衛星通信地球站干擾條件下性能仿真與分析＊

陳樂伯 徐 慨 鮑 凱

（海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033）

1 引言

衛星地球站面臨的無意干擾有很多種，按干擾源所處的地理位置，干擾可以分為三種形式，即地基干擾、天基際干擾和空基干擾［1］。地基干擾以地面廣播電視臺、微波接力站和雷達站等為主，這些站點距離地球站很近，且分布較廣，即使很小的干擾也可能對地球站產生干擾。文獻［2］研究了微波站對C波段接收地球站的干擾情況，文獻［3］研究了雷達信號對4GHz頻段固定站的干擾。

本文在干擾性能分析的基礎上，給出了地球站常見干擾信號的模型，并建立衛星通信干擾仿真模型，研究了不同信號干擾時地球站的誤碼率性能。

2 干擾條件下的性能分析

當地球站周圍空間存在電磁干擾時，用J表示干擾信號總功率，W 表示干擾分布帶寬。地球站接收機輸入端的載波功率與總的噪聲和干擾功率譜密度之比為［4］

其中，Nou、Nod分別表示上行和下行噪聲功率譜密度。對于不同的干擾試樣，需要修正其中的J／W，如果干擾在信號頻帶之外，則對信噪比沒有影響。

假定干擾信號帶寬占接收機帶寬B的比值為ρ。將式（1）整理得：

EIRPi、EIRPs分別表示發射地球站和衛星的有效全向輻射功率；Lu、Ld分別表示上行和下行自由空間損耗；L′表示大氣衰減，相對于自由空間損耗可以忽略不計；［G／T］t、［G／T］r分別表示衛星和接收地球站的品質因素；k是波爾茲曼常數，10lgk＝－228.6（dB）；BOo表示衛星上高功放的輸出回退量。

信號傳輸速率為Rb時，C＝EbRb，由式（2）可得接收系統總的信噪比為

無干擾時，對于QPSK調制方式，誤碼率Pb可表示為

當存在干擾時，誤碼率公式修正為：

3 干擾信號功率譜密度

衛星通信中干擾信號樣式主要有：單音干擾、多音干擾、寬帶噪聲干擾、部分頻帶噪聲干擾、窄帶噪聲干擾、脈沖干擾等［5～6］。下面給出幾種常見干擾信號的數學表達式和功率譜密度表達式。

3.1 單音干擾

單音干擾是音調干擾的一種，信號形式可表示為［7］

假設相位ψ是在［0，2π］上均勻分布的隨機變量，可以求得單頻干擾信號的自相關函數為

其功率譜密度函數為

而多音干擾可看著是由Ni個獨立的具有相同功率的單音干擾組成。在一段時間內，干擾信號的頻率會改變，干擾頻率fj為隨機變量。

當Ni?1時，多音干擾信號類似與高斯噪聲［8］。

3.2 脈沖干擾

設脈沖干擾的脈沖周期為T，脈沖寬度為τ，在接收機帶寬內干擾信號的平均功率為Pj，其功率譜密度可表示為［9］

假設一個干擾脈沖持續整個數據碼元，那么它將間斷地影響整個數據碼元，脈沖干擾的有效時間為τ／T。在干擾脈寬以外，干擾功率為0，只考慮噪聲引起的誤碼率，在干擾脈寬內，系統的誤碼率可表示為

所以，平均誤碼率為［12］

4 仿真模型建立與結果分析

采用MATLAB／SIMULINK搭建仿真模型，如圖1所示。隨機數發生器采用幀格式輸出，采樣頻率為25kHz，每幀包含100個采樣點。然后對采樣信號進行QPSK調制，相位偏移設置為π／4，然后調制信號進入滾降系數α＝0.3、向上采樣數為8的升余弦濾波器進行濾波。高功放采用Saleh模型，AM／AM 參數設置為［2.1587 1.1517］，AM／PM參數設為［4.033 9.104］。衛星發射天線直徑為0.4m，下行信號頻率為f＝4GHz，衛星高度為36000km，可算得下行鏈路自由空間損耗為196dB。接收系統噪聲溫度設為典型噪聲水平T＝290K。下行鏈路相位噪聲設為－100dBc／Hz。濾波與解調參數設置和前面發射機單元相對應。利用仿真模型分別對幾種干擾信號進行仿真。

圖1 干擾仿真模型

對于不同幅度的單音干擾信號，設置每周期采樣點數為10，采樣時間為0.0001s，此時信號頻率為1kHz。分別設信號幅度為0、3、7、12進行仿真，可得系統誤碼率關系曲線如圖2所示。圖2中A的值表示干擾信號幅度?？梢钥闯霎擜＝0，即無干擾時誤碼率最低，在相同信噪比情況下，隨著干擾信號幅度增大，系統誤碼率性能下降。這是因為幅度越大，干擾功率越大，對地球站接收系統的影響也就越大。

對于脈沖干擾，當脈沖信號每周期采樣數為100，采樣時將為0.0001s，即脈沖重復頻率f＝100Hz時，取脈沖寬度t＝1ms，分別設脈沖最大幅值為0、3、7和12進行系統仿真，仿真結果如圖3所示。從圖中可以看出，A＝0時即表示無干擾情況，誤碼率較小。隨著干擾幅值的增加，誤碼率隨之變大。與單音干擾情況結論一致。

圖2 單音干擾時的誤碼率曲線

圖3 脈沖干擾時系統誤碼率曲線

將取相同平均功率時的單音干擾、多音干擾和脈沖干擾進行比較，仿真結果如圖4所示。從圖中可以看出，多音干擾時地球站接收系統誤碼率比單音干擾大，而信噪比小于20dB時，脈沖干擾對地球站接收系統干擾最大。這是因為對于平均功率相同的脈沖干擾和其他干擾樣式，脈沖干擾將主要的能量都集中在了很小的脈沖寬度內，其峰值功率可以比平均功率高出2～3個數量級。所以脈沖干擾能在短時間內使接收系統誤碼率增大很多。

圖4 幾種干擾對地球站性能影響比較

5 結語

通過理論分析和仿真研究可知，在干擾距離和角度確定時，干擾信號功率決定了干擾對地球站接收系統的影響程度，干擾功率越大，系統誤碼率越高。對于不同類型的干擾，脈沖干擾對地球站干擾最大，其次是多音干擾，干擾最小的是單音干擾。地球站所面臨的電磁環境十分復雜，通常是多種干擾并存，因此在地球站建站選址和電磁兼容時要同時考慮多種干擾對地球站的影響。

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