卫星通信抗干扰技术发展趋势

2014-02-01朱红新

中国科技信息 2014年9期

朱红新

中国民用航空新疆空中交通管理局 830016

卫星通信系统在现代战争中起着重要的作用，加强对卫星通信抗干扰技术的研究具有重要的意义。下面，我们将对卫星通信系统可能存在的干扰种类、常用的干扰技术以及抗干扰技术的发展趋势进行详细介绍。

1 卫星通信系统可能存在的干扰种类

卫星通信系统可能存在的干扰种类主要有以下四种：一是卫星通信系统之间的干扰。虽然是使用相同的频段并且距离很近的不同的卫星通信系统之间也可能产生干扰；二是地面无线电系统与卫星通信系统之间的电磁干扰。这类干扰涉及的内容较多，主要包括由雷达系统产生的信息干扰，由广播电视系统产生的干扰，与地面相同频段的微波通信系统之间产生的干扰，还有来自工、科、医等机械设备的干扰，或者是相同频道工作的地球站由于质量不符合规定产生的干扰，或是由于实际操作失误而造成的干扰等；三是来自自然界的天电干扰。这种类型的干扰的内容主要包括：太阳系的星体发生爆炸以及太阳黑子爆炸而产生的宇宙射线以及流星雨从而产生干扰，或者是电离层闪烁以及卫星蚀等情况。以上几种类型的干扰都属于天文自然现象，是无法避免的。另外一种重要的干扰类型就是人为干扰。主要包括人们对卫星通信上行信号以及下行信号的各种干扰，比如，频率阻碍或者是盗用等情况。这几种类型的信息干扰的特性存在较大的差距，对卫星通信系统也产生了不同的影响。因此，为了有效地保证卫星通信系统的正常运行，需要全面地综合地采取各种抗干扰措施，加强对干扰因素的对抗，从而有效地避免卫星通信系统遭受干扰，主要从降低干扰压制比以及提高干扰系统的容限两个方面着手。

2 卫星通信中常用的抗干扰技术

2.1 天线抗干扰技术

由于卫星通信系统分布的范围比较广泛，并且涉及的空间地域比较大，因此，很容易受到干扰。而抗干扰的首要目标就是实现优化的、灵活的卫星铜系系统的覆盖，促使卫星接收天线能够在最大的限度上接收我方的卫星信号，并且能够“零化”敌方的干扰。卫星通信系统中最常见的一种抗干扰技术就是天线抗干扰技术，天线抗干扰技术主要包括智能天线技术、自适应调零技术以及相控阵天线技术等。自适应调零技术工作的原理是：主要是利用一些大型的，并且具有多波束的卫星接收天线，将一个赋形的卫星天线照射到某个指定的区域，一旦卫星信息系统检测到干扰信息，就会自动地将干扰方向的点波束关闭，最终实现抗干扰的目的，使用自适应调零多波束天线能够在一定程度上减轻干扰信号的电平。智能天线主要是根据无线信道环境的具体变化，自动地调整天线图的实际方向，从而保证天线性能保持在最佳状态。使用智能天线，能够同时抵御各个不同方向的干扰，甚至能够将信号比提高到几十倍左右。采用智能天线抗干扰时，主要是充分地利用敌方和自身的信号幅度、编码、空间方位或者是频谱的不同特点，通过信号对各阵元进行自适应处理，自动调整和优化天线阵的方向图，有效地增加我方的天线信号，最终实现空间滤波的目的。智能天线主要是由天线阵列、自适应信号处理以及信号通道三个部分组成。相控阵天线技术也是一种抗干扰的重要措施。相控阵天线技术在运行时，是根据战场形势的具体变化，加强对卫星发射天线指向的有效控制，最终促使波束的覆盖面积随着用户运动的变化而变化，而且卫星天线波束的形状与卫星通信系统的抗干扰能力有着直接的关系，因此，需要选择具有高抗干扰能力的波束形状。同时，我们还面临一个重要的问题，就是如何在尽可能短的时间内判断出多个干扰方向然后自动进行调零。许多专家提出采用免疫遗传算法的自适应天线调零方法，在低SNR，快拍数少的条件下，对收敛速度、精度以及波束形状上进行改进。

2.2 星上处理技术

星上处理技术主要是利用上、下行链路之间去耦，有效地减少或者是完全消除上行干扰对下行链路的干扰，同时，有助于避免转发器进入饱和状态。星上处理技术涉及的内容比较广，主要包括：星上信号解调再生、解跳／再跳、解扩／再扩、速率的转换、多波束转换、智能自动增益的有效控制以及译码／编码等内容。

2.3 自适应编码调制技术

自适应编码调制技术具有明显的通信自适应特征，可以应用在一些使用无线信道通信的传输技术上。在使用自适应编码调制技术时，首先需要对信道进行估计，主要是通过回传信道将信道的具体状态信息传输到发送端，然后根据不同的信噪比自适应地调整编码方式以及调制方式。如果信噪比过低，则需要使用比较低的信息速率；如果信噪比比较高时，则应该采用比较高的信息速率，只有这样，才能有效地提高信道利用率比固定速率的系统，最终实现信道传输的可靠性。科学性，从而优化信道的整体性能。自适应编码调制系统性能受到多种因素的影响，比如自适应回路延时、链路状态估计算法以及调制编码方案的粒度等因素。相对于自适应方案而言，自适应编码调制技术能够有效地提高功率增益，为了更好地提高自适应编码调制系统的性能，需要尽量选择一些具有较大功率并且具有更高频利用率的编码调制方案。

2.4 无线光通信技术

无线光通信技术是通过大气这种传输媒介进行光信号传输，如果信号收发的两个端机之间存在无遮挡的视距路径，并且具有足够的光发射功率，则可以使用无线光通信技术。FSO属于一种物理层的传输机械设备，可以在任何的传输协议上进行叠加，并且可以对声音、数据信息以及图像等业务进行透明传输。一个无线光通信系统都是由发射机、接收机以及信道等三个基本部分组成的。在进行点对点传输时，每一端都需要设置相应的光发射机以及光接收机，从而可以实现全双工的通信的目的。光发射机的光源受到电信号调整的影响，主要可以利用光学望远镜，利用大气信道将光信号传输到接收机望远镜里；在光接收机里，可以通过望远镜收集光信号，紧接着将光信号积聚在光点检测器中，通过光检测器将光信号转化成电信号。FSO明显具有速率高、频谱资源丰富以及频带宽等显著特征，FSO一般是利用红外光线进行传输，通信系统的工作频端基本保持在300GHz以上，这种工作频端是不受到限制的；FSO的相关协议实现透明化，具有较高的安全性和保密性，而且各个电波之间不存在干扰的情况；FSO的架设比较灵活多变，并且快捷，使用的成本相对比较低。目前，许多发达国家都在大力研究光通信技术，比如，美国，英国以及欧洲其他国家等。激光空间链路技术取得了较大的成就，并且逐渐向长波长、大容量、远距离、低功耗、小型化、一体化以及星间组网的方向发展。

2.5 限幅技术

限幅技术是目前使用范围最广泛的一种抗干扰技术，限幅技术能够有效地避免转发器中的功率放大器受到通信的上行干扰的影响进入饱和状态。对于理想中的限幅器而言，需要具备特定的限幅特性：在输入高功率信号时能够具备很高的信号衰减功能，在输入低信号功率时，应该只存在一个很小的插入损耗。通信限幅主要分为软限幅以及硬限幅两个方面。硬限幅转发器主要是在非线性的状态下开展工作，大信号压缩小信号，如果发生连续波干扰时，此时的压缩比是最严重的。PIN限幅器的主要功能是避免发生后面的灵敏接收机电路受到自身发射脉冲泄漏功率以及其他靠近的大功率微波信号损坏重要的器件的情况。现阶段，碳化硅第3代宽带隙半导体材料是发展最为迅速，并且应用前景最为广泛的微波功率器件材料，碳化硅的击穿电场强度比较高，大约是硅的8倍，其热导性能大约是硅的3倍，电子饱和漂移速度是硅的两倍左右，因此，碳化硅有助于提高相关器件的抗辐射功能。软限幅转发器的工作区域主要分布在在线性区以及限幅区两个区域，其压缩比与干信比、干扰类型以及限幅门限关系密切。在限幅的过程中，由于受到非线性的影响，会产生强信号，从而抑制小信号，促使信噪比不断下降，最大时可以达到6dB，相比较而言，软限幅较硬限幅有大约4dB的性能改善。

3 卫星通信抗干扰技术的发展趋势

卫星通信抗干扰技术的研究是一项长期而艰巨的任务，在进行卫星通信技术研究的过程中，需要特别关注以下问题的研究：在加强新的卫星通信抗干扰技术研究的基础上，积极探索出更多的新的科学的通信体制，设计出一套预测能力强，并且具有最低限度保障的卫星通信系统。这种卫星通信系统不仅需要具备信号处理技术，而且能够在卫星上综合使用各种不同的抗干扰技术抵抗各种类型的干扰，同时，需要在组网能力和业务支持种类方面具备很高的灵活性。以下加强卫星通信系统的研究主要可以在以下方面努力：一是加强智能天线技术的研究。智能天线技术主要包括天线反射面的形状设计，将获得理想波束作为设计目标，加强对微带平面天线的深入研究，相控阵Mt3A技术以及盲波束形成技术的研究等；二是加强对混合扩频技术以及自适应扩频技术的研究。比如，可以根据混沌序列以及密码序列设计的相关原理，找寻性能较好的跳扩频码；三是根据卫星信道的特征，找寻最佳的信号调整方式，加强对多制式、多数据率的调制解调器的研究。