卫星通信中频转发干扰问题研究*

梁 辉，王子良，侯 浩

0 引言

近年来，随着经济的飞速发展，国家整体实力的不断提升，我国的航天事业也日新月异，空、天、地一体化信息系统的建设稳步推进，对卫星通信的需求不断增长，这对卫星通信的建设和发展提出了新的要求，同时也对卫星通信系统运行的安全性和可靠性提出了更高的要求。因此，如何有效规避卫星通信系统中的各种干扰，保证信息安全有效地传输，就成了是当前的一个重要课题。在卫星通信系统中，有日凌这样的自然现象干扰，有地面微波传输这样的电磁环境干扰，也有中频转发干扰这样的地面设备故障干扰［1］，这些干扰可以直接地表现为对通信信号的信噪比或信干噪比的影响，即，干扰使其低于正常通信的最低门限;另一方面，干扰可以间接地表现为对通信信号在“功率－频率－时间冶三维空间的影响，即，干扰使得在一定的时间、一定的频率上，对通信信号进行压制［2］。本文将重点对中频转发干扰进行讨论。

1 中频转发干扰

通常，在某个卫星通信地面站，下行接收到的信号，经过放大、下变频、滤波等处理，变成70 MHz的中频信号，这些中频信号通过电磁感应串入上行中频链路，通过上行通道发射上星，形成一个闭合环路，对星上原载波造成干扰，这种干扰称为中频转发干扰。中频转发干扰示意图如图1所示。这种干扰常发生于透明转发器卫星系统，由于振荡器频率稳定度和准确度的限制，卫星转发器的本振与地球站的本振会存在频率偏差，这称为本振频偏［3］。

图1 中频转发干扰示意

2 中频转发干扰信号的幅频特性

2． 1 中频转发干扰系统数学模型

在图2的原理框图中，为便于分析，假设发生干扰的地球站只有一次上变频，那么简化后的中频转发干扰系统对应的数学模型如图3所示。

图2 中频转发干扰简化原理框

图3 中频转发干扰系统数学模型

地球站3发射的信号s4(t)叠加到地球站1发射的信号s1(t)，得到信号s2(t)，经过卫星转发器转发信号s2'(t)，下行到地球站3，收到信号s3(t)，再经过地球站3进行处理(放大、中频转发、变频、滤波)后输出干扰信号s3'(t)，发射到卫星就得到信号s4(t)。

2． 2 信号幅频特性

假设地球站和卫星转发器的高功放都工作在小信号线性区，可以得到简化数学模型的时域方程为:

式中，A1:卫星转发器放大器增益;A2:产生干扰地球站3的放大器增益;L1:上行链路损耗系数;L2:下行链路损耗系数;L:中频信号电磁感应转发系数;d1:链路时延(上下行链路时延相同);n1()t:下行链路噪声干扰;n2()t:上行链路噪声干扰;P1=L1hc1A1;P2=LL2hc2A2。

相应的频域方程为:

从上可知卫星接收的信号为源信号s1(t)与地面反馈信号s4(t)的和信号s2(t)。假设系统噪声功率为0，系统闭环增益大于1，则地面反馈信号s4(t)为:

(1)0≤t＜d1时，地面干扰设备的反馈信号未达到卫星接收端，这时卫星只接收到信号s1(t)。

(2)d1≤t＜2d1时，除了载频为 fc的源信号s2(t)外，卫星还收到地面发射的频率为fc+Δf的干扰信号s4(t)。

(3)4d1≤t＜6d1时，除了载频为 fc的源信号s2(t)，卫星还收到载频为fc+Δf和fc+2Δf的地面反馈信号。

(4)6d1≤t＜8d1时，卫星接收到频率为 fc+Δf、fc+2Δf和 fc+3Δf的地面反馈信号。

…

可见，卫星接收信号的频率分量随着系统反馈次数的增多而增加。

地面站的带通滤波器为 ( f02，f02+Bf)，当 fc+nΔf＞f02+Bf或 fc+nΔf＜f02+Bf(Δf＜0时可能发生)时，频率为fc+nΔf的分量被滤波器滤除，这时地面反馈信号中频率分量为 fc+2Δf、fc+3Δf、fc+4Δf…，fc+(n －1)Δf，其频谱结构不再变化，系统进入稳定状态。

当卫星转发器为非线性且信号进入非线性区域时，由于卫星转发器产生交调成分，输入信号频率分量越多，输出信号的交调成分频率组合也越多［1］，随着闭环系统反馈次数的增加，地面转发的干扰信号的频率分量也将越来越多，信号形式也越来越复杂。当考虑地面HPA也为非线性且存在噪声时，那么地面干扰设备转发的干扰信号将更加复杂。

2． 3 中频转发干扰系统性能仿真

由图2．3中的数学模型，卫星转发器和地面干扰设备的接收、发射天线增益分别为GR2、GT2、GR1、GT1，假设 GR2、GT2、GR1、GT1都为 1，中频信号电磁感应转发系数L也为1，则简化后的中频转发干扰系统仿真模型如图4所示。

图4 中频转发干扰系统仿真模型

其中上下行链路损耗都为GL，G1为地面设备中LNA的增益，G2为卫星转发器 LNA增益，利用MATLAB，对干扰系统进行仿真，来研究系统中干扰信号的特性。

2．3．1 地面HPA增益对系统的影响

通过改变地面站HPA的增益，来改变系统的环路增益，观察增益的变化对系统干扰的影响。从仿真结果图5可以看到，随着环路增益的增大，在开始时对系统的干扰增强，之后减弱或者几乎不变。

图5 多信号时改变闭环增益对系统的影响

2．3．2 本振频偏对系统的影响

下面通过仿真研究本振频偏大小对系统的影响。

(1)单信源时频偏对系统的影响

不同本振频偏的仿真结果图6所示。

从图6可见，只有单个源信号时，本振频偏越小，地面反馈信号的频谱就越靠近源信号的频谱，那么对系统的干扰越强。

图6 单信号时的仿真结果

(2)多信源时本振频偏对系统的影响

4个源信号的仿真结果如图7所示。

图7 多信号传输时仿真结果

从图7可见，当卫星转发多个源信号时，此时对某一个信号的干扰除了自身的频移反馈信号之外，卫星转发器非线性产生的交调干扰成分，以及其它信号的频移反馈信号也会对该信号造成干扰，这样对该信号的干扰与本振频偏变化的关系也就不再是单调的。因此当本振频偏较大时，对于某些频偏值，可能会造成卫星收到的干扰信号对某个频点信号干扰较大的情况，从而导致该频点信号误码率增大。从总体情况来看，仍然是随着本振频偏越小，对整个系统的干扰越强。

结论:随着本振频偏的减小，对系统的干扰越强;随着闭环增益越大，对系统的干扰开始时增强，之后几乎不变或减弱。

中频转发系统是一个闭环系统，这个循环系统非常复杂，这里仅对本振频偏和闭环增益的变化对系统干扰性能的影响进行了仿真和探讨，当然系统噪声的变化、HPA与LNA的配比变化，也会对系统产生影响。

3 中频转发干扰的检查方法

目前典型的卫星通信地球站的设备组成基本如图8所示，其中地球站的中频网络，除了少数站仍采用无源的衰减器和分、合路器，大都采用了有源中频分配合成单元，来对上、下行中频信号进行隔离、合路和分路、以及衰减和放大。

图8 卫星通信地球站组成框

3． 1 引发中频转发干扰的地面设备故障

引发中频转发干扰的地面设备故障有以下三类:第一类是中频分配合成单元内部器件故障，导致中频收发口的隔离性能下降;第二类接地性能下降导致接地电阻增大，上、下行中频电缆屏蔽性能下降;第三类上、下行中频电缆插头松脱、虚接，导致头座耦合欠佳，收发隔离性能下降。这三类设备故障，使下行中频信号通过电磁感应串到上行通道，形成中频转发干扰。

3． 2 检查中频转发干扰的步骤和方法

在实际应用中，要对中频转发干扰进行有效检查和定位，可按照以下方法和具体的步骤:

第一步:让卫星通信网内的某个地面站向星上发射一个单载波;

第二步:用频谱仪在该载波对应的下行频段观察是否会出现多个频率递增(或递减)、幅度递减的单载波。若有，则这个转发器上存在中频转发干扰。

第三步:让网内的其它地面站依次逐个关闭发射机的上行功率，观察多个频率的单载波是否还存在，若消失，则这个关闭上行功率的地面站造成了中频转发干扰。或者网内的其它地面站用频谱仪观察其上行频谱，来确认是否存在下行中频信号二次转发的现象。

第四步:查找到造成中频转发干扰的地面站后，继续检查该站的中频网络、接地性能等，进一步定位定位故障点，从而排除故障。

4 结语

中频转发干扰系统是一个非线性的闭环反馈系统，产生了很多新的频率分量，对系统形成干扰，通过对数学模型的分析和仿真，结果表明:本振频偏越小，对系统的干扰越强;随着系统环路增益的增大，对系统的干扰先增强，后稍微减弱。在实际的工程应用中，一方面会对地球站的HPA进行发射功率控制，另一方面，中频信号电磁感应得到的干扰信号会存在很大的衰减，因此卫星转发器和地面HPA和LNA一般都工作在小信号线性状态，但由于存在本振频偏，闭环反馈系统会产生新的频率分量，所以中频转发干扰系统仍然非线性的。

［1］ 吕海寰．星通信系统［M］．北京:国防工业出版社，1999．LV Hai－huan．Satellite Communication System．Beijing:National Defense Industrial Press，1999．

［2］ 张敬义，李永贵，尤摇峻．无线通信中复杂人为干扰的时频分析［J］．通信技术，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］ 刘国梁，荣昆璧．卫星通信［M］．北京:国防工业出版社，2003

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

［4］ 郝东方，刘乃安．卫星通信干扰技术的研究［M］．北京:机械工业出版社，2012．

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