卫星通信干扰信号的检测方法

杨 朝，徐 慨，杨海亮

（海军工程大学电子工程学院，湖北武汉 430033）

卫星通信干扰信号的检测方法

杨 朝，徐 慨，杨海亮

（海军工程大学电子工程学院，湖北武汉 430033）

卫星通信系统较易受到各种干扰，尤其是人为干扰，为了抑制干扰，需对信号进行正确的干扰检测。就几种常见的卫星干扰信号，对其进行Matlab仿真实验，研究不同干扰类型信号的特点，提出一种改进的CME算法用于检测干扰信号是否存在。与能量检测法和传统的CME方法相比，它具有较好的检测性能。仿真结果表明，提出的CME方法可以有效用于干扰检测。

卫星通信；干扰检测；CME方法

卫星通信最早起源于20世纪40年代英国空军雷达专家Arthur.C.Clarke［1］发表的《地球外的中继站》一文，他提出了利用卫星来实现全球通信这一设想，从理论上说明了卫星通信的可行性，而后来众多国家发射多颗用途不同的卫星，被广泛地运用到宇宙观测、远距离通信、科研等众多领域。与其他通信方式相比，卫星通信的覆盖范围广、通信距离远、频带宽、传输灵活方便，为传输大量语音、数据以及其他有用信息提供了便利。随着信息技术的发展，卫星通信在民用通信与军用通信方面发挥的作用越来越大。但是一方面由于卫星采用透明式转发器，即卫星的轨道、频段等信息处于公开或半公开状态，卫星通信有时会遭受到一些有意或无意干扰。另一方面，由于卫星采用广播方式传送信息，在同一卫星覆盖范围下的两地之间可相互通信，也会出现干扰状况，如某些基站干扰。另外，卫星通信需接收的信号不仅与频率相关，还与地点、时间等相关，再加上传输距离较远，产生传输延迟，这就为干扰创造了有利条件。为进一步提高卫星通信的频谱利用率与通信质量，通信干扰问题亟待解决。作为通信抗干扰技术的重点之一，干扰检测旨在分析接收信号中是否有干扰信号存在，若存在干扰信号，则进行相应处理，得到干扰信号的频段、能量和干扰类型等相关信息，给后来的干扰抑制和干扰排除提供相关信息，通过对干扰信号进行置零或按等比例缩小以减小误码率。

目前，国内外研究干扰信号检测的算法较多，其中主要的检测算法包括能量检测法、循环平稳分析方法、极化分析方法、高阶累积量分析方法和时频分析方法等［2］。邹武平介绍了适用于先验知识未知情况下的能量检测法，从其原理、思想等方面入手，对该算法进行了性能评估方法及优缺点分析，并且提出了基于子带误码率的干扰检测方法，但仅进行了简单的分析［3］。张爱民等针对卫星直扩通信系统提出了一种新的干扰检测方法［4］，先将时域信号转为复信号，接着进行加窗与FFT变换，以信号的频域统计特性估计自适应干扰检测门限值，谱线值大于该检测门限值的则认为是干扰信号的频谱，最后推测出干扰信号的相关信息，包括中心频率、带宽与功率。徐卓异等基于跳频宽带接收模型，分析比较了多种频谱估计能量检测方法，提出一种使用AR模型来实现跳频干扰检测方法，得到了较好的检测结果［5］。Pertti Henttu等提出新的检测方法，即连续均值消除算法（CME），其基本思路是迭代地划分样本数据的初始集合为两个集合：剔除集合与期望集合［6］。该方法要求基于无干扰信号下的统计特性，提前计算初始阈值参数。Harri Saarnisaari提出迭代的CME方法，提供了一个设置干扰检测门限的方法，讨论了算法的实现与干扰抑制能力。仿真证明该方法提供了显著的干扰误差改进，特别是针对窄带干扰［7］。

针对以上论述，本文基于建立的卫星通信常见干扰信号模型，采用时域、频域检测方法检测存在干扰与否，提出一种改进的CME检测算法，同时详细地叙述了该算法的具体实施方法，并与能量检测法、CME法进行比较，得到较高的检测率。

1 干扰信号模型

1）单频干扰信号

作为窄带干扰之一，单频干扰信号使得卫星信号在某一个频率点上的功率较大，对其他频点则没影响，是一个单频率连续波，频域单一。

2）梳状谱干扰信号

梳状谱干扰作为一种特殊的宽带干扰，可看作是一定频带宽度内的多个窄带干扰的组合。采用频分体制，在时域连续干扰。经常被用于扩频通信干扰或常规定频通信干扰。

3）脉冲干扰信号

脉冲干扰具有突发或周期性的特点，且持续时间较短、频谱宽，其功率可达千瓦，甚至兆级，对卫星信号可产生较大的干扰影响。将其与相同平均功率的连续波比较，脉冲干扰会使通信系统得到较大的误码率。

4）扫频干扰信号

扫频干扰即线性调频干扰，其频率随时间的变化产生线性变化。瞬时频率特性为单频，在某段时间内呈动态扫描特性。在卫星上行链路的有用信号频率未知的情况下，利用扫频式干扰对卫星通信系统接收端进行干扰是较常见的干扰情况。

5）调制干扰信号

调制干扰可分为同调制干扰和异调制干扰，前者与卫星信号调制方式相同，经过天线被接收机同有用信号一起接收，从而干扰有用信号的接收；后者与卫星信号调制方式不同，但同样会经过天线被接收机同有用信号一起接收，而由于调制方式不同，会导致误码率较高，甚至当干扰信号的功率大于有用信号的功率，则有用信号功率被压制。在本文中，主要考虑BPSK和QPSK调制干扰。

2 能量检测法

作为非线性检测法中的一种，能量检测法［8⁃10］大多用于检测压制型干扰，压制型干扰信号的功率比通信信号的功率大，且其参数具有一定的随机性，如幅度、频率、相位等随机，这就使得一般的相关检测方法在未知干扰信号的相关信息时，无法正确作出干扰检测。而能量检测法恰好可以在被检测信号的先验知识未知的状况下进行检测，从而实现对干扰信号的有效检测。一般情况下，无干扰存在时的能量会小于干扰存在时的能量，则可知相应功率的情况，根据这一点可用于检测干扰的存在与否。

一般不存在干扰时，接收到的信号r1（t）为

而存在干扰时，接收信号r（t）为

式中，x（t）为载波信号，n（t）为噪声，i（t）为干扰信号。

对滤波后的接收信号r1（t）在某时间段内进行等间隔采样，采样点数为Ns，得到的平均功率PN1为

同理，经滤波后的接收信号r（t）处理后得到的平均功率PN为

对上述两个平均功率作比值：

式中，k为常数，根据比值Ke的大小判断是否存在干扰。如取k＝1.6，则将大于标验值2dB的统计结果视作有干扰，反之，则无干扰。能量检测检测干扰存在与否的处理流程图如图1所示。

图1 能量检测法的处理流程图

能量检测法虽然简单高效，但是当干扰信号较弱时，无法正确检测干扰信号是否存在，且不能确定干扰频点位置和得到干扰信号的相关信息。

3 CME方法

为有效利用愈发紧张的频谱资源，能实时检测干扰，一般选择频域检测算法。其基本思想是将接收信号进行FFT变换后的功率谱值与设定的检测干扰门限值比较，高于门限值的则认为受到了干扰并进行相应处理，低于门限值的则认为没有受到干扰。文献［6］最开始提出连续均值消除法（CME），该方法基于无干扰时计算谱线值的均值E（A），然后利用迭代的方法进行干扰谱线排除，不断修正E（A），直至检测不到干扰为止。该算法的门限值不断被修改，避开了传统检测法的检测门限值的固定及随意的缺点，且可以得到干扰频点位置。

一般接收到的信号r（t）由3部分构成：有用信号、干扰信号和噪声，主要表示为：

其中，s（t）为所需要的有用信号，i（t）为干扰信号，n（t）为高斯白噪声。

设干扰信号为一正弦信号i（t）＝Acos［2π（f0+ Δf）t+φ］，对接收信号进行FFT变换后得到R（n）：

即接收信号的频域表示式为

DFT运算可看作是使信号通过一组归一化中心频率为2πn／N，n＝0，1，…，N-1，频率响应为sin（Nx）／sin（x）的窄带滤波器组，R（n）即为j＝N时刻该滤波器组中第n个滤波器的输出［11］。设正弦干扰频率与滤波器中心频率相同，则干扰信号通过BP滤波器后其表示式为

高斯白噪声经滤波后变成窄带高斯噪声，其表示式为

则干扰信号与噪声两者之和为

则x（t）的包络为

经推导可知，x（t）的包络A（t）服从广义瑞利分布，有

式中σ为噪声方差，并设其恒定。当干扰很小，A／σ≪1时，包络A（t）的期望与概率密度可近似为：

而当干扰很大，A／σ≫1时，包络A（t）的期望与概率密度可近似为：

经过上述分析可知，当存在强干扰时，包络A（t）可近似服从正态分布，其均值为A；而当干扰较弱或不存在时，包络A（t）可近似服从瑞利分布，其期望为对于上述两种情况，A（t）不会重合。

门限值需选在无干扰情况下，几乎所有接收信号的包络均要比设定的门限值小。令接收信号的包络为r（n），对r（n）进行FFT变换，得到R（n），则有

根据上述分析可知，无干扰时包络服从瑞利分布，则

令AT为设定的检测门限值，则

式中，Am为谱线值之和，Nm为谱线数，T为检测门限因子。

由上式可得表1。

表1 不同虚警概率下的检测门限因子

式（15）中，以Am／Nm近似表示E（A），当谱线受到干扰时，Am／Nm＞E（A），会导致门限值偏大，会漏检某些干扰谱线；甚至当干扰信号较弱时，会导致漏检或无法正确检测到干扰信号的存在，且以假设最初所有信号都没有受到干扰。

本文提出一种改进后的CME算法对信号进行干扰检测，假定所有谱线均未受到干扰，设定门限因子，采用迭代思想，不断修改门限值，利用门限值排除已检测的谱线，接着不断修改的门限值，对检测到的干扰谱线再次进行检测，最后判定得到的干扰频点。具体算法如下：

1）对所有谱线进行降序排列，取其后一半的谱线均值E（A）：

认为E（A）是没有受到干扰的谱线值的均值，门限因子T×E（A）由式（19）得到，为没受到干扰时的检测门限值AT；

2）把所有谱线值与AT作比较，若大于AT，则认为受到干扰，余下小于AT的谱线值更新到步骤1）的谱线值，设余下小于AT的谱线值有P个，重新降序排列，计算E（A）：

3）AT＝T×E（A），重复步骤2），进行新一轮的检测，直至检测不到小于门限值AT的谱线值。

4）用最后得到的门限值与所有谱线进行比较，得到A（n）＞AT的所有频点，结束干扰检测。

4 仿真分析

为进一步验证上述理论分析，利用上述的干扰信号模型，设置载波频率fc＝70MHz，采样频率fs＝3500MHz等相关参数。采用能量检测法、CME方法和改进的CME方法进行Matlab仿真实验，观察几种常见干扰在不同干信比情况下的检测率，并进行检测率仿真分析。本文选取单频干扰、梳状谱干扰和扫频干扰，分别就其检测率进行分析。对于单频干扰，其干扰频点仅在中心频率附近，当仅在某频段位置检测到干扰时，即认为干扰存在；对于梳状谱干扰，其干扰频点为多个，在本文实验中为4个，当4个频点均被检测到时即认为干扰存在；对于扫频干扰，其频率随时变化，在检测中，认为在选定频段上检测到干扰即可视作存在干扰。

由表2、表3和表4可看出，在相同的JSR下，改进的CME方法的检测率高于其他两种。随着仿真次数和JSR的增加，检测率渐渐变大，趋近1。

表2 单频干扰在不同检测方法下的检测率

表3 梳状谱干扰在不同检测方法下的检测率

表4 扫频干扰在不同检测方法下的检测率

图2 不同JSR下的检测率

从图2中可以看出，在JSR≥4dB时，该算法的检测率均在0.9以上，而随着JSR的增加，改进的CME方法的检测率渐渐趋于稳定，趋近于1。从总体来看，相较能量检测法和CME方法，改进的CME方法的检测率高于另外两种检测方法的。

4 结束语

本文对卫星通信中常见的几种干扰信号进行仿真检测分析，基于较常用的能量检测法与CME检测方法，提出一种改进的检测法，并将其与进行比较分析。仿真表明，改进的CME方法在一定程度上缩短了计算时间，同时得到了较好的检测效果。

［1］ 余年兵.低轨卫星传输系统的原理与实现［D］.浙江：浙江大学，2001.

［2］ 陆根源，陈孝桢.信号检测与参数估计［M］.北京：科学出版社，2003.

［3］ 邹武平.干扰检测与识别技术研究与实现［D］.成都：电子科技大学，2011.

［4］ 张爱民，王星全，张德兴，等.卫星直扩通信系统干扰检测技术研究［J］.现代电子技术，2011，34（17）：7⁃9.

［5］ 徐卓异，王兵.一种基于频谱估计的跳频系统干扰检测算法［J］.电子设计工程，2013，21（24）：138⁃141.

［6］ Pertti Henttu，Sami Aromaa.Consecutive Mean Excision Algorithm［C］.Seventh International Symposium on Spread Spectrum Techniques and Applications，2002：450⁃454.

［7］ Harri Saarnisaari.Consecutive Mean Excision Algorithms in Narrowband or Short Time Interference Mitigation［C］. Position Location and Navigation Symposium，2004，447⁃454.

［8］ 魏义飞.对压制性干扰信号的检测与定位［D］.西安：西安电子科技大学，2010.

［9］ Park K.Y.Performance Evaluation of Energy Detectors. IEEE Trans.Aerospace and Electronic Systems，1978，AES⁃14（2）：237⁃241.

［10］范广伟，邓江娜，王振华，等.基于能量检测的GNSS干扰检测技术研究［J］.无线电工程，2013，43（3）：33⁃35，39.

［11］李素芝，万建伟.时域离散信号处理［M］.长沙：国防科技大学出版社，1994.

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

杨 朝（1992⁃），女，湖南岳阳人，硕士研究生，研究方向为卫星通信系统。

徐 慨（1966⁃），男，副教授。

杨海亮（1980⁃），男，博士。