衛(wèi)星通信系統(tǒng)的干擾效能分析?

（海軍工程大學(xué) 武漢 430030）

1 引言

一個(gè)典型的衛(wèi)星通信鏈路是由上行鏈路、通信衛(wèi)星、下行鏈路構(gòu)成的。只要能有效對(duì)其中一個(gè)部分進(jìn)行干擾，那么就可以影響整個(gè)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行［1］。在日常生活中，主要是對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的下行鏈路進(jìn)行干擾，方法是通過干擾機(jī)將信號(hào)送入地球站接收機(jī)選擇回路中，使得接收機(jī)放大器飽和，降低載噪比，影響系統(tǒng)性能。對(duì)下行鏈路的干擾首選壓制性干擾，其主要得干擾樣式可分為準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)式干擾、半瞄準(zhǔn)式干擾、阻塞式干擾、單音干擾、多音干擾、脈沖干擾、部分頻帶干擾和掃頻干擾等。

2 準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)式干擾［2］

準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)式干擾是指干擾信號(hào)的載頻（中心頻率）與所要干擾的信號(hào)的中心頻率重合，干擾和信號(hào)的頻譜寬度也要基本相同。比如，A站向B站發(fā)送信息（形式可以是報(bào)文、圖片和視頻等），干擾的作用就是要B站收不到或者看不清聽不清A站發(fā)來的信息。所以，瞄準(zhǔn)式干擾所輻射出的頻譜寬度以及中心頻率就要與A站的信號(hào)參數(shù)基本相同，并且能夠保證A站發(fā)送的信號(hào)能夠進(jìn)入B站接收機(jī)的選擇電路。

準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)式干擾一般需要滿足：

式中fj為干擾機(jī)頻率，Δfj為干擾機(jī)帶寬，fr為被干擾對(duì)象頻率，Δfr為被干擾對(duì)象帶寬［3］。

干擾示意圖如圖1所示。

準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)式干擾是壓制性干擾的首選干擾手段，其基本原理是通過對(duì)受干擾方頻率的預(yù)先偵察、頻率引導(dǎo)以及信號(hào)監(jiān)測，使得干擾機(jī)頻率與接收機(jī)干擾頻率大致相同，干擾信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)選擇電路，使接收機(jī)中的放大器飽和，從而使接收機(jī)輸出信噪比嚴(yán)重下降，惡化接收機(jī)的性能，達(dá)到阻止接收機(jī)接收有用信號(hào)的目的。一般情況下，準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)式干擾用于干擾通用衛(wèi)星通信，指揮通信以及前沿分隊(duì)的重要通信［4］。

圖1 準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)式干擾的頻率關(guān)系示意圖

3 半瞄準(zhǔn)式干擾［5］

半瞄準(zhǔn)式干擾相較于準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)式干擾，頻率重合的準(zhǔn)確度要求較低，通常干擾信號(hào)的頻譜比被壓制的地方通信信號(hào)頻譜寬度要寬一些，干擾信號(hào)能夠全部或者絕大部分進(jìn)入到敵方接收機(jī)的選擇回路，雖然頻率重合度不如準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)式干擾，但是對(duì)于敵方的通信也能夠造成一定程度的干擾。示意圖如圖2所示。

圖2 半瞄準(zhǔn)式干擾的頻率關(guān)系示意圖

4 阻塞式干擾

阻塞式干擾又稱攔阻式干擾，是干擾一個(gè)頻段內(nèi)多個(gè)信道的寬帶干擾，其干擾輻射的頻譜很寬，通常能覆蓋敵方通信臺(tái)的整個(gè)工作頻段。按其頻譜可分為連續(xù)阻塞式干擾和分段（梳狀）阻塞式干擾，其原理是阻塞帶寬內(nèi)，連續(xù)阻塞式干擾在整個(gè)頻段內(nèi)發(fā)射干擾信號(hào)，同時(shí)壓制該頻段內(nèi)的通信信號(hào)；分段（梳狀）阻塞式干擾，干擾頻段成梳狀，落入這些頻帶內(nèi)的通信信號(hào)受到干擾，干擾頻帶可以是固定的或移動(dòng)的，因梳狀干擾頻譜需要跟目標(biāo)信號(hào)重合，所以，在干擾前要依靠預(yù)先偵察了解到目標(biāo)信號(hào)的信道參數(shù)。如圖3所示。

一般情況下，阻塞式干擾要滿足：

阻塞式干擾主要用于壓制敵方戰(zhàn)術(shù)分隊(duì)無線電通信。目前各國戰(zhàn)術(shù)分隊(duì)用的大部分都是超短波通信臺(tái)站，因此阻塞式干擾機(jī)大多工作在超短波范圍內(nèi)［7］。

圖3 阻塞式干擾示意圖

5 音頻干擾

音頻干擾通常是指使用單個(gè)正弦波或者多個(gè)正弦波的干擾信號(hào)。當(dāng)只是用單個(gè)正弦波時(shí)，稱為單音干擾或稱點(diǎn)頻干擾；其時(shí)域的表達(dá)式為

式中，ωj是干擾信號(hào)角頻率，通常與目標(biāo)信號(hào)的角頻率相同，Uj是干擾信號(hào)幅度。

對(duì)于單音干擾來說，用于干擾DSSS系統(tǒng)效果非常好，所以根據(jù)干擾音頻放置的位置不同分成兩種情況［9］：

1）干擾信號(hào)的頻率與目標(biāo)DSSS信號(hào)的載波頻率重合（接近但不是完全重合，當(dāng)干擾信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)載頻完全重合時(shí)，干擾信號(hào)會(huì)產(chǎn)生不必要的衰減）。

2）干擾信號(hào)的頻率偏離目標(biāo)DSSS信號(hào)的載波頻率。

單音干擾是在頻譜范圍內(nèi)的某個(gè)頻點(diǎn)放置高功率連續(xù)波音頻。將干擾信號(hào)置于何處取決一般取決于干擾對(duì)象和優(yōu)化目標(biāo)，即取決于干擾方的意愿。當(dāng)干擾信號(hào)置于帶寬內(nèi)部時(shí)，假設(shè)接收機(jī)前端的寬帶濾波器不對(duì)干擾信號(hào)有影響，也就是說，干擾信號(hào)頻點(diǎn)遠(yuǎn)離濾波帶寬的邊緣，濾波器對(duì)干擾信號(hào)無明顯衰減。單音干擾主要用于對(duì)二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制信號(hào)的干擾，干擾空號(hào)或者傳號(hào)其中之一。

當(dāng)使用多個(gè)正弦波時(shí)，稱為多音干擾。其時(shí)域表達(dá)式為

式中，ωn是干擾信號(hào)頻率，φn是初始相位。

在多音干擾信號(hào)中，如果各信號(hào)頻率分量是等間隔分布的，那么第n個(gè)信號(hào)的頻率：

式中fj為初始干擾頻率，Δf為干擾頻率間隔，當(dāng)L（L＞1）個(gè)干擾頻率位于一個(gè)信道時(shí)，此時(shí)可稱為單信道多音干擾。當(dāng)這些等間隔的干擾信號(hào)分別位于各自信道時(shí)，此時(shí)就可以看作是分段阻塞式干擾的一種，只不過分段阻塞式干擾其每段干擾都具有其頻帶的寬度，而多音干擾只是一條頻譜線。

相較于寬帶噪聲干擾和部分頻帶噪聲干擾，音頻干擾對(duì)己方通信的影響最小，因此被廣泛采用。干擾樣式如圖4所示。

圖4 音頻干擾示意圖

6 脈沖干擾

首先介紹脈沖干擾前，要明確一點(diǎn)的是：當(dāng)干擾數(shù)字調(diào)制通信時(shí)，我們采用各種干擾手段試圖讓信號(hào)變得無法被調(diào)制解調(diào)器解讀出來，既可以通過干擾同步，也可以借助造成比特錯(cuò)誤來實(shí)現(xiàn)，由于數(shù)字調(diào)制信號(hào)的同步非?？煽?，因此干擾的根本方法還是通過造成比特錯(cuò)誤來達(dá)到目的。所以一個(gè)數(shù)字信號(hào)往往是至少需要用0dB干信比進(jìn)行三分之一時(shí)間的干擾，既需要33%的占空比進(jìn)行干擾，而對(duì)于模擬調(diào)制通信的干擾，則需以100%的占空比進(jìn)行干擾，才能夠達(dá)到最終目的［11］。

脈沖干擾時(shí)利用干擾機(jī)發(fā)射一系列脈沖信號(hào)或類似于被干擾設(shè)備的脈沖信號(hào)而形成的干擾，發(fā)送的脈沖信號(hào)可以是已調(diào)制的或是未調(diào)制的高頻脈沖。脈沖的峰值比連續(xù)信號(hào)發(fā)射機(jī)的恒定功率高很多，通常用于干擾脈沖信號(hào)通信或數(shù)字通信。

由于我們只需要干擾數(shù)字信號(hào)三分之一的時(shí)間，所以33%占空系數(shù)適用于有效干擾，提高峰值功率改善信噪比，如圖5所示信噪比若減至三分之一，則相同的總發(fā)射能量形成了有效的輻射功率。

圖5 脈沖干擾

脈沖干擾有兩種形式，一種是采用無載波的極窄脈沖作為干擾信號(hào)，另一種是采用有載波的窄脈沖作為干擾信號(hào)。兩種形式的脈沖干擾原理是相似的。在應(yīng)用脈沖干擾時(shí)，可按照以下三種情況進(jìn)行設(shè)計(jì)：

1）利用周期性窄脈沖實(shí)現(xiàn)單音干擾；

2）利用周期性窄脈沖實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的多音干擾；

3）利用周期性窄脈沖實(shí)現(xiàn)單信道多音干擾。

7 掃頻干擾

掃頻干擾是一種時(shí)域跟頻域都分時(shí)的寬帶干擾樣式，是基于瞄準(zhǔn)式和阻塞式兩種干擾方式的綜合。它利用一個(gè)相對(duì)窄帶的干擾信號(hào)按照一定的速度、一定的帶寬和一定的掃描順序，對(duì)于干擾信道，通過提前預(yù)置的方式進(jìn)行存儲(chǔ)，并在一定的頻段范圍內(nèi)反復(fù)掃描，當(dāng)被預(yù)置信道的信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，便可自動(dòng)干擾。，其頻率變化的特點(diǎn)如圖7所示，其中橫縱坐標(biāo)分別位時(shí)間t和頻率f，T為重復(fù)周期，f1和f2分別是掃頻信號(hào)能夠發(fā)出的最高和最低信號(hào)頻率。

圖6 掃頻式干擾頻率特性

掃頻干擾根據(jù)其音頻分布進(jìn)行分類，其中包括單音掃頻干擾和多音掃頻干擾。示意圖如圖6所示。

8 部分頻帶噪聲干擾

部分頻帶噪聲干擾是將噪聲干擾施加在目標(biāo)信號(hào)整個(gè)頻率范圍內(nèi)的部分帶寬，是一種頻分方式的干擾樣式，其有兩種基本形式：一種是相鄰信道部分頻帶干擾；另一種是不相鄰信道部分頻帶干擾。如圖8所示。部分頻帶干擾是介于寬帶噪聲干擾和分段阻塞式干擾的一種干擾手段，其實(shí)現(xiàn)的方法是：首先對(duì)寬帶噪聲信號(hào)進(jìn)行濾波，根據(jù)需要濾除無用頻帶，保存一個(gè)或多個(gè)頻帶輸出成為其子頻帶，將保存的子頻帶分別覆蓋到要干擾的目標(biāo)信道上，這樣一來就能夠充分地利用干擾的能量，使干擾能量集中的聚集到目標(biāo)信號(hào)上，達(dá)成干擾的目的。

圖7 單/多音頻掃頻干擾原理圖

圖8 部分頻帶噪聲干擾帶寬示意圖

部分頻帶噪聲干擾既可以應(yīng)用于對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)的干擾，也可用于對(duì)跳頻以及Chirp信號(hào)的干擾。對(duì)于干擾擴(kuò)頻信號(hào)而言，部分頻帶噪聲干擾僅僅使覆蓋了擴(kuò)頻信號(hào)整個(gè)頻率的部分寬帶（擴(kuò)頻信號(hào)可看作是數(shù)字調(diào)制信號(hào)，可用“0dB干信比、33%占空比”理論實(shí)施有效干擾），而對(duì)于跳頻以及Chirp信號(hào)來說，其有選擇性地使用它們頻譜范圍內(nèi)的部分頻率，所以部分頻帶噪聲干擾使一種最佳干信比下進(jìn)行低占空比因子干擾的方法。

對(duì)壓制性各類干擾特點(diǎn)如表1所示。

表1 壓制性干擾各類樣式特點(diǎn)總結(jié)

9 結(jié)語

本文針對(duì)衛(wèi)星壓制性干擾中常見的干擾樣式進(jìn)行了分析和研究。在壓制性干擾中，準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)式、半瞄準(zhǔn)式干擾主要應(yīng)用在通用衛(wèi)星通信；對(duì)于直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的干擾，阻塞式干擾（分段阻塞式干擾）、部分頻帶噪聲干擾以及單音掃頻干擾效果較好；對(duì)于跳頻通信系統(tǒng)的干擾，可采用部分頻帶干擾［12］、掃頻干擾等。欺騙式干擾是軍事衛(wèi)星通信的有效手段，本文沒有進(jìn)行詳細(xì)的論述。