組合擴頻信號設(shè)計及抗干擾處理方法

張 波， 毛良明

（①中國電子科技集團公司第十研究所，四川 成都 610036；②中國電子科技集團公司第二十九研究所，四川 成都 610036）

0 引言

目前，提高航天測控系統(tǒng)抗干擾能力主要通過直接序列擴頻來完成。隨著低檢測概率信號檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，直接序列擴頻測控系統(tǒng)面臨越來越嚴重的威脅，采用性能更強的組合擴頻體制已經(jīng)成為抗干擾測控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。其中，跳頻直擴組合擴頻體制是組合式擴頻的代表，已經(jīng)在通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。跳頻直擴組合擴頻體制應(yīng)用于測控領(lǐng)域主要面臨以下幾個問題。首先，測控領(lǐng)域直擴偽碼在完成信號頻譜擴展的同時還兼有測距功能。為了能夠完成較遠目標的距離測量，偽碼長度遠大于通信中的直擴偽碼，這時信號的捕獲難度要比通信中困難的多。另外測控系統(tǒng)中通信的對象是遠距離高速飛行的航天器，航天器較大的多普勒頻率和多普勒變化率以及相當微弱的信號電平進一步加大了信號捕獲難度。其次，當前的跳擴頻組合系統(tǒng)中載波頻率的跳變一般是在射頻來完成的。由于模擬器件自身的特點，不同載波進行切換時相位會發(fā)生跳變，在通信中這不會有問題，但測控中需要根據(jù)載波多譜勒來進行測速，此時載波相位的不連續(xù)會導致相干多普勒測速無法進行，嚴重影響測速精度。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

從目前已有的資料來看，國外已經(jīng)出現(xiàn)了將跳頻用于測控的研究文獻[4]，但未見有關(guān)跳擴頻信號用于測距測速等方面的報道。國內(nèi)有些單位已經(jīng)開展跳擴頻組合體制用于航天測控系統(tǒng)的可行性論證工作，其中的關(guān)注重點是組合擴頻信號的測距測速性能能否達到航天測控系統(tǒng)的精度要求。這些研究普遍基于一個前提，即跳頻過程中不同載波進行切換時相位是連續(xù)的[5]。從已經(jīng)發(fā)表的文獻分析，這種情況下跳擴頻信號用于航天測控系統(tǒng)是可行的，可以滿足測控系統(tǒng)測距測速的精度要求。然而，所有文獻均未給出保證跳頻時載波相位連續(xù)的解決方法。針對跳頻直擴組合擴頻體制的研究現(xiàn)狀和面臨的問題，提出了保持跳頻時不同載波間相位連續(xù)的方法，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計出了跳頻直擴組合擴頻信號格式，另外還對該信號格式下測控系統(tǒng)的抗干擾性能和接收機抗干擾方法進行了簡要說明。由于篇幅的限制，組合擴頻信號的捕獲、跟蹤方法和具體技術(shù)實現(xiàn)等內(nèi)容文中沒有提及。

2 信號體制設(shè)計

現(xiàn)設(shè)計了一種跳頻直擴組合擴頻信號產(chǎn)生方案，該方案可以在跳頻載波切換時保持相位的連續(xù)性，使得相干多普勒提取成為可能。

在產(chǎn)生信號時可以使跳頻載波起始時刻與擴頻偽碼起始時刻對齊，由于每個跳頻駐留時間內(nèi)包含直擴偽碼碼片數(shù)是已知的，在信號接收時可以根據(jù)此關(guān)系來簡化信號的捕獲過程。

當采用超長周期偽碼時，直接對信號進行捕獲是不現(xiàn)實的。此時可以根據(jù)系統(tǒng)時間使偽碼相位的不確定度縮小到比較小的范圍內(nèi)，假設(shè)為N s，這樣在進行信號捕獲時只要在N s的不確定度范圍內(nèi)對信號進行捕獲即可。

雖然可以通過系統(tǒng)時間把偽碼相位不確定度縮小到一個較小的范圍，但此時完成信號捕獲仍然比較困難。這里通過在信號中增加同步指示標志的方法來降低信號捕獲難度。同步指示信號每1個或幾個跳頻周期發(fā)送一次，持續(xù)時間很短，為突發(fā)模式，采用直擴擴頻格式。同步指示信號與每個跳頻周期的起始時刻保持嚴格的時間關(guān)系，由一個確定頻率的載波來發(fā)送。由于同步指示信號和測控信號都為擴頻信號，即使二者頻譜重疊時也可以根據(jù)相關(guān)性進行分離，因此同步指示信號不會對真正的測控信號造成影響。接收時可以根據(jù)該同步指示信號得到信號跳頻載波和偽碼相位的信息以進一步簡化信號的捕獲過程。

為了保證同步指示信號的檢測概率，可以在多個載波同時發(fā)送同步指示信號，這樣即使一個或幾個頻點被干擾系統(tǒng)仍然可以完成信號捕獲。由于同步指示信號持續(xù)時間短，需要提高指示信號的強度，以保證接收時接收端能夠?qū)ζ溥M行正確識別。同步指示信號持續(xù)時間很短且本身也是擴頻信號具有很好的隱蔽性，不會降低系統(tǒng)的抗干擾能力。

為了保證在不同載波切換處載波相位的連續(xù)性，采用直接數(shù)字頻率合成法來產(chǎn)生跳頻載波。此時載波的切換在中頻實現(xiàn)，當載波從一個頻率跳變到另一個頻率時只要改變相位累加器的累加值即可。調(diào)制方式采用BPSK或QPSK。為了進一步提高系統(tǒng)性能，可以加入糾錯編譯碼來糾正傳輸過程中由于干擾或噪聲造成的誤碼。如果直接采用FPGA中的DDS來產(chǎn)生各個跳頻載波，由于器件本身的工作速率限制，跳頻點最多只能覆蓋幾十兆赫茲左右的帶寬范圍，滿足不了設(shè)計需要。為了進一步提高信號帶寬，可以通過多路并行處理來提高FPGA內(nèi)部總的信號處理速度，再結(jié)合高速DA和AD器件即可完成信號的發(fā)射和接收。目前的高速DA器件可以支持高達4 GHz/s以上的處理速度，跳頻載波可以覆蓋很寬的頻率范圍，足以滿足擴頻帶寬的需要。

3 抗干擾性能分析

與直接序列擴頻和跳頻擴頻相比，跳頻直擴組合體制有以下兩個明顯的優(yōu)勢。

首先，在跳擴頻組合體制下，擴頻信號是由載波頻率跳變的直接序列信號組成，當直接序列擴頻偽碼發(fā)生器時鐘速率已經(jīng)達到最大，或者跳頻器的可用跳變頻率數(shù)已經(jīng)達到最大時，使用組合擴頻體制對提高系統(tǒng)抗干擾能力價值極大。此時，對于阻塞式干擾，由于跳擴頻組合系統(tǒng)擴頻增益更大，對抗方要達到與直擴或跳頻系統(tǒng)相同的干擾效果，需要更強的干擾功率。對于部分頻帶干擾，對抗方由于不知道信號位置，只能對單個頻點進行干擾，并且在快跳擴頻組合系統(tǒng)中，多個跳頻點才傳輸一個符號，干擾效果進一步下降。

其次，抗偵破能力方面的比較。隨著低截獲概率信號檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是周期平穩(wěn)隨機過程數(shù)學模型及譜相關(guān)理論的提出，直接序列擴頻測控系統(tǒng)已經(jīng)越來越不可靠。如果干擾方通過技術(shù)手段恢復(fù)了直擴系統(tǒng)的偽碼序列，將會給直擴測控帶來災(zāi)難性的后果。此時干擾方只要根據(jù)偽碼序列產(chǎn)生合適的干擾信號，很小的干擾功率就可以使整個直擴測控系統(tǒng)無法正常工作。對于跳頻系統(tǒng)，存在類似問題。目前已有儀器已經(jīng)可以對2 GHz帶寬范圍內(nèi)，5萬跳每秒的跳頻信號進行全頻段監(jiān)視，在10 s之內(nèi)可以記錄下所有跳頻點，并且可以顯示出信號在各個跳頻點的完整頻譜。只要掌握了信號的跳頻點變化規(guī)律，破獲跳頻圖案就變得非常容易。如果干擾方掌握了跳頻圖案，就可以對跳頻系統(tǒng)形成跟蹤式干擾，此時跳頻系統(tǒng)的抗干擾能力將完全喪失，跳頻系統(tǒng)將變得和一般的非擴頻系統(tǒng)一樣脆弱。

在抗偵破性能方面，與直擴或跳頻系統(tǒng)相比，跳擴頻組合系統(tǒng)具有非常明顯的優(yōu)勢。在經(jīng)過直擴和跳頻的結(jié)合后，信號頻譜深埋于噪聲之下，這使得直接通過儀器或其他處理手段在寬帶范圍內(nèi)直接對信號進行監(jiān)視變得異常困難，同時由于載波頻率在不停進行跳變，這使得對抗方無法獲得完整的直擴信號，從而使其很難通過技術(shù)手段對信號進行分析，破譯擴頻序列也就變得不太可能。

4 抗干擾處理方法及相關(guān)技術(shù)問題

接收機抗干擾處理方法有很多種，涉及天線、信道、信號處理等各個環(huán)節(jié)。下面針對跳擴頻信號一一進行說明。

4.1 自適應(yīng)調(diào)零天線

在自適應(yīng)調(diào)零天線中，各個天線陣元接收到的信號在進行AD采樣后經(jīng)過各通道的加權(quán)系數(shù)加權(quán)后輸出，加權(quán)系數(shù)由自適應(yīng)算法進行動態(tài)調(diào)整。通過對各個陣元的信號進行加權(quán)處理，可以在干擾方向形成零點，從而達到抑制干擾的目的。

天線陣元和可抑制的干擾數(shù)目具有以下關(guān)系：M個天線單元構(gòu)成的天線陣，若有M個從不同入射角入射的信號和干擾，從其輸入相關(guān)矩陣可能分辨出這M個入射的信號和干擾；或者可以在M-1個干擾入射角形成零點，在信號入射角有一定增益，以提取信號。M個天線單元構(gòu)成的天線陣，若有功率相當?shù)亩嘤贛個的信號和干擾從不同入射角入射，從其輸入相關(guān)矩陣一般不能分辨出這些入射的信號和干擾。

另外，天線陣列的空間方向分辨率都是一定的，當干擾和期望信號的方向非常靠近時，陣列天線就無法在空域上對信號進行辨識，陣列性能也就會大幅度下降。另外當干擾數(shù)量大于天線陣陣元數(shù)量時，也無法正常完成對干擾信號的抑制。由于這些問題是由天線陣自身特性引起的，空域濾波技術(shù)無法克服，因此發(fā)展出了空時聯(lián)合抗干擾技術(shù)。

4.2 時域抗干擾處理和空時聯(lián)合抗干擾處理

為了提高對與信號來向接近干擾的處理能力，提高可抗干擾的數(shù)量，可以采用空域濾波和時域濾波相結(jié)合的空時聯(lián)合算法[6-7]。

時域濾波器的基本原理：寬帶信號自相關(guān)函數(shù)對相對較大的延遲值等于零，而窄帶信號對同樣的延遲值有顯著的自相關(guān)性。從物理概念上說，寬度信號是快變信號，窄帶信號是慢變信號，因此寬帶信號在時間上錯開少許，因其快變性而不相關(guān)；而對窄帶信號，時間上間隔較長的兩點上的信號有很強的相關(guān)性。利用這一特性，可構(gòu)成寬帶信號與周期信號分離器，也即寬帶信號與窄帶信號分離器。由于濾波器系數(shù)是動態(tài)調(diào)整的，因此用較少的抽頭就可以完成信號的濾波，比直接頻域濾波占用資源要少得多。

在空時聯(lián)合抗干擾結(jié)構(gòu)中干擾抑制度為陣元數(shù)目和時域抽頭數(shù)目之和減 1。一般情況下時域橫向濾波器的階數(shù)相對多一些，天線陣的陣元數(shù)相對較少。不論干擾是寬帶還是窄帶，天線陣可以在干擾入射方向形成零點。在存在多干擾源的情況下，力求使天線陣對消寬帶干擾，使時域橫向濾波器對消窄帶干擾是空時聯(lián)合處理的基本原則[8]。

4.3 頻域抗干擾處理

當干擾形式為大功率單音干擾或窄帶干擾時，由于在跳擴頻組合系統(tǒng)中信號載波在不斷跳變，因此只有在干擾與當前跳頻點的頻譜重疊時才會起到干擾信號的作用。此時可以采用頻域抗干擾處理方法。先求出下變頻后基帶信號的頻譜，然后根據(jù)擴頻信號頻譜的特點對干擾信號是否存在進行判斷，若干擾信號存在，則在頻譜上對其進行置零或置為信號頻譜預(yù)測值，然后通過反變換變回時域信號，從而達到抗干擾的目的。此方法可以有效抑制單音和窄帶干擾[9]。

4.4 信號短暫中斷或完全被干擾壓制時的處理方法

這里對大功率脈沖干擾的處理方法進行說明。大功率脈沖干擾的特點是干擾持續(xù)時間短，可覆蓋整個傳輸帶寬，瞬時干擾功率大，干信比可達100 dB以上。如此大的干擾功率有可能燒毀射頻前段，因此首先需要采取抗燒毀措施。可在場放前加入二極管，當干擾功率大于門限值時二極管導通。此時信號不會被送至后端電路，接收機會出現(xiàn)短暫的信號中斷。這里要選擇開關(guān)時間短的二極管，快速開關(guān)二極管的開關(guān)時間在幾十納秒以下，完全可以滿足要求。

如果干擾功率沒達到二極管的導通門限，當經(jīng)過前端低噪放后，可能會使信道放大器飽和。由于AD采樣位數(shù)有限，單獨通過降低放大器增益來防止信道飽和可能會使AD采樣后只得到干擾信息，有用信號沒有被有效傳送。而前段低噪放的增益需要保持一定水平，否則接收機的噪聲系數(shù)過大，使靈敏度受到很大影響。可以使信道放大器增益保持在較低水平，當干擾功率大到一定程度時任信道飽和。由于干擾只是短暫出現(xiàn)，因此當干擾功率減小直至消失時放大器會自行從飽和狀態(tài)回退至線性放大區(qū)。可以通過后端處理來對放大器的工作狀態(tài)進行判斷，在放大器飽和的時間里，丟棄AD采集到的信號。放大器從飽和狀態(tài)回退至線性放大區(qū)的時間很快，為納秒級，不會造成信號長時間中斷。

在快速跳擴頻信號中，一個符號通過很多個跳頻點進行傳輸，少數(shù)幾個跳頻點的信號缺失對最終 的判決影響不大，所以上面兩種情況下接收機可以完成信號的后續(xù)處理，從而對抗大功率脈沖干擾。

在上述處理過程中，當信號暫時中斷時，要求環(huán)路不能失鎖，以免干擾結(jié)束后重新再花費時間進行信號的捕獲和跟蹤。這需要在后端環(huán)路中加入自適應(yīng)判決和預(yù)測等措施以保證在信號短暫中斷時繼續(xù)維持鎖定狀態(tài)。

5 結(jié)語

針對目前航天測控系統(tǒng)抗干擾能力不足的問題，設(shè)計出了一種跳頻直擴組合擴頻信號體制。為了保持信號在不同跳頻點進行切換時載波相位的連續(xù)性，提出了用數(shù)字器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬器件實現(xiàn)了信號跳頻點變化的觀點。文中從抗干擾性能和抗偵破性能兩方面說明了這種新體制信號的優(yōu)點。另外，還對不同干擾情況下接收機中常采用的抗干擾方法進行了介紹，在實際應(yīng)用中這些方法可以結(jié)合起來使用以提高系統(tǒng)在各種情況下的抗干擾能力。從文中分析可以看出，與直擴體制相比，組合擴頻體制具有明顯的優(yōu)勢，可作為提高未來測控系統(tǒng)抗干擾能力的一種途徑。

[1] 楊文慧，李署堅，催金.一種高數(shù)據(jù)率 DS/FH擴頻系統(tǒng)的設(shè)計[J].通信技術(shù)，2010，43(12): 32-34.

[2] 楊光宣，茍先太，張波,等.DS/FH混合擴頻快速同步技術(shù)研究[J].通信技術(shù)，2010，43(06): 26-28.

[3] 趙儉.一種 DS/FH信號源的設(shè)計與實現(xiàn)[J].通信技術(shù)，2008，41(01): 20-24.

[4] SIMONE L,SALERNO N,MAFFEI M. Frequency-hoppoing Techniques for Secure Satellite TT&C:System Analysis&Trade-Offs[C]//IEEE.Proceedings of the 2006 International Workshop on Satellite and Space Communications.Madrid Spain:IEEE,2006:13-17.

[5] 楊文革，孟生云，王金寶.DS/FH擴頻測控信號的一種同步方案分析[J].電訊技術(shù)，2009，49(06)：5-9.

[6] 張琳，初海彬，張乃通.衛(wèi)星導航用戶機空域濾波抗干擾技術(shù)[J].北京航空航天大學學報，2007，33（01）：76-80.

[7] 郭玉華，戴旭初.一種空時聯(lián)合的自適應(yīng)波束形成算法[J].數(shù)據(jù)采集與處理，2007，22（01）：42-48.

[8] 董李梅，幸璐璐.降秩的空時聯(lián)合抗干擾技術(shù)分析[J].電訊技術(shù)，2009，49（01）：72-76.

[9] 桑懷勝，李崢嶸.智能天線的原理、自適應(yīng)波束形成算法的研究進展與應(yīng)用[J].國防科技大學學報,2001,23(06):83-89.