CN109709580A - 一种卫星中继数据链接收机抗干扰系统 - Google Patents

Abstract

一种卫星中继数据链接收机抗干扰系统，包括抗干扰天线阵列、接收前级滤波单元、低噪声放大单元、下变频单元、AD转换单元、抗干扰及基带处理单元、FPGA处理器，抗干扰天线阵列接收空间信号，抗干扰天线阵列中每个天线阵元与接收前级滤波单元相连接，前级滤波单元的输出通过接插件与低噪声放大单元相连接，低噪声放大单元对信号进行多级滤波放大，低噪声放大单元通过射频线缆与下变频单元相连接，下变频单元将接收信号下变频至中频信号，由AD转换单元进行采样，经过多个AD转换单元的多个中频信号连接于FPGA处理器，在FPGA处理器中进行抗干扰算法处理及基带处理。

Description

一种卫星中继数据链接收机抗干扰系统

技术领域

本发明涉及中继卫星数据链通信领域，特别是一种卫星中继数据链接收机抗干扰系统。

背景技术

卫星中继数据链是一种按规定格式和协议，利用中继卫星进行数据转发，可进行超视距传输战场数字化信息的系统，其从本质上讲也是一种通信链路。

随着通信技术的发展，干扰逐渐成为了抑制通信性能提高的一个重要因素，特别是军用通信，要求在复杂的电磁环境下具有顽强的生存能力。在军用通信装备的众多需求中，抗干扰能力是最基本的要求，由于通信电子战是决定现代战争胜负的重要因素。近年来，新的作战理论和作战平台不断出现，电子进攻武器已覆盖几乎所有军用通信频段，尤其在全时空、全天候的侦察技术、新的灵巧干扰技术和高功率电磁脉冲攻击技术等。因此，要达到通信的及时、有效、可靠和保密，必须依靠先进的通信抗干扰技术和以这些技术武装起来的通信装备和通信系统。所以，通信抗干扰占有空前重要的地位。

从物理层上看，当前的抗干扰技术主要利用期望信号和干扰信号在特定域内的不重叠特性“滤除”干扰，如时域和频域。特别是在军事通信中，敌方干扰设备往往不计代价的实施压制性、欺骗性干扰，使干扰信号在时域、频域实现全覆盖，在这种情况下期望信号和干扰信号的不重叠特性往往不存在，基于此原理的时域和频域抗干扰技术也就不能很好的抑制干扰。因此在军事抗干扰需求的强劲驱动下，空域抗干扰的研究日趋深入，并逐渐从空域抗干扰向混合域抗干扰发展。

空域滤波技术的基本思想是不考虑信号时间上和频率的差异，而根据信号在空间中所处的不同位置进行区分，不同的信号所处不同的空间位置，在滤波过程中对不同信号的处理也是截然不同的。自适应调零技术在本质上与空域滤波技术是相同的，具体主要是根据信号在空间中的所处位置的变化，自适应的优化天线阵列中的加权矢量，在目标信号方向形成主波束，而在干扰方向形成零陷，达到抑制干扰的目的，实际上这也是空域滤波。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种卫星中继数据链接收机抗干扰系统，解决了卫星中继数据链接收机在战场复杂电磁环境下信号会受到各种干扰，影响通信性能的问题。

本发明的技术解决方案是：一种卫星中继数据链接收机抗干扰系统，包括抗干扰天线阵列、接收前级滤波单元、低噪声放大单元、下变频单元、AD转换单元、抗干扰及基带处理单元、FPGA处理器，其中：

抗干扰天线阵列接收空间信号，抗干扰天线阵列中每个天线阵元与接收前级滤波单元相连接，前级滤波单元的输出通过接插件与低噪声放大单元相连接，低噪声放大单元对信号进行多级滤波放大，低噪声放大单元通过射频线缆与下变频单元相连接，下变频单元将接收信号下变频至中频信号，由AD转换单元进行采样，经过多个AD转换单元的多个中频信号连接于FPGA处理器，在FPGA处理器中进行抗干扰算法处理及基带处理。

所述的抗干扰天线阵列为七阵元相控阵天线阵列，每个天线阵元均与接收前级滤波单元相连接，每组前级滤波单元、低噪声放大单元、下变频单元、A/D转换单元均与一个天线阵元相对应，即接收前级滤波单元、低噪声放大单元、下变频单元、A/D转换单元均有七组

所述的FPGA处理器，在FPGA处理器中进行抗干扰算法处理及基带处理的方法为：

(1)经过AD转换单元采样的中频信号，通过参数相同的高通滤波器，滤除其中的低频干扰；

(2)滤除低频干扰后通过希尔伯特变换器将原有的实信号变为解析信号；

(3)将经过希尔伯特变换得到的解析信号经过通道校正，同时将外部给定的信号方位角信息转换为信号的导向矢量，将通道校正后的信号结合导向矢量，进行波束合成，得到和信号、差信号；

(4)对差信号做LMS算法迭代，输出权值和误差信号，将误差信号的实部信号送基带处理单元进行解算处理。

所述的抗干扰天线阵列为均匀圆阵，M个阵元位于同一平面内，编号为0的阵元位于圆心，编号为1～M-1的阵元均匀分布于半径为R的圆周上，相邻阵元之间的距离均为R。

还包括计算坐标系，计算坐标系圆心为坐标原点，圆心与阵元1的连线为X轴，阵元平面法向为Z轴，采用右手坐标系建立坐标系，得到入射信号为s(t)，俯仰角θ为Z轴与入射信号到原点连线的夹角，方位角为入射信号与原点的连线在X-Y平面的投影和X轴的夹角。

所述的第m个阵元接收到的信号的相位差为

其中，m＝1,2,..M-1

得到阵列响应矢量为

阵列接收信号为

形成波束输出为

其中w＝[w₀,w₁,···,w_M-1]^T。

然后以坐标原点为参考点，信号入射方向的单位向量为

阵元位置坐标向量为

p_m＝[x_m y_m],m＝1,2,...,N

阵元相对于参考信号点的延时为

信号相移为

所述的卫星信号导向矢量的计算方法为：

首先根据指向角度精度将整个空域的俯仰角划分为M份，方位角划分为N，然后根据阵列模型计算导向矢量值。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明在已知中继卫星位置的条件下，根据卫星信号在空间中的所处位置的变化，自适应的优化天线阵列中的加权矢量，在目标信号方向形成主波束，对目标信号的接收形成合成增益，提高输出的信噪比；

(2)本发明在已知中继卫星位置的条件下，根据干扰信号在空间中的所处位置的变化，自适应的优化天线阵列中的加权矢量，在干扰信号方向形成零陷，达到对干扰信号抑制的目的。

附图说明

图1为一种卫星中继数据链接收机抗干扰系统示意图；

图2为数字波束形成原理图；

图3为阵列天线坐标示意图；

图4为导向矢量实现过程；

图5为自适应滤波器工作原理图；

图6为数字波数形成抗干扰自适应处理的结构图。

具体实施方式

一种卫星中继数据链接收机抗干扰系统，包括抗干扰天线阵列、接收前级滤波单元、低噪声放大单元、下变频单元、AD转换单元、抗干扰及基带处理单元，其中：

空间信号由抗干扰天线阵列接收，抗干扰天线阵列为七阵元相控阵天线阵列，每个天线阵元与接收前级滤波单元相连接，前级滤波单元的输出通过接插件与低噪声放大单元相连接，低噪声放大单元对信号进行多级滤波放大，低噪声放大单元通过射频线缆与下变频单元相连接，下变频单元将接收信号下变频至中频信号，由A/D转换单元进行采样，以上所述的接收前级滤波单元、低噪声放大单元、下变频单元、A/D转换单元均与每个天线阵元相对应，即接收前级滤波单元、低噪声放大单元、下变频单元、A/D转换单元均有七组。

经过A/D转换单元的七路中频信号连接于FPGA处理器，在FPGA处理器中进行抗干扰算法处理及基带处理，其中抗干扰处理流程如下：

(1)经过A/D转换单元采样的中频信号，通过参数相同的高通滤波器，滤除其中的低频干扰；

(2)滤除低频干扰后通过希尔伯特(Hilbert)变换器将原有的实信号变为解析信号；

(3)将经过希尔伯特(Hilbert)变换得到的解析信号经过通道校正，同时将外部给定的信号方位角信息转换为信号的导向矢量，将通道校正后的信号结合导向矢量，进行波束合成，得到一路和信号，七路差信号；

(4)对七路信号做LMS算法迭代，求出权值和误差信号输出，最后误差信号的实部信号送基带处理单元进行解算处理。

下面结合附图对本发明进行更详细的解释和说明，其原理框图如图1所示。本发明结合阵列天线，通过算法进行数字波束合成，本质上是一个空域滤波器，可提供灵活的空域滤波形式，并通过直接对数字信号进行加权运算实现对衰减器、移相器的控制。数字波束合成的工作原理是在阵列的输出端重构出某个方向的源信号，当有用信号被一包含天线阵列的平台接收，通过调整每个阵元上的权值，对信号空间里的每个信号源加权求和处理。这些权值可以根据阵元采样数据，运用某种自适应算法进行更新，使接收波束具有特定的形状和希望的零点，达到通过有用方向的信号，并抑制不需要方向干扰及噪声的目的。

本发明中天线阵列为均匀圆阵，如图2所示，M个阵元位于同一平面内，编号为0的阵元位于圆心，编号为1～M-1的阵元均匀分布于半径为R的圆周上，则对于七阵元的设计相邻阵元之间的距离d＝R。以圆心为坐标原点，圆心与阵元1的连线为X轴，阵元平面法向为Z轴，采用右手坐标系。入射信号为s(t)，俯仰角θ为Z轴与入射信号到原点连线的夹角，方位角为入射信号与原点的连线在X-Y平面的投影和X轴的夹角。以原点阵元接收信号为基准，第m个阵元接收到的信号的相位差为：

则阵列响应矢量可表示为：

设阵元0接收到的信号x₀(n)＝s(n)，则可以将阵列接收信号表示为：

则形成波束输出为：

其中w＝[w₀,w₁,···,w_M-1]^T。

对于图3所示多阵元构成的矩形阵列接收天线，以坐标原点为参考点，信号入射方向的单位向量定义为

阵元位置坐标向量为

p_m＝[x_m y_m],m＝1,2,...,N

假设入射波到达阵元p_m的时间比参考点p₀的时间超前(负为滞后)，即该阵元相对于参考信号点的延时为

对于窄带信号而言，相应的信号相移为

所以7个阵元阵列的导向矢量可以表示为

假设卫星信号s₀(n)从方向入射，其中θ₀为俯仰角，为方位角，则天线在卫星方向接收到的信号为

和通道信号为

差通道信号为

其中A_(i)表示向量A的第i个元素。

接收信号是通过卫星信号方向上的导向矢量做同相叠加的，信号幅度是原来的7倍，而噪声是直接相加的，噪声功率是原来的7倍，故和通道信号的信噪比提高7倍数；同时，差通道通过卫星方位的导向矢量调相相减，即得到差通道的信号里不包含原本的卫星信号，只包含干扰信号和噪声信号。

卫星信号导向矢量的计算及实现方法：先按照指向角度精度的要求，将整个空域的俯仰角划分为M份，方位角划分为N，通过阵列模型给出的计算方法计算导向矢量值，其过程如图4所示。

上述数字波束形成器仅在空域进行滤波，为了提高抗干扰性能，本发明设计空时自适应滤波器，将一维的空域滤波推广到时间与空间的二维域中。如图5所示即为空时自适应滤波结构图。从每个阵元通道来看，各级延时构成了FIR滤波，可以在时域上去除干扰；从相同的时间延迟节点看，不同的阵元构成了空域的自适应滤波，可以分辨空间干扰源，形成空域零陷抑制空域干扰。因此空时处理具有在空时二维域剔除干扰的能力。同时，自适应滤波处理增加了算法的自由度，理论上能够对抗MN-1个干扰(其中M为空域阵元数，N为时域延迟抽头数)。

图5中，{w_mn},m＝1,2,…,M；n＝1,2,…,N为空时二维权系数。用MN×1维向量W表示滤波器的权矢量。则：

W＝[w₁₁ w₁₂…w_1N w₂₁ w₂₂…w_2N w_M1 w_M2…w_MN]^T

MN×1维接收向量表示为：

X＝[x₁₁ x₁₂…x_1N x₂₁ x₂₂…x_2N x_M1 x_M2…x_MN]^T

滤波器输出信号表示为：

Y＝W^HX

可见，数字波束形成结合空时自适应滤波的数字多波束方案的核心工作，就是选择一种适合的最优准则，计算出空时滤波器的权矢量W。

数字波数形成抗干扰自适应处理结构如图6所示。其中x_add以及y_i由和差波数模块得到，由于卫星信号十分微弱，可以采用功率倒置算法，即将一路信号作为期望信号，用其余几路信号逼近期望信号，达到输出功率最小的目的。自适应算法采用经典的LMS迭代算法，LMS算法的迭代公式为

w′(n+1)＝w′(n)+μu(n)e^*(n)

其中w′(n)为n时刻的自适应权向量值，u(n)为输入信号，μ为迭代步长因子，为n+1时刻的估计值，d(n+1)为n+1时刻的期望值，e(n+1)为n+1时刻的估计误差。

综上所述，本发明中通过天线阵列、环形器、接收前级滤波单元、低噪声放大单元、下变频单元、A/D转换单元、抗干扰及基带处理单元对干扰信号的滤除处理，使卫星中继数据链接收机基带处理部分获得了更加纯净的信号，使卫星中继数据链接收机可在多干扰环境下正常工作。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种卫星中继数据链接收机抗干扰系统，其特征在于包括抗干扰天线阵列、接收前级滤波单元、低噪声放大单元、下变频单元、AD转换单元、抗干扰及基带处理单元、FPGA处理器，其中：

抗干扰天线阵列接收空间信号，抗干扰天线阵列中每个天线阵元与接收前级滤波单元相连接，前级滤波单元的输出通过接插件与低噪声放大单元相连接，低噪声放大单元对信号进行多级滤波放大，低噪声放大单元通过射频线缆与下变频单元相连接，下变频单元将接收信号下变频至中频信号，由AD转换单元进行采样，经过多个AD转换单元的多个中频信号连接于FPGA处理器，在FPGA处理器中进行抗干扰算法处理及基带处理。

2.根据权利要求1所述的一种卫星中继数据链接收机抗干扰系统，其特征在于：所述的抗干扰天线阵列为七阵元相控阵天线阵列，每个天线阵元均与接收前级滤波单元相连接，每组前级滤波单元、低噪声放大单元、下变频单元、A/D转换单元均与一个天线阵元相对应，即接收前级滤波单元、低噪声放大单元、下变频单元、A/D转换单元均有七组

3.根据权利要求1所述的一种卫星中继数据链接收机抗干扰系统，其特征在于：所述的FPGA处理器，在FPGA处理器中进行抗干扰算法处理及基带处理的方法为：

(1)经过AD转换单元采样的中频信号，通过参数相同的高通滤波器，滤除其中的低频干扰；

(2)滤除低频干扰后通过希尔伯特变换器将原有的实信号变为解析信号；

(3)将经过希尔伯特变换得到的解析信号经过通道校正，同时将外部给定的信号方位角信息转换为信号的导向矢量，将通道校正后的信号结合导向矢量，进行波束合成，得到和信号、差信号；

(4)对差信号做LMS算法迭代，输出权值和误差信号，将误差信号的实部信号送基带处理单元进行解算处理。

4.根据权利要求1或2所述的一种卫星中继数据链接收机抗干扰系统，其特征在于：所述的抗干扰天线阵列为均匀圆阵，M个阵元位于同一平面内，编号为0的阵元位于圆心，编号为1～M-1的阵元均匀分布于半径为R的圆周上，相邻阵元之间的距离均为R。

5.根据权利要求4所述的一种卫星中继数据链接收机抗干扰系统，其特征在于：还包括计算坐标系，计算坐标系圆心为坐标原点，圆心与阵元1的连线为X轴，阵元平面法向为Z轴，采用右手坐标系建立坐标系，得到入射信号为s(t)，俯仰角θ为Z轴与入射信号到原点连线的夹角，方位角为入射信号与原点的连线在X-Y平面的投影和X轴的夹角。

6.根据权利要求1所述的一种卫星中继数据链接收机抗干扰系统，其特征在于：所述的第m个阵元接收到的信号的相位差为

其中，m＝1,2,..M-1

得到阵列响应矢量为

阵列接收信号为

形成波束输出为

其中w＝[w₀,w₁,···,w_M-1]^T。

然后以坐标原点为参考点，信号入射方向的单位向量为

阵元位置坐标向量为

p_m＝[x_m y_m],m＝1,2,...,N

阵元相对于参考信号点的延时为

信号相移为

7.根据权利要求6所述的一种卫星中继数据链接收机抗干扰系统，其特征在于：所述的卫星信号导向矢量的计算方法为：

首先根据指向角度精度将整个空域的俯仰角划分为M份，方位角划分为N，然后根据阵列模型计算导向矢量值。