王延鵬，李 程

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引 言

衛(wèi)星重疊通信是一種重要的通信手段。它的基本思想是己方信號重疊建立在他方的衛(wèi)星鏈路上，在不被發(fā)現(xiàn)的情況下，借助可視空域上的通信衛(wèi)星進(jìn)行通信。重疊通信要做到隱蔽，已方信號必須比原業(yè)務(wù)信號微弱得多。擴(kuò)頻信號的一個(gè)重要特點(diǎn)是功率譜密度低。類似白噪聲，將它疊加到原業(yè)務(wù)信號頻帶內(nèi)只相當(dāng)于增加背景噪聲[1]。擴(kuò)頻信號與其他信號共頻譜傳輸示意圖，如圖1所示。

擴(kuò)頻信號與其他信號重疊通信，需要滿足以下要求[2]：

（1）疊加的寬帶擴(kuò)頻信號不能將轉(zhuǎn)發(fā)器推向飽和，寬帶擴(kuò)頻信號的功率受轉(zhuǎn)發(fā)器輸入補(bǔ)償約束；

（2）不明顯影響原有衛(wèi)星業(yè)務(wù)信號性能，且原業(yè)務(wù)信號允許的性能惡化限定了疊加的寬帶擴(kuò)頻信號的功率譜密度；

（3）疊加的寬帶擴(kuò)頻信號能夠進(jìn)行通信，滿足自身接收信噪比門限要求。

目前，衛(wèi)星重疊通信中常用的突發(fā)通信往往多采用此種方式。信道一次傳輸很少的信息量，一次突發(fā)的時(shí)間多則幾秒鐘，少則幾十毫秒。同時(shí)，接收端天線的能力往往較弱，信道需要占用較大的衛(wèi)星功率，因此信號依然容易被發(fā)現(xiàn)。低速突發(fā)信號的隱蔽性增強(qiáng)具有重大的研究意義。本文對低速突發(fā)信號進(jìn)行鏈路分析，針對分析結(jié)果提出了隱蔽性增強(qiáng)策略，改善己方擴(kuò)頻信號隱蔽性，并對改進(jìn)后的系統(tǒng)進(jìn)行性能仿真分析。

1 鏈路分析

系統(tǒng)應(yīng)用參數(shù)如表1所示[3-4]。

表1 系統(tǒng)應(yīng)用參數(shù)

1.1 干擾信號分析

用于接收低速突發(fā)信號的天線口徑小，波束寬帶較寬，在接收低速突發(fā)信號的同時(shí)，易受到多顆衛(wèi)星通信信號的干擾。

天線接收的干擾噪聲比[5]可通過式（1）估算：

干擾導(dǎo)致的擴(kuò)頻信號信噪比惡化為

1.2 低速突發(fā)信道功率波動(dòng)分析

在AWGN信道中，干擾條件下BPSK/DS擴(kuò)頻信號的誤比特率[6]為：

式中：Var(L)為干擾信號方差；N0為高斯加性白噪聲（Additive White Gaussian Noise，AWGN）的單邊功率譜密度。顯然，沒有干擾時(shí)，Var(L)=0。式（3）就是AWGN信道誤比特率的表達(dá)式。

當(dāng)干擾功率為RJ時(shí)，式（3）可以表示為：

式中：S為擴(kuò)頻信號功率；GP=Tc/Tb為擴(kuò)頻信號的處理增益；b為干擾因子（干擾因子與干擾樣式、干擾信號和DS擴(kuò)頻信號中心頻率的相對位置以及相位的相對值有關(guān)）。

設(shè)接收端誤碼率達(dá)到P=1×10-4條件下的信噪比解調(diào)門限Eb/N0=6 dB，鏈路余量MTH=3.5 dB，信息速率Rb=50 bit/s。

寬帶擴(kuò)頻信號下行載噪比為：

衛(wèi)星發(fā)送功率為：

式中k為波爾茲曼常數(shù)

寬帶擴(kuò)頻信號上行載噪比為

寬帶擴(kuò)頻信號引起的已承載載波信噪比惡化為：

寬帶擴(kuò)頻信號引起的已承載載波帶內(nèi)功率波動(dòng)為：

寬帶擴(kuò)頻信號引起的保護(hù)頻帶內(nèi)功率波動(dòng)為：

可見，保護(hù)帶寬內(nèi)的功率波動(dòng)遠(yuǎn)大于已承載載波帶內(nèi)功率波動(dòng)。保護(hù)頻帶內(nèi)功率波動(dòng)過大，不利于信號隱蔽，因此必須采取措施降低保護(hù)頻帶內(nèi)寬帶擴(kuò)頻信號功率，減少保護(hù)頻帶內(nèi)的功率波動(dòng)。減少寬帶擴(kuò)頻信號在保護(hù)頻帶內(nèi)的功率，勢必會(huì)損失寬帶擴(kuò)頻信號功率，導(dǎo)致信噪比惡化，使得到達(dá)接收端的接收信噪比小于解調(diào)門限。首先，考慮將保護(hù)頻帶內(nèi)的寬帶擴(kuò)頻信號功率全部挖掉這種極限情況，那么保護(hù)頻帶內(nèi)的功率波動(dòng)為零。

已承載載波占用頻帶內(nèi)的功率波動(dòng)為：

從式（11）看出，此種情況下，已承載載波占用頻帶內(nèi)的功率波動(dòng)變化不大。但是，如果保護(hù)帶寬大于10%，則已承載載波占用頻帶內(nèi)的功率波動(dòng)會(huì)大于0.67 dB。

設(shè)寬帶擴(kuò)頻信號保護(hù)頻帶內(nèi)挖掉的功率為ΔP，總的功率為P，已承載載波占用帶寬為B0，保護(hù)帶寬為Bg，則補(bǔ)償后信號的總功率為G×(P-ΔP)，G為增益系數(shù)，且有G×(P-ΔP)≥P。

已承載載波占用頻帶內(nèi)的功率波動(dòng)為：

保護(hù)頻帶內(nèi)的功率波動(dòng)為：

式中：Bw為信號帶寬。

由分析可知，ηs≥ χ1，ηq≥ χ2。

已承載載波接收端功率波動(dòng)為：

由于接收端天線噪聲N1的引入，使ηES＜ηs。

2 低速突發(fā)信道隱蔽性增強(qiáng)方法對系統(tǒng)性能影響的仿真分析

由低速突發(fā)信道傳輸性能分析可知，寬帶擴(kuò)頻信號在保護(hù)頻帶內(nèi)的功率波動(dòng)很大。所以，在信號設(shè)計(jì)時(shí)，需要將保護(hù)頻帶內(nèi)的功率。本文提出了隱蔽性增強(qiáng)策略。一般情況下，選擇的轉(zhuǎn)發(fā)器寬帶擴(kuò)頻信號頻帶內(nèi)的保護(hù)頻帶不超過10%。

策略的實(shí)施可以分為以下幾個(gè)步驟。

（1）確定DS擴(kuò)頻信號發(fā)送、接收地球站品質(zhì)因數(shù)、DS擴(kuò)頻信號的信息速率、門限信噪比和中心頻點(diǎn)；

（2）確定轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬和上下行工作頻段，根據(jù)工作頻段計(jì)算上下行空間損耗LU和LD；

（3）接收轉(zhuǎn)發(fā)器信號進(jìn)行快速體傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）處理，得到轉(zhuǎn)發(fā)器上原有信號的頻譜信息，將FFT的輸出值送入數(shù)值比較器，在數(shù)值比較器里按照從大到小的順序進(jìn)行排序，將最后10%的數(shù)據(jù)的頻譜位置信息送入衰減控制器；

（4）衰減控制器控制擴(kuò)頻后的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT處理，在頻域內(nèi)將保護(hù)頻帶內(nèi)的FFT輸出幅度響應(yīng)乘以衰減系數(shù)，再對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉逆變換（InverseFast Fourier Transform，IFFT）變?yōu)闀r(shí)域數(shù)據(jù)。

至此，以上4個(gè)步驟完成了發(fā)端信號的處理流程。圖2表示了基于頻譜感知的隱蔽性增強(qiáng)策略的流程。

下面對步驟（4）處理對系統(tǒng)性能的影響做簡單的理論分析。

m序列的噪聲功率譜密度[7]為：

式中：fc為擴(kuò)頻后信號帶寬；fd為擴(kuò)頻前的數(shù)據(jù)帶寬。數(shù)據(jù)信號與擴(kuò)頻信號都是單位幅度的雙極性矩形波。單邊功率譜密度如圖3所示。

經(jīng)衰減系數(shù)α處理后的信號功率譜密度為：

式中：f0為衰減帶寬的起始位置；α為衰減幅度因子；β為衰減帶寬比?？芍?，經(jīng)過信號衰減處理后的系統(tǒng)性能與衰減帶寬的起始位置fd、衰減幅度因子α和衰減帶寬比β有關(guān)。在起始位置f0和衰減帶寬比β一定時(shí)，信號的能量損失隨α而增大；在起始位置fd和衰減幅度因子α一定時(shí)，信號的能量損失隨β而增大；在衰減幅度因子α和衰減帶寬比β一定時(shí)，信號的能量損失隨fd的增加而減小。信號的能量損失造成接收機(jī)輸入信噪比降低，降低了系統(tǒng)的解調(diào)性能。

用Matlab進(jìn)行基帶的誤碼率仿真，仿真假設(shè)條件是寬帶擴(kuò)頻信號頻帶內(nèi)均勻分布3個(gè)載波，如圖4所示。該種載波分布情況能夠代表一般情況。載波分配帶寬、載波占用帶寬和載波之間的保護(hù)帶寬關(guān)系一般是固定的。保護(hù)帶寬占載波分配帶寬的10%左右。

按照基于頻譜感知的隱蔽性增強(qiáng)策略處理后，對信號解調(diào)性能損失的影響的仿真過程如圖5所示。

以擴(kuò)頻比為N=63為例，仿真信號在保護(hù)頻帶內(nèi)的衰減對系統(tǒng)性能的影響。如圖6所示，仿真結(jié)果顯示了保護(hù)帶寬占總帶寬10%時(shí)，信號做頻譜成形后，對信號解調(diào)性能影響在0.5 dB左右。所以，在基本不影響解調(diào)性能的情況下，采用基于頻譜感知的隱蔽性增強(qiáng)策略可以使帶內(nèi)功率波動(dòng)從3 dB降到0.67 dB，增強(qiáng)了信號隱蔽性。

3 結(jié) 語

本文根據(jù)低速突發(fā)信號與轉(zhuǎn)發(fā)器上原有信號進(jìn)行共頻帶傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，對低速突發(fā)信道進(jìn)行鏈路分析。結(jié)果表明，低速突發(fā)信號在保護(hù)頻帶內(nèi)引起的功率波動(dòng)達(dá)到3 dB，導(dǎo)致信號隱蔽性降低。為改善低速突發(fā)信道的隱蔽性，提出了隱蔽性增強(qiáng)策略。通過確定保護(hù)頻帶的位置和數(shù)量，對寬帶擴(kuò)頻信號在保護(hù)頻帶內(nèi)做衰減處理。處理方法是對發(fā)送信號做FFT運(yùn)算進(jìn)行時(shí)頻轉(zhuǎn)換，在頻域內(nèi)做衰減處理，再進(jìn)行IFFT將信號轉(zhuǎn)換為時(shí)域信號發(fā)送出去。仿真分析表明，頻譜成形技術(shù)對信號解調(diào)性能影響在0.5 dB以內(nèi)，而帶內(nèi)功率波動(dòng)從3 dB降到0.67 dB，很好地提升了突發(fā)信號的隱蔽性。