現(xiàn)代擴(kuò)頻技術(shù)在航天通信中的應(yīng)用

車祥

（四川宇毅辰祥信息技術(shù)有限公司 四川省宜賓市 644000）

航天通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，離不開擴(kuò)頻技術(shù)的靈活應(yīng)用，但由于社會(huì)發(fā)展速度加快，航天領(lǐng)域發(fā)展迅速，傳統(tǒng)擴(kuò)頻通信技術(shù)已難以滿足當(dāng)前航天領(lǐng)域發(fā)展的實(shí)際需求，為此，技術(shù)人員不斷加強(qiáng)觀念與技術(shù)創(chuàng)新，打造現(xiàn)代擴(kuò)頻技術(shù)體系，為航天領(lǐng)域提升通信保密性、抗干擾性提供技術(shù)支持。

1 現(xiàn)代擴(kuò)頻技術(shù)總體概述

1.1 理論基礎(chǔ)

擴(kuò)頻技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用隨社會(huì)發(fā)展逐步進(jìn)入縱深領(lǐng)域，其技術(shù)應(yīng)用滲透至航天產(chǎn)業(yè)中的各個(gè)方面，受多種因素影響，航天領(lǐng)域不同用途的航天設(shè)備相互滲透、相互影響，致使航天領(lǐng)域通信技術(shù)發(fā)展環(huán)境復(fù)雜多變，對航天通信容量、效果提出更高要求，直接影響著擴(kuò)頻技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果，為此，相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員加快技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新。擴(kuò)頻技術(shù)與航天通信的深入融合，是對擴(kuò)頻通信理論的拓展與延伸，以信息論中的Shannon 公式為基本應(yīng)用理論，同時(shí)也是對系統(tǒng)信息容量、通信帶寬、噪聲功率、信號功率等項(xiàng)目之間內(nèi)在關(guān)系的正確梳理與表示，準(zhǔn)確無誤地表達(dá)了航天信息系統(tǒng)對信息的傳輸與容納能力，為系統(tǒng)信息道容量不變情況下，頻帶寬度與信噪比之間的相互轉(zhuǎn)換提供實(shí)現(xiàn)條件。

1.2 基本特征

擴(kuò)頻即指信息傳輸過程中所用到的信道大于信息本身帶寬時(shí)所采用的信息傳輸形式，現(xiàn)代擴(kuò)頻技術(shù)在各行業(yè)中應(yīng)用廣泛，在實(shí)際應(yīng)用過程中，以調(diào)制信號載波作為隨機(jī)寬帶信號載波，其基本應(yīng)用特征主要包括以下幾方面：一是抗干擾能力較強(qiáng)，通過技術(shù)手段，拓寬頻譜寬度，提高信號傳輸增益，進(jìn)一步強(qiáng)化航天設(shè)備的抗干擾能力，提高技術(shù)應(yīng)用期間產(chǎn)生的工作信噪比；二是抵御干擾范圍廣，利用現(xiàn)代擴(kuò)頻技術(shù)手段，強(qiáng)化頻譜信號之間的相關(guān)性，在多條路徑同時(shí)發(fā)出干擾信號信息時(shí)，能夠?qū)⒛繕?biāo)接收信號與其他信號分離開來，通過分類或合成，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵信息數(shù)據(jù)的有效傳播，提升航天通信設(shè)備抵御多路徑干擾能力；三是加速信息通訊，充分發(fā)揮擴(kuò)頻碼的傳播優(yōu)勢與作用，利用現(xiàn)代擴(kuò)頻技術(shù)，將多碼進(jìn)行多地址傳輸，提高多元用戶寬帶資源的使用效率，在一定程度上節(jié)約了頻帶資源；四是現(xiàn)代擴(kuò)頻技術(shù)具備較強(qiáng)的保密性特征，利用擴(kuò)頻信號組成噪聲譜，對關(guān)鍵信息起到良好的隱蔽效果，同時(shí)綜合運(yùn)用跳頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)信號數(shù)據(jù)信息的動(dòng)態(tài)化發(fā)展，信號跟蹤與捕捉難度較大；五是現(xiàn)代擴(kuò)頻技術(shù)具備測距功能，在利用擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)性測試期間，擴(kuò)頻技術(shù)發(fā)揮作用，實(shí)現(xiàn)對距離測量精度、準(zhǔn)度的實(shí)時(shí)控制[1]。

1.3 技術(shù)類型

現(xiàn)代擴(kuò)頻技術(shù)是傳統(tǒng)擴(kuò)頻技術(shù)體系的延伸與發(fā)展，在社會(huì)各行各業(yè)中，應(yīng)用較為廣泛，其技術(shù)類型主要分為直接序列擴(kuò)頻、跳頻擴(kuò)頻、跳時(shí)擴(kuò)頻、線性調(diào)頻擴(kuò)頻等技術(shù)應(yīng)用形式，隨著通信要求和通信技術(shù)水平的提升，現(xiàn)代擴(kuò)頻技術(shù)在航天通訊領(lǐng)域承擔(dān)重要的信息傳輸任務(wù)，在實(shí)際應(yīng)用過程中，現(xiàn)代擴(kuò)頻技術(shù)的幾種技術(shù)類型之間產(chǎn)生交叉與融合，必要時(shí)技術(shù)人員會(huì)將不同類型的技術(shù)形式進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，綜合運(yùn)用多種擴(kuò)頻形式，提升航天領(lǐng)域信息傳遞、信號傳輸、數(shù)據(jù)收集等工作的精度和準(zhǔn)度，進(jìn)一步提升航天通信效率、質(zhì)量與技術(shù)水平，為航天通信技術(shù)向縱深方向發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

2 現(xiàn)代擴(kuò)頻技術(shù)在航天通信中的具體應(yīng)用

2.1 多種擴(kuò)頻技術(shù)對比

2.1.1 直接序列擴(kuò)頻技術(shù)

直接序列擴(kuò)頻技術(shù)即DSSS，在擴(kuò)頻工作開展期間，利用數(shù)字碼完成載波的調(diào)制，確保數(shù)字碼比特速率大于信息比特速率，通過數(shù)字碼向直接序列擴(kuò)頻方向發(fā)展，技術(shù)應(yīng)用期間，出現(xiàn)部分冗余段，作為直接序列中的切普碼片，在信號傳輸過程中，碼片越長，設(shè)備接收到的信號質(zhì)量越好，原始數(shù)據(jù)信號在直接序列擴(kuò)頻期間，利用不同信息傳輸路徑，形成不同類型的帶寬，按照直接序列的形式，完成擴(kuò)頻目標(biāo)。隨著航天設(shè)備使用數(shù)量的逐漸增加，信號傳輸頻道資源及帶寬數(shù)據(jù)等受到嚴(yán)重限制，信號傳輸路徑干擾嚴(yán)重，為提升信號傳輸速率，解決資源不足的問題，利用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，初步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的有效傳輸，在通訊網(wǎng)絡(luò)中，系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需要，主動(dòng)選擇擴(kuò)頻目標(biāo)，利用隨機(jī)碼對信息模型進(jìn)行擴(kuò)頻處理，利用PN 碼的長頻譜優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)信號在低功率環(huán)境下運(yùn)行與傳輸，以此占用更寬的功率譜，以便降低帶寬信噪比，提升信息的傳輸質(zhì)量與效率，從而為擴(kuò)頻系統(tǒng)增益，充分發(fā)揮擴(kuò)頻系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)作用。直接序列擴(kuò)頻技術(shù)的應(yīng)用，在信息傳輸過程中，以現(xiàn)代技術(shù)為依托，逐漸形成完善的直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)，強(qiáng)化頻譜與通信技術(shù)之間的聯(lián)系，優(yōu)化信息傳輸系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)，其解擴(kuò)方式與其他擴(kuò)頻技術(shù)不同，要在信號接收端口，利用信號接收器，將信號進(jìn)行放大混頻處理，接著利用與信號發(fā)射端口相關(guān)參數(shù)一致的PN 碼進(jìn)行解擴(kuò)，實(shí)現(xiàn)對擴(kuò)頻信號的窄帶恢復(fù)，利用窄帶對相關(guān)信號信息進(jìn)行調(diào)整，最終恢復(fù)原始信息直接序列，直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，與其他技術(shù)類型相比，是操作最為簡單且應(yīng)用范圍最廣的技術(shù)手段，同步降低操作設(shè)備的運(yùn)行壓力，有利于優(yōu)化擴(kuò)頻系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)，對頻譜的擴(kuò)展效果較好。

以11 位的數(shù)字碼為例，技術(shù)人員對擴(kuò)頻、解擴(kuò)進(jìn)行操作，采用直接序列擴(kuò)頻與解擴(kuò)技術(shù)，對信息、信號傳輸擴(kuò)頻全過程進(jìn)行模擬實(shí)踐。技術(shù)人員在數(shù)據(jù)發(fā)射端口，選用“1”為數(shù)字碼發(fā)出的信息數(shù)據(jù)源，利用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，對信號源進(jìn)行簡單的預(yù)處理，接著劃分出明確的序列單元，利用數(shù)字碼將序列單元與擴(kuò)頻操作調(diào)整為同一載波，同時(shí)技術(shù)人員在另一信號發(fā)生端口以“0”為數(shù)字碼信息源，向信號源“1”的相反發(fā)射方向進(jìn)行發(fā)射，則得到相反的序列單元。在信號接收端口，序列單元數(shù)字碼隨著信號源的變化而變化，循環(huán)往復(fù)，最終恢復(fù)到以“0”為信號源的序列單元。

直接序列擴(kuò)頻技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過程中，通過不斷的創(chuàng)新與發(fā)展，逐漸形成更具競爭力的接收技術(shù)，即RAKE 接收技術(shù)，基本實(shí)現(xiàn)信號信息的多路徑分集與接收，將不同路徑來源的信息，通過直接、反射、折射等方式，將信號信息在繞射信號解擴(kuò)后，結(jié)合不同相位上的峰值進(jìn)行校對與疊加，全面提高信號信息的傳輸強(qiáng)度，有效避免了多種路徑信息傳輸過程對信號真實(shí)性與準(zhǔn)確性產(chǎn)生波動(dòng)影響，但在實(shí)際應(yīng)用過程中，RAKE 接收技術(shù)操作具有明顯的復(fù)雜性特征，技術(shù)應(yīng)用費(fèi)用支出與收獲效果之間不成正比，影響通信行業(yè)的持續(xù)發(fā)展[2]。

2.1.2 跳變時(shí)間擴(kuò)頻技術(shù)

跳變時(shí)間擴(kuò)頻即指技術(shù)人員利用擴(kuò)頻碼片實(shí)現(xiàn)對信號發(fā)射機(jī)的開啟或關(guān)閉操作，將持續(xù)時(shí)間內(nèi)的信息碼分成若干時(shí)長間隙狀態(tài)，利用擴(kuò)頻碼控制某一時(shí)隙中的數(shù)字碼，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字碼的發(fā)射。跳變時(shí)間擴(kuò)頻技術(shù)主要通過變更時(shí)間工作方式，將發(fā)射信號在時(shí)間軸上進(jìn)行跳變，在時(shí)間軸分散的情況下，針對時(shí)間軸內(nèi)信號信息擴(kuò)頻序列進(jìn)行有效控制，將信號跳時(shí)作為確定的數(shù)字碼序列進(jìn)行選擇，同時(shí)采用多時(shí)片的時(shí)移功能，對數(shù)字碼及信號源發(fā)射、傳輸、接收模式進(jìn)行控制。跳變時(shí)間擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用期間，具體操作流程如下：技術(shù)人員利用偽隨機(jī)編碼發(fā)生器選擇對應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，接著將數(shù)據(jù)信息在脈碼調(diào)制發(fā)射機(jī)不同端口進(jìn)行發(fā)射，數(shù)據(jù)信息在擴(kuò)頻技術(shù)作用下，形成新的信號源，跳變時(shí)間擴(kuò)頻系統(tǒng)運(yùn)行期間，對信號信息進(jìn)行壓縮，進(jìn)入脈碼調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)內(nèi)部，通過同步電路信息的方式，將虛擬數(shù)據(jù)源進(jìn)行傳輸，最后利用數(shù)據(jù)信號接收系統(tǒng)對數(shù)據(jù)源進(jìn)行處理，構(gòu)成跳變時(shí)間擴(kuò)頻系統(tǒng)的基本運(yùn)行結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮跳變擴(kuò)頻技術(shù)的重要作用。

2.1.3 跳頻擴(kuò)頻技術(shù)

跳頻擴(kuò)頻技術(shù)在現(xiàn)代社會(huì)各行各業(yè)中的應(yīng)用向更高層次發(fā)展，技術(shù)人員利用跳頻擴(kuò)頻技術(shù)，根據(jù)偽隨機(jī)碼序列單元結(jié)構(gòu)分布情況，對窄帶載波進(jìn)行調(diào)整，利用全部載波覆蓋所有頻段，實(shí)現(xiàn)對信號信息來源、傳輸路徑、接收設(shè)備的全面控制。在具體操作過程中，技術(shù)人員利用跳變頻率擴(kuò)頻技術(shù)，利用特定數(shù)字碼序列，對已選擇的數(shù)據(jù)信息多頻率進(jìn)行控制，通過擴(kuò)展頻譜的形式，對數(shù)字碼序列進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)信號載波頻率的不斷跳變，為信號傳輸增益。跳頻擴(kuò)頻技術(shù)的應(yīng)用，是以載頻信號為基礎(chǔ)信號并利用相應(yīng)的調(diào)整方式對信號傳輸速度、順序進(jìn)行控制的技術(shù)類型，使得數(shù)據(jù)信息在不同頻率、頻譜上進(jìn)行不間斷的調(diào)整與變化，期間，技術(shù)人員將預(yù)先設(shè)定的頻率跳變序列作為PN 碼，在PN 碼的控制作用下，信號信息發(fā)射端口與接收端口按照系統(tǒng)設(shè)定的序列順序均勻排列在不同頻率點(diǎn)上，利用變化的頻譜數(shù)據(jù)系統(tǒng)，將信號源在不同頻率點(diǎn)上停留的時(shí)間進(jìn)行控制，結(jié)合信號實(shí)際發(fā)射、傳輸與接收情況，將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信號的順利傳輸，完成具體通信任務(wù)。

技術(shù)人員在應(yīng)用跳頻擴(kuò)頻技術(shù)期間，針對特定時(shí)間段內(nèi)的頻譜及頻率進(jìn)行控制，將寬頻譜作為信號傳輸?shù)妮d體，將跳頻通信系統(tǒng)的跳變頻率作為判斷系統(tǒng)運(yùn)行效果的主要依據(jù)，充分反映了跳頻系統(tǒng)的基本性能，在跳頻系統(tǒng)運(yùn)行過程中，跳變頻率基本上代表了窄帶通信環(huán)境下，跳頻擴(kuò)頻技術(shù)的應(yīng)用對信號源及數(shù)據(jù)信息傳輸工作產(chǎn)生的影響，相對直接序列擴(kuò)頻技術(shù)使用效果而言，跳頻擴(kuò)頻技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對信息數(shù)據(jù)的保護(hù)，優(yōu)化信息傳輸環(huán)境，為信號源的發(fā)射與接收創(chuàng)造良好條件，滿足當(dāng)前航天領(lǐng)域?qū)νㄐ殴ぷ鞯目垢蓴_性與保密性要求，提高數(shù)據(jù)信息傳輸與接收質(zhì)量，為航天通信工作增益[3]。

2.1.4 擴(kuò)跳結(jié)合擴(kuò)頻技術(shù)

擴(kuò)跳結(jié)合技術(shù)即指在技術(shù)允許的條件下，將直接序列擴(kuò)頻技術(shù)與跳變頻率擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，伴隨當(dāng)前社會(huì)通訊技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新，擴(kuò)頻技術(shù)之間的融合成為常態(tài)，面對國內(nèi)外航天領(lǐng)域通信工作面臨的復(fù)雜環(huán)境，要求我國民用及軍用通信設(shè)備及通信技術(shù)水平有較大的改善與提升，為航天航空通訊領(lǐng)域提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持，提高航天通信質(zhì)量與效率，減少其他衛(wèi)星設(shè)備對航天通信工作造成的不良影響，進(jìn)一步提升我國航天領(lǐng)域通信技術(shù)水平及技術(shù)應(yīng)用效果。

2.1.5 其他擴(kuò)頻技術(shù)

現(xiàn)代擴(kuò)頻技術(shù)類型多種多樣，技術(shù)人員將擴(kuò)頻與通信技術(shù)進(jìn)行有效結(jié)合，旨在提升通信系統(tǒng)運(yùn)行效能，從而形成現(xiàn)代化新型通信擴(kuò)頻技術(shù)，完善通信擴(kuò)頻技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)信號信息的有效傳輸與利用，進(jìn)一步提升信息傳播的效率與質(zhì)量。

2.2 現(xiàn)代擴(kuò)頻技術(shù)具體應(yīng)用領(lǐng)域

2.2.1 導(dǎo)航領(lǐng)域

現(xiàn)代擴(kuò)頻技術(shù)無論在民用航天或是軍用航天領(lǐng)域，對信息傳輸質(zhì)量與效率均起到重要的影響作用，在航天導(dǎo)航領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，集中體現(xiàn)在現(xiàn)代擴(kuò)頻技術(shù)在導(dǎo)航數(shù)據(jù)服務(wù)信號的搜集與接收兩方面，提升導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息傳輸質(zhì)量，充分發(fā)揮現(xiàn)代擴(kuò)頻技術(shù)的抗干擾能力，在航天導(dǎo)航服務(wù)數(shù)據(jù)傳輸中具備較好的應(yīng)用效果，提高了導(dǎo)航信息的安全性、準(zhǔn)確性與保密性，減少航天通信系統(tǒng)運(yùn)行期間誤碼問題的出現(xiàn)[4]。

2.2.2 測控領(lǐng)域

現(xiàn)代擴(kuò)頻技術(shù)在航天測控領(lǐng)域應(yīng)用效果較好，集中體現(xiàn)在衛(wèi)星測控工作上，技術(shù)人員利用擴(kuò)頻技術(shù)，對地面衛(wèi)星進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，包括指令信息輸入、運(yùn)行狀態(tài)遙測回傳、遠(yuǎn)距離測速等具體內(nèi)容，當(dāng)前我國衛(wèi)星測控系統(tǒng)中，大多采用側(cè)音測距和偽碼測距的方式，實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的有效監(jiān)測與控制。期間，技術(shù)人員針對衛(wèi)星通信系統(tǒng)中存在的帶寬資源不足問題，采取現(xiàn)代擴(kuò)頻技術(shù)，將衛(wèi)星測控與通信技術(shù)相結(jié)合，有效提高頻率資源的實(shí)際利用效率，減少系統(tǒng)運(yùn)行對信息數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量和效率產(chǎn)生的干擾，實(shí)現(xiàn)航天產(chǎn)業(yè)與現(xiàn)代擴(kuò)頻技術(shù)的深度融合。

3 結(jié)束語

綜上所述，航天產(chǎn)業(yè)的持續(xù)、創(chuàng)新發(fā)展離不開現(xiàn)代擴(kuò)頻技術(shù)的融合與應(yīng)用，技術(shù)人員充分發(fā)揮現(xiàn)代擴(kuò)頻技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢，弱化通信系統(tǒng)運(yùn)行對信號信息傳輸質(zhì)量和效率產(chǎn)生的干擾，加速通信技術(shù)的更新，提升航天領(lǐng)域通信效果，進(jìn)一步推動(dòng)我國航天產(chǎn)業(yè)與現(xiàn)代技術(shù)的融合發(fā)展。