劉艷（國(guó)家新聞出版廣電總局916臺(tái)，青海格爾木 816099）

衛(wèi)星接收機(jī)干擾抑制關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

劉艷
（國(guó)家新聞出版廣電總局916臺(tái)，青海格爾木 816099）

衛(wèi)星接收機(jī)在廣播電臺(tái)中有很多應(yīng)用，廣播電視利用衛(wèi)星傳輸，為了獲得優(yōu)質(zhì)的節(jié)目信號(hào)，研究現(xiàn)有的GPS接收設(shè)備的衛(wèi)星信道建模與抗干擾技術(shù)對(duì)廣播電視衛(wèi)星接收設(shè)備的抗干擾抑制關(guān)鍵技術(shù)有很好的借鑒意義。本文以衛(wèi)星接收機(jī)作為主題與研究對(duì)象，探討衛(wèi)星機(jī)接收干擾抑制關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。首先對(duì)衛(wèi)星信道建模與干擾進(jìn)行了介紹，并對(duì)相關(guān)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明；主要從基于數(shù)字波束形成的干擾抑制、抗干擾關(guān)鍵技術(shù)方面對(duì)GPS抗干擾接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了討論，而且在分析了基于疊加測(cè)量序列的OFDM系統(tǒng)干擾抑制技術(shù)后，重點(diǎn)對(duì)GPS接收機(jī)抗干擾的關(guān)鍵技術(shù)FPGA實(shí)現(xiàn)問(wèn)題做了深入分析。希望通過(guò)本文初步論述，可以引起更多的關(guān)注與更為廣泛的交流，為該方面的研究工作與實(shí)踐工作提供一些有價(jià)值的信息，以供參考。

衛(wèi)星接收機(jī) 干擾抑制 關(guān)鍵技術(shù) 實(shí)現(xiàn)

空間無(wú)線電通信中的衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)是現(xiàn)代社會(huì)通信手段中重要的工具，也是研究方面的熱點(diǎn)與重點(diǎn)；尤其是在現(xiàn)代社會(huì)中，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了以計(jì)算機(jī)為主體、以互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為支撐的信息技術(shù)的普及與應(yīng)用，因而，通過(guò)對(duì)多種技術(shù)的整合與綜合研究及應(yīng)用，極大的推動(dòng)了人類(lèi)的活動(dòng)領(lǐng)域的擴(kuò)展；但是在衛(wèi)星系統(tǒng)的工作與運(yùn)行中往往會(huì)受到各種類(lèi)型的干擾，因此會(huì)給定位等帶來(lái)極大影響，為了更好的提升衛(wèi)星接收機(jī)的運(yùn)行性能，可以通過(guò)研究抗干擾的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)這些干擾因素的消除與減弱。以下就從這方面展開(kāi)具體討論。

1 概述

在衛(wèi)星接收機(jī)干擾抑制關(guān)鍵技術(shù)的研究方面，通過(guò)對(duì)典型性較強(qiáng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研究，可以有效的提升其抗干擾設(shè)計(jì)的優(yōu)越性并提高其可推廣程度。以下就以GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、OFDM調(diào)制技術(shù)低軌移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)為例，進(jìn)行具體的討論。首先，從衛(wèi)星信道建模方面看，它具有星地鏈路傳播特性，會(huì)在自由空間中出現(xiàn)損失，而且會(huì)被大氣吸收，并通過(guò)電離層效應(yīng)受到干擾與影響，比如極化旋轉(zhuǎn)、電離層閃爍、雨衰、多徑傳輸與多普勒頻移等；從衛(wèi)星移動(dòng)通信信道模型方面看，有經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、概率分布模型、幾何分析模型。其次，從衛(wèi)星信道的噪聲、干擾方面看，有同頻段不同通信系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)形成的共信道干擾、以電磁波形成的寬帶、窄帶干擾，還有人為釋放的惡意干擾、傳輸環(huán)境及接收系統(tǒng)方面的寬帶噪聲等。

2 現(xiàn)狀分析

雖然在干擾方面，會(huì)存在人為的與非人為的兩大類(lèi)型的干擾因素，但是，通過(guò)近年來(lái)的反干擾或抗干擾研究也同樣獲得了不少成果；尤其是在軍事領(lǐng)域這方面的研究已經(jīng)超出了一般的想象水平，可以達(dá)到真正的精準(zhǔn)、科學(xué)的效果。以目前的研究來(lái)看，抗干擾技術(shù)主要有窄帶干擾抑制（如中頻實(shí)現(xiàn)、基帶實(shí)現(xiàn)的窄帶干擾抑制）、寬帶干擾抑制技術(shù)；本次研究中，主要是對(duì)各種衛(wèi)星干擾抑制接收機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行類(lèi)型劃分，并以多元接收的新理念，對(duì)接收機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行類(lèi)型歸納，主要以波束或解擴(kuò)、多級(jí)STAP或解擴(kuò)或波束形成兩類(lèi)作為兩大結(jié)構(gòu)。

3 衛(wèi)星接收機(jī)干擾抑制關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

以下探討的GPS接收機(jī)的抗干擾問(wèn)題，應(yīng)該以工程實(shí)現(xiàn)的角度進(jìn)行干擾抑制結(jié)構(gòu)的分析，并以仿真驗(yàn)證的辦法對(duì)其抵抗辦法展開(kāi)針對(duì)性研究；而對(duì)于LEO通信系統(tǒng)則可以通過(guò)對(duì)OFDM傳輸方式的研究，以對(duì)用戶數(shù)據(jù)的分離、部分功率訓(xùn)練序列的研究推導(dǎo)相關(guān)誤碼率的表達(dá)式，以此達(dá)到數(shù)值分析與仿真、驗(yàn)證，最后提出抑制方面的消因子最優(yōu)值；最重要的是對(duì)于基帶部分FPGA實(shí)現(xiàn)方面，要深圳市對(duì)模塊、接口、功能、RTL結(jié)構(gòu)圖做出具體的分析與理解，從而提出真正的衛(wèi)星接收機(jī)干擾技術(shù)，以此推動(dòng)該領(lǐng)域的研究與應(yīng)用發(fā)展。

3.1 GPS抗干擾接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究

（1）基于數(shù)字波束形成的干擾抑制方面，要求保持“最優(yōu)”工作狀態(tài)，從而使自適應(yīng)得到有效的調(diào)節(jié)，這方面會(huì)給定條件：

若將濾波器、性能函數(shù)聯(lián)系起來(lái)，則通過(guò)相關(guān)的最小值或最大值問(wèn)題，即可根據(jù)自適應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)波器系數(shù)的最優(yōu)化。

然后通過(guò)公式間的帶入，就可以得到復(fù)基帶信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為矢量表示；具體如下：

若將中括號(hào)部分轉(zhuǎn)置，則可以得到v（n）=［v1（n），…vM（n）］T；此時(shí)

（3）運(yùn)用上面的公式，就可以進(jìn)下賦值并通過(guò)干擾方向存在零點(diǎn)的條件，對(duì)期望信號(hào)方向的恒定增益進(jìn)行計(jì)算，具體的公式（2）如下：

圖1 抗干擾模塊在基帶處理結(jié)構(gòu)中的位置

（4）抗干擾的關(guān)鍵技術(shù)研究方面，需要通過(guò)整機(jī)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行，其中會(huì)通過(guò)劃分模塊的形式來(lái)進(jìn)行抗干擾原理與設(shè)計(jì)，并通過(guò)對(duì)基帶抗寬帶、窄帶干擾的技術(shù)分析來(lái)進(jìn)一步深入探討與其相關(guān)的實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，具體的抗干擾模塊在基帶處理結(jié)構(gòu)中的位置如圖1所示。但是在設(shè)計(jì)要求與性能指標(biāo)方面有GPS信號(hào)、干擾信號(hào)及接收機(jī)設(shè)計(jì)方面的要求，以及對(duì)天線、射頻部分抗干擾方面的陣列天線、前置濾波器、軟限幅器、信道頻率流程選擇、銳截止濾波器等；而且在采樣與數(shù)字下的變頻要求進(jìn)行仿真處理；以窄帶干擾下不同量化位數(shù)對(duì)應(yīng)的誤碼率性能為例，就可以看出，粗碼、精碼之間在同一通道采樣，但會(huì)分兩路進(jìn)行數(shù)字變頻。而且會(huì)在處理速度方面具備一定程度上的功耗。

再以寬帶干擾抑制為例，接收機(jī)需要4顆衛(wèi)星進(jìn)行準(zhǔn)確定位，而且在第l顆衛(wèi)星方面的權(quán)適量矩陣、導(dǎo)向矢量可以根據(jù)上面所討論的公式求得，然后，通過(guò)功率倒置算法，更改約束條件，然后以第一個(gè)天線陣元作為增益常數(shù)，那么，就可以得到各個(gè)天線的加權(quán)矢量：

W=［1，…，wM］T

最終通過(guò)優(yōu)化，并對(duì)W=0的情況進(jìn)行一個(gè)避免，那么，通過(guò)倒置算法，就會(huì)得到信號(hào)功率、干擾功率，并對(duì)其信號(hào)功率做出一具可見(jiàn)性的預(yù)算，從而確定GPS的應(yīng)用環(huán)境，從此就可以了解到功率倒置會(huì)最大程度上達(dá)到抑制干擾的效果。

3.2 基于疊加測(cè)量序列的OFDM系統(tǒng)干擾抑制技術(shù)

（1）從OFDM調(diào)制技術(shù)特點(diǎn)方面看，集中體現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)串并轉(zhuǎn)換，可消除ISI；傳統(tǒng)傳輸方法中，各頻帶之間以分離方式，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，頻率利用率較低，而它則是通過(guò)相互正交的各子載波，使信道頻譜達(dá)到重疊，并達(dá)到對(duì)資源的有效利用；另一方面，在頻率選擇方面可以對(duì)子信道充分利用，以高的信噪比實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)性能的提升；即使在接入方法上，也可以選擇多種多址方法甚至結(jié)合的形式也能實(shí)現(xiàn)；因此它的性能非常優(yōu)良，頗具優(yōu)勢(shì)。（2）OFDM系統(tǒng)數(shù)據(jù)與訓(xùn)練序列間存在一種分離技術(shù)，可以通過(guò)它來(lái)解決測(cè)量序列對(duì)OFDM數(shù)據(jù)檢測(cè)方面的干擾問(wèn)題；比如，在系統(tǒng)模型方面，可以按照分組傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行發(fā)射，并且裝飾每個(gè)符號(hào)長(zhǎng)度進(jìn)行確定，并且對(duì)用戶數(shù)據(jù)等以BPSK的方式進(jìn)行調(diào)制；如果明確了用戶數(shù)據(jù)、導(dǎo)引符號(hào)，那么就可以通過(guò)調(diào)制然后將其離散，當(dāng)輸出與訓(xùn)練序列實(shí)現(xiàn)相加之后，則可以以射頻部分輻射于多徑信道；再如在信道模型方面，可以采用抽離頭延遲線模型，若信道的沖擊響應(yīng)確定，則可以得出每個(gè)抽頭系數(shù)的自相關(guān)函數(shù)。（3）對(duì)于OFDM承載數(shù)據(jù)與訓(xùn)練序列的具體分析，主要可以通過(guò)對(duì)接收系統(tǒng)模型、接收信號(hào)統(tǒng)計(jì)特性、信道估計(jì)、誤碼率分析、數(shù)值與仿真結(jié)果測(cè)算等實(shí)現(xiàn)。在本文化中的仿真，則可以將采樣周期設(shè)定為200ns，從而在信道建模中通過(guò)2到5個(gè)復(fù)值抽頭組成離散時(shí)變信道，若終端移動(dòng)速度為15km/h，那么，就可以算出其它的仿真參數(shù)，然后，通過(guò)時(shí)間、頻率方面的同步假設(shè)，利用測(cè)量序列完成仿真驗(yàn)證。

3.3 GPS接收機(jī)抗干擾的關(guān)鍵技術(shù)FPGA實(shí)現(xiàn)

首先，采用Altera StratixII芯片，它的器件特征集中體現(xiàn)在高密度（90nm）、高性能FPGA兩大方面，而且具備強(qiáng)大的以ALM邏輯為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)之上，速度更快，成本更低。主要是以“分段式”8輸入LUT、加法器、寄存器各有2個(gè)，封閉式且能夠減少布線，在存儲(chǔ)器TriMatrix中，有512位、500kbit、4kbit三種不同模塊存儲(chǔ)位；而且備配有流水線式的DSP模塊，并且有接口線路、高速差分I/O支持及時(shí)鐘管理；其次，通過(guò)資源估算就可以對(duì)FPGA芯片進(jìn)行確定與選擇；通常情況下，可以按照7元陣列，先進(jìn)行下變頻降采樣，然后將其送至DBF模塊，并通過(guò)對(duì)7路16bit的并行信號(hào)X（n）的3次矩陣乘法X*（n）XT（n）W（n）完成，從而達(dá)到節(jié)約資源運(yùn)算。在窄帶干擾抑制模塊消耗方面的DSP Blocks資源估算，只需進(jìn)行4個(gè)FFT模塊方面的2048點(diǎn)運(yùn)算即可，比如應(yīng)用24個(gè)9*9乘法器即可；而在寬帶干擾抑制算法方面的實(shí)現(xiàn)，則可以以信號(hào)流程、模塊化分、頂層設(shè)計(jì)、子模塊設(shè)計(jì)、線性加權(quán)模塊、編譯綜合報(bào)告等來(lái)實(shí)現(xiàn)；至于窄帶干擾抑制算法的實(shí)現(xiàn)與此相同，但只需對(duì)其中的差異進(jìn)行分析即可。以子模塊設(shè)計(jì)為例，在窄帶抑制方面，則包括加窗模塊、FFT、IFFT模塊、門(mén)限生成模塊、干擾抑制模塊等；不同的模塊具有不同的功能，然后在模塊的設(shè)計(jì)與運(yùn)算之后，即通過(guò)編譯綜合報(bào)告即要以對(duì)上板調(diào)試，并獲得性能指標(biāo)的復(fù)核。

4 結(jié)語(yǔ)

總之，在新的時(shí)代就要堅(jiān)持以可持續(xù)發(fā)展的原則作為指導(dǎo)，真正貫徹落實(shí)與時(shí)俱進(jìn)、因時(shí)制宜的方法；通過(guò)上面的分析，加上對(duì)近些年來(lái)導(dǎo)航衛(wèi)星移動(dòng)通信研究領(lǐng)域的關(guān)注與經(jīng)驗(yàn)及成果總結(jié)來(lái)看，GPS接收機(jī)的抗干擾技術(shù)在未來(lái)會(huì)得到更廣泛的研究，從而將其提升到應(yīng)用于普通環(huán)境的研究水準(zhǔn)，減少各方面的干擾因子，再通過(guò)強(qiáng)大的傳輸系統(tǒng)方面的優(yōu)化以及對(duì)于基于STAP濾波的FPGA實(shí)現(xiàn)，可以明顯的確保接收信號(hào)的穩(wěn)定性，GPS應(yīng)用已經(jīng)是比較成熟的技術(shù)，在衛(wèi)星傳輸廣播電視節(jié)目中，GPS接收機(jī)衛(wèi)星信號(hào)的的抗干擾技術(shù)可以借鑒到廣播電視信號(hào)能否穩(wěn)定可靠的傳輸具有重要的意義。

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劉艷（1976—），女，吉林樺甸人，本科，值機(jī)班長(zhǎng)，工程師，研究方向：中波發(fā)射機(jī)值班維護(hù)和信息化。