衛(wèi)星通信中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾問題研究*

梁 輝，王子良，侯 浩

0 引言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，國家整體實(shí)力的不斷提升，我國的航天事業(yè)也日新月異，空、天、地一體化信息系統(tǒng)的建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)，對衛(wèi)星通信的需求不斷增長，這對衛(wèi)星通信的建設(shè)和發(fā)展提出了新的要求，同時也對衛(wèi)星通信系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性提出了更高的要求。因此，如何有效規(guī)避衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的各種干擾，保證信息安全有效地傳輸，就成了是當(dāng)前的一個重要課題。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，有日凌這樣的自然現(xiàn)象干擾，有地面微波傳輸這樣的電磁環(huán)境干擾，也有中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾這樣的地面設(shè)備故障干擾［1］，這些干擾可以直接地表現(xiàn)為對通信信號的信噪比或信干噪比的影響，即，干擾使其低于正常通信的最低門限;另一方面，干擾可以間接地表現(xiàn)為對通信信號在“功率－頻率－時間冶三維空間的影響，即，干擾使得在一定的時間、一定的頻率上，對通信信號進(jìn)行壓制［2］。本文將重點(diǎn)對中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾進(jìn)行討論。

1 中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾

通常，在某個衛(wèi)星通信地面站，下行接收到的信號，經(jīng)過放大、下變頻、濾波等處理，變成70 MHz的中頻信號，這些中頻信號通過電磁感應(yīng)串入上行中頻鏈路，通過上行通道發(fā)射上星，形成一個閉合環(huán)路，對星上原載波造成干擾，這種干擾稱為中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾。中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾示意圖如圖1所示。這種干擾常發(fā)生于透明轉(zhuǎn)發(fā)器衛(wèi)星系統(tǒng)，由于振蕩器頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的限制，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的本振與地球站的本振會存在頻率偏差，這稱為本振頻偏［3］。

圖1 中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾示意

2 中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號的幅頻特性

2． 1 中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

在圖2的原理框圖中，為便于分析，假設(shè)發(fā)生干擾的地球站只有一次上變頻，那么簡化后的中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾系統(tǒng)對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型如圖3所示。

圖2 中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾簡化原理框

圖3 中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

地球站3發(fā)射的信號s4(t)疊加到地球站1發(fā)射的信號s1(t)，得到信號s2(t)，經(jīng)過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)信號s2'(t)，下行到地球站3，收到信號s3(t)，再經(jīng)過地球站3進(jìn)行處理(放大、中頻轉(zhuǎn)發(fā)、變頻、濾波)后輸出干擾信號s3'(t)，發(fā)射到衛(wèi)星就得到信號s4(t)。

2． 2 信號幅頻特性

假設(shè)地球站和衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的高功放都工作在小信號線性區(qū)，可以得到簡化數(shù)學(xué)模型的時域方程為:

式中，A1:衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器放大器增益;A2:產(chǎn)生干擾地球站3的放大器增益;L1:上行鏈路損耗系數(shù);L2:下行鏈路損耗系數(shù);L:中頻信號電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)系數(shù);d1:鏈路時延(上下行鏈路時延相同);n1()t:下行鏈路噪聲干擾;n2()t:上行鏈路噪聲干擾;P1=L1hc1A1;P2=LL2hc2A2。

相應(yīng)的頻域方程為:

從上可知衛(wèi)星接收的信號為源信號s1(t)與地面反饋信號s4(t)的和信號s2(t)。假設(shè)系統(tǒng)噪聲功率為0，系統(tǒng)閉環(huán)增益大于1，則地面反饋信號s4(t)為:

(1)0≤t＜d1時，地面干擾設(shè)備的反饋信號未達(dá)到衛(wèi)星接收端，這時衛(wèi)星只接收到信號s1(t)。

(2)d1≤t＜2d1時，除了載頻為 fc的源信號s2(t)外，衛(wèi)星還收到地面發(fā)射的頻率為fc+Δf的干擾信號s4(t)。

(3)4d1≤t＜6d1時，除了載頻為 fc的源信號s2(t)，衛(wèi)星還收到載頻為fc+Δf和fc+2Δf的地面反饋信號。

(4)6d1≤t＜8d1時，衛(wèi)星接收到頻率為 fc+Δf、fc+2Δf和 fc+3Δf的地面反饋信號。

…

可見，衛(wèi)星接收信號的頻率分量隨著系統(tǒng)反饋次數(shù)的增多而增加。

地面站的帶通濾波器為 ( f02，f02+Bf)，當(dāng) fc+nΔf＞f02+Bf或 fc+nΔf＜f02+Bf(Δf＜0時可能發(fā)生)時，頻率為fc+nΔf的分量被濾波器濾除，這時地面反饋信號中頻率分量為 fc+2Δf、fc+3Δf、fc+4Δf…，fc+(n －1)Δf，其頻譜結(jié)構(gòu)不再變化，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

當(dāng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器為非線性且信號進(jìn)入非線性區(qū)域時，由于衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器產(chǎn)生交調(diào)成分，輸入信號頻率分量越多，輸出信號的交調(diào)成分頻率組合也越多［1］，隨著閉環(huán)系統(tǒng)反饋次數(shù)的增加，地面轉(zhuǎn)發(fā)的干擾信號的頻率分量也將越來越多，信號形式也越來越復(fù)雜。當(dāng)考慮地面HPA也為非線性且存在噪聲時，那么地面干擾設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)的干擾信號將更加復(fù)雜。

2． 3 中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾系統(tǒng)性能仿真

由圖2．3中的數(shù)學(xué)模型，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和地面干擾設(shè)備的接收、發(fā)射天線增益分別為GR2、GT2、GR1、GT1，假設(shè) GR2、GT2、GR1、GT1都為 1，中頻信號電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)系數(shù)L也為1，則簡化后的中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾系統(tǒng)仿真模型如圖4所示。

圖4 中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾系統(tǒng)仿真模型

其中上下行鏈路損耗都為GL，G1為地面設(shè)備中LNA的增益，G2為衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器 LNA增益，利用MATLAB，對干擾系統(tǒng)進(jìn)行仿真，來研究系統(tǒng)中干擾信號的特性。

2．3．1 地面HPA增益對系統(tǒng)的影響

通過改變地面站HPA的增益，來改變系統(tǒng)的環(huán)路增益，觀察增益的變化對系統(tǒng)干擾的影響。從仿真結(jié)果圖5可以看到，隨著環(huán)路增益的增大，在開始時對系統(tǒng)的干擾增強(qiáng)，之后減弱或者幾乎不變。

圖5 多信號時改變閉環(huán)增益對系統(tǒng)的影響

2．3．2 本振頻偏對系統(tǒng)的影響

下面通過仿真研究本振頻偏大小對系統(tǒng)的影響。

(1)單信源時頻偏對系統(tǒng)的影響

不同本振頻偏的仿真結(jié)果圖6所示。

從圖6可見，只有單個源信號時，本振頻偏越小，地面反饋信號的頻譜就越靠近源信號的頻譜，那么對系統(tǒng)的干擾越強(qiáng)。

圖6 單信號時的仿真結(jié)果

(2)多信源時本振頻偏對系統(tǒng)的影響

4個源信號的仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 多信號傳輸時仿真結(jié)果

從圖7可見，當(dāng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)多個源信號時，此時對某一個信號的干擾除了自身的頻移反饋信號之外，衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器非線性產(chǎn)生的交調(diào)干擾成分，以及其它信號的頻移反饋信號也會對該信號造成干擾，這樣對該信號的干擾與本振頻偏變化的關(guān)系也就不再是單調(diào)的。因此當(dāng)本振頻偏較大時，對于某些頻偏值，可能會造成衛(wèi)星收到的干擾信號對某個頻點(diǎn)信號干擾較大的情況，從而導(dǎo)致該頻點(diǎn)信號誤碼率增大。從總體情況來看，仍然是隨著本振頻偏越小，對整個系統(tǒng)的干擾越強(qiáng)。

結(jié)論:隨著本振頻偏的減小，對系統(tǒng)的干擾越強(qiáng);隨著閉環(huán)增益越大，對系統(tǒng)的干擾開始時增強(qiáng)，之后幾乎不變或減弱。

中頻轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)是一個閉環(huán)系統(tǒng)，這個循環(huán)系統(tǒng)非常復(fù)雜，這里僅對本振頻偏和閉環(huán)增益的變化對系統(tǒng)干擾性能的影響進(jìn)行了仿真和探討，當(dāng)然系統(tǒng)噪聲的變化、HPA與LNA的配比變化，也會對系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

3 中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾的檢查方法

目前典型的衛(wèi)星通信地球站的設(shè)備組成基本如圖8所示，其中地球站的中頻網(wǎng)絡(luò)，除了少數(shù)站仍采用無源的衰減器和分、合路器，大都采用了有源中頻分配合成單元，來對上、下行中頻信號進(jìn)行隔離、合路和分路、以及衰減和放大。

圖8 衛(wèi)星通信地球站組成框

3． 1 引發(fā)中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾的地面設(shè)備故障

引發(fā)中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾的地面設(shè)備故障有以下三類:第一類是中頻分配合成單元內(nèi)部器件故障，導(dǎo)致中頻收發(fā)口的隔離性能下降;第二類接地性能下降導(dǎo)致接地電阻增大，上、下行中頻電纜屏蔽性能下降;第三類上、下行中頻電纜插頭松脫、虛接，導(dǎo)致頭座耦合欠佳，收發(fā)隔離性能下降。這三類設(shè)備故障，使下行中頻信號通過電磁感應(yīng)串到上行通道，形成中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾。

3． 2 檢查中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾的步驟和方法

在實(shí)際應(yīng)用中，要對中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾進(jìn)行有效檢查和定位，可按照以下方法和具體的步驟:

第一步:讓衛(wèi)星通信網(wǎng)內(nèi)的某個地面站向星上發(fā)射一個單載波;

第二步:用頻譜儀在該載波對應(yīng)的下行頻段觀察是否會出現(xiàn)多個頻率遞增(或遞減)、幅度遞減的單載波。若有，則這個轉(zhuǎn)發(fā)器上存在中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾。

第三步:讓網(wǎng)內(nèi)的其它地面站依次逐個關(guān)閉發(fā)射機(jī)的上行功率，觀察多個頻率的單載波是否還存在，若消失，則這個關(guān)閉上行功率的地面站造成了中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾?；蛘呔W(wǎng)內(nèi)的其它地面站用頻譜儀觀察其上行頻譜，來確認(rèn)是否存在下行中頻信號二次轉(zhuǎn)發(fā)的現(xiàn)象。

第四步:查找到造成中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾的地面站后，繼續(xù)檢查該站的中頻網(wǎng)絡(luò)、接地性能等，進(jìn)一步定位定位故障點(diǎn)，從而排除故障。

4 結(jié)語

中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾系統(tǒng)是一個非線性的閉環(huán)反饋系統(tǒng)，產(chǎn)生了很多新的頻率分量，對系統(tǒng)形成干擾，通過對數(shù)學(xué)模型的分析和仿真，結(jié)果表明:本振頻偏越小，對系統(tǒng)的干擾越強(qiáng);隨著系統(tǒng)環(huán)路增益的增大，對系統(tǒng)的干擾先增強(qiáng)，后稍微減弱。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，一方面會對地球站的HPA進(jìn)行發(fā)射功率控制，另一方面，中頻信號電磁感應(yīng)得到的干擾信號會存在很大的衰減，因此衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器和地面HPA和LNA一般都工作在小信號線性狀態(tài)，但由于存在本振頻偏，閉環(huán)反饋系統(tǒng)會產(chǎn)生新的頻率分量，所以中頻轉(zhuǎn)發(fā)干擾系統(tǒng)仍然非線性的。

［1］ 呂海寰．星通信系統(tǒng)［M］．北京:國防工業(yè)出版社，1999．LV Hai－h(huán)uan．Satellite Communication System．Beijing:National Defense Industrial Press，1999．

［2］ 張敬義，李永貴，尤搖峻．無線通信中復(fù)雜人為干擾的時頻分析［J］．通信技術(shù)，2014，47(09):1014－1015．

ZHANG Jing－yi，LI Yong－gui，YOU Yao－jun．Time－Frequency Analysis of Complicated Jamming in Wireless［J］．Communications Technology，2014，47(09):1014 －1015．

［3］ 劉國梁，榮昆璧．衛(wèi)星通信［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2003

LIU Guo－liang，Rong Bi－kun．Satellite Communication．Beijing:National Defense Industrial Press，2003．

［4］ 郝東方，劉乃安．衛(wèi)星通信干擾技術(shù)的研究［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012．

HAO Dong－fang，LIU Nai－an．Research of Satellite Communication Jamming［M］．Beijing:Mechanical Industrial Press，2012