王賽宇

(中國電子科技集團(tuán)第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

在衛(wèi)星通信中，衛(wèi)星、地面站和用戶終端構(gòu)成完整的應(yīng)用系統(tǒng)。星地鏈路的開放性決定了抗干擾是衛(wèi)星通信系統(tǒng)必須要考慮的問題［1］。隨著衛(wèi)星通信在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用，其所面臨的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，不僅要考慮非人為干擾，更需要重點(diǎn)考慮對(duì)抗各種惡意干擾，確保通信鏈路的正常應(yīng)用。

跳頻通信是對(duì)抗各種惡意干擾的一種基本手段，已經(jīng)被應(yīng)用無線通信中，如跳頻電臺(tái)［2－4］。在衛(wèi)星通信中，隨著系統(tǒng)頻段的不斷提高，可用帶寬達(dá)到1 GHz以上，為衛(wèi)星通信寬帶跳頻抗干擾提供了帶寬資源［5］。為了進(jìn)一步提高衛(wèi)星通信鏈路的抗干擾能力，系統(tǒng)在采用跳頻體制的前提下，還會(huì)綜合應(yīng)用其他多種手段，如波束隔離、天線調(diào)零、直擴(kuò)和跳時(shí)等。隨著偵收和干擾技術(shù)水平的提升，干擾手段逐漸多樣化、靈巧化，且實(shí)時(shí)處理能力越來越強(qiáng)。因此，對(duì)系統(tǒng)的跳頻速率、跳頻帶寬和信號(hào)隱蔽性提出了更高的要求。

針對(duì)高速寬帶跳頻衛(wèi)星通信的傳輸要求，提出了一種支持多速率傳輸?shù)膸Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，通過非均勻插入導(dǎo)頻，不僅能夠解決傳輸幀定時(shí)，而且還支持高精度的載波頻率估計(jì)。該方案可以實(shí)現(xiàn)頻率估計(jì)與鏈路定時(shí)的導(dǎo)頻信息共用，不僅能夠提高傳輸效率，而且導(dǎo)頻在傳輸幀內(nèi)隨機(jī)出現(xiàn)，增加了一維變化，提高了信號(hào)抗定點(diǎn)干擾能力，適合高速寬帶跳頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域［6］。

1 跳頻信號(hào)傳輸模型

跳頻信號(hào)可以表示為:

式中，A為基帶信號(hào)幅度;ωk和θ(t)為載波頻率和相位，與定頻信號(hào)的區(qū)別是載波頻率ωk隨時(shí)間跳頻圖案頻率集中選擇。

頻率集共N個(gè)頻點(diǎn)，每個(gè)頻點(diǎn)的駐留時(shí)間為T，即跳頻速率為1/T。

從上式中可以看出，在跳頻頻點(diǎn)駐留時(shí)間T內(nèi)，傳輸?shù)姆?hào)數(shù)與基帶信號(hào)的符號(hào)速率相關(guān)，目前衛(wèi)星跳頻通信中，跳速超過了1萬跳/s，每跳傳輸?shù)姆?hào)數(shù)在幾比特～幾千比特。由于收發(fā)頻率合成器一直處在跳頻狀態(tài)，如果每跳傳輸符號(hào)數(shù)較少時(shí)，顯然很難恢復(fù)出同頻同相的相干載波，即使每跳傳輸?shù)姆?hào)數(shù)較多時(shí)，若采用相干解調(diào)，也需要在每跳信息中增加用于載波快速同步的輔助信息，其代價(jià)較大，綜合效能會(huì)低于差分解調(diào)。

差分解調(diào)處理復(fù)雜度低，不需要接收端恢復(fù)相干載波，同時(shí)具有較強(qiáng)的頻差容忍能力。為了提高差分解調(diào)的性能，需要進(jìn)行載波頻率校正和補(bǔ)償，降低頻差對(duì)解調(diào)性能的影響［7］。

2 幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過跳頻信道模型可以看出，在跳頻條件下要完成收發(fā)通信，必須實(shí)現(xiàn)收發(fā)跳頻圖案、定時(shí)和載波等同步。為了完成收發(fā)同步，發(fā)端必須在信號(hào)中提供圖案、定時(shí)和載波等能夠用于同步的信息。接收端在已知圖案變化規(guī)律的前提下，在解出上述信息后，實(shí)現(xiàn)收發(fā)同步［8，9］。

同步信息僅用于系統(tǒng)的同步，不傳輸任何業(yè)務(wù)信息，因此同步信息傳輸?shù)亩嗌儆绊憘鬏旀溌返男?。為了便于系統(tǒng)同步，需要通過傳輸幀中周期插入同步信息?？紤]到系統(tǒng)傳輸效率，要盡量減少同步信息插入頻度，另外如果插入的信息能夠被多個(gè)功能復(fù)用，減少了插入信息的種類，同樣能夠達(dá)到目的?；谏鲜瞿康?，設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)高速寬帶多速率跳頻的信道幀結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 一種適應(yīng)高速寬帶多速率跳頻的幀結(jié)構(gòu)

可以看出，每個(gè)超幀包含多個(gè)幀，在每個(gè)超幀中都插入一次用于圖案同步的信息，該信息可以是和圖案變化規(guī)律相關(guān)的時(shí)間信息。每幀中都插入一次用于定時(shí)和載波同步的信息，該信息可以采用擴(kuò)頻方式發(fā)送，擴(kuò)頻碼速率不低于其他業(yè)務(wù)載波速率。同步信息在超幀中位置不固定，隨著時(shí)間隨機(jī)變化。

采用這種幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有以下幾個(gè)特點(diǎn):

①特殊信息在幀內(nèi)出現(xiàn)位置隨機(jī)，增加了偵收和定點(diǎn)干擾的難度;

②定時(shí)和載波恢復(fù)共用導(dǎo)頻信息，提高了幀效率;

③通過導(dǎo)頻完成了整幀定時(shí)，便于多速率傳輸。

利用幀內(nèi)圖案同步信息實(shí)現(xiàn)圖案同步后，鏈路定時(shí)是基于經(jīng)過擴(kuò)頻的導(dǎo)頻信息來完成［10］，擴(kuò)頻后的導(dǎo)頻符號(hào)速率不低于其他業(yè)務(wù)速率，利用高速信號(hào)提取的定時(shí)誤差相對(duì)于其他低速信號(hào)影響更小。但載波頻差會(huì)對(duì)解調(diào)性能產(chǎn)生影響，尤其對(duì)于低速載波。因此，需要對(duì)載波頻率估計(jì)進(jìn)行重點(diǎn)研究。

剩余載波頻差對(duì)頻差比較敏感的DQPSK差分解調(diào)性能的影響，如圖2所示。

圖2 剩余載波頻差對(duì)差分解調(diào)性能的影響

從圖2可以看出，當(dāng)歸一化載波頻差小于1%時(shí)，誤碼率在10－2～10－3，對(duì)解調(diào)性能的影響約0.2 dB。這也為差分解調(diào)時(shí)剩余載波頻差估計(jì)精度提出了性能要求。

3 頻率估計(jì)

考慮到不同地面站的接收能力，速率動(dòng)態(tài)范圍假定為24 dB，導(dǎo)頻采用碼長2 048的擴(kuò)頻序列，最低的門限接收信噪比6 dB。那么對(duì)于最小的站型，導(dǎo)頻的最低接收信噪比為6－24=－18 dB。

3.1 算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

由于導(dǎo)頻的信噪比很低，且非均勻的分散在超幀中，因此必須通過相干積分提高信噪比，積分后降低了樣本符號(hào)率，還可以提高頻率估計(jì)的分辨率和精度，支持低速載波的解調(diào)。相干積分后，如果積分越長，積分后的符號(hào)信噪比越高，樣本速率越低，頻率分辨率越高，但對(duì)系統(tǒng)頻差越敏感。另外，由于導(dǎo)頻的信噪比很低，單幀導(dǎo)頻的頻率估計(jì)精度可能無法滿足系統(tǒng)要求，因此需要對(duì)相干積分的長度以及需要利用多少幀導(dǎo)頻進(jìn)行設(shè)計(jì)。

假定定時(shí)恢復(fù)后的導(dǎo)頻數(shù)據(jù)為r(k)，發(fā)送的原始調(diào)制數(shù)據(jù)為a(k)，通過下述運(yùn)算消除數(shù)據(jù)的影響。

式中，*為調(diào)制數(shù)據(jù)的復(fù)共軛。通過上式運(yùn)算后消除了調(diào)制數(shù)據(jù)的影響，利用FFT是一種較為理想的估計(jì)方式［11，12］，且運(yùn)算復(fù)雜度適中。其主要影響是對(duì)載波頻差進(jìn)行了有限精度量化，其量化精度與FFT點(diǎn)數(shù)相關(guān)，需要通過仿真確定FFT點(diǎn)數(shù)。

算法實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。導(dǎo)頻輸入后，首先進(jìn)行相干積分，為了保證頻差估計(jì)精度，相干積分的數(shù)據(jù)經(jīng)過FFT，F(xiàn)FT輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行功率計(jì)算和多幀累加，累加完成后，進(jìn)行峰值查找，確定頻率誤差。下面對(duì)頻率估計(jì)性能進(jìn)行仿真。

圖3 基于逐幀累加的頻率估計(jì)方案

3.2 性能分析與仿真

由于幀內(nèi)多速率信號(hào)速率范圍為24 dB，即最高速率是最低符號(hào)速率的256倍，頻率估計(jì)精度要到3．9×10－5才能滿足幀中所有載波的解調(diào)要求。

仿真條件:導(dǎo)頻長度2 048個(gè)符號(hào)，符號(hào)信噪比為－18 dB，相干積分長度為64，歸一化載波頻差為1/1 024，F(xiàn)FT長度為 2 048。每個(gè)點(diǎn)的精度為1/(2 048×64)，仿真次數(shù)10 000次。仿真圖如圖4所示。

圖4 基于多幀累加FFT載波頻率估計(jì)性能

通過仿真可以看出，當(dāng)累加幀數(shù)大于8幀處理后，頻率估計(jì)偏差值落在4以內(nèi)的概率達(dá)到了98%以上，頻差估計(jì)精度優(yōu)于3×10－5，滿足幀內(nèi)最低速信號(hào)差分解調(diào)的需求。

仿真條件:累加幀數(shù)固定為16，其他條件與上述仿真相同。仿真圖如圖5所示。通過仿真可以看出，相干積分長度大于64后，對(duì)頻率估計(jì)精度基本無影響。

圖5 相干積分長度對(duì)載波頻率估計(jì)的影響

4 結(jié)束語

針對(duì)跳頻信道下的應(yīng)用背景，幀內(nèi)非均勻插入導(dǎo)頻，不僅解決了信號(hào)整體定時(shí)的難題，同時(shí)通過對(duì)多段導(dǎo)頻的非相干處理，可以使頻率估計(jì)精度達(dá)到3×10－5，滿足系統(tǒng)大速率動(dòng)態(tài)、多速率信號(hào)的非相干解調(diào)。另外，由于算法具有通用性，能夠適應(yīng)其他非均勻?qū)ьl插入方式的系統(tǒng)中，因此算法具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，給出的實(shí)現(xiàn)框圖可以指導(dǎo)工程實(shí)現(xiàn)。

［1］ 張冬辰，周 吉．軍事通信［M］．北京:國防工業(yè)出版社，2008:208－212．

［2］ 王四紅，王 磊，董石磊．Link16數(shù)據(jù)鏈信號(hào)參數(shù)估計(jì)方法研究［J］．無線電工程，2012，42(11):21 －23．

［3］ 王 濤，王 鑫，江振華，等．復(fù)雜電磁環(huán)境下跳頻電臺(tái)通信抗干擾能力分析［J］．艦船電子工程，2011，31(4):81－84．

［4］ 侯 群．甚高頻(VHF)跳頻電臺(tái)接收模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．無線電工程，2012，42(2):4 －6．

［5］ 袁 飛，文志信，王松松．美軍EHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)［J］．國防科技，2010，31(6):22 －26．

［6］ 任季中，趙 倩．基于FPGA的高速跳頻信號(hào)實(shí)時(shí)偵測［J］．無線電通信技術(shù)，2013，39(5):78 －80．

［7］ 丁 強(qiáng)，劉云宏，吳玉成．π/4－QPSK基帶差分解調(diào)的頻偏補(bǔ)償方案［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2007(15):16－18．

［8］ 彭偉明．跳頻通信中的抗干擾同步算法研究［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34(15):19 －22．

［9］ 張遠(yuǎn)貴，向新，梅文華．一種基于時(shí)間信息TOD的跳頻同步方法［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32(2):82 －84。

［10］屈 超．一種高速跳頻信號(hào)跳時(shí)鐘恢復(fù)方法［J］．無線電通信技術(shù)，2013，39(4):67 －69．

［11］潘申富，張麗娜．一種低信噪比解調(diào)的實(shí)現(xiàn)方案及性能仿真［J］．無線電通信技術(shù)，2011，37(2):55 －58．

［12］楊土安．基于頻率估計(jì)的短波跳頻同步捕獲技術(shù)的研究［D］．武漢:武漢大學(xué)，2004:22－42．