一種衛星通信低速突發信號隱蔽性增強方法*

王延鵬，李 程

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

0 引 言

衛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星鏈路上，在不被發現的情況下，借助可視空域上的通信衛星進行通信。重疊通信要做到隱蔽，已方信號必須比原業務信號微弱得多。擴頻信號的一個重要特點是功率譜密度低。類似白噪聲，將它疊加到原業務信號頻帶內只相當于增加背景噪聲[1]。擴頻信號與其他信號共頻譜傳輸示意圖，如圖1所示。

擴頻信號與其他信號重疊通信，需要滿足以下要求[2]：

（1）疊加的寬帶擴頻信號不能將轉發器推向飽和，寬帶擴頻信號的功率受轉發器輸入補償約束；

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

（3）疊加的寬帶擴頻信號能夠進行通信，滿足自身接收信噪比門限要求。

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

1 鏈路分析

系統應用參數如表1所示[3-4]。

表1 系統應用參數

1.1 干擾信號分析

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

天線接收的干擾噪聲比[5]可通過式（1）估算：

干擾導致的擴頻信號信噪比惡化為

1.2 低速突發信道功率波動分析

在AWGN信道中，干擾條件下BPSK/DS擴頻信號的誤比特率[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，Var(L)=0。式（3）就是AWGN信道誤比特率的表達式。

當干擾功率為RJ時，式（3）可以表示為：

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

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

寬帶擴頻信號下行載噪比為：

衛星發送功率為：

式中k為波爾茲曼常數

寬帶擴頻信號上行載噪比為

寬帶擴頻信號引起的已承載載波信噪比惡化為：

寬帶擴頻信號引起的已承載載波帶內功率波動為：

寬帶擴頻信號引起的保護頻帶內功率波動為：

可見，保護帶寬內的功率波動遠大于已承載載波帶內功率波動。保護頻帶內功率波動過大，不利于信號隱蔽，因此必須采取措施降低保護頻帶內寬帶擴頻信號功率，減少保護頻帶內的功率波動。減少寬帶擴頻信號在保護頻帶內的功率，勢必會損失寬帶擴頻信號功率，導致信噪比惡化，使得到達接收端的接收信噪比小于解調門限。首先，考慮將保護頻帶內的寬帶擴頻信號功率全部挖掉這種極限情況，那么保護頻帶內的功率波動為零。

已承載載波占用頻帶內的功率波動為：

從式（11）看出，此種情況下，已承載載波占用頻帶內的功率波動變化不大。但是，如果保護帶寬大于10%，則已承載載波占用頻帶內的功率波動會大于0.67 dB。

設寬帶擴頻信號保護頻帶內挖掉的功率為ΔP，總的功率為P，已承載載波占用帶寬為B0，保護帶寬為Bg，則補償后信號的總功率為G×(P-ΔP)，G為增益系數，且有G×(P-ΔP)≥P。

已承載載波占用頻帶內的功率波動為：

保護頻帶內的功率波動為：

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為：

由于接收端天線噪聲N1的引入，使ηES＜ηs。

2 低速突發信道隱蔽性增強方法對系統性能影響的仿真分析

由低速突發信道傳輸性能分析可知，寬帶擴頻信號在保護頻帶內的功率波動很大。所以，在信號設計時，需要將保護頻帶內的功率。本文提出了隱蔽性增強策略。一般情況下，選擇的轉發器寬帶擴頻信號頻帶內的保護頻帶不超過10%。

策略的實施可以分為以下幾個步驟。

（1）確定DS擴頻信號發送、接收地球站品質因數、DS擴頻信號的信息速率、門限信噪比和中心頻點；

（2）確定轉發器帶寬和上下行工作頻段，根據工作頻段計算上下行空間損耗LU和LD；

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

（4）衰減控制器控制擴頻后的數據進行FFT處理，在頻域內將保護頻帶內的FFT輸出幅度響應乘以衰減系數，再對處理后的數據進行快速傅里葉逆變換（InverseFast Fourier Transform，IFFT）變為時域數據。

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

下面對步驟（4）處理對系統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為擴頻后信號帶寬；fd為擴頻前的數據帶寬。數據信號與擴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。

經衰減系數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。可知，經過信號衰減處理后的系統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。在起始位置f0和衰減帶寬比β一定時，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，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，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輸入信噪比降低，降低了系統的解調性能。

用Matlab進行基帶的誤碼率仿真，仿真假設條件是寬帶擴頻信號頻帶內均勻分布3個載波，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帶寬關系一般是固定的。保護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策略處理后，對信號解調性能損失的影響的仿真過程如圖5所示。

以擴頻比為N=63為例，仿真信號在保護頻帶內的衰減對系統性能的影響。如圖6所示，仿真結果顯示了保護帶寬占總帶寬10%時，信號做頻譜成形后，對信號解調性能影響在0.5 dB左右。所以，在基本不影響解調性能的情況下，采用基于頻譜感知的隱蔽性增強策略可以使帶內功率波動從3 dB降到0.67 dB，增強了信號隱蔽性。

3 結 語

本文根據低速突發信號與轉發器上原有信號進行共頻帶傳輸的特點，對低速突發信道進行鏈路分析。結果表明，低速突發信號在保護頻帶內引起的功率波動達到3 dB，導致信號隱蔽性降低。為改善低速突發信道的隱蔽性，提出了隱蔽性增強策略。通過確定保護頻帶的位置和數量，對寬帶擴頻信號在保護頻帶內做衰減處理。處理方法是對發送信號做FFT運算進行時頻轉換，在頻域內做衰減處理，再進行IFFT將信號轉換為時域信號發送出去。仿真分析表明，頻譜成形技術對信號解調性能影響在0.5 dB以內，而帶內功率波動從3 dB降到0.67 dB，很好地提升了突發信號的隱蔽性。