5 結(jié) 語(yǔ)

衛(wèi)星通信干擾檢測(cè)是一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容，本文首先分析接收信號(hào)模型，接著分析干擾檢測(cè)原理，確定了干擾檢測(cè)門(mén)限，最后對(duì)干擾檢測(cè)算法進(jìn)行了仿真和驗(yàn)證。計(jì)算結(jié)果表明，該干擾檢測(cè)方法可以方便地估計(jì)出干擾信號(hào)參數(shù)，而且估計(jì)誤差較小，適合工程應(yīng)用。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］郭黎利，孫志國(guó).通信對(duì)抗技術(shù)［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2007.

［2］姚富強(qiáng).通信抗干擾工程與實(shí)踐［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［3］曾祥華，李崢嶸，王飛雪.擴(kuò)頻系統(tǒng)頻域窄帶干擾抑制算法加窗損耗研究［J］.電子與信息學(xué)報(bào)，2004，26(8)：1276-1281.

［4］張春海，盧樹(shù)軍，張爾揚(yáng).基于加窗DFT的DSSS系統(tǒng)變換域窄帶干擾抑制技術(shù)［J］.解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2004(4)：11-15.

［5］薛巍，向敬成，周治中.一種PN碼捕獲的門(mén)限自適應(yīng)估計(jì)方法［J］.電子學(xué)報(bào)，2003，31(12)：1870-1873.

［6］張春海，薛麗君，張爾揚(yáng).基于自適應(yīng)多門(mén)限算法的變換域窄帶干擾抑制［J］.電子與信息學(xué)報(bào)，2006，28(3):461-465.

［7］常建平，李海林.隨機(jī)信號(hào)分析［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.

［8］張愛(ài)民，胡艷龍，韓方景.低信噪比下基于自適應(yīng)門(mén)限的窄帶干擾抑制研究［J］.電子信息對(duì)抗技術(shù)，2009，24(1):51-54.

［9］陳大夫，張爾揚(yáng)，朱江.快速傅里葉變換載波頻偏估計(jì)算法［J］.電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)，2006，11(2):128-132.

［10］CAOPZZA P T. A sing-chip narrow-band frequency-domain excuser for a Global positioning system (GPS) receiver [J]. IEEE J. of Solid State Circuit， 2000， 35(3): 401-411.

作者簡(jiǎn)介：

張愛(ài)民 男，1977年出生，講師，碩士。主要研究方向?yàn)檐娪脽o(wú)線通信與網(wǎng)絡(luò)、通信抗干擾技術(shù)。

王星全 男，1959年出生，高級(jí)講師。主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信。

張德興 男，1970年出生，高級(jí)講師，碩士。主要研究方向?yàn)橥ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)管理與控制。

王鐵軍 男，1969年出生，講師。主要研究方向?yàn)闊o(wú)線通信。