衛(wèi)星通信干擾信號(hào)的檢測(cè)方法

楊 朝，徐 慨，楊海亮

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，湖北武漢 430033）

衛(wèi)星通信干擾信號(hào)的檢測(cè)方法

楊 朝，徐 慨，楊海亮

（海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，湖北武漢 430033）

衛(wèi)星通信系統(tǒng)較易受到各種干擾，尤其是人為干擾，為了抑制干擾，需對(duì)信號(hào)進(jìn)行正確的干擾檢測(cè)。就幾種常見(jiàn)的衛(wèi)星干擾信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行Matlab仿真實(shí)驗(yàn)，研究不同干擾類型信號(hào)的特點(diǎn)，提出一種改進(jìn)的CME算法用于檢測(cè)干擾信號(hào)是否存在。與能量檢測(cè)法和傳統(tǒng)的CME方法相比，它具有較好的檢測(cè)性能。仿真結(jié)果表明，提出的CME方法可以有效用于干擾檢測(cè)。

衛(wèi)星通信；干擾檢測(cè)；CME方法

衛(wèi)星通信最早起源于20世紀(jì)40年代英國(guó)空軍雷達(dá)專家Arthur.C.Clarke［1］發(fā)表的《地球外的中繼站》一文，他提出了利用衛(wèi)星來(lái)實(shí)現(xiàn)全球通信這一設(shè)想，從理論上說(shuō)明了衛(wèi)星通信的可行性，而后來(lái)眾多國(guó)家發(fā)射多顆用途不同的衛(wèi)星，被廣泛地運(yùn)用到宇宙觀測(cè)、遠(yuǎn)距離通信、科研等眾多領(lǐng)域。與其他通信方式相比，衛(wèi)星通信的覆蓋范圍廣、通信距離遠(yuǎn)、頻帶寬、傳輸靈活方便，為傳輸大量語(yǔ)音、數(shù)據(jù)以及其他有用信息提供了便利。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星通信在民用通信與軍用通信方面發(fā)揮的作用越來(lái)越大。但是一方面由于衛(wèi)星采用透明式轉(zhuǎn)發(fā)器，即衛(wèi)星的軌道、頻段等信息處于公開(kāi)或半公開(kāi)狀態(tài)，衛(wèi)星通信有時(shí)會(huì)遭受到一些有意或無(wú)意干擾。另一方面，由于衛(wèi)星采用廣播方式傳送信息，在同一衛(wèi)星覆蓋范圍下的兩地之間可相互通信，也會(huì)出現(xiàn)干擾狀況，如某些基站干擾。另外，衛(wèi)星通信需接收的信號(hào)不僅與頻率相關(guān)，還與地點(diǎn)、時(shí)間等相關(guān)，再加上傳輸距離較遠(yuǎn)，產(chǎn)生傳輸延遲，這就為干擾創(chuàng)造了有利條件。為進(jìn)一步提高衛(wèi)星通信的頻譜利用率與通信質(zhì)量，通信干擾問(wèn)題亟待解決。作為通信抗干擾技術(shù)的重點(diǎn)之一，干擾檢測(cè)旨在分析接收信號(hào)中是否有干擾信號(hào)存在，若存在干擾信號(hào)，則進(jìn)行相應(yīng)處理，得到干擾信號(hào)的頻段、能量和干擾類型等相關(guān)信息，給后來(lái)的干擾抑制和干擾排除提供相關(guān)信息，通過(guò)對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行置零或按等比例縮小以減小誤碼率。

目前，國(guó)內(nèi)外研究干擾信號(hào)檢測(cè)的算法較多，其中主要的檢測(cè)算法包括能量檢測(cè)法、循環(huán)平穩(wěn)分析方法、極化分析方法、高階累積量分析方法和時(shí)頻分析方法等［2］。鄒武平介紹了適用于先驗(yàn)知識(shí)未知情況下的能量檢測(cè)法，從其原理、思想等方面入手，對(duì)該算法進(jìn)行了性能評(píng)估方法及優(yōu)缺點(diǎn)分析，并且提出了基于子帶誤碼率的干擾檢測(cè)方法，但僅進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析［3］。張愛(ài)民等針對(duì)衛(wèi)星直擴(kuò)通信系統(tǒng)提出了一種新的干擾檢測(cè)方法［4］，先將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)為復(fù)信號(hào)，接著進(jìn)行加窗與FFT變換，以信號(hào)的頻域統(tǒng)計(jì)特性估計(jì)自適應(yīng)干擾檢測(cè)門(mén)限值，譜線值大于該檢測(cè)門(mén)限值的則認(rèn)為是干擾信號(hào)的頻譜，最后推測(cè)出干擾信號(hào)的相關(guān)信息，包括中心頻率、帶寬與功率。徐卓異等基于跳頻寬帶接收模型，分析比較了多種頻譜估計(jì)能量檢測(cè)方法，提出一種使用AR模型來(lái)實(shí)現(xiàn)跳頻干擾檢測(cè)方法，得到了較好的檢測(cè)結(jié)果［5］。Pertti Henttu等提出新的檢測(cè)方法，即連續(xù)均值消除算法（CME），其基本思路是迭代地劃分樣本數(shù)據(jù)的初始集合為兩個(gè)集合：剔除集合與期望集合［6］。該方法要求基于無(wú)干擾信號(hào)下的統(tǒng)計(jì)特性，提前計(jì)算初始閾值參數(shù)。Harri Saarnisaari提出迭代的CME方法，提供了一個(gè)設(shè)置干擾檢測(cè)門(mén)限的方法，討論了算法的實(shí)現(xiàn)與干擾抑制能力。仿真證明該方法提供了顯著的干擾誤差改進(jìn)，特別是針對(duì)窄帶干擾［7］。

針對(duì)以上論述，本文基于建立的衛(wèi)星通信常見(jiàn)干擾信號(hào)模型，采用時(shí)域、頻域檢測(cè)方法檢測(cè)存在干擾與否，提出一種改進(jìn)的CME檢測(cè)算法，同時(shí)詳細(xì)地?cái)⑹隽嗽撍惴ǖ木唧w實(shí)施方法，并與能量檢測(cè)法、CME法進(jìn)行比較，得到較高的檢測(cè)率。

1 干擾信號(hào)模型

1）單頻干擾信號(hào)

作為窄帶干擾之一，單頻干擾信號(hào)使得衛(wèi)星信號(hào)在某一個(gè)頻率點(diǎn)上的功率較大，對(duì)其他頻點(diǎn)則沒(méi)影響，是一個(gè)單頻率連續(xù)波，頻域單一。

2）梳狀譜干擾信號(hào)

梳狀譜干擾作為一種特殊的寬帶干擾，可看作是一定頻帶寬度內(nèi)的多個(gè)窄帶干擾的組合。采用頻分體制，在時(shí)域連續(xù)干擾。經(jīng)常被用于擴(kuò)頻通信干擾或常規(guī)定頻通信干擾。

3）脈沖干擾信號(hào)

脈沖干擾具有突發(fā)或周期性的特點(diǎn)，且持續(xù)時(shí)間較短、頻譜寬，其功率可達(dá)千瓦，甚至兆級(jí)，對(duì)衛(wèi)星信號(hào)可產(chǎn)生較大的干擾影響。將其與相同平均功率的連續(xù)波比較，脈沖干擾會(huì)使通信系統(tǒng)得到較大的誤碼率。

4）掃頻干擾信號(hào)

掃頻干擾即線性調(diào)頻干擾，其頻率隨時(shí)間的變化產(chǎn)生線性變化。瞬時(shí)頻率特性為單頻，在某段時(shí)間內(nèi)呈動(dòng)態(tài)掃描特性。在衛(wèi)星上行鏈路的有用信號(hào)頻率未知的情況下，利用掃頻式干擾對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)接收端進(jìn)行干擾是較常見(jiàn)的干擾情況。

5）調(diào)制干擾信號(hào)

調(diào)制干擾可分為同調(diào)制干擾和異調(diào)制干擾，前者與衛(wèi)星信號(hào)調(diào)制方式相同，經(jīng)過(guò)天線被接收機(jī)同有用信號(hào)一起接收，從而干擾有用信號(hào)的接收；后者與衛(wèi)星信號(hào)調(diào)制方式不同，但同樣會(huì)經(jīng)過(guò)天線被接收機(jī)同有用信號(hào)一起接收，而由于調(diào)制方式不同，會(huì)導(dǎo)致誤碼率較高，甚至當(dāng)干擾信號(hào)的功率大于有用信號(hào)的功率，則有用信號(hào)功率被壓制。在本文中，主要考慮BPSK和QPSK調(diào)制干擾。

2 能量檢測(cè)法

作為非線性檢測(cè)法中的一種，能量檢測(cè)法［8?10］大多用于檢測(cè)壓制型干擾，壓制型干擾信號(hào)的功率比通信信號(hào)的功率大，且其參數(shù)具有一定的隨機(jī)性，如幅度、頻率、相位等隨機(jī)，這就使得一般的相關(guān)檢測(cè)方法在未知干擾信號(hào)的相關(guān)信息時(shí)，無(wú)法正確作出干擾檢測(cè)。而能量檢測(cè)法恰好可以在被檢測(cè)信號(hào)的先驗(yàn)知識(shí)未知的狀況下進(jìn)行檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾信號(hào)的有效檢測(cè)。一般情況下，無(wú)干擾存在時(shí)的能量會(huì)小于干擾存在時(shí)的能量，則可知相應(yīng)功率的情況，根據(jù)這一點(diǎn)可用于檢測(cè)干擾的存在與否。

一般不存在干擾時(shí)，接收到的信號(hào)r1（t）為

而存在干擾時(shí)，接收信號(hào)r（t）為

式中，x（t）為載波信號(hào)，n（t）為噪聲，i（t）為干擾信號(hào)。

對(duì)濾波后的接收信號(hào)r1（t）在某時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行等間隔采樣，采樣點(diǎn)數(shù)為Ns，得到的平均功率PN1為

同理，經(jīng)濾波后的接收信號(hào)r（t）處理后得到的平均功率PN為

對(duì)上述兩個(gè)平均功率作比值：

式中，k為常數(shù)，根據(jù)比值Ke的大小判斷是否存在干擾。如取k＝1.6，則將大于標(biāo)驗(yàn)值2dB的統(tǒng)計(jì)結(jié)果視作有干擾，反之，則無(wú)干擾。能量檢測(cè)檢測(cè)干擾存在與否的處理流程圖如圖1所示。

圖1 能量檢測(cè)法的處理流程圖

能量檢測(cè)法雖然簡(jiǎn)單高效，但是當(dāng)干擾信號(hào)較弱時(shí)，無(wú)法正確檢測(cè)干擾信號(hào)是否存在，且不能確定干擾頻點(diǎn)位置和得到干擾信號(hào)的相關(guān)信息。

3 CME方法

為有效利用愈發(fā)緊張的頻譜資源，能實(shí)時(shí)檢測(cè)干擾，一般選擇頻域檢測(cè)算法。其基本思想是將接收信號(hào)進(jìn)行FFT變換后的功率譜值與設(shè)定的檢測(cè)干擾門(mén)限值比較，高于門(mén)限值的則認(rèn)為受到了干擾并進(jìn)行相應(yīng)處理，低于門(mén)限值的則認(rèn)為沒(méi)有受到干擾。文獻(xiàn)［6］最開(kāi)始提出連續(xù)均值消除法（CME），該方法基于無(wú)干擾時(shí)計(jì)算譜線值的均值E（A），然后利用迭代的方法進(jìn)行干擾譜線排除，不斷修正E（A），直至檢測(cè)不到干擾為止。該算法的門(mén)限值不斷被修改，避開(kāi)了傳統(tǒng)檢測(cè)法的檢測(cè)門(mén)限值的固定及隨意的缺點(diǎn)，且可以得到干擾頻點(diǎn)位置。

一般接收到的信號(hào)r（t）由3部分構(gòu)成：有用信號(hào)、干擾信號(hào)和噪聲，主要表示為：

其中，s（t）為所需要的有用信號(hào)，i（t）為干擾信號(hào)，n（t）為高斯白噪聲。

設(shè)干擾信號(hào)為一正弦信號(hào)i（t）＝Acos［2π（f0+ Δf）t+φ］，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行FFT變換后得到R（n）：

即接收信號(hào)的頻域表示式為

DFT運(yùn)算可看作是使信號(hào)通過(guò)一組歸一化中心頻率為2πn／N，n＝0，1，…，N-1，頻率響應(yīng)為sin（Nx）／sin（x）的窄帶濾波器組，R（n）即為j＝N時(shí)刻該濾波器組中第n個(gè)濾波器的輸出［11］。設(shè)正弦干擾頻率與濾波器中心頻率相同，則干擾信號(hào)通過(guò)BP濾波器后其表示式為

高斯白噪聲經(jīng)濾波后變成窄帶高斯噪聲，其表示式為

則干擾信號(hào)與噪聲兩者之和為

則x（t）的包絡(luò)為

經(jīng)推導(dǎo)可知，x（t）的包絡(luò)A（t）服從廣義瑞利分布，有

式中σ為噪聲方差，并設(shè)其恒定。當(dāng)干擾很小，A／σ?1時(shí)，包絡(luò)A（t）的期望與概率密度可近似為：

而當(dāng)干擾很大，A／σ?1時(shí)，包絡(luò)A（t）的期望與概率密度可近似為：

經(jīng)過(guò)上述分析可知，當(dāng)存在強(qiáng)干擾時(shí)，包絡(luò)A（t）可近似服從正態(tài)分布，其均值為A；而當(dāng)干擾較弱或不存在時(shí)，包絡(luò)A（t）可近似服從瑞利分布，其期望為對(duì)于上述兩種情況，A（t）不會(huì)重合。

門(mén)限值需選在無(wú)干擾情況下，幾乎所有接收信號(hào)的包絡(luò)均要比設(shè)定的門(mén)限值小。令接收信號(hào)的包絡(luò)為r（n），對(duì)r（n）進(jìn)行FFT變換，得到R（n），則有

根據(jù)上述分析可知，無(wú)干擾時(shí)包絡(luò)服從瑞利分布，則

令A(yù)T為設(shè)定的檢測(cè)門(mén)限值，則

式中，Am為譜線值之和，Nm為譜線數(shù)，T為檢測(cè)門(mén)限因子。

由上式可得表1。

表1 不同虛警概率下的檢測(cè)門(mén)限因子

式（15）中，以Am／Nm近似表示E（A），當(dāng)譜線受到干擾時(shí)，Am／Nm＞E（A），會(huì)導(dǎo)致門(mén)限值偏大，會(huì)漏檢某些干擾譜線；甚至當(dāng)干擾信號(hào)較弱時(shí)，會(huì)導(dǎo)致漏檢或無(wú)法正確檢測(cè)到干擾信號(hào)的存在，且以假設(shè)最初所有信號(hào)都沒(méi)有受到干擾。

本文提出一種改進(jìn)后的CME算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行干擾檢測(cè)，假定所有譜線均未受到干擾，設(shè)定門(mén)限因子，采用迭代思想，不斷修改門(mén)限值，利用門(mén)限值排除已檢測(cè)的譜線，接著不斷修改的門(mén)限值，對(duì)檢測(cè)到的干擾譜線再次進(jìn)行檢測(cè)，最后判定得到的干擾頻點(diǎn)。具體算法如下：

1）對(duì)所有譜線進(jìn)行降序排列，取其后一半的譜線均值E（A）：

認(rèn)為E（A）是沒(méi)有受到干擾的譜線值的均值，門(mén)限因子T×E（A）由式（19）得到，為沒(méi)受到干擾時(shí)的檢測(cè)門(mén)限值A(chǔ)T；

2）把所有譜線值與AT作比較，若大于AT，則認(rèn)為受到干擾，余下小于AT的譜線值更新到步驟1）的譜線值，設(shè)余下小于AT的譜線值有P個(gè)，重新降序排列，計(jì)算E（A）：

3）AT＝T×E（A），重復(fù)步驟2），進(jìn)行新一輪的檢測(cè)，直至檢測(cè)不到小于門(mén)限值A(chǔ)T的譜線值。

4）用最后得到的門(mén)限值與所有譜線進(jìn)行比較，得到A（n）＞AT的所有頻點(diǎn)，結(jié)束干擾檢測(cè)。

4 仿真分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述理論分析，利用上述的干擾信號(hào)模型，設(shè)置載波頻率fc＝70MHz，采樣頻率fs＝3500MHz等相關(guān)參數(shù)。采用能量檢測(cè)法、CME方法和改進(jìn)的CME方法進(jìn)行Matlab仿真實(shí)驗(yàn)，觀察幾種常見(jiàn)干擾在不同干信比情況下的檢測(cè)率，并進(jìn)行檢測(cè)率仿真分析。本文選取單頻干擾、梳狀譜干擾和掃頻干擾，分別就其檢測(cè)率進(jìn)行分析。對(duì)于單頻干擾，其干擾頻點(diǎn)僅在中心頻率附近，當(dāng)僅在某頻段位置檢測(cè)到干擾時(shí)，即認(rèn)為干擾存在；對(duì)于梳狀譜干擾，其干擾頻點(diǎn)為多個(gè)，在本文實(shí)驗(yàn)中為4個(gè)，當(dāng)4個(gè)頻點(diǎn)均被檢測(cè)到時(shí)即認(rèn)為干擾存在；對(duì)于掃頻干擾，其頻率隨時(shí)變化，在檢測(cè)中，認(rèn)為在選定頻段上檢測(cè)到干擾即可視作存在干擾。

由表2、表3和表4可看出，在相同的JSR下，改進(jìn)的CME方法的檢測(cè)率高于其他兩種。隨著仿真次數(shù)和JSR的增加，檢測(cè)率漸漸變大，趨近1。

表2 單頻干擾在不同檢測(cè)方法下的檢測(cè)率

表3 梳狀譜干擾在不同檢測(cè)方法下的檢測(cè)率

表4 掃頻干擾在不同檢測(cè)方法下的檢測(cè)率

圖2 不同JSR下的檢測(cè)率

從圖2中可以看出，在JSR≥4dB時(shí)，該算法的檢測(cè)率均在0.9以上，而隨著JSR的增加，改進(jìn)的CME方法的檢測(cè)率漸漸趨于穩(wěn)定，趨近于1。從總體來(lái)看，相較能量檢測(cè)法和CME方法，改進(jìn)的CME方法的檢測(cè)率高于另外兩種檢測(cè)方法的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)衛(wèi)星通信中常見(jiàn)的幾種干擾信號(hào)進(jìn)行仿真檢測(cè)分析，基于較常用的能量檢測(cè)法與CME檢測(cè)方法，提出一種改進(jìn)的檢測(cè)法，并將其與進(jìn)行比較分析。仿真表明，改進(jìn)的CME方法在一定程度上縮短了計(jì)算時(shí)間，同時(shí)得到了較好的檢測(cè)效果。

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Study on Detection for Interference Signals in Satellite Communication

YANG Zhao，XU Kai，YANG Hai?liang
（Electronic Engineering College of Naval Engineering University，Wuhan 430033，China）

The satellite communication systems are easy to interfere，especially suffering from contrived jamming.To restrain interference，interference signals need to be correctly detected.In this paper，different interference signals in satellite com?munication commonly used are chosen，and under simulation experiment to research their characteristic.An improved CME algorithm is presented to be used to detect the existence of interference signals.Compared with energy detection algorithm and traditional CME algorithm，the improved CME algorithm has a good detection performance.Simulation results show that the method can be used to detect interference efficiently.

satellite communication；interference detection；CME algorithm

TP206+.3；E917

A

10.3969／j.issn.1673?3819.2016.06.026

1673?3819（2016）06?0125?04

2016?07?15

2016?08?27

楊 朝（1992?），女，湖南岳陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信系統(tǒng)。

徐 慨（1966?），男，副教授。

楊海亮（1980?），男，博士。