跳频卫星信号传输波形设计研究

刘延路，孙晨华，王赛宇

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

跳频卫星信号传输波形设计研究

刘延路，孙晨华，王赛宇

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

跳频通信是对抗各种恶意干扰的一种基本手段，已经被广泛地应用于卫星通信系统。针对宽带高速跳频卫星通信的传输需求，提出了一种跳频卫星通信系统抗干扰增效策略，在跳频通信的基础上进一步提高系统的综合抗干扰性能。通过建立完整的宽带高速跳频卫星通信系统仿真模型，结合高效LDPC码、π/4－DQPSK调制和交织等多种技术进行传输波形的优化仿真设计。理论分析和仿真结果表明，采用该波形且 Eb/N0不低于6.2 dB时，系统抗阻塞干扰能力不低于22 dB。

跳频通信;波形设计;抗干扰;交织

0 引言

卫星通信在现代战争中起到了极其重要的作用，然而卫星通信本身是一种极易受到干扰的通信体制［1］。卫星通信的极端重要性与其自身的脆弱性形成了一对矛盾，研究抗干扰卫星通信系统已经刻不容缓［2］。跳频技术是目前通信抗干扰领域应用范围最广的一种通信方式，但受系统参数限制，仅依靠提高跳频带宽或者跳速的方法，对卫星通信系统抗干扰能力提高有限，必须考虑采用先进的波形设计方法进一步提高其抗干扰能力［3］。

结合信道编码、高效调制技术与交织等波形设计方法，可在跳频处理增益的基础上进一步提高系统的抗干扰性能［4］。因此，本文提出了一种跳频卫星信号传输波形设计，在跳频通信的基础上进一步提高系统的综合抗干扰性能［5］。

1 系统模型

通过建立完整的宽带高速跳频卫星通信系统仿真模型进行传输波形的优化仿真设计，设计的系统模型如图1所示。

图1 跳频通信系统模型

系统由信道编(解)码模块、定(解)帧模块、(解)交织模块、调制(解调)模块和干扰信号模块共五大模块组成。各个模块的正确建立是整个仿真方案实施的关键［6］。其中，发射信号是原始消息信号经过信源编码之后的消息信号，是二进制数字比特流。

1．1 π/4－DQPSK调制的实现

π/4－DQPSK是一种正交相移键控调制方式，它综合了 QPSK调制技术的高频谱利用率和OQPSK调制技术的相位无±π突变的优点［7］。π/4－DQPSK调制信号的传输形式可以表示为:

式中，wct为载波角频率;φk为调制相位，它包含了信号的相位信息，且在每个码元周期T内为常数。假设第k个码元符号的相位为φk，那么它的值就是前一个码元符号的相位值与跳变到当前码元的相对相位值的和，其表达式为:

由式(2)可以看出，当前码元符号的相位信息不但与瞬时跳变的相对相位的大小有关，还与前一个码元符号的相位信息有关［8］。本文码元信号与相对相位跳变信息的对应关系如表1所示。

表1 相位编码

由于跳频通信收发频率合成器一直处在跳频状态，如果每跳传输符号数较少时，显然很难恢复出同频同相的相干载波。即使每跳传输的符号数较多时，若采用相干解调，也需要在每跳信息中增加用于载波快速同步的辅助信息，其代价较大，综合效能会低于差分解调。差分解调处理复杂度低，不需要接收端恢复相干载波，同时具有较强的频差容忍能力。因此，解调端采用差分解调方式。

1．2 跳频通信模型

窄带调制的跳频系统输出信号表示为:

式中，P为发射信号的功率;d(t)为基带数据信号，是一双极性不归零信号;w0为最低跳频频率;wΔ为最小跳频间隔;k(t)的取值为［0，1，…，N－1］，其取值反映了跳频系统的跳频规律;N为跳频频点数;φ0为载波的初相［9］。接收机收到的信号为:

式中，Pr为接收信号的功率;n(t)为噪声干扰; J(t)为其他干扰。

当接收端完成跳频的同步后，其接收机中跳频频率合成器的输出为:

式中，wI为中频频率。这样，混频后的输出为:

经过中频带通滤波器后，得到的信号为:

式中，第1项是有用信号，是标准的调制信号，经过解调后就可得到发送的数据;J'(t)为干扰经过混频、滤波处理后的输出;n'(t)为噪声经混频、滤波处理后的输出［10］。

对于J'(t)，当干扰频率与当前工作频率相差一个中频以上时，中频滤波器就会将干扰滤除掉，而不会对解调造成影响［11］。即使在某一时刻干扰与信号频率重合，由于干扰方一般不知道跳频系统的跳频图案，在下一跳频时间间隔内也难以保持与信号的频率重合，因此干扰难以奏效。

对于n'(t)，跳频系统在任何一个跳频时间间隔内与常规窄带系统的工作过程是完全一样的，因此白噪声对跳频系统的影响与常规系统的影响一样［12］。

本设计旨在仿真分析跳频通信话音信号抗阻塞干扰能力。由于跳频通信频带变化范围广，最高跳频工作频率在20 GHz以上(Ka频段)，因此仿真时需要很高的采样倍数，在几千倍以上，这导致数据量剧增，难以精确模拟实际跳频系统工作状态。本设计将跳频通信等效为定频通信，将频域阻塞干扰等效为时域干扰。即宽带阻塞干扰可等效为定频通信一帧内的所有符号均受到干扰，部分频带干扰可等效为定频通信一帧内的每一符号均受到一定概率的干扰。

通过分析，本设计采用符号速率为80 ksps、载波频率为160 kHz的定频通信模型模拟跳频通信受频域阻塞干扰的情况。解调端剩余载波频差1%，定时误差为符号周期1/16。帧长3 584，卫星每发送一帧需要的时间为3 584/80 ksps=44．8 ms。采用4帧分组交织器，本设计延迟为 44．8 ms×4= 179．2 ms，在话音通信可接收范围之内。假定跳频系统跳速为 20 000跳/s，则每跳发送符号数为80 k/20 000=4个。

1．3 交织模块设计

设计采用分组交织器，分组交织亦称为块交织，它是按分组接收符号，并对各组中的元素进行相同的排列［13］。分组交织典型的方法是:在发送端把待交织符号按列写成一个N行B列的矩阵形式，再按行读出，即得交织后的数据;在接收端则按行写入再按列读出，即得解交织后的数据。这种交织称为(B，N)分组交织器［14］。其中，B被称为交织深度，N被称为交织约束长度或宽度。

设计帧长 3 584，采用 4帧分组交织，延迟为179．2 ms，在话音信号允许范围之内。

2 阻塞干扰模型

设计旨在仿真分析跳频通信话音信号抗阻塞干扰能力。抗干扰能力用干信比(JSR)表示，即干扰信号的能量与有用信号能量的比值计算得来。将跳频话音通信BER≤10－4时的临界干信比为定义为抗干扰能力。跳频通信除了受到干扰方阻塞干扰之外，还受到信道高斯白噪声干扰［15］。

根据1．2节建立的跳频通信模型，将跳频通信等效为定频通信，频域阻塞干扰等效为时域干扰，即干扰信号在时域上覆盖全部或部分跳频通信信号。定义干扰因子(ρ)为干扰比例，即干扰符号数与帧长的比值。例如当ρ=0．3时模拟干扰30%跳频带宽的部分频带干扰。调整部分频带的宽度，分别使干扰因子ρ=0．1和ρ=0．5或者其他值，即可得到干扰比例不同的部分频带干扰模型。当ρ=1时，即为宽带阻塞干扰。下面对波形抗阻塞干扰能力进行仿真。

3 抗阻塞干扰性能分析

在无编译码的条件下，π/4－DQPSK调制硬解调时，调整部分频带的宽度，分别使干扰因子 ρ= 0．1、ρ=0．3、ρ=0．5和ρ=1。当信道信噪比Eb/N0=12 dB时，得到误码率曲线如图2所示。

图2 部分频带干扰硬解调误码率仿真

由图2所示，JSR=20 dB时，当ρ=0．1时误码率最高，ρ=1时误码率最低，此时干扰频带越大，系统误码率越低。JSR=50 dB时，当ρ=0．1时误码率最低，ρ=1时，误码率最高，此时通信系统受到最大干扰。可得出以下结论:当干信比较小时，ρ=0．1时系统误码率最高，即干扰方集中能量干扰一小段频率时，系统受到最大程度干扰;当干信比较大时，ρ=1时的干扰效果最好，此时干扰方采取大范围频率段覆盖干扰时，系统受到最大程度干扰。从图2中可以看出，4条曲线可以做一条外切线，这条直线叫做最佳干扰曲线，即在这条直线上达到最佳干扰效果。即当干信比一定时，系统受部分频带干扰影响最严重。

对于干扰方，在特定的干信比时，应该能够存在一个最佳的ρ，使得该干扰的误码率是误码率曲线的上限值。为此，取干信比JSR=34 dB的情况下，改变干扰因子，即干扰覆盖总频段的比例，得到图3所示的误码率曲线。

图3 随干扰因子ρ变化的误码率曲线

从图3中可以看到，在部分频带干扰下，误码率不是随着干扰因子ρ的增加而单调增加的，而是随着ρ在(0，1］之间变化时，会出现一个最大误码率的极值情况，即当ρ取某一值时，此时系统的平均误码率达到最大值，此时系统性能最坏。

从图3中可以看到，在JSR=34 dB的条件下，最坏情况出现在ρ=0．3时，即当干扰频带覆盖整个频带的30%时，通信系统受到最大程度干扰。

信道编码模块选用LDPC码。LDPC码是一种性能优良、描述简单、适合硬件实现的信道编译码方式。本文选用LDPC码，码长为448，码率1/2。分别仿真本系统在高斯白噪声信道Eb/N0为6．0 dB、6．2 dB、6．4 dB、6．6 dB、6．8 dB、7．0 dB时的抗干扰能力，得到系统抗阻塞干扰能力仿真曲线如图4所示。

图4 跳频通信抗阻塞干扰能力仿真

由图4可以得出以下结论:

采用本文设计波形进行话音通信，干扰方对跳频通信系统进行部分频带干扰时，ρ=0．1时所需干扰功率最小。对于通信方来说，当干扰方采用ρ= 0．1部分频带干扰时，跳频话音通信受到最大程度干扰。

以干扰方采用ρ=0．1部分频带干扰时情况作为系统的抗干扰能力，由图4可以看出，当Eb/N0≥6．2 dB时，系统抗干扰能力不低于 22 dB。随着信道信噪比增大，系统抵抗阻塞干扰能力逐渐增强。当Eb/N0=7 dB时，系统抗干扰能力达到27 dB。

4 结束语

针对卫星通信容易受到干扰的问题，提出了一种跳频卫星通信传输波形设计策略，在跳频通信的基础上进一步提高系统的抗干扰性能。仿真结果表明，当信道Eb/N0≥6．2 dB时，系统抗阻塞干扰能力不低于 22 dB。若干扰方干扰功率一定，采用10%部分频带干扰时，所设计波形受到最大程度干扰。本波形具有通用性，可以适用于其他跳频通信系统，具有较强的实际应用价值。

从阻塞干扰的特点可以看出，它属于定频干扰，对付这种干扰一般可采用空闲信道搜索技术或者实时频率/功率自适应技术。

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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

刘延路，孙晨华，王赛宇．跳频卫星信号传输波形设计研究［J］．无线电工程，2017，47(2):28－31．

2016-11-03

国家部委基金资助项目。

刘延路男，(1992—)，硕士研究生。主要研究方向;卫星通信抗干扰技术研究。

孙晨华女，(1964—)，研究员。主要研究方向:卫星通信系统与总体技术。