一種擴頻測控鏈路中PIM的全盲抑制算法

安金坤，田林,丁凱

中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094

?

一種擴頻測控鏈路中PIM的全盲抑制算法

安金坤*，田林,丁凱

中國空間技術研究院 載人航天總體部，北京 100094

針對航天器擴頻體制測控鏈路中無源互調(PIM)干擾的問題，提出了一種基于小波包分解的全盲PIM抑制算法。該算法將接收的擴頻測控信號進行小波包多層分解，根據分解后的信號應滿足高斯分布的特性，完成對干擾進行抑制，而整個處理過程不涉及干擾門限的設置，是一種全盲的PIM干擾抑制方法。Matlab仿真表明，采用該抗干擾算法可將信干比提高7dB。

測控鏈路； 擴頻通信；無源互調；小波包；干擾抑制

測控通信系統是航天器最重要的組成系統之一，是運行的航天器和地面控制站之間聯系的唯一紐帶。通過其上行的遙控鏈路可以實現對航天器的控制，下行的遙測鏈路可以實現對航天器狀態的把握。上下行的話音和圖像鏈路可以實現地面與載人航天器中航天員的交流與溝通。因此，航天器測控通信鏈路能否有效而可靠地運行是決定航天器任務成敗的必要條件。

測控通信鏈路自身或者外界產生的干擾會對測控鏈路的有效性和可靠性產生影響[1-4]。兩個或兩個以上的信號在無源器件中相遇，產生的線性組合產物落入信號帶內，產生一種由自身激發的干擾[5-6]，即無源互調(Passive Inter-Modulation, PIM)，其來源于無源器件自身的非線性，可以分為材料非線性和接觸非線性兩類[7-8]。針對這種由設備本身產生的自干擾，人們通常采用改進工藝或換用材料的方法來降低PIM干擾，但由于PIM建模、預測、測量以及具體機理研究難度較大，國內外研究進展緩慢[9-12]，抑制效果并不理想。

擴頻通信系統由于其抗干擾、抗截獲、可多址通信、可測距等諸多優點，逐漸成為航天器測控通信系統的主流體制。本文即針對擴頻測控鏈路中的PIM，從信號處理的角度研究PIM的處理方法，在擴頻接收機正常處理接收信號前(包括同步、解擴、解調、譯碼等處理)，先將接收信號經過一個干擾抑制模塊完成對帶有PIM接收信號的預處理，然后再完成同步、解調等常規處理。采用的處理工具為小波包變換，它計算量小，成熟度高，軟件極易實現，且整個算法能夠避免對干擾門限的設置，具有較強的靈活性和可實現性，從而為航天器實用化抗PIM接收機的研制提供了一種工程化的實現途徑。

1　直擴信號模型及理論依據

1.1含PIM的直擴信號接收模型

PIM是由系統中的非線性部件所引起的，其主要特性表現為如下特點[13]：1)時變特性；2)門限效應；3)功率電平的不可預知性；4)干擾的寬帶噪聲特性。因此，PIM干擾可建模成一種在時間上隨機出現，在頻率上(信號帶內)隨機跳變的寬帶干擾模型。

含有抗PIM干擾模塊的擴頻測控系統框圖如圖1所示，接收信號R(t)可以表示為

(1)

式中：S(t)為擴頻信號；J(t)為PIM干擾信號；N(t)為高斯白噪聲信號。

圖1　含抗PIM模塊的擴頻接收系統Fig.1　DSSS signal receiving system with PIM suppression model

(2)

(3)

式中：Ik為第k個信息比特；L為擴頻碼的碼長；ak是第k位擴頻碼，p(t-kTc)為持續時間為Tc的成形波。接收端依據擴頻碼與有用信號的相關性和與干擾信號的不相關性，實現擴頻信號一定的抗干擾能力。雖然擴頻信號本身具有一定的干擾抑制能力，但是當干擾過強，超過了擴頻系統固有的干擾容限[14]，仍會造成擴頻接收機的失鎖或誤碼。通過在接收信號解擴前對擴頻信號進行干擾抑制后再行處理，可以提高擴頻系統的抗干擾能力，也是本文研究的出發點。

1.2算法理論依據

下面給出本文算法中用到的一個重要依據：對一個線性系統，若系統輸入端的平穩隨機過程為非高斯分布，則只要輸入過程的等效噪聲帶寬遠大于系統的通頻帶，在系統的輸出端便能得到接近于高斯分布的隨機過程[15]。

接收端的噪聲滿足高斯分布(有用信號由于淹沒在噪聲中而不于考慮)，時頻域隨機的PIM干擾信號不滿足高斯分布，兩者之和不滿足高斯分布，小波包分解采用Mallat算法[16],該算法通過線性濾波器實現小波包分解，滿足依據中的線性系統的要求。其次，小波包具有帶通特性，在小波分解層數足夠多的條件下，每層小波包對應的帶寬遠小于輸入信號的帶寬。依據上述定理，小波包分解后的無擾信號應接近高斯分布。

2　干擾抑制算法

擴頻測控鏈路全盲抗PIM算法流程如圖2所示，其基本步驟如下：

1)對含有PIM干擾的直擴通信信號采用db30小波進行小波包完全分解，小波包分解采用Mallat算法，分解到8層信號。

2)對小波包分解后的信號進行頻移，防止信號頻率混疊。

3)對小波包分解后的葉子節點進行處理，計算每個葉子節點系數的方差,將超過M倍方差的系數置零或者鉗位，M取2～5。再計算此時葉子節點系數的方差，將超過M倍方差的系數置零或者鉗位。

4)不斷重復步驟3)的過程，直到葉子節點系數基本保持不變為止。

5)根據處理后的葉子節點重構信號，此步完成PIM干擾的抑制。

6)對完成干擾抑制的信號送常規的擴頻接收機完成信息解擴、解調和譯碼。

圖2　擴頻系統全盲抗PIM算法流程Fig.2　PIM suppression algorithm flow graph

3　仿真結果

采用仿真軟件Matlab完成擴頻測控鏈路全盲抗PIM算法抑制效果的性能仿真，結果如圖3所示，其包含不抑制干擾的誤碼率曲線，每次循環系數倍數M的取值范圍為2～5。橫坐標為信干比SIR=-30∶5∶0；對應每個信干比下的信噪比SNR=SIR+15。縱坐標為誤碼率(取對數后的結果)，可以看到該盲算法能夠顯著抑制具有時頻隨機特征的PIM干擾信號。

圖3　不同M下全盲抗PIM算法的性能Fig.3　Algorithm performance under different M

從圖3可以看到，當M這一倍數選擇為2時，該算法處理后的系統誤碼率水平獲得很大的提升，在10-2的誤碼率上，經過全盲算法處理后的誤碼率比不經過處理后的誤碼率提高了約7 dB。當M過大的時候，由于抑制干擾的同時也抑制了有用信號，系統的誤碼性能反而降低。

4　結束語

本文提出了一種實用化的擴頻體制測控鏈路PIM干擾全盲抑制算法，該算法利用無干擾擴頻信號經小波包分解后應滿足高斯分布的特性，完成對含PIM干擾的擴頻體制測控信號的盲處理，而無須擴頻測控信號的任何先驗信息。最后，通過計算機仿真技術驗證了該算法PIM干擾抑制性能。

References)

[1]張建軍, 薛明. 全球導航衛星系統互干擾評估分析及啟示[J]. 航天器工程，2014，23(6):93-98.

ZHANG J J, XUE M.Intersystem and intrasystem interference assessment theory of global navigation satellite system[J].Spacecraft Engineering, 23(6):93-98(in Chinese).

[2]張建軍, 薛明. 全球衛星導航系統兼容性評估方法研究[J]. 中國空間科學技術,2015,35(4):10-16.

ZHANG J J,XUE M. Research on performance analysis method of global satellite navigation system signal[J]. Chinese Space Science and technology, 2015,35(4)：10-16(in Chinese).

[3]殷復蓮，郭黎利，盧滿宏. 擴頻測控系統常見干擾檢測技術研究[J].系統工程與電子技術，2009，31(9):2195-2199.

YIN F L , GUO L L, LU M H. Research on common Interference detection techniques of spread spectrum TT&C system[J]. System Engineering and Electronics, 2009，31(9):2195-2199 (in Chinese).

[4]殷復蓮，盧滿宏，郭黎利. 測控通信干擾抑制技術綜述[J]. 宇航學報，2009，30(5)：1757-1764.

YIN F L, LU M H, GUO L L. Overview on interference suppression of wireless TT&C[J]. Journal of Astronautics, 2009，30(5)：1757-1764 (in Chinese).

[5]葉鳴，賀永寧，孫勤奮,等. 大功率條件下的無源互調干擾問題綜述[J]. 空間電子技術,2013，10(1)：75-83.

YE M, HE Y N, SUN Q F,et al. Review of passive intermodulation interference problem under high power signals[J]. Space Electronic Technology 2013,10(1):75-83 (in Chinese).

[6]唐志輝, 李洪超，王蘇明. 非線性媒質無源交調電平預測[J]. 中國空間科學技術，2010,30(3):43-50.

TANG Z H, LI H C, WANG S M. Prediction method analysis of PIM power level in nonlinear medium[J]. Chinese Space Science and Technology, 2010,30(3):43-50(in Chinese).

[7]劉強. 無源互調類型預測及接觸非線性分析[D].西安：西安電子科技大學，2014.

LIU Q. Type prediction and contact nonlinear analysis of passive inter-modulation[D].Xi′an:Xidian University, 2014(in Chinese).

[8]LIU P L. Passive Intermodulation interference in communication systems[J].Electronics & Communication Engineering Journal, 1990,2(3):109-118.

[9]王海寧，梁建剛,王積勤,等. 高功率微波條件下的無源互調問題綜述[J]. 微波學報，2005,21(增刊)：1-6.

WANG H N, LIANG J G, WANG J Q,et al.Review of passive intermodulation in HPM condition[J]. Journal of Microwave, 2005,21(Supplement):1-6(in Chinese).

[10]張世全，傅德民，葛德彪. 無源互調干擾對通信系統抗噪性能的影響[J],電波科學學報， 2002,17(2):138-142.

ZHANG S Q, FU D M, GE D B.The effects of Passive intermodulation interference on the anti-noise property of communications systems[J].Chinese Journal of Radion Science,2002, 17(2):138-142(in Chinese).

[11]張文強， 年夫順. 無源互調測試系統的組建與分析[J]. 國外電子測量技術，2012,31(5)：28-31.

ZHANG W Q , NIAN F S. Donstruction and analysis of passive intermodulation testing system[J]. Foreign Electronic Measurement Technology, 2012,31(5)：28-31(in Chinese).

[12]杜鄧寶，陽輝，宋健.無源互調失真的數字化測量[J]. 電子測量與儀器學報，2009，23(增刊)：73-77.

DU D B, YANG H, SONG J.The digital measurement of passive intermodulation distortion[J]. Journal of Electronic Measurement and Instrument,2009, 23(Suppl.):73-77(in Chinese).

[13]HOEBER C F, et al. Passive intermodulation product generation in high power communication satellites,AIAA-1986-361[R]. Reston:AIAA,1986.

[14]薛敦偉，李志強，張北江,等. 擴頻測控系統干擾容限的分析[J]. 遙測遙控，2011，32(1):15-21.

GUO D W, LI Z Q, ZHANG B J, et al.Analysis of jamming threshold for spread spectrum TT&C system[J]. Journal of Telemetry,Tracking and Command, 2011，32(1):15-21 (in Chinese).

[15]向前，林春生，龔沈光. 基于小波包變換的非高斯噪聲信號結構分析[J]. 電子與信息學報，2004，26(1):60-64.

XIANG Q, LIN C S, GONG S G.The signal structure analysis of non-Gaussian noise band on wavelet packet transform[J].Journal of Electronics & Information Technology,2004，26(1):60-64(in Chinese).

[16]侯正信,王成優,楊愛萍.有限長度信號mallat算法的邊界延拓方法[J]. 數據采集與處理,2009,24(6):714-720.

HOU Z X, WANG C Y, YANG A P.Boundary extension methods for mallat algorithm of finite length signal[J]. Journal of Data Acquisition & Processing, 2009,24(6):714-720(in Chinese).

(編輯：高珍)

A full-blind PIM suppression algorithm for spread spectrum TT & C link

AN Jinkun*，TIAN Lin，DING Kai

Institute of Manned Space System Engineering，China Academy of Space Technology，Beijing 100094，China

Focusing on the passive inter-modulation (PIM) problem in spread spectrum scheme TT & C link, a wavelet packet decomposition based full-blind PIM suppression algorithm was proposed. Multi-layers wavelet packet decomposition was employed on the received spread spectrum TT & C signals,according to the characteristic the decomposed signal should obey Gaussian distribution,and interference suppression was achieved,No suppression gate was set during the whole process and this was a full-blind PIM suppressed algorithm. Finally,Matlab simulation result shows that 7 dB signal interference ratio gain can be obtained.

TT & C link；spread spectrum；passive inter--modulation； wavelet packet； interference suppression

10.16708/j.cnki.1000-758X.2016.0043

2015-12-25；

2016-04-15；錄用日期：2016-05-11；

時間：2016-07-1213:26:37

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20160712.1326.002.html

安金坤(1982-)，男，博士，ajk8208@163.com，主要研究方向為航天器測控與通信系統設計，通信抗干擾

V416.6

A

http:∥zgkj.cast.cn

引用格式：安金坤,田林,丁凱. 一種擴頻測控鏈路中PIM的全盲抑制算法[J].中國空間科學技術, 2016,36(4)：

47-50.ANJK,TIANL,DINGK.Afull-blindPIMsuppressionalgorithmforspreadspectrumTT&Clink[J].ChineseSpaceScienceandTechnology, 2016,36(4)：47-50(inChinese).