蔣文豐

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

0 引 言

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)是為航天器與地球站之間提供實(shí)時(shí)測控和數(shù)據(jù)中繼服務(wù)的系統(tǒng)，它位于地球靜止軌道，具備軌道覆蓋率高、數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性強(qiáng)和費(fèi)效比高的特點(diǎn)[1-2]。美國NASA(National Aeronautics and Space Administration)先后發(fā)展了三代中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，是目前在軌應(yīng)用最廣泛、規(guī)模最大、系統(tǒng)功能最強(qiáng)大的中繼衛(wèi)星星座[3]。我國于2008年研制并發(fā)射成功第一顆中繼衛(wèi)星“天鏈一號(hào)”01星，目前已成功發(fā)射4顆衛(wèi)星，并開展了數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，廣泛應(yīng)用于航天器長期管理、科學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)中繼、載人航天測控、無人機(jī)測控、導(dǎo)彈測控等方面。

使用中繼衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)飛行器測控時(shí)，信號(hào)傳輸鏈路長、衰減大，飛行器上設(shè)備接收到的信號(hào)較弱，容易受到敵方干擾導(dǎo)致鏈路中斷，因此飛行器中繼鏈路接收通道需要具備較強(qiáng)的抗干擾能力。通信抗干擾技術(shù)目前主要發(fā)展方向包括信號(hào)處理抗干擾技術(shù)、空域自適應(yīng)抗干擾技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)抗干擾技術(shù)[4]?？沼蜃赃m應(yīng)抗干擾技術(shù)需要使用陣列天線，設(shè)備復(fù)雜[5-6]，受限于體積、功耗和成本，工程上暫時(shí)不宜采用；網(wǎng)絡(luò)抗干擾技術(shù)需要多個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的配合，屬于體系級(jí)別對抗，因此當(dāng)前適合飛行器測控通信需求的中繼終端抗干擾處理方法主要考慮信號(hào)處理抗干擾技術(shù)。

中繼衛(wèi)星系統(tǒng)接收通道采用直擴(kuò)通信體制，基于頻域變換域處理的抗干擾算法對直擴(kuò)信號(hào)體制具有較好的干擾抑制能力，穩(wěn)健性好，目前相關(guān)研究成果以理論計(jì)算和仿真分析為主[7-10]，缺乏對具體應(yīng)用場景的工程實(shí)現(xiàn)與對比分析。本文針對中繼衛(wèi)星系統(tǒng)接收處理應(yīng)用場景設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種變換域處理抗干擾算法，結(jié)合譜線概率分布和頻率卷積特性對算法中的干擾識(shí)別過程進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，提出了對干擾譜線二次識(shí)別和二次置零的處理方法以降低算法處理信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)損失，對算法性能進(jìn)行了仿真分析，并通過流片后的專用集成電路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)實(shí)物芯片對算法性能進(jìn)行了測試。

1 算法設(shè)計(jì)

1.1 算法理論

對于擴(kuò)頻脈沖串，設(shè)PN(t)為

(1)

式中：{Ak}是一個(gè)±1二進(jìn)制序列，Tc為擴(kuò)頻脈沖持續(xù)時(shí)間。{Ak}周期為P，擴(kuò)頻脈沖串PN(t)的周期為PTc。根據(jù)理論分析，PN(t)信號(hào)的功率譜PN(f)為[11]

(2)

直擴(kuò)基帶信號(hào)Sb(t)=d(t)PN(t)，d(t)為調(diào)制數(shù)據(jù)，其頻譜記為D(f)。根據(jù)傅里葉變換的性質(zhì)——時(shí)域相乘等效于頻域卷積，直擴(kuò)基帶信號(hào)Sb(t)的頻譜Sb(f)為

Sb(f)=PN(f)?D(f)=

(3)

符號(hào)?表示卷積。公式(3)表示擴(kuò)頻操作將調(diào)制數(shù)據(jù)信息同時(shí)擴(kuò)散到眾多載波頻率k/(PTc)上，每一個(gè)載波頻率上包含調(diào)制數(shù)據(jù)全部信息[7]，因此對于直擴(kuò)信號(hào)，如果在其頻率域去掉部分譜線僅會(huì)造成調(diào)制數(shù)據(jù)部分能量丟失，調(diào)制數(shù)據(jù)信息還能保持完整。

根據(jù)直擴(kuò)信號(hào)上述特征，設(shè)計(jì)如下的變換域處理抗干擾算法。

1.2 算法實(shí)現(xiàn)框架

變換域處理抗干擾算法原理如圖1所示，對接收信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)，將信號(hào)由時(shí)域轉(zhuǎn)換為頻域，然后在頻域?qū)Ω蓴_進(jìn)行辨識(shí)和處理，達(dá)到干擾抑制的目的；經(jīng)干擾抑制處理后的信號(hào)再通過快速傅里葉逆變換(Inverse Fast Fourier Transform,IFFT)變換為時(shí)域。

存在干擾時(shí)輸入信號(hào)由中繼鏈路擴(kuò)頻信號(hào)、窄帶干擾信號(hào)和信道高斯白噪聲組成：r(t)=s(t)+j(t)+n(t)，其中s(t)為中繼鏈路擴(kuò)頻信號(hào)，j(t)為干擾信號(hào)，n(t)為高斯白噪聲。加窗后信號(hào)的頻譜為r(t)信號(hào)與窗函數(shù)頻率卷積結(jié)果:

(4)

式中：S(ω)為中繼鏈路擴(kuò)頻信號(hào)頻譜，J(ω)為干擾信號(hào)頻譜，N0為高斯白噪聲頻譜，W(ω)為窗函數(shù)頻率響應(yīng)。頻率卷積會(huì)造成頻譜泄漏，干擾信號(hào)會(huì)泄露到有用信號(hào)頻譜內(nèi)，導(dǎo)致系統(tǒng)性噪比下降。為降低頻譜泄漏影響，加窗函數(shù)頻率響應(yīng)應(yīng)當(dāng)具備低的旁瓣和較窄的主瓣帶寬(理想情況下為一個(gè)脈沖函數(shù))，實(shí)際常用窗函數(shù)頻率響應(yīng)，如圖2所示，低的旁瓣和窄主瓣帶寬不能同時(shí)達(dá)到(如表1所示)，需要根據(jù)對實(shí)際使用場景的仿真分析結(jié)果選定優(yōu)化的窗函數(shù)。

圖2 常用窗函數(shù)頻率響應(yīng)

表1 常用窗函數(shù)性能特征

1.3 算法理論

工程實(shí)現(xiàn)算法原理框圖如圖3所示，考慮到算法實(shí)現(xiàn)邏輯資源的使用要求，F(xiàn)FT/IFFT過程采用的塊長度N為1 024。算法流程如下：

圖3 算法實(shí)現(xiàn)原理框圖

(1)正交下變頻

中頻信號(hào)采用正交下變頻的方式，與本地產(chǎn)生的同相、正交載波相乘，并分別通過低通濾波器濾除二倍頻分量，得到I、Q兩路基帶信號(hào)的方法。

(2)低通濾波

對得到的I、Q兩路基帶信號(hào)進(jìn)行濾波，濾除高頻分量。

(3)重疊與加窗

上述算法需要按照FFT點(diǎn)數(shù)N對輸入信號(hào)進(jìn)行截?cái)啵財(cái)鄷?huì)造成頻譜泄漏，導(dǎo)致系統(tǒng)性能損失。根據(jù)相關(guān)研究成果[12]采用重疊和加窗處理可有效降低算法處理損耗。算法實(shí)現(xiàn)時(shí)重疊數(shù)據(jù)長度為N/2，窗函數(shù)選用Hanning窗(根據(jù)后續(xù)仿真分析選定)。

(4)干擾識(shí)別與抑制

I、Q兩路基帶信號(hào)經(jīng)過FFT計(jì)算后進(jìn)行干擾識(shí)別與抑制。頻域抗干擾算法有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：一是干擾檢測，即檢測干擾所在頻點(diǎn)；二是陷波，即調(diào)整各個(gè)干擾所在頻點(diǎn)的頻譜幅度以抑制干擾的能量。干擾抑制的處理過程為：將經(jīng)過1 024點(diǎn)FFT輸出的信號(hào)頻譜幅度與干擾門限比較，如果某個(gè)頻點(diǎn)處的頻譜幅度大于干擾門限，則認(rèn)為該頻點(diǎn)存在干擾信號(hào)，工程實(shí)現(xiàn)上將判定為干擾頻點(diǎn)的頻譜幅度置為0，否則該頻點(diǎn)處的頻譜幅度保持不變。

干擾抑制的關(guān)鍵在于干擾門限的選擇，干擾門限的選擇直接關(guān)系到算法抗干擾性能和算法處理SNR損失。目前常用的干擾門限確定方法有門限處理法、譜線法、中值濾波法以及權(quán)值泄漏法等[9,14-16]，這些方法主要根據(jù)擴(kuò)頻信號(hào)譜線分布特性通過迭代、加權(quán)、自適應(yīng)等方式計(jì)算得到干擾門限。采用這些方法能夠達(dá)到抑制干擾信號(hào)的目的，但是這些方法沒有考慮由加窗操作的頻率卷積特性造成的干擾信號(hào)泄露問題。通過仿真分析(詳見第2節(jié)內(nèi)容)，采用干擾門限方法在高C/N0下算法處理SNR損失增加較明顯，工程實(shí)現(xiàn)上提出了對干擾譜線二次識(shí)別和二次置零的處理方法，有效解決了上述問題。算法原理如下：

假設(shè)輸入信號(hào)為x(n)=s(n)+n(n)，其中s(n)是信號(hào)，n(n)是噪聲。由于對信號(hào)的FFT是線性變換[13]，輸出譜線X(k)=S(k)+N(k)包絡(luò)服從Rayleigh分布，概率密度函數(shù)和概率分布函數(shù)分別為

(5)

(6)

設(shè)干擾門限的值為TH，X(k)比門限高的概率為

(7)

TH取2μ時(shí)，P為4.32%；TH取3μ時(shí)，P為0.085%。

在無干擾的情況下，F(xiàn)FT輸出譜線中幅度大于3μ的概率為0.085%，可以認(rèn)為幅度大于3μ的譜線是幾乎不存在的。如果有干擾存在，可以認(rèn)為離散傅里葉變換后幅度大于3μ的譜線是含有干擾的譜線，通過置零的方法將其去除。

上述操作去除了大部分干擾信號(hào)。由于加窗操作的頻率卷積特性，干擾信號(hào)會(huì)泄露到所有頻段，影響系統(tǒng)性能。根據(jù)公式(4)，干擾信號(hào)附近的頻譜污染較為嚴(yán)重，被污染的頻譜信號(hào)通過IFFT變換為時(shí)域信號(hào)時(shí)會(huì)引入干擾，降低系統(tǒng)SNR。將識(shí)別出的干擾譜線附近譜線置零的方法可進(jìn)一步去除干擾信號(hào)。根據(jù)加窗函數(shù)頻率響應(yīng)特性，干擾信號(hào)附近被污染的頻譜寬度由加窗函數(shù)主瓣寬度決定，工程上窗函數(shù)選用Hanning窗。根據(jù)表1，受污染比較嚴(yán)重的譜線為識(shí)別出的干擾譜線附近±4范圍內(nèi)譜線，工程設(shè)計(jì)中將識(shí)別出的受污染譜線也置零，通過對干擾譜線的二次識(shí)別和二次置零處理進(jìn)一步提高算法抗干擾性能。

干擾識(shí)別與抑制過程對FFT輸出的信號(hào)譜線序列進(jìn)行處理，流程如下：

Step1 計(jì)算信號(hào)譜線均值μ。

Step2 設(shè)置干擾門限為3μ，識(shí)別出干擾信號(hào)譜線，并將干擾譜線置零。

Step3 根據(jù)識(shí)別出的干擾信號(hào)譜線識(shí)別被污染的信號(hào)譜線，并將被污染譜線置零。

整個(gè)算法只需要用到加法器、移位器(求信號(hào)譜線均值時(shí)代替除法)和比較器，算法運(yùn)算邏輯簡單，適合工程實(shí)現(xiàn)。根據(jù)算法流程，算法復(fù)雜度為O(N)，考慮到干擾識(shí)別與抑制過程采用邏輯電路實(shí)現(xiàn)，邏輯電路可并行處理，算法復(fù)雜度可降為O(lb(N))。

(5)重疊復(fù)用

由于FFT前對I、Q基帶信號(hào)進(jìn)行了加窗操作，導(dǎo)致IFFT變換輸出的基帶信號(hào)幅度存在失真，在信號(hào)的起始和結(jié)尾部分尤為明顯。通過將兩路存在時(shí)延差的基帶信號(hào)的各自中間部分進(jìn)行剪切和拼接，可得到幅度失真較小的基帶信號(hào)。

兩路數(shù)據(jù)有N/2的延遲，每一路進(jìn)行IFFT之后，把前后各N/4個(gè)樣點(diǎn)拋棄，只保留中間N/2樣點(diǎn)，最后輸出時(shí)把兩路合成一路。每路信號(hào)把兩邊由于加窗而失真較大的信號(hào)拋棄，保留中間損失很小的信號(hào)，兩路合成一路時(shí)，能得到失真較小的信號(hào)。

(6)正交上變頻

經(jīng)過干擾抑制后的I、Q基帶信號(hào)通過正交上變頻到中頻，得到干擾抑制后的中頻信號(hào)。

2 仿真分析與測試

根據(jù)工程實(shí)現(xiàn)設(shè)置仿真場景，數(shù)字處理系統(tǒng)工作時(shí)鐘60 MHz，系統(tǒng)設(shè)計(jì)上主要考慮窄帶干擾(干擾信號(hào)帶寬不大于信號(hào)帶寬10%)。

由加窗操作引起的SNR損失為

(8)

式中：w(k)為窗函數(shù)的系數(shù)，N為窗函數(shù)的長度。根據(jù)公式(7)計(jì)算得到采用矩形窗、Hanning窗、Hamming窗和Blackman窗造成的系統(tǒng)SNR損失如表1所示，四種加窗操作造成的系統(tǒng)SNR損失相差較大。經(jīng)仿真分析，采用重疊加窗和重疊復(fù)用處理后不同C/N0下窗函數(shù)造成的系統(tǒng)SNR損失如圖4所示，四種加窗操作造成的系統(tǒng)SNR損失差異較小，都小于0.5 dB。

圖4 系統(tǒng)SNR損失

本文所采用的抗干擾抑制算法通過將信號(hào)變換到頻率域，在頻率域識(shí)別并剔除干擾譜線，然后將信號(hào)反變換為時(shí)域信號(hào)達(dá)到抗干擾目的。由于擴(kuò)頻信號(hào)譜線為sinc形狀包絡(luò)，其信號(hào)能量相對集中在中心位置，因此當(dāng)干擾信號(hào)譜線處在信號(hào)中心位置時(shí)，算法導(dǎo)致的系統(tǒng)SNR損失最大。后續(xù)仿真和測試主要針對干擾信號(hào)譜線處在信號(hào)中心位置時(shí)的情況。

通過仿真分析了四種JSR條件下不同C/N0、窗函數(shù)和干擾抑制處理方式下抗干擾算法帶來的SNR損失，結(jié)果如圖5所示。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)得到如下結(jié)論：

(a)JSR=40 dB

(1)對截?cái)嗟臄?shù)據(jù)進(jìn)行重疊加窗和重疊復(fù)用處理是必要的，四種窗函數(shù)中Hanning窗效果最佳，矩形窗造成的算法處理SNR損失較大，不建議使用；

(2)在高干信比情況下，采用二次置零的處理方法能有效降低算法處理SNR損失，JSR≥60 dB并使用Hanning窗，采用二次置零處理方法能減少4.5 dB算法處理SNR損失；

(3)抗干擾算法帶來的SNR損失與JSR和C/N0相關(guān)，JSR給定情況下C/N0越高SNR損失越大。

根據(jù)仿真分析結(jié)果，工程實(shí)現(xiàn)上窗函數(shù)選用Hanning窗，并使用二次置零處理方法。目前內(nèi)置該抗干擾處理算法的基帶信號(hào)處理芯片已完成ASIC設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和測試，芯片內(nèi)部體系架構(gòu)和實(shí)物如圖6所示，芯片內(nèi)部包括基帶處理電路、ARM處理器、ADC、DAC、存儲(chǔ)器等，ARM處理器用于參數(shù)計(jì)算、配置管理以及芯片內(nèi)部資源調(diào)度。

圖6 ASIC芯片體系架構(gòu)與實(shí)物

對ASIC的抗干擾性能進(jìn)行了測試，測量JSR=45 dB時(shí)啟用抗干擾處理算法前后系統(tǒng)SNR損失，結(jié)果如圖7所示，關(guān)閉抗干擾處理算法前系統(tǒng)SNR損失小于1.5 dB(為解調(diào)器處理SNR損失)，啟用抗干擾處理算法后系統(tǒng)SNR損失小于3.5 dB，抗干擾算法帶來的SNR損失仿真結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果差異不大于0.5 dB。

圖7 實(shí)測系統(tǒng)SNR損失

3 結(jié) 論

本文描述的抗干擾處理算法性能穩(wěn)定，可顯著提高系統(tǒng)抗窄帶干擾能力，工程價(jià)值較高。相關(guān)技術(shù)可廣泛應(yīng)用于擴(kuò)頻體制通信系統(tǒng)以及導(dǎo)航系統(tǒng)中，能有效提升現(xiàn)有裝備的抗電磁干擾能力，提升武器系統(tǒng)性能。該抗干擾算法在提高系統(tǒng)抗干擾處理能力的同時(shí)帶來了額外的系統(tǒng)SNR損失，根據(jù)仿真和實(shí)際測量結(jié)果，在C/N0不大于60 dB時(shí)，由抗干擾算法引入的SNR損失不大于2.5 dB，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮該損失。