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        衛(wèi)星通信抗干擾技術研究

        2022-11-24 02:28:43張華媛
        科技創(chuàng)新與應用 2022年31期
        關鍵詞:信號

        張華媛

        (中電防務科技有限公司,南京 210007)

        在當前通信工作中,衛(wèi)星通信的應用十分普遍,充分發(fā)揮了中繼站和地面站的作用,實現無線電信號的快速傳輸,滿足了人們的高效化通信需求。相較于傳統(tǒng)通信模式而言,衛(wèi)星通信的優(yōu)勢顯著,不僅能夠有效拓展傳輸的距離和范圍,而且有效擴充了傳輸容量,能夠在多種業(yè)務模式下實現高效化傳輸,系統(tǒng)靈活性和可操作性更強。但是,通信環(huán)境是影響通信質量的主要因素,如果在通信中受到其他因素的干擾,則會導致接收機難以獲得準確的信息,嚴重時會出現中斷的情況,無法保障信息質量及安全。因此,需要在衛(wèi)星通信中采取切實有效的抗干擾措施,創(chuàng)造良好的通信環(huán)境,為綜合信息網的建設和發(fā)展奠定可靠基礎。

        1 衛(wèi)星通信抗干擾概述

        全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)在運行中對于衛(wèi)星通信的質量要求越來越高,但是隨著干擾源復雜性的提升,導致系統(tǒng)運行狀態(tài)受到威脅,只有在了解干擾因素及其規(guī)律、特點的基礎上,才能采取有效的應對措施,以改善衛(wèi)星系統(tǒng)的運行條件,真正發(fā)揮其實用價值。衛(wèi)星寬帶業(yè)務方案逐漸增多,而且在全球化發(fā)展趨勢下,呈現出一體化和綜合化的特征,有助于提升衛(wèi)星通信抗干擾工作的整體水平。但是,通信環(huán)境變化多樣,因此給衛(wèi)星通信抗干擾工作帶來了新的挑戰(zhàn),除了要控制電磁能和干擾源方向外,還應該實現微波電磁頻幅的有效供給,以確??臻g信息系統(tǒng)的安全性及穩(wěn)定性[1]。在系統(tǒng)運行中采用科學合理的抗干擾措施,可以有效降低非認證訪問身份的攻擊力度,滿足信息傳輸、處理和獲取等工作需求,防止造成嚴重的信息泄露、中斷和丟失等問題。目前,主要是通過對接收機干信比、系統(tǒng)干擾容限度實施控制來降低系統(tǒng)干擾,要結合不同的干擾源類型及干擾方式選擇恰當的抗干擾技術手段。

        2 衛(wèi)星通信干擾的主要類型

        2.1 地面干擾

        微波干擾是造成衛(wèi)星通信質量下降的主要原因,包括了電磁干擾、雜波干擾和交叉極化干擾等類型,主要受到調頻廣播、雷達、系統(tǒng)設備性能、電噪聲、參數設置和天饋線系統(tǒng)性能等因素的影響。在設置衛(wèi)星天線的過程中,沒有合理控制仰角大小,同時接收天線周圍存在較多的微波干擾,這就會導致地面干擾的強度增大,無法達到預期信息傳輸要求。有效屏蔽接收天線,可以起到良好的預防作用,降低微波對天線運行狀態(tài)的影響,當前防干擾裝置的性能也得到優(yōu)化,為抗干擾實踐工作的實施提供了可靠保障[2]。此外,也應該做好設備性能改進,積極實施運維管理,降低地面干擾的威脅。

        2.2 自然干擾

        自然因素也會導致衛(wèi)星通信受到不同程度的影響,比如在惡劣天氣下會導致信號出現衰減的情況,包括了雨衰和雪衰等;電離層、日凌和太陽活動等,也會干擾衛(wèi)星通信系統(tǒng)的正常運行,需要對各類自然因素的影響特點及規(guī)律實施評估,確??垢蓴_措施的可行性。比如在降雨天氣下,雨滴會造成電波的散射和吸收,因此出現嚴重的衰減現象,接收到的信號缺乏完整性。不同波段的電波受到降雨的影響程度也存在差異性,相較于C波段而言,Ku波段的波長十分接近雨滴的線度,因此受到的干擾也會相應增大。接收站在運行中會受到太陽輻射的影響,隨著輻射能量的增大,導致信號受到嚴重干擾,無法快速識別重要信息,這是日凌對衛(wèi)星通信的影響機理。

        2.3 空間干擾

        為了滿足不同領域的通信需求,往往會設置數量較多的衛(wèi)星,但是其彼此之間也會存在相互干擾的情況,這也會對衛(wèi)星通信產生干擾。而且在同一個衛(wèi)星當中,未能合理設置載波頻率,會引發(fā)鄰頻干擾的現象,屬于空間干擾中的常見類型[3]。此外,反極化干擾和交調干擾等,也會對衛(wèi)星通信產生威脅。對于鄰頻干擾的處理往往需要控制功率,防止功率過大而導致干擾增大。

        2.4 人為干擾

        除了上述客觀因素的干擾外,人為干擾也是衛(wèi)星通信干擾的主要形式,用戶轉發(fā)器會受到不法分子的惡意攻擊,小信號則會受到大信號的干擾,當前主要干擾形式分為地面干擾和星上干擾。通過對信號屏蔽器實施干擾,會導致地面信號接收的質量下降,在實踐工作中往往需要做好微波控制。衛(wèi)星轉發(fā)器會受到地面干擾,導致頻道信號中斷,這是常見的星上干擾形式,也會威脅下行接收的質量效果[4]。

        3 衛(wèi)星通信抗干擾技術要點

        3.1 天線抗干擾技術

        由于衛(wèi)星分布范圍較廣,因此受到來自多方面的干擾,在抗干擾工作中需要采用天線抗干擾技術,在保障擴大覆蓋范圍的同時,確保信號能夠被天線及時接收,同時對干擾信號實施弱化和消除,這是改善衛(wèi)星通信質量的關鍵途徑。其中,自適應調零措施的應用較多,充分發(fā)揮了多波束天線的作用,能夠及時關閉電波束,降低外部干擾,實現深度調零的目標。比如中數據率調零天線就是利用該原理實施抗干擾的典型代表,對于干擾的消除作用顯著。在技術革新速度逐漸加快的當下,智能電線的應用也越來越多,方向圖會參照環(huán)境狀況發(fā)生不同程度的變化,因此可以保障天線的良好運行狀態(tài),而且對于干擾信號的抑制作用十分顯著,智能天線也可以有效提升信干比。干擾信號和衛(wèi)星通信信號的方位、編碼和幅度等有所差異,因此能夠滿足加權處理的要求,實現方向圖的自動化控制,達到信號增益的效果,空間濾波作用較好[5]。信號通道、天線陣列和自適應信號處理單元等,是智能天線中的主要組成部分,其中處理單元是保障天線自適應功能的關鍵,能夠提高定位的速度,測頻功能更加強大,提升了衛(wèi)星通信的保密性,而且電磁兼容效果較好,因此可以滿足各類設備的使用需求。此外,相控陣天線對于干擾問題的處理作用也十分優(yōu)越,可以引入免疫遺傳算法來優(yōu)化調零功能。

        3.2 星上處理技術

        去耦處理可以改進上行鏈路和下行鏈路的運行狀態(tài),能夠有效抑制干擾作用,也可以為轉發(fā)器的運行創(chuàng)造良好條件,這是星上處理的基本原理。目前,星上處理技術類型較多,包括了譯碼/編碼技術、信號解調再生技術、多波束交換技術、解擴/再擴技術和智能自動增益控制技術等??焖僬{頻和TDMA可以應用于下行鏈路當中,全頻帶調頻和FDMA可以應用于上行鏈路當中,有效提升功率的同時,可以控制天線大小,因此對于地面設備性能的要求下降,起到良好的抗干擾作用。

        3.3 擴頻技術

        無關碼序列的引入,能夠對頻譜實施擴展處理,寬帶逐漸增寬,在信號接收和解擴的過程中運用同樣的碼序列,以得到想要的通信內容。該技術不僅能夠降低外界設備的干擾,而且有助于降低衰落問題的影響,確保整個衛(wèi)星通信過程的安全性,頻率復用效果也更好。跳變頻率和直接序列擴頻等,是目前常用的擴頻技術類型。采用跳頻通信時,偽隨機變化碼會對載波頻率產生影響,采用碼序列達到多頻頻移鍵控的目的,在應用該技術時需要確保跳頻控制器的良好性能,滿足同步控制和自適應控制的要求。該擴頻方式的保密性較強,但是對于地面設備的性能要求更高,寬度覆蓋范圍要超過500 MHz[6]。采用直接序列擴頻的方式時,可以獲得豐富的抗干擾經驗,操作方式也較為簡單,比如星上解擴技術和擴頻多址技術等應用較多。隨著干擾源強度的增大,會造成低SNR的情況,因此應該引入盲處理算法實施抑制。

        3.4 限幅技術

        在星上抗干擾領域中,限幅技術的應用也十分廣泛,功率放大器是轉發(fā)器的主要組成部分,運用該技術可以防止在上行干擾作用下出現飽和的情況,這是抗干擾的基本原理。在設置限幅器的過程中,需要確保高功率信號輸入過程中,信號衰減相應提高,隔離度達到抗干擾工作的要求。同時,輸入信號功率不大時,也應該對插入損耗實施控制。硬限幅技術和軟限幅技術是目前限幅技術的2種基本形式。在采用軟限幅技術時,需要確保在限幅區(qū)內和線性區(qū)內維持軟限幅轉發(fā)器的良好運行狀態(tài),干擾源的基本形式和干信比等,會對壓縮比產生影響,而且也會受到限幅門限的影響。采用非線性的形式,小信號會受到強信號的干擾,信噪比降低,增益效果達到4 dB左右。在采用硬限幅技術時,采用了非線性的工作形式,會造成連續(xù)波干擾的情況[7]。微波信號和泄露功率等,會對接收機電路產生一定程度的威脅,因此可以設置PIN限幅器,碳化硅第三代寬帶隙半導體材料在微波功率器件中的應用較多,擊穿電場強度和熱導率性能更強,而且有效提升了電子飽和漂移速度,因此抗干擾性能得到改善,在多種溫度環(huán)境下可以保持良好的工作狀態(tài)。

        3.5 無線光通信技術

        無線光通信技術即FSO技術,在傳輸光信號的過程中以大氣為媒介,需要確保光發(fā)射功率達到要求,而且收發(fā)端之間避免出現遮擋物,可以有效提高衛(wèi)星通信的質量。物理層傳輸設備的可靠性更強,滿足了多種傳輸協(xié)議的使用需求,能夠更快地傳輸圖像、語音等。信道、發(fā)射機和接收機等,是無線光通信系統(tǒng)的主要組成部分,光接收機和發(fā)射機設置在每一端當中,提高了點對點傳輸的速率和質量,全雙工通信效果更好。電信號對光源實施調制處理,在信道中完成信號傳輸并由接收機快速接收,再通過光電檢測器完成信號形式的轉換,從而達到抗干擾的作用。運用無線光通信技術不僅能夠有效拓展頻帶、加快信號的傳輸速率,而且可以獲得更多的頻譜資源,工作頻段更高,紅外光傳輸的可靠性也明顯增強[8]。采用了透明的傳輸協(xié)議,因此能夠保障信號傳輸的安全性和保密性,電波干擾對無線光通信的影響作用明顯下降,而且有助于降低整體成本投入。在實踐工作當中,激光空間鏈路技術的融合應用逐漸增多,可以滿足長距離傳輸和大容量傳輸的要求,降低了通信設備的整體體積,具有便攜性和一體化的特點。

        3.6 自適應調制編碼技術

        自適應調制編碼技術即ACM技術,提高了無線信道傳輸的可靠性,自適應能力較強,以信道估計為核心,狀態(tài)信息可以在回傳信道的作用下被發(fā)送端接收,通過分析當前信噪比情況,對調制方式和編碼方式進行優(yōu)化,也成為當前衛(wèi)星通信抗干擾中的常用技術手段。如果信噪比較高,那么信息速率也會相應提升,增強系統(tǒng)運行高效性和可靠性,對于整體性能的優(yōu)化作用十分明顯;如果信噪比較低,那么信息速率也會相應降低[9]。自適應調制編碼技術的應用會受到多種因素的影響,除了鏈路狀態(tài)估計算法外,自適應回路的延時情況和調制編碼方案粒度等,也會對系統(tǒng)的運行狀態(tài)產生影響。在傳統(tǒng)運行模式下往往采用非自適應調制編碼方式,功率增益效果欠佳,而該技術的應用則能夠將功率增益提高20 dB左右。由于自適應調制編碼技術的應用,頻帶利用率也隨之上升,功能效能提高,在實踐應用中需要對調制編碼方案實施優(yōu)化,以體現該技術的獨特優(yōu)勢[10]。Turbo碼自適應調制編碼技術、自適應網格調制編碼技術和自適應比特交織調制編碼技術等,是當前實踐中常用的幾種技術措施。

        4 衛(wèi)星通信抗干擾技術的未來發(fā)展方向

        在科學技術日新月異的當下,只有不斷加快技術革新,才能增強國家在衛(wèi)星通信領域的競爭力,這也是提高社會發(fā)展動力的關鍵途徑。對于通信天線波瓣控制和微反射弧等領域的研究,是未來衛(wèi)星通信發(fā)展的主要趨勢,需要確保衛(wèi)星天線開發(fā)利用率達到標準要求,避免出現資源浪費的情況。在智能化時代背景下,智能化抗干擾技術的發(fā)展也是主要方向,能夠全面改善衛(wèi)星通信的質量效果。在選擇衛(wèi)星抗干擾調制器時,應該做好性能的優(yōu)化與改進,確??垢蓴_能力適應目前的衛(wèi)星通信環(huán)境特點。尤其是外部環(huán)境呈現出多變性和復雜性的特點,單一化的算法無法達到抗干擾的高標準要求,因此要在未來工作中注重抗干擾算法的優(yōu)化,在保障通信質量的前提下加快傳輸速率。無線通信技術是未來衛(wèi)星通信領域發(fā)展中的主要研究對象,要實現頻譜資源的拓展,利用其寬帶優(yōu)勢增強整體抗干擾性能[11]。信號調制方式也需要進行改進,確保調制解調器的數據率更高,制式選擇更加多元,增強控制靈活性。以神經網絡為核心的抗干擾技術也是未來研究的重點,充分發(fā)揮機器深度學習的作用,為文本翻譯和自動跟蹤等提供支持,防止衛(wèi)星通信的質量受到威脅。在發(fā)揮神經網絡的智能化控制作用的同時,還應該強化反饋功能和記憶功能,在偏差計算中根據精確性,有助于模型的進一步優(yōu)化[12]。在數據信息采集中應該發(fā)揮干擾檢測模塊的作用,同時發(fā)揮LSTM深度學習神經網絡的作用,實現不同類型信息的篩分處理和提取處理,為深度融合奠定基礎。在深度學習中明確各類干擾特征,增強系統(tǒng)對各類干擾源的抑制作用。

        5 結束語

        衛(wèi)星通信是目前一種常用的通信方式,確保良好的通信質量,是維持社會生產生活正常運轉的關鍵。但是,由于衛(wèi)星通信受到諸多干擾因素的威脅,包括了地面干擾、自然干擾、空間干擾和人為干擾等,因此會導致通信安全性和可靠性下降,無法滿足實際使用需求。為此,應該在衛(wèi)星通信發(fā)展中積極創(chuàng)新抗干擾技術,降低外界因素的負面影響。其中,天線抗干擾技術、星上處理技術、擴頻技術、限幅技術、無線光通信技術和自適應調制編碼技術等,可以起到良好的抗干擾作用,維持良好的通信狀態(tài)。在未來發(fā)展中,也應該注重前沿技術的融合應用,提高抗干擾系統(tǒng)的智能化水平。

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