一种检测BPSK卫星通信系统误码性能恶化程度的方法.pdf

本发明公开了一种检测BPSK卫星通信系统误码性能恶化程度的方法，包括：分别计算BPSK卫星通信系统受单频干扰时的误码率和无单频干扰时的误码率；根据该BPSK卫星通信系统受单频干扰时的误码率和无单频干扰时的误码率，计算BPSK卫星通信系统受单频干扰时的误码性能恶化量；比较该误码性能恶化量与预先设定的误码率恶化量门限值，如果该误码性能恶化量大于该门限值，则判定误码性能重度恶化。利用本发明，完善和改进了现有BPSK卫星通信系统受单频干扰时误码性能恶化检测的方法，提供了一种准确的、具有一般性和实用性的检测方法。另外，本发明分析更为严谨，结果更加准确可信，并且更具实用性。

1.  一种检测二进制相移键控卫星通信系统误码性能恶化程度的方法，其特征在于，该方法包括：
分别计算二进制相移键控BPSK卫星通信系统受单频干扰时的误码率和无单频干扰时的误码率；
根据该BPSK卫星通信系统受单频干扰时的误码率和无单频干扰时的误码率，计算BPSK卫星通信系统受单频干扰时的误码性能恶化量；
比较该误码性能恶化量与预先设定的误码率恶化量门限值，如果该误码性能恶化量大于该门限值，则判定误码性能重度恶化。

2.  根据权利要求1所述的检测二进制相移键控卫星通信系统误码性能恶化程度的方法，其特征在于，所述计算BPSK卫星通信系统受单频干扰时的误码率包括：
将BPSK卫星通信系统中的载波与噪声频率差Δf、码速率R_b、信道噪声功率谱密度N₀、接收信噪比E_b/N₀以及载干比(A/A_i)²代入公式Pe=Q(d+uσ0)+12∫-dd1π[π-arccos(-yd)]1σ02πexp[-12(y-uσ0)2]dy+∫-dd1πarccos(-yd)1σ02πexp[-12(y+uσ0)2]dy,]]>计算BPSK卫星通信系统受单频干扰时的误码率P_e，其中Δf＝0时Δf≠0时为BPSK调制信号的幅度，A_i为单载波干扰信号的幅度，T＝1/R_b为码元宽度，Δf＝f_c-f_i为载波与干扰信号的频率差，E_b表示每个码元周期内的信号能量，R_b为传输码速率，N₀为信道噪声功率谱密度。

3.  根据权利要求1所述的检测二进制相移键控卫星通信系统误码性能恶化程度的方法，其特征在于，所述计算BPSK卫星通信系统无单频干扰时的误码率包括：
将BPSK卫星通信系统中的系统信噪比E_b/N₀代入公式计算BPSK卫星通信系统无单频干扰时的误码率P₀，其中E_b为每个码元周期内的信号能量，N₀为信道噪声功率谱密度。

4.  根据权利要求1所述的检测二进制相移键控卫星通信系统误码性能恶化程度的方法，其特征在于，所述根据该BPSK卫星通信系统受单频干扰时的误码率和无单频干扰时的误码率，计算BPSK卫星通信系统受单频干扰时的误码性能恶化量包括：
将该BPSK卫星通信系统受单频干扰时的误码率P_e和该无单频干扰时的误码率P₀代入公式H＝lg(P_e/P₀)，计算得到BPSK卫星通信系统受单频干扰时的误码性能恶化量H。

5.  根据权利要求1所述的检测二进制相移键控卫星通信系统误码性能恶化程度的方法，其特征在于，所述比较该误码性能恶化量与预先设定的误码率恶化量门限值，进一步包括：
如果该误码性能恶化量小于或等于该门限值，则判定误码性能没有重度恶化，无需针对此单频干扰对该移相键控卫星通信系统进行抗干扰处理。

6.  根据权利要求1所述的检测二进制相移键控卫星通信系统误码性能恶化程度的方法，其特征在于，所述判定误码性能重度恶化，该方法进一步包括：
针对此单频干扰对该移相键控卫星通信系统进行抗干扰处理。

一种检测BPSK卫星通信系统误码性能恶化程度的方法
技术领域
本发明涉及卫星通信系统误码性能检测技术领域，特别是涉及一种对二进制相移键控(BPSK)卫星通信系统在受单频干扰情况下误码性能恶化程度进行检测的方法。
背景技术
单载干扰对采用BPSK调制体制的卫星通信系统误码性能恶化的影响，一般体现在载波的跟踪性能恶化和检测判决性能恶化两个方面，在单频干扰强度小于信号载波强度的情况下，其影响主要体现在检测判决性能恶化方面。
现有对BPSK卫星通信系统误码性能恶化程度的检测方法主要分为三类：第一类是将单频干扰折算为在接收频带内的等效噪声分量，然后对该等效噪声分量进行检测分析；第二类将单频干扰与接收噪声区分开来，但是却将单频干扰相位作为确定量进行检测；第三类虽然将干扰相位作为随机量引入检测分析中，但是却仅仅给出了定性分析结果，没有形成量化的检测方法。
上述三类方法均存在不同程度的缺陷，会直接导致检测结果产生偏差甚至出现错误，影响工程应用中的抗干扰设计分析。首先第一类方法存在理论上的漏洞，BPSK通信系统无干扰时的误码率计算公式是在假定系统噪声满足高斯分布时得到的统计分析结果，将单频干扰等效为噪声分量后，系统噪声并不满足高斯分布，因此再采用原有的误码率计算公式，理论上不严谨。其次，第二类方法仅适用于干扰与接收端距离不变的通信系统，而在卫星通信系统中信号传输距离是不断改变的，将会导致干扰信号相位不断变化，因此将单频信号相位作为确定值的分析方法显然不具有一般性。最后，第三类方法没有给出量化的检测方法，在工程实践中不具备实用性。
鉴于上述现有检测方法的缺陷，本发明人基于从事绕月探测工程数据接收系统研制和设计的经验和心得，并配合通信原理及概率论的知识运用，积极加以研究创新，以期创设一种准确的、具有一般性和实用性的对BPSK卫星通信系统受单频干扰时的误码性能恶化程度进行检测的方法，经过不断的演算、推理分析终于创设出本发明。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种检测BPSK卫星通信系统误码性能恶化程度的方法，以实现对系统误码性能恶化程度的精确检测。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种检测BPSK卫星通信系统误码性能恶化程度的方法，该方法包括：
分别计算BPSK卫星通信系统受单频干扰时的误码率和无单频干扰时的误码率；
根据该BPSK卫星通信系统受单频干扰时的误码率和无单频干扰时的误码率，计算BPSK卫星通信系统受单频干扰时的误码性能恶化量；
比较该误码性能恶化量与预先设定的误码率恶化量门限值，如果该误码性能恶化量大于该门限值，则判定误码性能重度恶化。
上述方案中，所述计算BPSK卫星通信系统受单频干扰时的误码率包括：将BPSK卫星通信系统中的载波与噪声频率差Δf、码速率R_b、信道噪声功率谱密度N₀、接收信噪比E_b/N₀以及载干比(A/A_i)²代入公式计算BPSK卫星通信系统受单频干扰时的误码率P_e，其中Δf≠0时为BPSK调制信号的幅度，A_i为单载波干扰信号的幅度，T＝1/R_b为码元宽度，Δf＝f_c-f_i为载波与干扰信号的频率差，E_b表示每个码元周期内的信号能量，R_b为传输码速率，N₀为信道噪声功率谱密度。
上述方案中，所述计算BPSK卫星通信系统无单频干扰时的误码率包括：将BPSK卫星通信系统中的系统信噪比E_b/N₀代入公式计算BPSK卫星通信系统无单频干扰时的误码率P₀，其中E_b为每个码元周期内的信号能量，N₀为信道噪声功率谱密度。
上述方案中，所述根据该BPSK卫星通信系统受单频干扰时的误码率和无单频干扰时的误码率，计算BPSK卫星通信系统受单频干扰时的误码性能恶化量包括：将该BPSK卫星通信系统受单频干扰时的误码率P_e和该无单频干扰时的误码率P₀代入公式H＝lg(P_e/P₀)，计算得到BPSK卫星通信系统受单频干扰时的误码性能恶化量H。
上述方案中，所述比较该误码性能恶化量与预先设定的误码率恶化量门限值，进一步包括：如果该误码性能恶化量小于或等于该门限值，则判定误码性能没有重度恶化，无需针对此单频干扰对该BPSK卫星通信系统进行抗干扰处理。
上述方案中，所述误码性能恶化程度不能被容忍，该方法进一步包括：针对此单频干扰对该BPSK卫星通信系统进行抗干扰处理。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种检测BPSK卫星通信系统误码性能恶化程度的方法，完善和改进了现有BPSK卫星通信系统受单频干扰时误码性能恶化检测的方法，提供了一种准确的、具有一般性和实用性的检测方法。
2、本发明提供的这种检测BPSK卫星通信系统误码性能恶化程度的方法，不是简单的将单频干扰折算为接收频带内的等效噪声进行检测分析，而是将单频干扰作为系统接收信号的一部分独立进行考虑，并将其相位作为随机变量，采用最大似然估计，统计在检测判决时刻的误码概率，通过比较无干扰和有干扰时的误码率，实现了对系统误码性能恶化程度的精确检测。该方法分析更为严谨，结果更加准确可信，并且更具实用性。
3、本发明提供的这种检测BPSK卫星通信系统误码性能恶化程度的方法，成功应用在了绕月探测工程中，为我国与日本探月卫星信号频率协调工作以及地面接收站的抗干扰设计提供了依据，对以后深空卫星通信中类似情况的分析处理提供依据。
附图说明
图1是本发明提供的检测BPSK卫星通信系统误码性能恶化程度的理论分析框图；
图2是本发明提供的检测BPSK卫星通信系统误码性能恶化程度的方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
首先，介绍本发明的实现原理。考虑系统接收信号由BPSK调制信号、高斯白噪声和单频干扰三部分组成，其中BPSK调制信号载波幅度和频率、噪声功率谱密度、单频干扰幅度和频率为确定量。另外，不仅将信道噪声作为按高斯分布的随机变量，而且将单频干扰信号相位作为均匀分布的随机变量统一进行概率分析，采用最大似然估计，统计在检测判决时刻的错误概率，从而得到系统在不同信噪比、干扰频率和干扰强度时的误码率；然后将该误码率与系统无干扰时的误码率进行比对，得到当前干扰情况下的误码性能恶化量，为系统抗干扰设计提供依据。
请参照图1，图1是本发明提供的检测BPSK卫星通信系统误码性能恶化程度的理论分析框图。先考虑存在单频干扰的情况。不失一般性，将发送信息码元近似为随机序列进行考虑。基带波形为双极性非归零码；BPSK调制后的发送波形用s_i(t)表示——幅度为A，载频为f_c，码速率为R_b的BPSK信号(码元宽度T＝1/R_b)。
si(t)=s1(t)=Acos2πfct......1′′′′s2(t)=-Acos2πfct....0′′′′---(1)]]>
其中E_b表示每个码元周期内s_i(t)的能量。
将干扰信号表示为幅度为A_i，频率为f_i的单载波信号(f_i在系统带通内)，用I(t)表示：

其中是在(0，2π)均匀分布的随机变量。
n(t)是信道的加性高斯白噪声，双边功率谱密度为N₀/2。
上述三个信号同时被送入BPSK接收机进行相干解调和检测得到发送的信息码元。
如说明书附图1，当发送端发送s₁(t)时，接收机前端接收信号为

与本地载波相乘后输出信号为

令Δf＝f_c-f_i，则
1)、Δf＝0时
在t＝nT时(n是自然数)时刻的采样值为

由于f_c和f_c+f_i很大，上式近似为

其中第一项为所需的信号分量，第二项为单频信号干扰项，第三项为信道高斯白噪声分量。
令随机变量
由概率论可得，X的概率分布函数为
F(X)=0...x<-11π(π-arccosx)...-1≤x≤11...x>1---(7)]]>
Y满足均值方差的正态分布。
因此发送s₁(t)时的误码概率P(e/s₁)为
P(e/s1)=P(Z<0)=P(AAiT2X+Y<0)]]>
令X、Y的概率密度函数为由于X、Y独立，则

当y＞b时，P(e/s₁)＝0；
当y＜-b时，其中
Q(x)=12π&Integral;x∞exp[-12(u)2]du]]>
当-b≤y≤b时，
P(e/s1)=&Integral;-bb1π[π-arccos(-yb)]1σ02πexp[-12(y-uσ0)2]dy]]>
最后可得
P(e/s1)=Q(b+uσ0)+&Integral;-bb1π[π-arccos(-yb)]1σ02πexp[-12(y-uσ0)2]dy---(8)]]>
同理可得，当发送s₀(t)时的误码概率为
P(e/s0)=Q(b+uσ0)+&Integral;-bb1πarccos(-yb)1σ02πexp[-12(y+uσ0)2]dy---(9)]]>
2)，Δf≠0时，有
在t＝nT时(n是自然数)时刻的采样值为

由于f_c，f_c+f_i很大，上式近似为

令与1)中推理相同，可得
发送s₁(t)时的误码概率为
P(e/s1)=Q(c+uσ0)+&Integral;-cc1π[π-arccos(-yc)]1σ02πexp[-12(y-uσ0)2]dy---(11)]]>
发送s₀(t)时的误码概率为
P(e/s0)=Q(c+uσ0)+&Integral;-cc1πarccos(-yc)1σ02πexp[-12(y+uσ0)2]dy---(12)]]>
由于发送s₁(t)和s₀(t)的统计概率相等，综上所述接收误码率为
Pe=Q(d+uσ0)+12&Integral;-dd1π[π-arccos(-yd)]1σ02πexp[-12(y-uσ0)2]dy+&Integral;-dd1πarccos(-yd)1σ02πexp[-12(y+uσ0)2]dy---(13)]]>
其中Δf＝0时，Δf≠0时，
式(13)即为BPSK卫星通信系统受单频干扰时的误码率计算公式，根据这个公式，通过接收系统和干扰信号的相关参数即可求出当前情况的下的系统接收误码率。
而BPSK通信系统无干扰时的误码率为
P0=Q(2EbN0)---(14)]]>
因此BPSK卫星通信系统受单频干扰时的误码性能恶化量为
H＝lg(P_e/P₀)              (15)
若设定系统所能容忍的误码率恶化量为H₀，则当H＞H₀时，系统需要针对此单频干扰进行抗干扰处理。
基于上述本发明的实现原理，图2示出了本发明提供的检测BPSK卫星通信系统误码性能恶化程度的方法流程图，该方法包括以下步骤：
步骤1：分别计算BPSK卫星通信系统受单频干扰时的误码率和无单频干扰时的误码率；
步骤2：根据该BPSK卫星通信系统受单频干扰时的误码率和无单频干扰时的误码率，计算BPSK卫星通信系统受单频干扰时的误码性能恶化量；
步骤3：比较该误码性能恶化量与预先设定的误码率恶化量门限值，如果该误码性能恶化量大于该门限值，则判定误码性能重度恶化，针对此单频干扰对该BPSK卫星通信系统进行抗干扰处理；如果该误码性能恶化量小于或等于该门限值，则判定误码性能没有重度恶化，无需针对此单频干扰对该BPSK卫星通信系统进行抗干扰处理。
其中，步骤1中所述计算BPSK卫星通信系统受单频干扰时的误码率包括：将BPSK卫星通信系统中的载波与噪声频率差Δf、码速率R_b、信道噪声功率谱密度N₀、接收信噪比E_b/N₀以及载干比(A/A_i)²代入公式计算BPSK卫星通信系统受单频干扰时的误码率P_e，其中Δf＝0时Δf≠0时为BPSK调制信号的幅度，A_i为单载波干扰信号的幅度，T＝1/R_b为码元宽度，Δf＝f_c-f_i为载波与干扰信号的频率差，E_b表示每个码元周期内的信号能量，R_b为传输码速率，N₀为信道噪声功率谱密度。
步骤1中所述计算BPSK卫星通信系统无单频干扰时的误码率包括：将BPSK卫星通信系统中的系统信噪比E_b/N₀代入公式计算BPSK卫星通信系统无单频干扰时的误码率P₀，其中E_b为每个码元周期内的信号能量，N₀为信道噪声功率谱密度。
步骤2中所述根据该BPSK卫星通信系统受单频干扰时的误码率和无单频干扰时的误码率，计算BPSK卫星通信系统受单频干扰时的误码性能恶化量包括：将该BPSK卫星通信系统受单频干扰时的误码率P_e和无单频干扰时的误码率P₀代入公式H＝lg(P_e/P₀)，计算得到BPSK卫星通信系统受单频干扰时的误码性能恶化量H。
本发明成功应用在了绕月探测工程中，为我国与日本探月卫星信号频率协调工作以及地面接收站的抗干扰处理提供了依据。下面以此为例对本发明进行详细阐述。
近年来，随着世界各国运载火箭、远距离测控以及空间探测设备等技术的日趋成熟，深空探测活动日益频繁。出现了好几个国家的卫星同时对同一个天体进行探测的现象。这就使得各国的卫星与地面站的通信存在相互干扰的可能。
2007年9月，日本研制的SELENE探月卫星(以下简称“日星”)发射成功，SELENE探月卫星由一颗母卫星和两颗子卫星构成，两颗子卫星分别为“中继星”(Rstar)和“干涉测量卫星”(Vstar)。其中Rstar工作在距月球100km×2400km、倾角为90°的椭圆轨道上，执行在母卫星转到月球背面时与地面的数据中继任务。Vstar则工作在距月球100km×800km、倾角为90°的椭圆轨道上，与母卫星一起执行反演月球重力场等任务。
同年10月底，我国研制的绕月探测工程“嫦娥一号(CE-1)”探月卫星顺利升空。它运行在距月球200km的极轨道上，执行月面三维地形测绘、探测月球元素分布、评估月壤厚度及监测空间环境等任务。
CE-1的TD3波束作为探测数据下行的唯一途径，对整个绕月探测工程至关重要。而日星向国际电联上报的VS3波束频率落在了TD3传输频带内，将会对CE-1下行探测数据的接收造成干扰。
因此，我们需要在仔细研究卫星信号和接收系统各项参数的基础上，就日星干扰对CE-1数据接收系统造成的误码率恶化情况进行评估。然后根据其评估结果，与日方进行卫星频率协调或对CE-1数据接收系统进行抗干扰处理。
CE-1的TD3波束采用BPSK调制体制，用于探测数据下行，中心频率2290MHz，带宽6MHz。根据日本向国际电联申报的资料，日星VS3波束采用单载波形式，用于测控下行，中心频率2287.3MHz，带宽150kHz，见下表1，表1是中日卫星信号参数。则该问题实际上等效于评估高斯白噪声背景下的BPSK数据传输系统，在受单载波干扰时的误码率恶化情况。