通信系统中抗干扰和并行捕获模块的融合设计

陈晓挺

(1.中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海 200050;2.上海微小卫星工程中心通信技术室，上海 201203)

通信系统中抗干扰和并行捕获模块的融合设计

陈晓挺1，2

(1.中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海 200050;2.上海微小卫星工程中心通信技术室，上海 201203)

讨论了通过FFT融合实现频域抗干扰和载波多普勒频偏快速捕获的高效数字化方案，分析了融合设计需要解决的采样率、FFT点数、分时复用等关键技术问题，给出了一种可应用于低轨扩频通信系统的高效实现频域抗干扰和PMF－FFT并行捕获的接收机结构，节省了星上接收机等处理资源。

频域抗干扰;并行捕获;直接序列扩频;低轨卫星

卫星通信系统具有覆盖范围广、部署迅速、组网方便等特点，在军事和民用领域都具有重要的使用价值;同时卫星通信受制于传输损耗大、军事应用多等自身特点，不可避免地遭受到各种有意或无意的干扰。卫星通信中常用抗干扰技术有:天线抗干扰、扩频、星上处理、自适应编码调制、扩展频段、无线光通信、限幅技术等［1］。同时采用星上处理和直接序列扩频技术能为卫星通信系统提供较好的抗干扰能力，但仍不足以对抗实际应用环境中的干扰，数字抗干扰技术是提高卫星抗干扰能力的重要途径［2］。

1 频域抗干扰

数字抗干扰技术可分为时域抗干扰和频域抗干扰两类。时域抗干扰采用自适应滤波算法，在处理多个窄带干扰、强干扰、非平稳信号时性能不佳。频域抗干扰根据信号和干扰的不同频谱特性，在频域上有效抑制干扰并保留有用信号，避免了时域抗干扰的收敛问题。

频域抗干扰通常借助FFT分析频谱，原理如图1所示，中频输入信号经FFT变换到频域后，消除干扰谱线，再经IFFT变换到时域信号输出，供后续的接收机处理。

图1 频域抗干扰原理图

2 频域捕获

受低轨卫星高速运动引起的多普勒效应影响，需要前导头辅助接收机同步PN码和载波频率［3］。过长的前导头导致通信效率降低，尤其是对提供短数据服务的卫星通信系统［4］，需要设计并行捕获算法缩短PN码相位或载波频率的搜索时间，提高系统通信效率。常用的并行搜索扩频信号方案是借助FFT并行搜索载波频率，原理框图如图2所示［5］。

信号经正交下变频后进入部分相关器(PMF)，部分相关值送入N点复数FFT，在FFT计算结果中找出幅值最大的点，并与检测门限比较。超过门限时即同时捕获到了PN码相位和载波多普勒频偏，补偿NCO频偏后启动PN码和载波跟踪;否则继续搜索码相位。

图2 部分相关结合FFT的并行捕获方法

3 抗干扰与捕获融合设计

从图1和图2可以看出，频域抗干扰算法和并行捕获算法都包含FFT计算模块，通过融合设计，共用FFT模块可以大幅减少星上宝贵的处理资源消耗。抗干扰与捕获融合设计，需要解决几个具体问题:采样率、FFT点数、分时共用机制以及接收机整体方案。

(1)采样率。

进入FFT模块的信号采样率fs决定了FFT频谱分析范围，为防止混叠失真，通常要求fs＞2fc，fc为信号带宽。采样频率fs越高，频谱分析范围越宽，但在单位时间内采样点越多，对计算速度的要求也越高。

频域抗干扰的频谱分析范围为射频带宽:(1+α)×BWPN，其中α为成型系数，BWPN为PN码带宽。因此频域抗干扰的采样率应高于(1+α)×BWPN×2，可以取BWPN×4。载波频差估计的频谱分析范围是多普勒频移范围 fd，因此捕获的采样率应高于2fd，可以取4fd。BWPN和fd之间没有固定关系，但一般差距较大，如在Globalstar系统中分别为1.228 8 MHz和40 kHz，相差30倍。采样率不同，需要设计数据缓存及分时调用FFT模块的机制。

(2)FFT点数。

FFT点数和FFT采样率一起决定了频谱分辨率:f0=fs/N=1/NTs=1/T，其中N为采样点数，fs为采样频率，Ts为采样间隔。选择FFT的计算点数N参数需考虑:1)由采样定理:fs≥2fc。2)频率分辨率:f0=fs/N。一般情况给定了fc和f0时也就限制了N范围:N≥fs/f0。

如果抗干扰模块采用256点的FFT，当采样率为1.228 8 MHz×4时，FFT频谱估计的最小频率间隔约为20 kHz。当对抗目标为＜10 kHz的窄带干扰时，20 kHz的频率分辨率会导致较大的有用信号失真。从频谱分辨率考虑，希望FFT的长度越长越好，更精细的分辨干扰，又考虑到实现复杂度，一般选择1 024点FFT。

载波频率捕获的FFT点数和多普勒频偏fd、符号速率Rb有关，频率分辨率至少＜Rb/2，以便后续载波跟踪算法进一步锁定载波频率。以40 kHz多普勒频偏和600 bit·s－1符号速率计算，FFT 点数应 ＞134，考虑到包络衰减和插零操作可选512点，如图3所示，起伏较慢的包络为部分相关器累加长度内多普勒频偏引起的衰减，快变的扇形包络为FFT计算引起的衰减，插零可减少第二项扇形衰减［5］。当符号速率为2.4 kbit·s－1时，多普勒频偏和符号速率之间的差异变小，要求的FFT计算点数也将减小。

图3 补零对FFT输出包络衰减的影响

设计可变点数FFT模块，并且频繁地切换点数进行复用，实现复杂度太高。实际增加FFT点数能提高载波频率捕获信噪比，也能提高抗干扰模块窄带干扰分辨率，因此FFT点数可选择两个模块所需FFT点数的较大者。

(3)分时共用机制。

抗干扰模块在整个通信过程中连续工作，而并行捕获仅工作于通信起始时的前导头阶段，分时共用FFT模块机制如图4所示。在信号确认被捕获之前，抗干扰和捕获模块分时调用FFT进行运算;进入跟踪阶段后，FFT仅供抗干扰调用。时分参数的具体选择与工程实际紧密相关，依赖于前导头长度与捕获速度、抗干扰运算周期的相对关系，以及同时可能接入的用户数等。

图4 抗干扰与捕获分时调用FFT机制

(4)接收机整体方案。

图6给出了频域抗干扰和载波频率快速捕获融合的接收机框图，输入中频信号经A/D采样后首先经过抗干扰模块，其中需要调用2次FFT模块分别计算FFT和IFFT。抗干扰模块输出的中频信号经过下变频后，启动二维捕获模块:载波频率捕获采用PMF－FFT并行捕获方式，PN码相位则采用串行搜索方式。当峰值检测确定捕获完成后，切换至跟踪阶段，闭合PN码跟踪环路，同时将估计出的载波频率值传递给载波跟踪环后，闭合载波换跟踪环路。当峰值检测结果为噪声时，继续串行搜索PN码相位。

图5 接收机整体框图

在接收机的一次信号流中3次调用了FFT模块，FFT模块工作时钟应高于抗干扰模块信息速率3倍以上，同时每次调用FFT模块前后都用乒乓RAM缓存实时信息数据。设进入FFT模块的最高信息速率为1.228 8 MHz×4，则 FFT运算速率应 ＞15 MHz;以1 024点FFT计算，每个信息样点存储2 Byte，则一共需要存储6×2×2×1 024即24 kB。从处理速度和存储空间来看，抗干扰与捕获融合的接收机可以在FPGA中实现。

4 结束语

在低轨卫星直接序列扩频通信系统中，干扰和多普勒效应是不可回避的两大问题，通过合理设计，使基于部分相关器的并行捕获方案和频域抗干扰方案共用FFT计算模块，可节省星上接收机的宝贵处理资源。

［1］柴焱杰，孙继银，李琳琳，等，卫星通信抗干扰技术综述［J］.现代防御技术，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］江绵恒.“创新一号”卫星研制实践及微小卫星发展趋势［J］.中国科学院院刊，2003(6):420 －423.

［4］陈晓挺，刘会杰，梁旭文.扩频系统中多普勒频偏快速估计算法的性能分析［J］.宇航学报，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，FFT 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

陈晓挺(1981—)，男，博士，副研究员。研究方向:低轨卫星无线通信系统设计和研发。