通信系統(tǒng)中抗干擾和并行捕獲模塊的融合設(shè)計

陳曉挺

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

通信系統(tǒng)中抗干擾和并行捕獲模塊的融合設(shè)計

陳曉挺1，2

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

討論了通過FFT融合實現(xiàn)頻域抗干擾和載波多普勒頻偏快速捕獲的高效數(shù)字化方案，分析了融合設(shè)計需要解決的采樣率、FFT點數(shù)、分時復(fù)用等關(guān)鍵技術(shù)問題，給出了一種可應(yīng)用于低軌擴頻通信系統(tǒng)的高效實現(xiàn)頻域抗干擾和PMF－FFT并行捕獲的接收機結(jié)構(gòu)，節(jié)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(wèi)星

衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有覆蓋范圍廣、部署迅速、組網(wǎng)方便等特點，在軍事和民用領(lǐng)域都具有重要的使用價值;同時衛(wèi)星通信受制于傳輸損耗大、軍事應(yīng)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(wèi)星通信中常用抗干擾技術(shù)有:天線抗干擾、擴頻、星上處理、自適應(yīng)編碼調(diào)制、擴展頻段、無線光通信、限幅技術(shù)等［1］。同時采用星上處理和直接序列擴頻技術(shù)能為衛(wèi)星通信系統(tǒng)提供較好的抗干擾能力，但仍不足以對抗實際應(yīng)用環(huán)境中的干擾，數(shù)字抗干擾技術(shù)是提高衛(wèi)星抗干擾能力的重要途徑［2］。

1 頻域抗干擾

數(shù)字抗干擾技術(shù)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(yīng)濾波算法，在處理多個窄帶干擾、強干擾、非平穩(wěn)信號時性能不佳。頻域抗干擾根據(jù)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(jīng)FFT變換到頻域后，消除干擾譜線，再經(jīng)IFFT變換到時域信號輸出，供后續(xù)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(wèi)星高速運動引起的多普勒效應(yīng)影響，需要前導(dǎo)頭輔助接收機同步PN碼和載波頻率［3］。過長的前導(dǎo)頭導(dǎo)致通信效率降低，尤其是對提供短數(shù)據(jù)服務(wù)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)［4］，需要設(shè)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(tǒng)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(jīng)正交下變頻后進入部分相關(guān)器(PMF)，部分相關(guān)值送入N點復(fù)數(shù)FFT，在FFT計算結(jié)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(xù)搜索碼相位。

圖2 部分相關(guān)結(jié)合FFT的并行捕獲方法

3 抗干擾與捕獲融合設(shè)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F(xiàn)FT計算模塊，通過融合設(shè)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(shè)計，需要解決幾個具體問題:采樣率、FFT點數(shù)、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(nèi)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(shù)，BWPN為PN碼帶寬。因此頻域抗干擾的采樣率應(yīng)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(yīng)高于2fd，可以取4fd。BWPN和fd之間沒有固定關(guān)系，但一般差距較大，如在Globalstar系統(tǒng)中分別為1.228 8 MHz和40 kHz，相差30倍。采樣率不同，需要設(shè)計數(shù)據(jù)緩存及分時調(diào)用FFT模塊的機制。

(2)FFT點數(shù)。

FFT點數(shù)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(shù)，fs為采樣頻率，Ts為采樣間隔。選擇FFT的計算點數(shù)N參數(shù)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，F(xiàn)FT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(dǎo)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(xiàn)復(fù)雜度，一般選擇1 024點FFT。

載波頻率捕獲的FFT點數(shù)和多普勒頻偏fd、符號速率Rb有關(guān)，頻率分辨率至少＜Rb/2，以便后續(xù)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，F(xiàn)FT 點數(shù)應(yīng) ＞134，考慮到包絡(luò)衰減和插零操作可選512點，如圖3所示，起伏較慢的包絡(luò)為部分相關(guān)器累加長度內(nèi)多普勒頻偏引起的衰減，快變的扇形包絡(luò)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(shù)也將減小。

圖3 補零對FFT輸出包絡(luò)衰減的影響

設(shè)計可變點數(shù)FFT模塊，并且頻繁地切換點數(shù)進行復(fù)用，實現(xiàn)復(fù)雜度太高。實際增加FFT點數(shù)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(shù)可選擇兩個模塊所需FFT點數(shù)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(xù)工作，而并行捕獲僅工作于通信起始時的前導(dǎo)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(diào)用FFT進行運算;進入跟蹤階段后，F(xiàn)FT僅供抗干擾調(diào)用。時分參數(shù)的具體選擇與工程實際緊密相關(guān)，依賴于前導(dǎo)頭長度與捕獲速度、抗干擾運算周期的相對關(guān)系，以及同時可能接入的用戶數(shù)等。

圖4 抗干擾與捕獲分時調(diào)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(jīng)A/D采樣后首先經(jīng)過抗干擾模塊，其中需要調(diào)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(jīng)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(huán)路，同時將估計出的載波頻率值傳遞給載波跟蹤環(huán)后，閉合載波換跟蹤環(huán)路。當峰值檢測結(jié)果為噪聲時，繼續(xù)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(diào)用了FFT模塊，F(xiàn)FT模塊工作時鐘應(yīng)高于抗干擾模塊信息速率3倍以上，同時每次調(diào)用FFT模塊前后都用乒乓RAM緩存實時信息數(shù)據(jù)。設(shè)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(yīng) ＞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(xiàn)。

4 結(jié)束語

在低軌衛(wèi)星直接序列擴頻通信系統(tǒng)中，干擾和多普勒效應(yīng)是不可回避的兩大問題，通過合理設(shè)計，使基于部分相關(guān)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(jié)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(wèi)星通信抗干擾技術(shù)綜述［J］.現(xiàn)代防御技術(shù)，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(chuàng)新一號”衛(wèi)星研制實踐及微小衛(wèi)星發(fā)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(tǒng)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，F(xiàn)FT 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(wèi)星無線通信系統(tǒng)設(shè)計和研發(fā)。