楊 朝，徐 慨，楊海亮

（海軍工程大學電子工程學院，湖北武漢 430033）

衛(wèi)星通信干擾信號的檢測方法

楊 朝，徐 慨，楊海亮

（海軍工程大學電子工程學院，湖北武漢 430033）

衛(wèi)星通信系統(tǒng)較易受到各種干擾，尤其是人為干擾，為了抑制干擾，需對信號進行正確的干擾檢測。就幾種常見的衛(wèi)星干擾信號，對其進行Matlab仿真實驗，研究不同干擾類型信號的特點，提出一種改進的CME算法用于檢測干擾信號是否存在。與能量檢測法和傳統(tǒng)的CME方法相比，它具有較好的檢測性能。仿真結(jié)果表明，提出的CME方法可以有效用于干擾檢測。

衛(wèi)星通信；干擾檢測；CME方法

衛(wèi)星通信最早起源于20世紀40年代英國空軍雷達專家Arthur.C.Clarke［1］發(fā)表的《地球外的中繼站》一文，他提出了利用衛(wèi)星來實現(xiàn)全球通信這一設想，從理論上說明了衛(wèi)星通信的可行性，而后來眾多國家發(fā)射多顆用途不同的衛(wèi)星，被廣泛地運用到宇宙觀測、遠距離通信、科研等眾多領(lǐng)域。與其他通信方式相比，衛(wèi)星通信的覆蓋范圍廣、通信距離遠、頻帶寬、傳輸靈活方便，為傳輸大量語音、數(shù)據(jù)以及其他有用信息提供了便利。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星通信在民用通信與軍用通信方面發(fā)揮的作用越來越大。但是一方面由于衛(wèi)星采用透明式轉(zhuǎn)發(fā)器，即衛(wèi)星的軌道、頻段等信息處于公開或半公開狀態(tài)，衛(wèi)星通信有時會遭受到一些有意或無意干擾。另一方面，由于衛(wèi)星采用廣播方式傳送信息，在同一衛(wèi)星覆蓋范圍下的兩地之間可相互通信，也會出現(xiàn)干擾狀況，如某些基站干擾。另外，衛(wèi)星通信需接收的信號不僅與頻率相關(guān)，還與地點、時間等相關(guān)，再加上傳輸距離較遠，產(chǎn)生傳輸延遲，這就為干擾創(chuàng)造了有利條件。為進一步提高衛(wèi)星通信的頻譜利用率與通信質(zhì)量，通信干擾問題亟待解決。作為通信抗干擾技術(shù)的重點之一，干擾檢測旨在分析接收信號中是否有干擾信號存在，若存在干擾信號，則進行相應處理，得到干擾信號的頻段、能量和干擾類型等相關(guān)信息，給后來的干擾抑制和干擾排除提供相關(guān)信息，通過對干擾信號進行置零或按等比例縮小以減小誤碼率。

目前，國內(nèi)外研究干擾信號檢測的算法較多，其中主要的檢測算法包括能量檢測法、循環(huán)平穩(wěn)分析方法、極化分析方法、高階累積量分析方法和時頻分析方法等［2］。鄒武平介紹了適用于先驗知識未知情況下的能量檢測法，從其原理、思想等方面入手，對該算法進行了性能評估方法及優(yōu)缺點分析，并且提出了基于子帶誤碼率的干擾檢測方法，但僅進行了簡單的分析［3］。張愛民等針對衛(wèi)星直擴通信系統(tǒng)提出了一種新的干擾檢測方法［4］，先將時域信號轉(zhuǎn)為復信號，接著進行加窗與FFT變換，以信號的頻域統(tǒng)計特性估計自適應干擾檢測門限值，譜線值大于該檢測門限值的則認為是干擾信號的頻譜，最后推測出干擾信號的相關(guān)信息，包括中心頻率、帶寬與功率。徐卓異等基于跳頻寬帶接收模型，分析比較了多種頻譜估計能量檢測方法，提出一種使用AR模型來實現(xiàn)跳頻干擾檢測方法，得到了較好的檢測結(jié)果［5］。Pertti Henttu等提出新的檢測方法，即連續(xù)均值消除算法（CME），其基本思路是迭代地劃分樣本數(shù)據(jù)的初始集合為兩個集合：剔除集合與期望集合［6］。該方法要求基于無干擾信號下的統(tǒng)計特性，提前計算初始閾值參數(shù)。Harri Saarnisaari提出迭代的CME方法，提供了一個設置干擾檢測門限的方法，討論了算法的實現(xiàn)與干擾抑制能力。仿真證明該方法提供了顯著的干擾誤差改進，特別是針對窄帶干擾［7］。

針對以上論述，本文基于建立的衛(wèi)星通信常見干擾信號模型，采用時域、頻域檢測方法檢測存在干擾與否，提出一種改進的CME檢測算法，同時詳細地敘述了該算法的具體實施方法，并與能量檢測法、CME法進行比較，得到較高的檢測率。

1 干擾信號模型

1）單頻干擾信號

作為窄帶干擾之一，單頻干擾信號使得衛(wèi)星信號在某一個頻率點上的功率較大，對其他頻點則沒影響，是一個單頻率連續(xù)波，頻域單一。

2）梳狀譜干擾信號

梳狀譜干擾作為一種特殊的寬帶干擾，可看作是一定頻帶寬度內(nèi)的多個窄帶干擾的組合。采用頻分體制，在時域連續(xù)干擾。經(jīng)常被用于擴頻通信干擾或常規(guī)定頻通信干擾。

3）脈沖干擾信號

脈沖干擾具有突發(fā)或周期性的特點，且持續(xù)時間較短、頻譜寬，其功率可達千瓦，甚至兆級，對衛(wèi)星信號可產(chǎn)生較大的干擾影響。將其與相同平均功率的連續(xù)波比較，脈沖干擾會使通信系統(tǒng)得到較大的誤碼率。

4）掃頻干擾信號

掃頻干擾即線性調(diào)頻干擾，其頻率隨時間的變化產(chǎn)生線性變化。瞬時頻率特性為單頻，在某段時間內(nèi)呈動態(tài)掃描特性。在衛(wèi)星上行鏈路的有用信號頻率未知的情況下，利用掃頻式干擾對衛(wèi)星通信系統(tǒng)接收端進行干擾是較常見的干擾情況。

5）調(diào)制干擾信號

調(diào)制干擾可分為同調(diào)制干擾和異調(diào)制干擾，前者與衛(wèi)星信號調(diào)制方式相同，經(jīng)過天線被接收機同有用信號一起接收，從而干擾有用信號的接收；后者與衛(wèi)星信號調(diào)制方式不同，但同樣會經(jīng)過天線被接收機同有用信號一起接收，而由于調(diào)制方式不同，會導致誤碼率較高，甚至當干擾信號的功率大于有用信號的功率，則有用信號功率被壓制。在本文中，主要考慮BPSK和QPSK調(diào)制干擾。

2 能量檢測法

作為非線性檢測法中的一種，能量檢測法［8?10］大多用于檢測壓制型干擾，壓制型干擾信號的功率比通信信號的功率大，且其參數(shù)具有一定的隨機性，如幅度、頻率、相位等隨機，這就使得一般的相關(guān)檢測方法在未知干擾信號的相關(guān)信息時，無法正確作出干擾檢測。而能量檢測法恰好可以在被檢測信號的先驗知識未知的狀況下進行檢測，從而實現(xiàn)對干擾信號的有效檢測。一般情況下，無干擾存在時的能量會小于干擾存在時的能量，則可知相應功率的情況，根據(jù)這一點可用于檢測干擾的存在與否。

一般不存在干擾時，接收到的信號r1（t）為

而存在干擾時，接收信號r（t）為

式中，x（t）為載波信號，n（t）為噪聲，i（t）為干擾信號。

對濾波后的接收信號r1（t）在某時間段內(nèi)進行等間隔采樣，采樣點數(shù)為Ns，得到的平均功率PN1為

同理，經(jīng)濾波后的接收信號r（t）處理后得到的平均功率PN為

對上述兩個平均功率作比值：

式中，k為常數(shù)，根據(jù)比值Ke的大小判斷是否存在干擾。如取k＝1.6，則將大于標驗值2dB的統(tǒng)計結(jié)果視作有干擾，反之，則無干擾。能量檢測檢測干擾存在與否的處理流程圖如圖1所示。

圖1 能量檢測法的處理流程圖

能量檢測法雖然簡單高效，但是當干擾信號較弱時，無法正確檢測干擾信號是否存在，且不能確定干擾頻點位置和得到干擾信號的相關(guān)信息。

3 CME方法

為有效利用愈發(fā)緊張的頻譜資源，能實時檢測干擾，一般選擇頻域檢測算法。其基本思想是將接收信號進行FFT變換后的功率譜值與設定的檢測干擾門限值比較，高于門限值的則認為受到了干擾并進行相應處理，低于門限值的則認為沒有受到干擾。文獻［6］最開始提出連續(xù)均值消除法（CME），該方法基于無干擾時計算譜線值的均值E（A），然后利用迭代的方法進行干擾譜線排除，不斷修正E（A），直至檢測不到干擾為止。該算法的門限值不斷被修改，避開了傳統(tǒng)檢測法的檢測門限值的固定及隨意的缺點，且可以得到干擾頻點位置。

一般接收到的信號r（t）由3部分構(gòu)成：有用信號、干擾信號和噪聲，主要表示為：

其中，s（t）為所需要的有用信號，i（t）為干擾信號，n（t）為高斯白噪聲。

設干擾信號為一正弦信號i（t）＝Acos［2π（f0+ Δf）t+φ］，對接收信號進行FFT變換后得到R（n）：

即接收信號的頻域表示式為

DFT運算可看作是使信號通過一組歸一化中心頻率為2πn／N，n＝0，1，…，N-1，頻率響應為sin（Nx）／sin（x）的窄帶濾波器組，R（n）即為j＝N時刻該濾波器組中第n個濾波器的輸出［11］。設正弦干擾頻率與濾波器中心頻率相同，則干擾信號通過BP濾波器后其表示式為

高斯白噪聲經(jīng)濾波后變成窄帶高斯噪聲，其表示式為

則干擾信號與噪聲兩者之和為

則x（t）的包絡為

經(jīng)推導可知，x（t）的包絡A（t）服從廣義瑞利分布，有

式中σ為噪聲方差，并設其恒定。當干擾很小，A／σ?1時，包絡A（t）的期望與概率密度可近似為：

而當干擾很大，A／σ?1時，包絡A（t）的期望與概率密度可近似為：

經(jīng)過上述分析可知，當存在強干擾時，包絡A（t）可近似服從正態(tài)分布，其均值為A；而當干擾較弱或不存在時，包絡A（t）可近似服從瑞利分布，其期望為對于上述兩種情況，A（t）不會重合。

門限值需選在無干擾情況下，幾乎所有接收信號的包絡均要比設定的門限值小。令接收信號的包絡為r（n），對r（n）進行FFT變換，得到R（n），則有

根據(jù)上述分析可知，無干擾時包絡服從瑞利分布，則

令AT為設定的檢測門限值，則

式中，Am為譜線值之和，Nm為譜線數(shù)，T為檢測門限因子。

由上式可得表1。

表1 不同虛警概率下的檢測門限因子

式（15）中，以Am／Nm近似表示E（A），當譜線受到干擾時，Am／Nm＞E（A），會導致門限值偏大，會漏檢某些干擾譜線；甚至當干擾信號較弱時，會導致漏檢或無法正確檢測到干擾信號的存在，且以假設最初所有信號都沒有受到干擾。

本文提出一種改進后的CME算法對信號進行干擾檢測，假定所有譜線均未受到干擾，設定門限因子，采用迭代思想，不斷修改門限值，利用門限值排除已檢測的譜線，接著不斷修改的門限值，對檢測到的干擾譜線再次進行檢測，最后判定得到的干擾頻點。具體算法如下：

1）對所有譜線進行降序排列，取其后一半的譜線均值E（A）：

認為E（A）是沒有受到干擾的譜線值的均值，門限因子T×E（A）由式（19）得到，為沒受到干擾時的檢測門限值AT；

2）把所有譜線值與AT作比較，若大于AT，則認為受到干擾，余下小于AT的譜線值更新到步驟1）的譜線值，設余下小于AT的譜線值有P個，重新降序排列，計算E（A）：

3）AT＝T×E（A），重復步驟2），進行新一輪的檢測，直至檢測不到小于門限值AT的譜線值。

4）用最后得到的門限值與所有譜線進行比較，得到A（n）＞AT的所有頻點，結(jié)束干擾檢測。

4 仿真分析

為進一步驗證上述理論分析，利用上述的干擾信號模型，設置載波頻率fc＝70MHz，采樣頻率fs＝3500MHz等相關(guān)參數(shù)。采用能量檢測法、CME方法和改進的CME方法進行Matlab仿真實驗，觀察幾種常見干擾在不同干信比情況下的檢測率，并進行檢測率仿真分析。本文選取單頻干擾、梳狀譜干擾和掃頻干擾，分別就其檢測率進行分析。對于單頻干擾，其干擾頻點僅在中心頻率附近，當僅在某頻段位置檢測到干擾時，即認為干擾存在；對于梳狀譜干擾，其干擾頻點為多個，在本文實驗中為4個，當4個頻點均被檢測到時即認為干擾存在；對于掃頻干擾，其頻率隨時變化，在檢測中，認為在選定頻段上檢測到干擾即可視作存在干擾。

由表2、表3和表4可看出，在相同的JSR下，改進的CME方法的檢測率高于其他兩種。隨著仿真次數(shù)和JSR的增加，檢測率漸漸變大，趨近1。

表2 單頻干擾在不同檢測方法下的檢測率

表3 梳狀譜干擾在不同檢測方法下的檢測率

表4 掃頻干擾在不同檢測方法下的檢測率

圖2 不同JSR下的檢測率

從圖2中可以看出，在JSR≥4dB時，該算法的檢測率均在0.9以上，而隨著JSR的增加，改進的CME方法的檢測率漸漸趨于穩(wěn)定，趨近于1。從總體來看，相較能量檢測法和CME方法，改進的CME方法的檢測率高于另外兩種檢測方法的。

4 結(jié)束語

本文對衛(wèi)星通信中常見的幾種干擾信號進行仿真檢測分析，基于較常用的能量檢測法與CME檢測方法，提出一種改進的檢測法，并將其與進行比較分析。仿真表明，改進的CME方法在一定程度上縮短了計算時間，同時得到了較好的檢測效果。

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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

楊 朝（1992?），女，湖南岳陽人，碩士研究生，研究方向為衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

徐 慨（1966?），男，副教授。

楊海亮（1980?），男，博士。