1.3 直接序列扩频/跳频技术

扩频是卫星通信中最基本的抗干扰技术。扩频技术是一种信息传输方式，信号用一个与其无关的随机序列来扩展频谱，使其带宽远远超过传输所需要的最小带宽；在接收端用相同的扩频序列对其进行同步接收、解扩，以便使信号恢复到原始状态。扩频系统根据频谱扩展的方式不同可分为直接序列扩频（DSSS）方式和跳频（FH）方式。直接序列扩频直接用具有高码率的扩频码序列在发送端扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。早在1966年，美国的第1颗军事通信卫星DSCSI就使用了扩频技术。美军正在使用的Milstar、租赁卫星（LEASAT）和舰队卫星通信系统也采用了直接序列扩频技术。

跳频通信是收发双方传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化的通信方式，即通信中使用的载波频率受伪随机序列的控制而随机跳变。从实现方式来说，跳频是一种用伪随机序列进行多频频移键控的通信方式，也是一种码控载频跳变的通信系统，工作流程如图1-4所示。从时域上来看，跳频信号是一个多频率的频移键控信号；从频域上来看，跳频信号的频谱是一个在很宽频带上以不等间隔随机跳变的信号。跳频控制器为核心部件，具有跳频图案产生、同步、自适应控制等功能；频率合成器在跳频控制器的控制下合成所需频率；数据终端对数据进行差错控制。跳频通信作为扩频通信的一种，因其良好的抗干扰性和保密性而被广泛应用于军事通信。对跳频系统的限制在于频率合成器的高速转换而无杂波产生，其一项重要参数是频率的跳变速率，它很大程度上决定了跳频通信系统抗跟踪式干扰的能力，因此跳频技术一直向更高的速率发展。由于卫星工作频带很宽，为了在不同的转发器内都能工作，通常要求地面设备必须覆盖500 MHz以上带宽，要在如此宽的频带内实现快速、精细的跳频，难度很大。

文献[13]针对扩频系统中的窄带干扰，提出了一种改进的双门限干扰抑制（IS）算法。该算法利用了直接序列扩频信号和BPSK调制的频谱特性，利用PN-BPSK信号的对称性来获得更好的频谱估计，并设置一个极限门限来保护信号频谱的主瓣。

1.3.1 自适应编码调制技术

自适应编码调制（ACM）技术是一种具有信道自适应特性、适用于卫星等使用无线信道通信的传输技术。它建立在信道估计的基础之上，通过回传信道将信道状态信息传送给发送端，使其根据不同的信噪比自适应地改变编码方式和调制方式。当信噪比较小时，使用较低的信息传输速率；当信噪比较大时，采用较高的信息传输速率，这样总体上使信道利用率比固定速率系统的高，从而使系统高效可靠传输，优化整体性能。决定自适应编码调制系统性能的因素有自适应回路时延、链路状态估计算法和调制编码方案的粒度。与非自适应方案相比，自适应编码调制大约可以提供20 dB的功率增益。选择具有更大功率效能、更高频带利用率的编码调制方案将进一步提升自适应编码调制系统的性能。

比较典型的编码技术主要是前向纠错码（FEC），主要包括 Viterbi 译码、自正交卷积码门限译码、BCH 码、R-S 码、卷积码序列译码和级联码。适用于卫星通信的调制方式为恒包络调制方式，包括多种PSK技术，如QPSK、IJF-QPSK、DQPSK等，以及各种连续相位调制（CPM）方式，如MSK、GMSK等。另外，还有格状编码调制技术（TCM）。在跳频信号中，可选用MFSK和DPSK等调制方式[14]。

KAPOOR R等[15]针对LEO卫星中的相邻波束干扰问题，采用载波干涉（CI）码来抑制干扰，CI 码具有较好的互相关特性，可以在不显著增加复杂度的情况下，显著地抑制低轨卫星系统中的多波束干扰。文献[16]结合基于辨别角度的干扰抑制方法和自适应功率控制技术，研究了一种基于自适应调制编码的共线干扰抑制方法。该方法利用非地球静止轨道（NGEO）卫星与GEO卫星系统的夹角来选择基于目标误码率算法的调制编码方案（MCS），在保证对GEO链路的干扰低于可容忍的干扰限度的同时，获得较好的频谱利用率，改善了NGEO系统的通信条件。LICHTMAN M等[17]提出了一种减轻反应性干扰影响的策略，该策略利用了反应性干扰的几何约束，采用编码和交织方案，使传输的比特出现在每一跳的最开始处，从而实现了抗干扰。

文献[18]在全球导航卫星系统星间链路（ISL）中，提出了一种基于码辅助技术的自适应窄带干扰（NBI）抑制方案。与常用的无限冲激响应（IIR）陷波滤波器和频域滤波不同，码辅助技术不需要干扰检测和快速傅里叶变换，自适应性能更好。文献[18]提出了利用干扰影响系数的概念来评估残余干扰对接收端载噪比（CNR）的影响。在伪码率为10.23 Mchip/s时，误码率不超过1×10-5，带宽为2 MHz的情况下，该方案可抑制的最大干信比（JSR）为40 dB。对于带宽为1 MHz的窄带干扰，可抑制的最大干信比为55 dB，对于单频干扰，可抑制的最大干信比为75 dB。

1.3.2 光通信技术

自由空间光通信（FSO）是以大气作为传输媒质传送光信号，只要在收发两个端机之间存在无遮挡的视距路径和足够的光发射功率，通信就可以进行。FSO 是物理层传输，任何传输协议均容易叠加进去，对语音、数据、图像等业务可以实现透明传送。一个无线光通信系统包括3个基本部分：发射机、信道和接收机。在点对点传输的情况下，每一端都设有光发射机和光接收机，可以实现全双工的通信。光发射机的光源受到电信号的调制，通过作为天线的光学望远镜，将光信号通过大气信道传送到光接收机望远镜；在光接收机中，望远镜收集接收光信号并将它聚焦在光电检测器中，光电检测器将光信号转换成电信号。FSO 具有的优点有：频带宽；速率高；频谱资源丰富，多采用红外光传输，系统的工作频段在300 GHz 以上，该频段的应用在全球不受管制；协议透明；架设灵活便捷；安全保密性强，与电波之间不存在干扰问题；成本低。除美国之外，欧洲航天局（ESA）、日本等也在大力研究光通信技术，激光空间链路技术正向长波长、大容量、远距离、低功耗、小型化、一体化以及星间组网的方向发展。

1.3.3 星上处理技术

星上处理可以使上下行链路之间去耦合，减少或消除上行干扰对下行链路的干扰作用，同时设法避免转发器被推向饱和。星上处理技术包括：星上信号解调/重调制、解跳/再跳、解扩/再扩、译码/再编码、速率变换、多波束交换、智能自动增益控制（Smart AGC）、多址/复用方式转换如上行码分多址（CDMA）或频分多址（FDMA）变换成时分多址（TDMA）等。在美国的Milstar中，上行采用FDMA和全频带跳频，下行采用 TDMA 和快速跳频。这样可充分利用行波管放大器的功率，功率的增加可减小用户端的天线尺寸，上行的功率不需要很大就可满足需要，从而降低了对地面站设备的要求。

美国正研究一种用于军事通信卫星的新型抗干扰处理技术——Smart AGC，其既可有效地抑制干扰，又可使有用的小信号不会有大的损失。Smart AGC 是一种基于包络处理的自适应卫星抗干扰技术，只由输入信号的幅度来识别干扰情况，而不需要分析干扰机的频谱，对一类具有某些包络特性的干扰包括宽带干扰的抑制是行之有效的，而且该技术是模块化的，无须对系统设计做大的改动，只需要在卫星转发器的射频或中频插入相关电路，即可直接应用于透明转发器和星上处理转发器。因此，传统的透明转发器采用Smart AGC技术后，在强干扰环境下，可以应用于通信。再生转发器采用该技术后，可以有效提高其可解调的干信比门限。

星上交换按照交换控制方式大体分为两类：一类是电路交换，在射频、中频、解调前或解调后基带进行信道间的切换而不分析信号中信息的星上交换；另一类是基带交换，在星上进行信号解调的基础上对基带进行信号分析，信号中假设了交换信息，通过星上处理单元转换这些信息，完成信号交换。

星上交换技术的发展，对提高卫星系统的抗干扰能力具有重大作用：实现波束化，星上交换能连接任意两个波束覆盖范围内的终端，是波束化的基础；实现星间链路，军事抗干扰卫星通信系统普遍采用多星组网，通过交换，利用星间链路可以实现通信链路的迂回和冗余，提高卫星通信网的可靠性；实现灵活的多用户之间的交换，军事信息的数据类型多、数据量大，信息交互频繁，可靠性、有效性要求高，只有灵活的交换技术才能保证这些需要。

1.3.4 限幅技术

限幅技术是星上广泛采用的一种抗干扰措施，作用是避免转发器中的功率放大器被上行干扰推向饱和。理想的限幅器应该具有这样的限幅特性：在输入高功率信号时具有很高的信号衰减，即隔离度高；在输入低功率信号时只有一个很小的插入损耗。限幅分为软限幅和硬限幅。硬限幅转发器完全工作在非线性状态，大信号压缩小信号，连续波干扰引起的压缩比最为严重。PIN 二极管限幅器是保护后面灵敏接收机电路不被自身发射脉冲泄漏功率和其他靠近的大功率微波信号烧毁的重要器件。发展最快也极具应用前景的微波功率器件材料是碳化硅第三代宽带隙半导体材料，碳化硅的击穿电场强度是硅的8倍，热导率性能是硅的3倍，电子饱和漂移速度是硅的2倍，这些优点有利于提高器件的抗辐射性能、热稳定性以及工作频率。软限幅转发器工作在线性区和限幅区2个区域，压缩比不仅同干信比和干扰类型有关，还与限幅门限有关。在限幅过程中由于非线性的作用，会产生强信号抑制小信号，使信噪比下降，最大可达6 dB，相对而言， 软限幅较硬限幅有大约4 dB的性能改善。

1.3.5 其他抗干扰技术

其他常见的抗干扰技术除了时域、频域抗干扰技术，还有空域自适应滤波、空时自适应滤波，以及对于特定干扰的抑制技术。

在空域自适应滤波方面，夏辉等[19]针对传统功率倒置（PI）算法在非理想环境下性能严重下滑的缺点，提出了基于对角加载的特征子空间DL-ESB-PI抗干扰算法。通过对信号协方差矩阵做对角加载处理及特征分解，舍弃噪声子空间对抗干扰权值的贡献，在小快拍数、存在阵列误差等非理想环境下，依然保持了较好的干扰零陷性能，PI算法与DL-ESB-PI算法方向图对比如图1-5所示。PI算法与DL-ESB-PI算法均能够在干扰位置形成零陷，而PI算法在干扰位置外，多个角度形成了深浅不一的零陷。DL-ESB-PI 算法的副瓣则更加平滑，对期望信号的损失更小，鲁棒性更高。

除此之外，360公司利用软件无线电技术模拟 GPS 信号，取得了突破性进展，利用抗干扰技术欺骗无人机对目标物体的侦查[20]。ARAFIN M T等[21]提出了一种将数据级欺骗检测与现有的基于GPS的定时系统相结合的设计方案。该设计使用单个或多个自由振荡器来检测GPS导出的频率漂移和偏移中的异常，从而对抗欺骗干扰。

在空时自适应滤波方面，文献[22-24]提出将空时自适应处理（STAP）应用到卫星通信抗干扰中，结合空间和时间信息，联合空时处理来抑制多径以及窄带和宽带干扰。

文献[25]针对现有 GNSS 接收机的多干扰抑制方法由于缺乏自由度而严重降低了多干扰抑制性能的问题，将时频分析与空间处理相结合，提出了一种空时频处理器。基于时频域干扰的循环性，引入最小公共周期块原则对接收信号进行分块。然后将每个块对应的时频点分组，采用基于最小功率无失真响应（MPDR）的空时频波束形成器消除干扰，实现了在不增加天线单元数目的情况下抑制宽带干扰（WBI）及应对来自与GNSS信号相同方向的干扰。