劉冠邑，張海勇，任 重

（海軍大連艦艇學(xué)院 信息系統(tǒng)系，遼寧 大連116018）

0 引 言

衛(wèi)星通信具有通信距離遠(yuǎn)、傳輸容量大、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于電磁波曝露在自由空間，使得衛(wèi)星通信易被干擾，尤其是當(dāng)星上應(yīng)用不具備抗干擾能力的透明轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)，干擾對(duì)通信的影響更加嚴(yán)重[1]。在無(wú)干擾時(shí)，衛(wèi)星通信執(zhí)行嚴(yán)格的功率控制，確保透明轉(zhuǎn)發(fā)器工作在線性區(qū)域。但是，實(shí)際中衛(wèi)星通信可能受到來(lái)自上行鏈路或下行鏈路的干擾。當(dāng)存在上行干擾時(shí)，隨著干擾功率的逐漸加大，轉(zhuǎn)發(fā)器會(huì)從線性狀態(tài)進(jìn)入到非線性狀態(tài)，甚至是飽和狀態(tài)，從而對(duì)通信產(chǎn)生影響。

現(xiàn)有針對(duì)衛(wèi)星通信干擾性能的研究各有側(cè)重。文獻(xiàn)[2]側(cè)重研究了轉(zhuǎn)發(fā)器工作于非線性區(qū)時(shí)不同干擾樣式的干擾性能，但未研究干擾對(duì)通信性能的影響；文獻(xiàn)[3]側(cè)重研究了轉(zhuǎn)發(fā)器工作于線性區(qū)和飽和區(qū)的干擾性能，但在飽和區(qū)僅將轉(zhuǎn)發(fā)器增益視為某一經(jīng)驗(yàn)值，未考慮干擾功率對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)器增益的影響?？紤]到實(shí)際應(yīng)用中上行干擾與下行干擾均會(huì)存在，且隨著上行干擾功率逐漸增大，轉(zhuǎn)發(fā)器會(huì)遍歷各種狀態(tài)，以上研究不能直接適用于實(shí)際干擾條件下的鏈路性能研究。針對(duì)上述問(wèn)題，本文將研究轉(zhuǎn)發(fā)器工作在各個(gè)工作狀態(tài)時(shí)的功率條件，得出不同上行干擾功率范圍下的轉(zhuǎn)發(fā)器增益，并研究下行干擾對(duì)通信性能的影響，在此基礎(chǔ)上得出干擾條件下的鏈路計(jì)算模型，為衛(wèi)星通信中通信抗干擾問(wèn)題的研究提供理論依據(jù)。

1 干擾條件下的透明轉(zhuǎn)發(fā)器性能研究

衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)器只起到功率放大和頻率變換的作用，其功率放大主要利用行波管放大器（TWTA）。TWTA具有如下特性：當(dāng)輸入功率小于線性工作點(diǎn)功率時(shí)，功放工作在線性區(qū)域，功率增益恒定；當(dāng)輸入功率介于線性工作點(diǎn)功率與飽和工作點(diǎn)功率之間時(shí)，隨著輸入功率的逐漸增大，功率增益減小，且增益衰減速率逐漸增大；當(dāng)輸入功率大于飽和工作點(diǎn)功率時(shí)，輸出功率恒定，此時(shí)隨著輸入功率繼續(xù)增大，功率增益會(huì)以恒定的衰減速率迅速減小。TWTA的功率特性如圖1所示。

圖1 TWTA功率特性

在頻分多址（FDMA）衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中，載波所占用的功率資源與頻率資源相匹配。當(dāng)載波輸入功率小于線性工作點(diǎn)功率時(shí)，載波不會(huì)對(duì)其他鏈路造成影響[4]。當(dāng)上行干擾功率較小時(shí)，總輸入功率小于線性工作點(diǎn)功率，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器增益恒定。線性工作點(diǎn)的輸入功率Pinline為：

其中SFD為轉(zhuǎn)發(fā)器飽和通量密度，BOi為轉(zhuǎn)發(fā)器輸入回退。又因?yàn)樘炀€有效面積Ae與衛(wèi)星接收天線增益Gs存在數(shù)學(xué)關(guān)系：

其中λ為載波波長(zhǎng)。所以，式（1）化簡(jiǎn)后有如式（3）所示的分貝形式：

線性工作點(diǎn)的輸出功率Poutline計(jì)算公式為：

其中EIRPss為衛(wèi)星飽和全向輻射功率，BOo為輸出回退，分貝形式計(jì)算公式為：

可以求得透明轉(zhuǎn)發(fā)器工作在線性狀態(tài)時(shí)的功率增益G：

將式（3）、式（5）帶入式（6），可求出透明轉(zhuǎn)發(fā)器的線性增益。

當(dāng)干擾功率繼續(xù)增大，輸入功率大于線性工作點(diǎn)時(shí)，則轉(zhuǎn)發(fā)器工作于非線性狀態(tài)。此時(shí)，輸入功率大于預(yù)分配的最大功率，受干擾的載波會(huì)侵占其他載波的功率資源，且功放特性呈現(xiàn)非線性，功率增益逐漸減小，可以利用Saleh模型求得轉(zhuǎn)發(fā)器增益。Saleh模型是描述行波管放大器（TWTA）非線性特性的常用形式，幅度—幅度特性表示為[5]：

因?yàn)楣β逝c幅度的平方存在線性關(guān)系，則可得轉(zhuǎn)發(fā)器工作在非線性區(qū)域的轉(zhuǎn)發(fā)器增益：

其中，輸入功率Pin=Cin+Jin，為轉(zhuǎn)發(fā)器輸入載波功率Cin與轉(zhuǎn)發(fā)器輸入干擾功率Jin之和；Pout為輸出功率。將線性工作點(diǎn)和飽和工作點(diǎn)帶入式（8），可求出參數(shù)α、β，從而得到轉(zhuǎn)發(fā)器工作在非線性狀態(tài)時(shí)的功放特性。線性工作點(diǎn)可由式（3）、式（5）求得，飽和工作點(diǎn)輸出功率Poutsat為EIRPss，輸入功率由式（9）可求：

當(dāng)輸入功率大于飽和點(diǎn)輸入功率時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)器工作于飽和狀態(tài)，輸出功率恒為EIRPss，功率增益G小于1，且隨著輸入功率增大增益逐漸減小。此時(shí)，所有載波均會(huì)受到干擾引起的信號(hào)壓縮效應(yīng)和互調(diào)噪聲的影響。飽和狀態(tài)的功率特性為：

其中Pi為飽和時(shí)非線性引起的互調(diào)噪聲功率，其計(jì)算公式為[6]：

當(dāng)?shù)确⒌乳g隔載波通過(guò)行波管放大器時(shí)，一般取γ=5.38?？芍藭r(shí)的互調(diào)噪聲功率僅與上行載波功率、轉(zhuǎn)發(fā)器增益以及輸出回退值有關(guān)。將式（11）帶入到式（10），可以得到此時(shí)的轉(zhuǎn)發(fā)器增益G為：

由式（12）可以看出，隨著衛(wèi)星接收的干擾功率Jin逐漸增大，轉(zhuǎn)發(fā)器增益逐漸減小，即上行功率的壓縮程度隨著干擾功率增大而增大。

綜上所述，在已知轉(zhuǎn)發(fā)器輸入載波功率Cin的情況下，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器增益G與轉(zhuǎn)發(fā)器輸入干擾功率Jin的關(guān)系為：

式（13）中相關(guān)參數(shù)已在上文給出，α、β則可由函數(shù)擬合得到。

2 干擾條件下的鏈路計(jì)算模型研究

在衛(wèi)星通信中可能存在上行干擾，也可能存在下行干擾，甚至二者同時(shí)存在。為了分析干擾條件下的鏈路性能，必須建立綜合分析上、下行干擾的計(jì)算模型。通常，可利用載波噪聲干擾比C/X來(lái)表征干擾條件下的鏈路性能：

其中，Cu與Cd分別為上行載波功率與下行載波功率；Ju與Jd分別為上行干擾功率與下行干擾功率；Ju′為接收端接收到的轉(zhuǎn)發(fā)后上行干擾功率；Nu與Nd分別為上行鏈路噪聲功率與下行鏈路噪聲功率。干擾條件下的C/X計(jì)算流程，如圖2所示。

圖2 鏈路計(jì)算流程

該模型能夠計(jì)算存在上行或下行干擾甚至二者同時(shí)存在情況下的鏈路載波噪聲干擾比C/X。下面為分析不同類(lèi)型干擾對(duì)鏈路性能的影響，只考慮存在上行或下行中一種類(lèi)型干擾的情況。

2.1 上行干擾條件下的鏈路計(jì)算模型

透明轉(zhuǎn)發(fā)器抗干擾能力差，當(dāng)衛(wèi)星應(yīng)用透明轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)，上行干擾不僅會(huì)對(duì)載波信號(hào)產(chǎn)生影響，還會(huì)通過(guò)影響轉(zhuǎn)發(fā)器性能來(lái)間接影響通信質(zhì)量。當(dāng)只存在上行干擾時(shí)，式（14）中的Jd=0，此時(shí)鏈路計(jì)算公式可化簡(jiǎn)為：

式（15）中的上行鏈路載波功率Cu可由式（16）求得：

其中Gs為衛(wèi)星接收天線增益；Cin為轉(zhuǎn)發(fā)器輸入載波功率；Lcu為載波上行鏈路損耗；EIRPt為發(fā)信站全向輻射功率，可通過(guò)發(fā)信機(jī)功率Pt，與發(fā)射天線增益Gt求得；天線增益Gt可由天線效率η、天線口徑，工作頻率f以及發(fā)射天線饋線損耗LFTX計(jì)算得到：

同理，可通過(guò)上行干擾機(jī)功率Pju、干擾機(jī)增益Gju與干擾信號(hào)上行鏈路損耗Lju，求得轉(zhuǎn)發(fā)器輸入干擾功率Jin，進(jìn)而求得上行干擾功率Ju：

需要注意，相較于人為干擾，自然因素造成的鏈路損耗對(duì)通信影響很小，所以在干擾性能分析中忽略自然因素的影響。此時(shí)，載波信號(hào)與干擾信號(hào)的鏈路損耗即為自由空間損耗。

自由空間損耗計(jì)算公式為：

其中R為傳輸距離，f為載波頻率，光速c=3×108m/s。

下行鏈路載波功率計(jì)算公式為：

同理，可知接收機(jī)接收的干擾功率Ju′為：

其中Lcd為載波下行鏈路損耗；Lju′為轉(zhuǎn)發(fā)后干擾信號(hào)的下行鏈路損耗；Gr為收信站接收天線增益，可利用式（17）求得；衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器增益G需要分情況進(jìn)行分析。當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)器輸入干擾功率Jin不同時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)器增益G發(fā)生變化，可利用式（13）進(jìn)行計(jì)算。

在計(jì)算噪聲功率時(shí)，噪聲帶寬即為載波帶寬Bn，則有上行噪聲功率為：

下行噪聲功率為：

其中k為玻爾茲曼常數(shù)，Ts、Tr分別為衛(wèi)星接收天線與收信站天線的噪聲溫度。

由式（16）～式（21）計(jì)算得到的參數(shù)，可以得到：

其中(G/T)s與(G/T)r分別為衛(wèi)星接收天線與收信站天線品質(zhì)因數(shù)，玻爾茲曼常數(shù)[k]=-228.6 dBW·Hz，載波帶寬Bn可由式（28）求得：

其中載波帶寬與滾降系數(shù)α、碼速Rb、編碼效率Cr以及調(diào)制方式等因素相關(guān)。

將式（24）～（27）帶入式（15），可求得當(dāng)存在上行干擾情況下的總載波噪聲干擾比。

2.2 下行干擾條件下的鏈路計(jì)算模型

衛(wèi)星通信發(fā)信站通常執(zhí)行嚴(yán)格的功率控制，以確保星上轉(zhuǎn)發(fā)器正常工作。當(dāng)衛(wèi)星通信下行鏈路受到干擾時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)器不會(huì)受到影響，仍然工作在線性區(qū)域。當(dāng)僅有下行干擾時(shí)，式（14）中的==0，此時(shí)計(jì)算公式可化簡(jiǎn)為：

其中的參數(shù)Jd、(Cu/Nu)、(Cd/Nd)算法與上文相同。需要注意，此時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)器工作狀態(tài)與干擾功率無(wú)關(guān)，僅取決于上行載波功率，轉(zhuǎn)發(fā)器增益可由式（13）求得。

下行干擾的鏈路計(jì)算關(guān)鍵在于下行鏈路干擾功率Jd的計(jì)算。下行干擾一般采用機(jī)載干擾機(jī)對(duì)收信站進(jìn)行干擾。由于接收天線對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，載波信號(hào)始終從主瓣進(jìn)入，天線對(duì)載波信號(hào)增益恒為Gr。主瓣寬度可由信號(hào)波長(zhǎng)λ與天線口徑D求得：

但干擾機(jī)與天線的相對(duì)位置不斷變化，當(dāng)干擾信號(hào)與接收天線主瓣存在夾角時(shí)，天線對(duì)干擾信號(hào)的增益減小。根據(jù)《GB13615-92地球站電磁環(huán)境保護(hù)要求》規(guī)定，干擾信號(hào)入射角α與干擾信號(hào)增益Gjr的關(guān)系為：

在此基礎(chǔ)上，可以得出下行鏈路載波干擾功率比計(jì)算公式為：

將式（25）、式（27）、式（32）帶入式（29），可求得下行干擾條件下的總載波噪聲干擾比。

3 干擾性能分析

3.1 上行鏈路干擾性能分析

在對(duì)衛(wèi)星通信上行鏈路干擾時(shí)，一般采用大功率地基干擾機(jī)。上行干擾優(yōu)勢(shì)在于干擾機(jī)功率增益大，直接影響轉(zhuǎn)發(fā)器性能且影響范圍廣。但是，由于干擾機(jī)與衛(wèi)星距離遠(yuǎn)，會(huì)使干擾信號(hào)受到較大損耗。本文以噪聲干擾為例，研究上行干擾功率與干擾性能的關(guān)系。

在發(fā)信站A與收信站B的通信中，相關(guān)通信參數(shù)參照文獻(xiàn)[7]中的通信實(shí)例，分別如表1～表3所示。

當(dāng)系統(tǒng)采用QPSK調(diào)制方式，1/2卷積碼編碼方式，濾波器滾降系數(shù)為0.3時(shí)，發(fā)信機(jī)發(fā)送速率為2 Mb/s，功率為1 dBW的載波信號(hào)。此時(shí)，計(jì)算可得鏈路性能相關(guān)參數(shù)如表4所示。

表1 發(fā)信站A相關(guān)參數(shù)

表2 收信站B相關(guān)參數(shù)

表3 中衛(wèi)10號(hào)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器相關(guān)參數(shù)

表4 鏈路性能相關(guān)計(jì)算結(jié)果

當(dāng)?shù)鼗蓴_機(jī)位于（110.5°E，20°N），天線增益為50 dB，干擾信號(hào)頻率與上行載波頻率一致時(shí)，可以得到干擾上行鏈路損耗Lju=208.0 dB，干擾下行鏈路損耗Lju′=Lcd=207.0 dB。通過(guò)計(jì)算可得，轉(zhuǎn)發(fā)器處于線性工作點(diǎn)時(shí)的干擾功率為17.1 dBW，轉(zhuǎn)發(fā)器處于飽和點(diǎn)時(shí)的干擾功率為23.5 dBW。上行干擾功率與轉(zhuǎn)發(fā)器增益存在的關(guān)系如圖3所示。

圖3顯示，當(dāng)干擾功率小于17.1 dBW時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)器增益恒定。當(dāng)干擾功率在17.1 dBW與23.5 dBW之間時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)器增益逐漸減小。當(dāng)干擾功率大于23.5 dBW時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)器增益迅速減小。將轉(zhuǎn)發(fā)器增益G帶入式（27），可以得到上行干擾條件下的載波噪聲干擾比C/X與干擾功率Pj的關(guān)系如圖4所示。

在干擾功率較小時(shí)，上行干擾對(duì)衛(wèi)星通信性能影響較小。當(dāng)干擾功率超過(guò)-10 dBW后，隨著干擾功率煩人繼續(xù)加大，載波噪聲干擾比迅速減小，鏈路性能惡化嚴(yán)重。當(dāng)干擾功率在0 dBW左右時(shí)，C/X已經(jīng)降低到門(mén)限值以下。此時(shí)，盡管轉(zhuǎn)發(fā)器仍工作在線性區(qū)域，干擾并未對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)器性能造成影響，但該衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法保證正常通信。

圖3 上行干擾功率與轉(zhuǎn)發(fā)器增益曲線

圖4 上行干擾功率與鏈路性能曲線

3.2 下行鏈路干擾性能分析

對(duì)衛(wèi)星下行鏈路的干擾一般采用機(jī)載干擾方式，這種干擾方式的覆蓋范圍小，適合對(duì)確定目標(biāo)進(jìn)行干擾。因?yàn)榫嚯x干擾目標(biāo)近、傳輸損耗小，所以機(jī)載干擾功率無(wú)需過(guò)大就能夠滿足實(shí)際需求。下行干擾性能主要取決于干擾機(jī)功率、干擾信號(hào)波束與主瓣夾角以及干擾信號(hào)傳輸距離。其中，干擾功率取決于干擾機(jī)工作情況，干擾信號(hào)波束與主瓣夾角、干擾信號(hào)信號(hào)傳輸距離可根據(jù)干擾機(jī)與收信站相對(duì)位置確定。

仍以發(fā)信站A與收信站B之間的通信為例，分析下行鏈路干擾對(duì)通信性能的影響。當(dāng)機(jī)載干擾機(jī)與收信站B距離8 km，喇叭天線增益為8 dB，干擾信號(hào)頻率與下行載波信號(hào)相同時(shí)，可得此時(shí)干擾信號(hào)傳輸損耗為132.5 dB。由式（31）可以確定，存在不同干擾信號(hào)入射角時(shí)，接收天線對(duì)干擾信號(hào)的增益Gjr如表5所示。

表5 干擾信號(hào)入射角與增益關(guān)系

將相關(guān)參數(shù)帶入式（32），計(jì)算得出此時(shí)下行載波干擾比Cd/Jd。此時(shí)，上行鏈路不受干擾的影響，轉(zhuǎn)發(fā)器正常工作在線性區(qū)域，此時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)器增益G由式（13）求得為186.4 dB，可由式（25）、式（27）計(jì)算的出上行鏈路載噪比Cu/Nu與下行鏈路載噪比Cd/Jd。將相關(guān)參數(shù)帶入式（29）可得載波噪聲干擾比C/X與下行干擾功率Pjd的關(guān)系如圖5所示。

圖5結(jié)果表明，下行干擾信號(hào)入射角α對(duì)下行干擾性能影響顯著。隨著入射角的不斷增大，干擾性能下降，即要達(dá)到相同的干擾效果，入射角大的干擾信號(hào)需要更大的功率。這是由于入射角增大，干擾信號(hào)從旁瓣進(jìn)入接收天線，此時(shí)天線對(duì)干擾信號(hào)增益減小。同時(shí)，通過(guò)對(duì)比圖4、圖5可知，在對(duì)衛(wèi)星通信鏈路進(jìn)行干擾時(shí)，要達(dá)到相同的干擾效果，下行干擾所需干擾功率更小。這一結(jié)論與實(shí)際“下行干擾距離目標(biāo)近，所需功率較小”的事實(shí)相符。

圖5 下行干擾功率與鏈路性能曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種干擾條件下衛(wèi)星通信鏈路計(jì)算模型，綜合考慮了上行干擾情況與下行干擾情況，其中當(dāng)通信鏈路受到上行干擾時(shí)，模型給出了不同轉(zhuǎn)發(fā)器工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)的功率范圍與轉(zhuǎn)發(fā)器增益，進(jìn)而求得載波噪聲干擾比來(lái)表示鏈路性能；當(dāng)存在下行干擾時(shí)，模型研究了干擾信號(hào)入射角與干擾性能的關(guān)系?；谝陨湘溌酚?jì)算模型的研究，本文最后利用發(fā)信站A與收信站B間的通信實(shí)例，分析了上行干擾與下行干擾的性能，得出結(jié)果符合實(shí)際情況，驗(yàn)證了鏈路計(jì)算模型的可行性，說(shuō)明本文提出的鏈路計(jì)算模型能夠應(yīng)用于干擾條件下的鏈路性能分析中。本文提出的鏈路計(jì)算模型，能夠計(jì)算不同干擾條件下的鏈路性能參數(shù)，可用于評(píng)估鏈路性能，也可以預(yù)測(cè)抗干擾效果，為通信抗干擾技術(shù)的應(yīng)用提供參考指標(biāo)。