跳頻衛星信號傳輸波形設計研究

劉延路，孫晨華，王賽宇

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

跳頻衛星信號傳輸波形設計研究

劉延路，孫晨華，王賽宇

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

跳頻通信是對抗各種惡意干擾的一種基本手段，已經被廣泛地應用于衛星通信系統。針對寬帶高速跳頻衛星通信的傳輸需求，提出了一種跳頻衛星通信系統抗干擾增效策略，在跳頻通信的基礎上進一步提高系統的綜合抗干擾性能。通過建立完整的寬帶高速跳頻衛星通信系統仿真模型，結合高效LDPC碼、π/4－DQPSK調制和交織等多種技術進行傳輸波形的優化仿真設計。理論分析和仿真結果表明，采用該波形且 Eb/N0不低于6.2 dB時，系統抗阻塞干擾能力不低于22 dB。

跳頻通信;波形設計;抗干擾;交織

0 引言

衛星通信在現代戰爭中起到了極其重要的作用，然而衛星通信本身是一種極易受到干擾的通信體制［1］。衛星通信的極端重要性與其自身的脆弱性形成了一對矛盾，研究抗干擾衛星通信系統已經刻不容緩［2］。跳頻技術是目前通信抗干擾領域應用范圍最廣的一種通信方式，但受系統參數限制，僅依靠提高跳頻帶寬或者跳速的方法，對衛星通信系統抗干擾能力提高有限，必須考慮采用先進的波形設計方法進一步提高其抗干擾能力［3］。

結合信道編碼、高效調制技術與交織等波形設計方法，可在跳頻處理增益的基礎上進一步提高系統的抗干擾性能［4］。因此，本文提出了一種跳頻衛星信號傳輸波形設計，在跳頻通信的基礎上進一步提高系統的綜合抗干擾性能［5］。

1 系統模型

通過建立完整的寬帶高速跳頻衛星通信系統仿真模型進行傳輸波形的優化仿真設計，設計的系統模型如圖1所示。

圖1 跳頻通信系統模型

系統由信道編(解)碼模塊、定(解)幀模塊、(解)交織模塊、調制(解調)模塊和干擾信號模塊共五大模塊組成。各個模塊的正確建立是整個仿真方案實施的關鍵［6］。其中，發射信號是原始消息信號經過信源編碼之后的消息信號，是二進制數字比特流。

1．1 π/4－DQPSK調制的實現

π/4－DQPSK是一種正交相移鍵控調制方式，它綜合了 QPSK調制技術的高頻譜利用率和OQPSK調制技術的相位無±π突變的優點［7］。π/4－DQPSK調制信號的傳輸形式可以表示為:

式中，wct為載波角頻率;φk為調制相位，它包含了信號的相位信息，且在每個碼元周期T內為常數。假設第k個碼元符號的相位為φk，那么它的值就是前一個碼元符號的相位值與跳變到當前碼元的相對相位值的和，其表達式為:

由式(2)可以看出，當前碼元符號的相位信息不但與瞬時跳變的相對相位的大小有關，還與前一個碼元符號的相位信息有關［8］。本文碼元信號與相對相位跳變信息的對應關系如表1所示。

表1 相位編碼

由于跳頻通信收發頻率合成器一直處在跳頻狀態，如果每跳傳輸符號數較少時，顯然很難恢復出同頻同相的相干載波。即使每跳傳輸的符號數較多時，若采用相干解調，也需要在每跳信息中增加用于載波快速同步的輔助信息，其代價較大，綜合效能會低于差分解調。差分解調處理復雜度低，不需要接收端恢復相干載波，同時具有較強的頻差容忍能力。因此，解調端采用差分解調方式。

1．2 跳頻通信模型

窄帶調制的跳頻系統輸出信號表示為:

式中，P為發射信號的功率;d(t)為基帶數據信號，是一雙極性不歸零信號;w0為最低跳頻頻率;wΔ為最小跳頻間隔;k(t)的取值為［0，1，…，N－1］，其取值反映了跳頻系統的跳頻規律;N為跳頻頻點數;φ0為載波的初相［9］。接收機收到的信號為:

式中，Pr為接收信號的功率;n(t)為噪聲干擾; J(t)為其他干擾。

當接收端完成跳頻的同步后，其接收機中跳頻頻率合成器的輸出為:

式中，wI為中頻頻率。這樣，混頻后的輸出為:

經過中頻帶通濾波器后，得到的信號為:

式中，第1項是有用信號，是標準的調制信號，經過解調后就可得到發送的數據;J'(t)為干擾經過混頻、濾波處理后的輸出;n'(t)為噪聲經混頻、濾波處理后的輸出［10］。

對于J'(t)，當干擾頻率與當前工作頻率相差一個中頻以上時，中頻濾波器就會將干擾濾除掉，而不會對解調造成影響［11］。即使在某一時刻干擾與信號頻率重合，由于干擾方一般不知道跳頻系統的跳頻圖案，在下一跳頻時間間隔內也難以保持與信號的頻率重合，因此干擾難以奏效。

對于n'(t)，跳頻系統在任何一個跳頻時間間隔內與常規窄帶系統的工作過程是完全一樣的，因此白噪聲對跳頻系統的影響與常規系統的影響一樣［12］。

本設計旨在仿真分析跳頻通信話音信號抗阻塞干擾能力。由于跳頻通信頻帶變化范圍廣，最高跳頻工作頻率在20 GHz以上(Ka頻段)，因此仿真時需要很高的采樣倍數，在幾千倍以上，這導致數據量劇增，難以精確模擬實際跳頻系統工作狀態。本設計將跳頻通信等效為定頻通信，將頻域阻塞干擾等效為時域干擾。即寬帶阻塞干擾可等效為定頻通信一幀內的所有符號均受到干擾，部分頻帶干擾可等效為定頻通信一幀內的每一符號均受到一定概率的干擾。

通過分析，本設計采用符號速率為80 ksps、載波頻率為160 kHz的定頻通信模型模擬跳頻通信受頻域阻塞干擾的情況。解調端剩余載波頻差1%，定時誤差為符號周期1/16。幀長3 584，衛星每發送一幀需要的時間為3 584/80 ksps=44．8 ms。采用4幀分組交織器，本設計延遲為 44．8 ms×4= 179．2 ms，在話音通信可接收范圍之內。假定跳頻系統跳速為 20 000跳/s，則每跳發送符號數為80 k/20 000=4個。

1．3 交織模塊設計

設計采用分組交織器，分組交織亦稱為塊交織，它是按分組接收符號，并對各組中的元素進行相同的排列［13］。分組交織典型的方法是:在發送端把待交織符號按列寫成一個N行B列的矩陣形式，再按行讀出，即得交織后的數據;在接收端則按行寫入再按列讀出，即得解交織后的數據。這種交織稱為(B，N)分組交織器［14］。其中，B被稱為交織深度，N被稱為交織約束長度或寬度。

設計幀長 3 584，采用 4幀分組交織，延遲為179．2 ms，在話音信號允許范圍之內。

2 阻塞干擾模型

設計旨在仿真分析跳頻通信話音信號抗阻塞干擾能力。抗干擾能力用干信比(JSR)表示，即干擾信號的能量與有用信號能量的比值計算得來。將跳頻話音通信BER≤10－4時的臨界干信比為定義為抗干擾能力。跳頻通信除了受到干擾方阻塞干擾之外，還受到信道高斯白噪聲干擾［15］。

根據1．2節建立的跳頻通信模型，將跳頻通信等效為定頻通信，頻域阻塞干擾等效為時域干擾，即干擾信號在時域上覆蓋全部或部分跳頻通信信號。定義干擾因子(ρ)為干擾比例，即干擾符號數與幀長的比值。例如當ρ=0．3時模擬干擾30%跳頻帶寬的部分頻帶干擾。調整部分頻帶的寬度，分別使干擾因子ρ=0．1和ρ=0．5或者其他值，即可得到干擾比例不同的部分頻帶干擾模型。當ρ=1時，即為寬帶阻塞干擾。下面對波形抗阻塞干擾能力進行仿真。

3 抗阻塞干擾性能分析

在無編譯碼的條件下，π/4－DQPSK調制硬解調時，調整部分頻帶的寬度，分別使干擾因子 ρ= 0．1、ρ=0．3、ρ=0．5和ρ=1。當信道信噪比Eb/N0=12 dB時，得到誤碼率曲線如圖2所示。

圖2 部分頻帶干擾硬解調誤碼率仿真

由圖2所示，JSR=20 dB時，當ρ=0．1時誤碼率最高，ρ=1時誤碼率最低，此時干擾頻帶越大，系統誤碼率越低。JSR=50 dB時，當ρ=0．1時誤碼率最低，ρ=1時，誤碼率最高，此時通信系統受到最大干擾。可得出以下結論:當干信比較小時，ρ=0．1時系統誤碼率最高，即干擾方集中能量干擾一小段頻率時，系統受到最大程度干擾;當干信比較大時，ρ=1時的干擾效果最好，此時干擾方采取大范圍頻率段覆蓋干擾時，系統受到最大程度干擾。從圖2中可以看出，4條曲線可以做一條外切線，這條直線叫做最佳干擾曲線，即在這條直線上達到最佳干擾效果。即當干信比一定時，系統受部分頻帶干擾影響最嚴重。

對于干擾方，在特定的干信比時，應該能夠存在一個最佳的ρ，使得該干擾的誤碼率是誤碼率曲線的上限值。為此，取干信比JSR=34 dB的情況下，改變干擾因子，即干擾覆蓋總頻段的比例，得到圖3所示的誤碼率曲線。

圖3 隨干擾因子ρ變化的誤碼率曲線

從圖3中可以看到，在部分頻帶干擾下，誤碼率不是隨著干擾因子ρ的增加而單調增加的，而是隨著ρ在(0，1］之間變化時，會出現一個最大誤碼率的極值情況，即當ρ取某一值時，此時系統的平均誤碼率達到最大值，此時系統性能最壞。

從圖3中可以看到，在JSR=34 dB的條件下，最壞情況出現在ρ=0．3時，即當干擾頻帶覆蓋整個頻帶的30%時，通信系統受到最大程度干擾。

信道編碼模塊選用LDPC碼。LDPC碼是一種性能優良、描述簡單、適合硬件實現的信道編譯碼方式。本文選用LDPC碼，碼長為448，碼率1/2。分別仿真本系統在高斯白噪聲信道Eb/N0為6．0 dB、6．2 dB、6．4 dB、6．6 dB、6．8 dB、7．0 dB時的抗干擾能力，得到系統抗阻塞干擾能力仿真曲線如圖4所示。

圖4 跳頻通信抗阻塞干擾能力仿真

由圖4可以得出以下結論:

采用本文設計波形進行話音通信，干擾方對跳頻通信系統進行部分頻帶干擾時，ρ=0．1時所需干擾功率最小。對于通信方來說，當干擾方采用ρ= 0．1部分頻帶干擾時，跳頻話音通信受到最大程度干擾。

以干擾方采用ρ=0．1部分頻帶干擾時情況作為系統的抗干擾能力，由圖4可以看出，當Eb/N0≥6．2 dB時，系統抗干擾能力不低于 22 dB。隨著信道信噪比增大，系統抵抗阻塞干擾能力逐漸增強。當Eb/N0=7 dB時，系統抗干擾能力達到27 dB。

4 結束語

針對衛星通信容易受到干擾的問題，提出了一種跳頻衛星通信傳輸波形設計策略，在跳頻通信的基礎上進一步提高系統的抗干擾性能。仿真結果表明，當信道Eb/N0≥6．2 dB時，系統抗阻塞干擾能力不低于 22 dB。若干擾方干擾功率一定，采用10%部分頻帶干擾時，所設計波形受到最大程度干擾。本波形具有通用性，可以適用于其他跳頻通信系統，具有較強的實際應用價值。

從阻塞干擾的特點可以看出，它屬于定頻干擾，對付這種干擾一般可采用空閑信道搜索技術或者實時頻率/功率自適應技術。

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Research on Waveform Design for Transmission of Frequency Hopping Satellite Signal

LIU Yan-lu，SUN Chen-hua，WANG Sai-yu，
(The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China)

Frequency hopping communication is a basic means to fight against all kinds of malicious interferences，and has been widely used in satellite communication system．Aiming at the transmission requirement of broadband high-speed frequency hopping satellite communication，a kind of anti-jamming strategy is proposed for frequency hopping satellite communication system，which further improves the performance of the system based on the frequency hopping communication．Through the establishment of a complete broadband high-speed frequency hopping satellite communication system simulation model，combined with efficient LDPC code，π/4-DQPSK modulation，interleaving and other techniques，the optimization of transmission waveform simulation is designed．Theoretical analysis and simulation results show that with the designed waveform and Eb/N0of not less than 6．2 dB，the system anti-barrage jamming performance is not lower than 22 dB．

frequency hopping communication;waveform design;anti-jamming;interweave

A

1003－3106(2017)02－0028－04

10．3969/j．issn．1003－3106．2017．02．07

劉延路，孫晨華，王賽宇．跳頻衛星信號傳輸波形設計研究［J］．無線電工程，2017，47(2):28－31．

2016-11-03

國家部委基金資助項目。

劉延路男，(1992—)，碩士研究生。主要研究方向;衛星通信抗干擾技術研究。

孫晨華女，(1964—)，研究員。主要研究方向:衛星通信系統與總體技術。