通信系統中抗干擾和并行捕獲模塊的融合設計

陳曉挺

(1.中國科學院上海微系統與信息技術研究所，上海 200050;2.上海微小衛星工程中心通信技術室，上海 201203)

通信系統中抗干擾和并行捕獲模塊的融合設計

陳曉挺1，2

(1.中國科學院上海微系統與信息技術研究所，上海 200050;2.上海微小衛星工程中心通信技術室，上海 201203)

討論了通過FFT融合實現頻域抗干擾和載波多普勒頻偏快速捕獲的高效數字化方案，分析了融合設計需要解決的采樣率、FFT點數、分時復用等關鍵技術問題，給出了一種可應用于低軌擴頻通信系統的高效實現頻域抗干擾和PMF－FFT并行捕獲的接收機結構，節省了星上接收機等處理資源。

頻域抗干擾;并行捕獲;直接序列擴頻;低軌衛星

衛星通信系統具有覆蓋范圍廣、部署迅速、組網方便等特點，在軍事和民用領域都具有重要的使用價值;同時衛星通信受制于傳輸損耗大、軍事應用多等自身特點，不可避免地遭受到各種有意或無意的干擾。衛星通信中常用抗干擾技術有:天線抗干擾、擴頻、星上處理、自適應編碼調制、擴展頻段、無線光通信、限幅技術等［1］。同時采用星上處理和直接序列擴頻技術能為衛星通信系統提供較好的抗干擾能力，但仍不足以對抗實際應用環境中的干擾，數字抗干擾技術是提高衛星抗干擾能力的重要途徑［2］。

1 頻域抗干擾

數字抗干擾技術可分為時域抗干擾和頻域抗干擾兩類。時域抗干擾采用自適應濾波算法，在處理多個窄帶干擾、強干擾、非平穩信號時性能不佳。頻域抗干擾根據信號和干擾的不同頻譜特性，在頻域上有效抑制干擾并保留有用信號，避免了時域抗干擾的收斂問題。

頻域抗干擾通常借助FFT分析頻譜，原理如圖1所示，中頻輸入信號經FFT變換到頻域后，消除干擾譜線，再經IFFT變換到時域信號輸出，供后續的接收機處理。

圖1 頻域抗干擾原理圖

2 頻域捕獲

受低軌衛星高速運動引起的多普勒效應影響，需要前導頭輔助接收機同步PN碼和載波頻率［3］。過長的前導頭導致通信效率降低，尤其是對提供短數據服務的衛星通信系統［4］，需要設計并行捕獲算法縮短PN碼相位或載波頻率的搜索時間，提高系統通信效率。常用的并行搜索擴頻信號方案是借助FFT并行搜索載波頻率，原理框圖如圖2所示［5］。

信號經正交下變頻后進入部分相關器(PMF)，部分相關值送入N點復數FFT，在FFT計算結果中找出幅值最大的點，并與檢測門限比較。超過門限時即同時捕獲到了PN碼相位和載波多普勒頻偏，補償NCO頻偏后啟動PN碼和載波跟蹤;否則繼續搜索碼相位。

圖2 部分相關結合FFT的并行捕獲方法

3 抗干擾與捕獲融合設計

從圖1和圖2可以看出，頻域抗干擾算法和并行捕獲算法都包含FFT計算模塊，通過融合設計，共用FFT模塊可以大幅減少星上寶貴的處理資源消耗?？垢蓴_與捕獲融合設計，需要解決幾個具體問題:采樣率、FFT點數、分時共用機制以及接收機整體方案。

(1)采樣率。

進入FFT模塊的信號采樣率fs決定了FFT頻譜分析范圍，為防止混疊失真，通常要求fs＞2fc，fc為信號帶寬。采樣頻率fs越高，頻譜分析范圍越寬，但在單位時間內采樣點越多，對計算速度的要求也越高。

頻域抗干擾的頻譜分析范圍為射頻帶寬:(1+α)×BWPN，其中α為成型系數，BWPN為PN碼帶寬。因此頻域抗干擾的采樣率應高于(1+α)×BWPN×2，可以取BWPN×4。載波頻差估計的頻譜分析范圍是多普勒頻移范圍 fd，因此捕獲的采樣率應高于2fd，可以取4fd。BWPN和fd之間沒有固定關系，但一般差距較大，如在Globalstar系統中分別為1.228 8 MHz和40 kHz，相差30倍。采樣率不同，需要設計數據緩存及分時調用FFT模塊的機制。

(2)FFT點數。

FFT點數和FFT采樣率一起決定了頻譜分辨率:f0=fs/N=1/NTs=1/T，其中N為采樣點數，fs為采樣頻率，Ts為采樣間隔。選擇FFT的計算點數N參數需考慮:1)由采樣定理:fs≥2fc。2)頻率分辨率:f0=fs/N。一般情況給定了fc和f0時也就限制了N范圍:N≥fs/f0。

如果抗干擾模塊采用256點的FFT，當采樣率為1.228 8 MHz×4時，FFT頻譜估計的最小頻率間隔約為20 kHz。當對抗目標為＜10 kHz的窄帶干擾時，20 kHz的頻率分辨率會導致較大的有用信號失真。從頻譜分辨率考慮，希望FFT的長度越長越好，更精細的分辨干擾，又考慮到實現復雜度，一般選擇1 024點FFT。

載波頻率捕獲的FFT點數和多普勒頻偏fd、符號速率Rb有關，頻率分辨率至少＜Rb/2，以便后續載波跟蹤算法進一步鎖定載波頻率。以40 kHz多普勒頻偏和600 bit·s－1符號速率計算，FFT 點數應 ＞134，考慮到包絡衰減和插零操作可選512點，如圖3所示，起伏較慢的包絡為部分相關器累加長度內多普勒頻偏引起的衰減，快變的扇形包絡為FFT計算引起的衰減，插零可減少第二項扇形衰減［5］。當符號速率為2.4 kbit·s－1時，多普勒頻偏和符號速率之間的差異變小，要求的FFT計算點數也將減小。

圖3 補零對FFT輸出包絡衰減的影響

設計可變點數FFT模塊，并且頻繁地切換點數進行復用，實現復雜度太高。實際增加FFT點數能提高載波頻率捕獲信噪比，也能提高抗干擾模塊窄帶干擾分辨率，因此FFT點數可選擇兩個模塊所需FFT點數的較大者。

(3)分時共用機制。

抗干擾模塊在整個通信過程中連續工作，而并行捕獲僅工作于通信起始時的前導頭階段，分時共用FFT模塊機制如圖4所示。在信號確認被捕獲之前，抗干擾和捕獲模塊分時調用FFT進行運算;進入跟蹤階段后，FFT僅供抗干擾調用。時分參數的具體選擇與工程實際緊密相關，依賴于前導頭長度與捕獲速度、抗干擾運算周期的相對關系，以及同時可能接入的用戶數等。

圖4 抗干擾與捕獲分時調用FFT機制

(4)接收機整體方案。

圖6給出了頻域抗干擾和載波頻率快速捕獲融合的接收機框圖，輸入中頻信號經A/D采樣后首先經過抗干擾模塊，其中需要調用2次FFT模塊分別計算FFT和IFFT。抗干擾模塊輸出的中頻信號經過下變頻后，啟動二維捕獲模塊:載波頻率捕獲采用PMF－FFT并行捕獲方式，PN碼相位則采用串行搜索方式。當峰值檢測確定捕獲完成后，切換至跟蹤階段，閉合PN碼跟蹤環路，同時將估計出的載波頻率值傳遞給載波跟蹤環后，閉合載波換跟蹤環路。當峰值檢測結果為噪聲時，繼續串行搜索PN碼相位。

圖5 接收機整體框圖

在接收機的一次信號流中3次調用了FFT模塊，FFT模塊工作時鐘應高于抗干擾模塊信息速率3倍以上，同時每次調用FFT模塊前后都用乒乓RAM緩存實時信息數據。設進入FFT模塊的最高信息速率為1.228 8 MHz×4，則 FFT運算速率應 ＞15 MHz;以1 024點FFT計算，每個信息樣點存儲2 Byte，則一共需要存儲6×2×2×1 024即24 kB。從處理速度和存儲空間來看，抗干擾與捕獲融合的接收機可以在FPGA中實現。

4 結束語

在低軌衛星直接序列擴頻通信系統中，干擾和多普勒效應是不可回避的兩大問題，通過合理設計，使基于部分相關器的并行捕獲方案和頻域抗干擾方案共用FFT計算模塊，可節省星上接收機的寶貴處理資源。

［1］柴焱杰，孫繼銀，李琳琳，等，衛星通信抗干擾技術綜述［J］.現代防御技術，2011，39(3):113 －117.

［2］LEONARD S，CHOCKALINGAM A.Design and system operation of Globalstar versus IS－95 CDMA－similarities and differences［J］.Wireless Networks，2000，6(1):47 －57.

［3］江綿恒.“創新一號”衛星研制實踐及微小衛星發展趨勢［J］.中國科學院院刊，2003(6):420 －423.

［4］陳曉挺，劉會杰，梁旭文.擴頻系統中多普勒頻偏快速估計算法的性能分析［J］.宇航學報，2008，29(2):648－652.

Co-design of Frequency-Domain Anti-Jamming and Parallel Acquisition in DSSS LEO Satellite Communication System

CHEN Xiaoting1，2
(1.Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology，CAS，Shanghai 200050，China;2.Communicaton Technology Room，Shanghai Engineering Center For Microsatellites，Shanghai 201203，China)

This paper introduces a high-efficiency co-design method for frequency-domain anti-jamming and parallel acquisition with FFT，analyzes such key problems as sample frequency，FFT calculation points，time-division reuse，etc.，and proposes a baseband processing structure for implementing frequency-domain anti-jamming and parallel acquisition high-efficiently in the DSSS LEO satellite communication system.

anti-jamming;parallel acquisition;DSSS;LEO satellite

TN919.4

A

1007－7820(2012)08－029－03

2012-02-27

陳曉挺(1981—)，男，博士，副研究員。研究方向:低軌衛星無線通信系統設計和研發。