衛(wèi)星通信與測量系統(tǒng)頻譜共享信號設(shè)計

范建軍，李春霞，李 敏，馮曉超

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京 100094)

0 引言

隨著衛(wèi)星頻譜資源的日趨緊張，頻譜共享技術(shù)已經(jīng)成為解決資源供需矛盾的一種有效方式[1-4]，甚至在隱蔽通信中也有廣泛應(yīng)用[5]。FDMA信號是衛(wèi)星通信經(jīng)常使用的多址方式，但頻譜利用率低，F(xiàn)DMA用戶被分配到一個固定頻段后，其他用戶不能與其共用頻段。而CDMA信號的一個顯著特點是功率譜密度低，類似于高斯白噪聲。通過將直接擴頻信號疊加在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的其他用戶信號上，相當(dāng)于增加了背景噪聲，可以實現(xiàn)與FDMA信號利用相同的頻率資源提高系統(tǒng)容量的目的[6]。文獻[7]研究了直接擴頻CDMA信號與窄帶信號頻譜共享應(yīng)用技術(shù)；文獻[8]分析了寬窄合用CDMA衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)容量，但均為通信系統(tǒng)，未考慮測量系統(tǒng)時的性能影響。隨著大數(shù)據(jù)應(yīng)用的發(fā)展，通信與測量系統(tǒng)的融合共用越來越普遍，已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點，但關(guān)注的重點還是通信性能[9-11]。2種信號始終共存的關(guān)鍵在于能夠確保各自的用戶性能，并對對方用戶的干擾控制在可允許范圍內(nèi)。基于上述原則，本文研究一種FDMA通信用戶和CDMA測量用戶的共存形式，這種方式在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中屬于下墊式(Underlay)頻譜共享方式[12-15]。考慮共存信號相互干擾情況下計算不同信號條件的FDMA通信性能和FDMA測量性能，設(shè)計了2種信號共存的合理方案。

1 CDMA與FDMA相互干擾的理論分析

在有限帶寬內(nèi)，F(xiàn)DMA通信信號相對于CDMA信號來說是一個窄帶信號，CDMA信號被認(rèn)為是頻譜擴展在整個頻帶內(nèi)的寬帶信號，因此2種信號共存時的相互影響也可以理解為寬窄帶信號間的相互干擾。

對于一個數(shù)字通信系統(tǒng)，按照ITU規(guī)則，干擾分析按照系統(tǒng)溫度不能超過所需的6%。系統(tǒng)溫度的提高意味著噪聲功率密度N0的增加，相當(dāng)于等效信號能量Ee相比信號能量E0降低6%，即：

(1)

首先，考慮CDMA用戶對FDMA用戶的干擾情況。按照文獻[5]，對于FDMA信號，K個CDMA信號可看作是疊加在背景噪聲的高斯噪聲，其能量損失Δ為：

(2)

(3)

式中，K為CDMA用戶數(shù)量；PNB，PSS為FDMA信號和CDMA信號的載波功率；TC，TNB分別為FDMA和CDMA信號的碼片周期。

考慮相反情況，對于CDMA信號，每個FDMA信號通過CDMA用戶終端后均經(jīng)過解擴處理，其功率譜密度函數(shù)表示為：

(4)

令：

(5)

式(4)表示為：

(6)

式中，H(f)為用滾降系數(shù)為α的升余弦濾波器函數(shù)表示的CDMA功率譜密度函數(shù)，實際代表每個獨立的FDMA信號經(jīng)過CDMA用戶終端后的密度函數(shù)，具體表達式如下：

對于CDMA用戶，其能量損失Δ為：

(7)

(8)

對于主用于測量的CDMA信號，其受FDMA用戶影響時，還應(yīng)該著重考慮能量損失對測距性能的影響。考慮最簡單的BPSK調(diào)制，按照非相干鑒別器的測距誤差公式，可以計算出測距誤差στ與載噪比C/N0之間的關(guān)系：

(9)

式中，Bn為接收機環(huán)路噪聲帶寬；d為碼片相關(guān)間隔；T為累積積分時間。

假設(shè)接收機噪聲環(huán)路帶寬Bn=0.1 Hz，相關(guān)間隔0.1碼片，累積積分時間T=0.005 ms。根據(jù)以上公式可以計算測距精度與載噪比曲線如圖1所示。當(dāng)要求測距精度達到0.3 ns時，由曲線可以看出，在碼率為5 Mc/s時載噪比下降不能低于39.6 dB。

圖1 偽碼測距精度變化曲線Fig.1 Pseudo-code ranging accuracy variation curve

2 信號共存設(shè)計

假定一個衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)中使用固定頻帶10 MHz，設(shè)計CDMA用戶與FDMA用戶共存，基本參數(shù)設(shè)置如表1所示，其中CDMA信號的信號功率、碼率及用戶數(shù)為主要設(shè)計參數(shù)，F(xiàn)DMA信號的信息速率也是可變設(shè)計參數(shù)。

表1 CDMA信號與FDMA信號參數(shù)表Tab.1 CDMA and FDMA signal parameters list

按照前面所述信號條件，分別分析CDMA用戶和FDMA共存時的相互影響。

2.1 CDMA對FDMA的影響分析

不同偽碼碼率、不同信號功率及不同信息速率條件下的FDMA信號能量損失如圖2～圖5所示。

圖2 CDMA信號對共存FDMA信號的影響曲線(信息速率 5 kb/s，碼率1.25 Mc/s)Fig.2 Influence curve of CDMA signal on coexisting FDMA signal(bit rate 5 kb/s，code rate 1.25 Mc/s)

圖3 CDMA信號對共存FDMA信號的影響曲線(信息速率75 kb/s，碼率1.25 Mc/s)Fig.3 Influence curve of CDMA signal on coexisting FDMA signal(bit rate 75 kb/s，code rate 1.25 Mc/s)

圖4 CDMA信號對共存FDMA信號的影響曲線(信息速率 5 kb/s，碼率5.0 Mc/s)Fig.4 Influence curve of CDMA signal on coexisting FDMA signal(bit rate 5 kb/s，code rate 5.0 Mc/s)

圖5 CDMA信號對共存FDMA信號的影響曲線(信息速率 75 kb/s，碼率5.0 Mc/s)Fig.5 Influence curve of CDMA signal on coexisting FDMA signal(bit rate 75 kb/s，code rate 5.0 Mc/s)

由圖2～圖5可以看出：

① 對于2種不同速率的FDMA用戶，相同CDMA用戶條件對其影響的變化規(guī)律非常相似，但相對變化的量值差別卻非常顯著。如果嚴(yán)格按照能量損失不超過0.25 dB的門限，信息速率為75 kb/s的FDMA，即使在頻帶內(nèi)碼率達到極限5 MHz，CDMA用戶共存?zhèn)€數(shù)要達到20個，2類用戶信號功率比至少要低于-18 dB，而對于信息速率為5 kb/s的FDMA用戶，相同碼率的CDMA信號僅需要低于-6 dB即可達到。

② 偽碼碼率一定條件下，CDMA信號功率相比FDMA信號功率越低，可共存的CDMA用戶數(shù)越多。因此，文中假定的信號條件下，若想降低CDMA對FDMA信號的影響，可通過在一定范圍內(nèi)提高偽碼碼率的方式。對于5 kb/s的FDMA用戶來說，假定有固定20個CDMA用戶，碼率為1.25 Mc/s的CDMA用戶功率必須低于FDMA用戶-12 dB以上才能滿足與FDMA共存條件，而碼率為5.0 Mc/s時信號功率比低于-6 dB即可滿足共存條件。

2.2 FDMA對CDMA的影響分析

首先，分析FDMA用戶對CDMA用戶通信性能的影響。

按照式(4)，在不同頻率偏移時FDMA用戶疊加的歸一化譜密度函數(shù)如圖6和圖7所示。其中，圖6為FDMA信息速率5 kb/s情況，圖7為FDMA信息速率75 kb/s情況，每個圖中由下到上3條曲線分別對應(yīng)CDMA偽碼碼率5,2.5,1.25 Mc/s。

圖6 FDMA用戶信號疊加歸一化譜密度(5 kb/s)Fig.6 FDMA user signal stacking normalized spectral density (5 kb/s)

圖7 FDMA用戶信號疊加歸一化譜密度(75 kb/s)Fig.7 FDMA user signal stacking normalized spectral density (75 kb/s)

由圖6和圖7可以看出，對于2種不同速率的FDMA用戶，其譜密度隨頻率偏移的變化規(guī)律非常相似，但相對變化的量值差別卻非常顯著。變化曲線均似梯形變化，中間位置出現(xiàn)“平頂”現(xiàn)象，碼率的不同沒有顯著差異，但是兩側(cè)受碼率變化影響較大，且碼率越高，數(shù)值越低。

表2 頻率偏移9 MHz處FDMA用戶疊加譜密度值Tab.2 FDMA user stacking spectral density with frequency offset of 9 MHz

圖8 FDMA信號對共存CDMA信號的影響曲線(信息速率 5 kb/s，碼率1.25 Mc/s)Fig.8 Influence curve of FDMA signal on coexisting CDMA signal(bit rate 5 kb/s，code rate 1.25 Mc/s)

圖9 FDMA信號對共存CDMA信號的影響曲線(信息速率 75 kb/s，碼率1.25 Mc/s)Fig.9 Influence curve of FDMA signal on coexisting CDMA signal(bit rate 75 kb/s，code rate 1.25 Mc/s)

圖10 FDMA信號對共存CDMA信號的影響曲線(信息速率 5 kb/s，碼率5.0 Mc/s)Fig.10 Influence curve of FDMA signal on coexisting CDMA signal(bit rate 5 kb/s，code rate 5.0 Mc/s)

圖11 FDMA信號對共存CDMA信號的影響曲線(信息速率 75 kb/s，碼率5.0 Mc/s)Fig.11 Influence curve of FDMA signal on coexisting CDMA signal(bit rate 75 kb/s，code rate 5.0 Mc/s)

由圖8～圖11可以看出：

① 2種不同速率的FDMA用戶對CDMA用戶影響的變化規(guī)律比較相似。FDMA信號相比CDMA信號功率越低，其對CDMA用戶的影響就越小，可容許的CDMA用戶數(shù)也越多。

② 對于5 kb/s的 FDMA用戶來說，其對CDMA用戶形成的干擾遠超0.25 dB的門限，說明這2種類型用戶在該信號條件下無法滿足共存條件。

③ 對于75 kb/s的 FDMA用戶來說，當(dāng)CDMA用戶信號功率相比FDMA信號功率高于-6 dB(1.25 Mc/s)甚至高于-9 dB(5.0 Mc/s)時，可以滿足對CDMA用戶影響不超過0.25 dB的門限，即此時CDMA用戶和FDMA用戶可以共存。但是，當(dāng)前信號條件下2類用戶共存的空間很小。

按照主從用戶的概念，假定主用戶為CDMA用戶(20個)，從用戶為FDMA用戶，以偽碼碼率5 Mc/s、FDMA信號信息速率75 kb/s為例，F(xiàn)DMA相對CDMA用戶功率小于9 dB即可滿足小于0.25 dB干擾門限，其造成的偽碼測距精度曲線如圖12虛線所示。而此時，F(xiàn)DMA用戶被CDMA用戶干擾造成的SNR損失達到1.53 dB。

圖12 FDMA對CDMA主用戶測距性能影響Fig.12 Performance influence of CDMA main user on coexisting FDMA

相反，假定主用戶為FDMA用戶，從用戶為CDMA用戶(20個)，CDMA相對FDMA用戶功率小于18 dB即可滿足小于0.25 dB干擾門限。而此時，CDMA用戶被FDMA用戶干擾造成的SNR損失達到1.69 dB，其造成的偽碼測距精度曲線如圖13虛線所示，此時的載噪比損耗是可以接受的，可以作為一個設(shè)計方案。

圖13 FDMA對CDMA從用戶測距性能影響Fig.13 Performance influence of CDMA secondary user on coexisting FDMA

因此，2種用戶信號共享頻譜資源，理想的結(jié)果是其相互影響在可容許的范圍內(nèi)，從而達到始終共存。實際上，作為互相干擾的矛盾存在，在完全滿足一方用戶性能前提下，適當(dāng)降低另一方的性能，會大大降低信號設(shè)計難度。

3 結(jié)束語

信號共存是一種解決頻譜資源緊張的有效方式。2種信號作為互為干擾存在，對信號設(shè)計同時是一種挑戰(zhàn)。2種信號共存需要考慮的條件、參數(shù)設(shè)置對信號設(shè)計結(jié)果有重要影響。文中2種信號參數(shù)條件下的設(shè)計結(jié)果表明，該條件下2種信號共存條件空間有限。為此建議考慮損失一定性能基礎(chǔ)上設(shè)計2種信號的共存，一定程度上降低了信號設(shè)計難度，為衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)多種類信號共存系統(tǒng)設(shè)計提供設(shè)計參考。