跳頻衛(wèi)星信號(hào)傳輸波形設(shè)計(jì)研究

劉延路，孫晨華，王賽宇

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

跳頻衛(wèi)星信號(hào)傳輸波形設(shè)計(jì)研究

劉延路，孫晨華，王賽宇

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

跳頻通信是對(duì)抗各種惡意干擾的一種基本手段，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)。針對(duì)寬帶高速跳頻衛(wèi)星通信的傳輸需求，提出了一種跳頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗干擾增效策略，在跳頻通信的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高系統(tǒng)的綜合抗干擾性能。通過建立完整的寬帶高速跳頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)仿真模型，結(jié)合高效LDPC碼、π/4－DQPSK調(diào)制和交織等多種技術(shù)進(jìn)行傳輸波形的優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)。理論分析和仿真結(jié)果表明，采用該波形且 Eb/N0不低于6.2 dB時(shí)，系統(tǒng)抗阻塞干擾能力不低于22 dB。

跳頻通信;波形設(shè)計(jì);抗干擾;交織

0 引言

衛(wèi)星通信在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中起到了極其重要的作用，然而衛(wèi)星通信本身是一種極易受到干擾的通信體制［1］。衛(wèi)星通信的極端重要性與其自身的脆弱性形成了一對(duì)矛盾，研究抗干擾衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)刻不容緩［2］。跳頻技術(shù)是目前通信抗干擾領(lǐng)域應(yīng)用范圍最廣的一種通信方式，但受系統(tǒng)參數(shù)限制，僅依靠提高跳頻帶寬或者跳速的方法，對(duì)衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗干擾能力提高有限，必須考慮采用先進(jìn)的波形設(shè)計(jì)方法進(jìn)一步提高其抗干擾能力［3］。

結(jié)合信道編碼、高效調(diào)制技術(shù)與交織等波形設(shè)計(jì)方法，可在跳頻處理增益的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾性能［4］。因此，本文提出了一種跳頻衛(wèi)星信號(hào)傳輸波形設(shè)計(jì)，在跳頻通信的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高系統(tǒng)的綜合抗干擾性能［5］。

1 系統(tǒng)模型

通過建立完整的寬帶高速跳頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行傳輸波形的優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 跳頻通信系統(tǒng)模型

系統(tǒng)由信道編(解)碼模塊、定(解)幀模塊、(解)交織模塊、調(diào)制(解調(diào))模塊和干擾信號(hào)模塊共五大模塊組成。各個(gè)模塊的正確建立是整個(gè)仿真方案實(shí)施的關(guān)鍵［6］。其中，發(fā)射信號(hào)是原始消息信號(hào)經(jīng)過信源編碼之后的消息信號(hào)，是二進(jìn)制數(shù)字比特流。

1．1 π/4－DQPSK調(diào)制的實(shí)現(xiàn)

π/4－DQPSK是一種正交相移鍵控調(diào)制方式，它綜合了 QPSK調(diào)制技術(shù)的高頻譜利用率和OQPSK調(diào)制技術(shù)的相位無±π突變的優(yōu)點(diǎn)［7］。π/4－DQPSK調(diào)制信號(hào)的傳輸形式可以表示為:

式中，wct為載波角頻率;φk為調(diào)制相位，它包含了信號(hào)的相位信息，且在每個(gè)碼元周期T內(nèi)為常數(shù)。假設(shè)第k個(gè)碼元符號(hào)的相位為φk，那么它的值就是前一個(gè)碼元符號(hào)的相位值與跳變到當(dāng)前碼元的相對(duì)相位值的和，其表達(dá)式為:

由式(2)可以看出，當(dāng)前碼元符號(hào)的相位信息不但與瞬時(shí)跳變的相對(duì)相位的大小有關(guān)，還與前一個(gè)碼元符號(hào)的相位信息有關(guān)［8］。本文碼元信號(hào)與相對(duì)相位跳變信息的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 相位編碼

由于跳頻通信收發(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。因此，解調(diào)端采用差分解調(diào)方式。

1．2 跳頻通信模型

窄帶調(diào)制的跳頻系統(tǒng)輸出信號(hào)表示為:

式中，P為發(fā)射信號(hào)的功率;d(t)為基帶數(shù)據(jù)信號(hào)，是一雙極性不歸零信號(hào);w0為最低跳頻頻率;wΔ為最小跳頻間隔;k(t)的取值為［0，1，…，N－1］，其取值反映了跳頻系統(tǒng)的跳頻規(guī)律;N為跳頻頻點(diǎn)數(shù);φ0為載波的初相［9］。接收機(jī)收到的信號(hào)為:

式中，Pr為接收信號(hào)的功率;n(t)為噪聲干擾; J(t)為其他干擾。

當(dāng)接收端完成跳頻的同步后，其接收機(jī)中跳頻頻率合成器的輸出為:

式中，wI為中頻頻率。這樣，混頻后的輸出為:

經(jīng)過中頻帶通濾波器后，得到的信號(hào)為:

式中，第1項(xiàng)是有用信號(hào)，是標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制信號(hào)，經(jīng)過解調(diào)后就可得到發(fā)送的數(shù)據(jù);J'(t)為干擾經(jīng)過混頻、濾波處理后的輸出;n'(t)為噪聲經(jīng)混頻、濾波處理后的輸出［10］。

對(duì)于J'(t)，當(dāng)干擾頻率與當(dāng)前工作頻率相差一個(gè)中頻以上時(shí)，中頻濾波器就會(huì)將干擾濾除掉，而不會(huì)對(duì)解調(diào)造成影響［11］。即使在某一時(shí)刻干擾與信號(hào)頻率重合，由于干擾方一般不知道跳頻系統(tǒng)的跳頻圖案，在下一跳頻時(shí)間間隔內(nèi)也難以保持與信號(hào)的頻率重合，因此干擾難以奏效。

對(duì)于n'(t)，跳頻系統(tǒng)在任何一個(gè)跳頻時(shí)間間隔內(nèi)與常規(guī)窄帶系統(tǒng)的工作過程是完全一樣的，因此白噪聲對(duì)跳頻系統(tǒng)的影響與常規(guī)系統(tǒng)的影響一樣［12］。

本設(shè)計(jì)旨在仿真分析跳頻通信話音信號(hào)抗阻塞干擾能力。由于跳頻通信頻帶變化范圍廣，最高跳頻工作頻率在20 GHz以上(Ka頻段)，因此仿真時(shí)需要很高的采樣倍數(shù)，在幾千倍以上，這導(dǎo)致數(shù)據(jù)量劇增，難以精確模擬實(shí)際跳頻系統(tǒng)工作狀態(tài)。本設(shè)計(jì)將跳頻通信等效為定頻通信，將頻域阻塞干擾等效為時(shí)域干擾。即寬帶阻塞干擾可等效為定頻通信一幀內(nèi)的所有符號(hào)均受到干擾，部分頻帶干擾可等效為定頻通信一幀內(nèi)的每一符號(hào)均受到一定概率的干擾。

通過分析，本設(shè)計(jì)采用符號(hào)速率為80 ksps、載波頻率為160 kHz的定頻通信模型模擬跳頻通信受頻域阻塞干擾的情況。解調(diào)端剩余載波頻差1%，定時(shí)誤差為符號(hào)周期1/16。幀長(zhǎng)3 584，衛(wèi)星每發(fā)送一幀需要的時(shí)間為3 584/80 ksps=44．8 ms。采用4幀分組交織器，本設(shè)計(jì)延遲為 44．8 ms×4= 179．2 ms，在話音通信可接收范圍之內(nèi)。假定跳頻系統(tǒng)跳速為 20 000跳/s，則每跳發(fā)送符號(hào)數(shù)為80 k/20 000=4個(gè)。

1．3 交織模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用分組交織器，分組交織亦稱為塊交織，它是按分組接收符號(hào)，并對(duì)各組中的元素進(jìn)行相同的排列［13］。分組交織典型的方法是:在發(fā)送端把待交織符號(hào)按列寫成一個(gè)N行B列的矩陣形式，再按行讀出，即得交織后的數(shù)據(jù);在接收端則按行寫入再按列讀出，即得解交織后的數(shù)據(jù)。這種交織稱為(B，N)分組交織器［14］。其中，B被稱為交織深度，N被稱為交織約束長(zhǎng)度或?qū)挾取?/p>

設(shè)計(jì)幀長(zhǎng) 3 584，采用 4幀分組交織，延遲為179．2 ms，在話音信號(hào)允許范圍之內(nèi)。

2 阻塞干擾模型

設(shè)計(jì)旨在仿真分析跳頻通信話音信號(hào)抗阻塞干擾能力。抗干擾能力用干信比(JSR)表示，即干擾信號(hào)的能量與有用信號(hào)能量的比值計(jì)算得來。將跳頻話音通信BER≤10－4時(shí)的臨界干信比為定義為抗干擾能力。跳頻通信除了受到干擾方阻塞干擾之外，還受到信道高斯白噪聲干擾［15］。

根據(jù)1．2節(jié)建立的跳頻通信模型，將跳頻通信等效為定頻通信，頻域阻塞干擾等效為時(shí)域干擾，即干擾信號(hào)在時(shí)域上覆蓋全部或部分跳頻通信信號(hào)。定義干擾因子(ρ)為干擾比例，即干擾符號(hào)數(shù)與幀長(zhǎng)的比值。例如當(dāng)ρ=0．3時(shí)模擬干擾30%跳頻帶寬的部分頻帶干擾。調(diào)整部分頻帶的寬度，分別使干擾因子ρ=0．1和ρ=0．5或者其他值，即可得到干擾比例不同的部分頻帶干擾模型。當(dāng)ρ=1時(shí)，即為寬帶阻塞干擾。下面對(duì)波形抗阻塞干擾能力進(jìn)行仿真。

3 抗阻塞干擾性能分析

在無編譯碼的條件下，π/4－DQPSK調(diào)制硬解調(diào)時(shí)，調(diào)整部分頻帶的寬度，分別使干擾因子 ρ= 0．1、ρ=0．3、ρ=0．5和ρ=1。當(dāng)信道信噪比Eb/N0=12 dB時(shí)，得到誤碼率曲線如圖2所示。

圖2 部分頻帶干擾硬解調(diào)誤碼率仿真

由圖2所示，JSR=20 dB時(shí)，當(dāng)ρ=0．1時(shí)誤碼率最高，ρ=1時(shí)誤碼率最低，此時(shí)干擾頻帶越大，系統(tǒng)誤碼率越低。JSR=50 dB時(shí)，當(dāng)ρ=0．1時(shí)誤碼率最低，ρ=1時(shí)，誤碼率最高，此時(shí)通信系統(tǒng)受到最大干擾。可得出以下結(jié)論:當(dāng)干信比較小時(shí)，ρ=0．1時(shí)系統(tǒng)誤碼率最高，即干擾方集中能量干擾一小段頻率時(shí)，系統(tǒng)受到最大程度干擾;當(dāng)干信比較大時(shí)，ρ=1時(shí)的干擾效果最好，此時(shí)干擾方采取大范圍頻率段覆蓋干擾時(shí)，系統(tǒng)受到最大程度干擾。從圖2中可以看出，4條曲線可以做一條外切線，這條直線叫做最佳干擾曲線，即在這條直線上達(dá)到最佳干擾效果。即當(dāng)干信比一定時(shí)，系統(tǒng)受部分頻帶干擾影響最嚴(yán)重。

對(duì)于干擾方，在特定的干信比時(shí)，應(yīng)該能夠存在一個(gè)最佳的ρ，使得該干擾的誤碼率是誤碼率曲線的上限值。為此，取干信比JSR=34 dB的情況下，改變干擾因子，即干擾覆蓋總頻段的比例，得到圖3所示的誤碼率曲線。

圖3 隨干擾因子ρ變化的誤碼率曲線

從圖3中可以看到，在部分頻帶干擾下，誤碼率不是隨著干擾因子ρ的增加而單調(diào)增加的，而是隨著ρ在(0，1］之間變化時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最大誤碼率的極值情況，即當(dāng)ρ取某一值時(shí)，此時(shí)系統(tǒng)的平均誤碼率達(dá)到最大值，此時(shí)系統(tǒng)性能最壞。

從圖3中可以看到，在JSR=34 dB的條件下，最壞情況出現(xiàn)在ρ=0．3時(shí)，即當(dāng)干擾頻帶覆蓋整個(gè)頻帶的30%時(shí)，通信系統(tǒng)受到最大程度干擾。

信道編碼模塊選用LDPC碼。LDPC碼是一種性能優(yōu)良、描述簡(jiǎn)單、適合硬件實(shí)現(xiàn)的信道編譯碼方式。本文選用LDPC碼，碼長(zhǎng)為448，碼率1/2。分別仿真本系統(tǒng)在高斯白噪聲信道Eb/N0為6．0 dB、6．2 dB、6．4 dB、6．6 dB、6．8 dB、7．0 dB時(shí)的抗干擾能力，得到系統(tǒng)抗阻塞干擾能力仿真曲線如圖4所示。

圖4 跳頻通信抗阻塞干擾能力仿真

由圖4可以得出以下結(jié)論:

采用本文設(shè)計(jì)波形進(jìn)行話音通信，干擾方對(duì)跳頻通信系統(tǒng)進(jìn)行部分頻帶干擾時(shí)，ρ=0．1時(shí)所需干擾功率最小。對(duì)于通信方來說，當(dāng)干擾方采用ρ= 0．1部分頻帶干擾時(shí)，跳頻話音通信受到最大程度干擾。

以干擾方采用ρ=0．1部分頻帶干擾時(shí)情況作為系統(tǒng)的抗干擾能力，由圖4可以看出，當(dāng)Eb/N0≥6．2 dB時(shí)，系統(tǒng)抗干擾能力不低于 22 dB。隨著信道信噪比增大，系統(tǒng)抵抗阻塞干擾能力逐漸增強(qiáng)。當(dāng)Eb/N0=7 dB時(shí)，系統(tǒng)抗干擾能力達(dá)到27 dB。

4 結(jié)束語

針對(duì)衛(wèi)星通信容易受到干擾的問題，提出了一種跳頻衛(wèi)星通信傳輸波形設(shè)計(jì)策略，在跳頻通信的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾性能。仿真結(jié)果表明，當(dāng)信道Eb/N0≥6．2 dB時(shí)，系統(tǒng)抗阻塞干擾能力不低于 22 dB。若干擾方干擾功率一定，采用10%部分頻帶干擾時(shí)，所設(shè)計(jì)波形受到最大程度干擾。本波形具有通用性，可以適用于其他跳頻通信系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

從阻塞干擾的特點(diǎn)可以看出，它屬于定頻干擾，對(duì)付這種干擾一般可采用空閑信道搜索技術(shù)或者實(shí)時(shí)頻率/功率自適應(yīng)技術(shù)。

［1］ 孫晨華，劉學(xué)林．幀中繼MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)技術(shù)［J］．無線電通信技術(shù)，2002，28(5):51－53．

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Research on Waveform Design for Transmission of Frequency Hopping Satellite Signal

LIU Yan-lu，SUN Chen-hua，WANG Sai-yu，
(The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China)

Frequency hopping communication is a basic means to fight against all kinds of malicious interferences，and has been widely used in satellite communication system．Aiming at the transmission requirement of broadband high-speed frequency hopping satellite communication，a kind of anti-jamming strategy is proposed for frequency hopping satellite communication system，which further improves the performance of the system based on the frequency hopping communication．Through the establishment of a complete broadband high-speed frequency hopping satellite communication system simulation model，combined with efficient LDPC code，π/4-DQPSK modulation，interleaving and other techniques，the optimization of transmission waveform simulation is designed．Theoretical analysis and simulation results show that with the designed waveform and Eb/N0of not less than 6．2 dB，the system anti-barrage jamming performance is not lower than 22 dB．

frequency hopping communication;waveform design;anti-jamming;interweave

A

1003－3106(2017)02－0028－04

10．3969/j．issn．1003－3106．2017．02．07

劉延路，孫晨華，王賽宇．跳頻衛(wèi)星信號(hào)傳輸波形設(shè)計(jì)研究［J］．無線電工程，2017，47(2):28－31．

2016-11-03

國家部委基金資助項(xiàng)目。

劉延路男，(1992—)，碩士研究生。主要研究方向;衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)研究。

孫晨華女，(1964—)，研究員。主要研究方向:衛(wèi)星通信系統(tǒng)與總體技術(shù)。