一种卫星通信低速突发信号隐蔽性增强方法*

王延鹏，李 程

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

0 引 言

卫星重叠通信是一种重要的通信手段。它的基本思想是己方信号重叠建立在他方的卫星链路上，在不被发现的情况下，借助可视空域上的通信卫星进行通信。重叠通信要做到隐蔽，已方信号必须比原业务信号微弱得多。扩频信号的一个重要特点是功率谱密度低。类似白噪声，将它叠加到原业务信号频带内只相当于增加背景噪声[1]。扩频信号与其他信号共频谱传输示意图，如图1所示。

扩频信号与其他信号重叠通信，需要满足以下要求[2]：

（1）叠加的宽带扩频信号不能将转发器推向饱和，宽带扩频信号的功率受转发器输入补偿约束；

（2）不明显影响原有卫星业务信号性能，且原业务信号允许的性能恶化限定了叠加的宽带扩频信号的功率谱密度；

（3）叠加的宽带扩频信号能够进行通信，满足自身接收信噪比门限要求。

目前，卫星重叠通信中常用的突发通信往往多采用此种方式。信道一次传输很少的信息量，一次突发的时间多则几秒钟，少则几十毫秒。同时，接收端天线的能力往往较弱，信道需要占用较大的卫星功率，因此信号依然容易被发现。低速突发信号的隐蔽性增强具有重大的研究意义。本文对低速突发信号进行链路分析，针对分析结果提出了隐蔽性增强策略，改善己方扩频信号隐蔽性，并对改进后的系统进行性能仿真分析。

1 链路分析

系统应用参数如表1所示[3-4]。

表1 系统应用参数

1.1 干扰信号分析

用于接收低速突发信号的天线口径小，波束宽带较宽，在接收低速突发信号的同时，易受到多颗卫星通信信号的干扰。

天线接收的干扰噪声比[5]可通过式（1）估算：

干扰导致的扩频信号信噪比恶化为

1.2 低速突发信道功率波动分析

在AWGN信道中，干扰条件下BPSK/DS扩频信号的误比特率[6]为：

式中：Var(L)为干扰信号方差；N0为高斯加性白噪声（Additive White Gaussian Noise，AWGN）的单边功率谱密度。显然，没有干扰时，Var(L)=0。式（3）就是AWGN信道误比特率的表达式。

当干扰功率为RJ时，式（3）可以表示为：

式中：S为扩频信号功率；GP=Tc/Tb为扩频信号的处理增益；b为干扰因子（干扰因子与干扰样式、干扰信号和DS扩频信号中心频率的相对位置以及相位的相对值有关）。

设接收端误码率达到P=1×10-4条件下的信噪比解调门限Eb/N0=6 dB，链路余量MTH=3.5 dB，信息速率Rb=50 bit/s。

宽带扩频信号下行载噪比为：

卫星发送功率为：

式中k为波尔兹曼常数

宽带扩频信号上行载噪比为

宽带扩频信号引起的已承载载波信噪比恶化为：

宽带扩频信号引起的已承载载波带内功率波动为：

宽带扩频信号引起的保护频带内功率波动为：

可见，保护带宽内的功率波动远大于已承载载波带内功率波动。保护频带内功率波动过大，不利于信号隐蔽，因此必须采取措施降低保护频带内宽带扩频信号功率，减少保护频带内的功率波动。减少宽带扩频信号在保护频带内的功率，势必会损失宽带扩频信号功率，导致信噪比恶化，使得到达接收端的接收信噪比小于解调门限。首先，考虑将保护频带内的宽带扩频信号功率全部挖掉这种极限情况，那么保护频带内的功率波动为零。

已承载载波占用频带内的功率波动为：

从式（11）看出，此种情况下，已承载载波占用频带内的功率波动变化不大。但是，如果保护带宽大于10%，则已承载载波占用频带内的功率波动会大于0.67 dB。

设宽带扩频信号保护频带内挖掉的功率为ΔP，总的功率为P，已承载载波占用带宽为B0，保护带宽为Bg，则补偿后信号的总功率为G×(P-ΔP)，G为增益系数，且有G×(P-ΔP)≥P。

已承载载波占用频带内的功率波动为：

保护频带内的功率波动为：

式中：Bw为信号带宽。

由分析可知，ηs≥ χ1，ηq≥ χ2。

已承载载波接收端功率波动为：

由于接收端天线噪声N1的引入，使ηES＜ηs。

2 低速突发信道隐蔽性增强方法对系统性能影响的仿真分析

由低速突发信道传输性能分析可知，宽带扩频信号在保护频带内的功率波动很大。所以，在信号设计时，需要将保护频带内的功率。本文提出了隐蔽性增强策略。一般情况下，选择的转发器宽带扩频信号频带内的保护频带不超过10%。

策略的实施可以分为以下几个步骤。

（1）确定DS扩频信号发送、接收地球站品质因数、DS扩频信号的信息速率、门限信噪比和中心频点；

（2）确定转发器带宽和上下行工作频段，根据工作频段计算上下行空间损耗LU和LD；

（3）接收转发器信号进行快速体傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）处理，得到转发器上原有信号的频谱信息，将FFT的输出值送入数值比较器，在数值比较器里按照从大到小的顺序进行排序，将最后10%的数据的频谱位置信息送入衰减控制器；

（4）衰减控制器控制扩频后的数据进行FFT处理，在频域内将保护频带内的FFT输出幅度响应乘以衰减系数，再对处理后的数据进行快速傅里叶逆变换（InverseFast Fourier Transform，IFFT）变为时域数据。

至此，以上4个步骤完成了发端信号的处理流程。图2表示了基于频谱感知的隐蔽性增强策略的流程。

下面对步骤（4）处理对系统性能的影响做简单的理论分析。

m序列的噪声功率谱密度[7]为：

式中：fc为扩频后信号带宽；fd为扩频前的数据带宽。数据信号与扩频信号都是单位幅度的双极性矩形波。单边功率谱密度如图3所示。

经衰减系数α处理后的信号功率谱密度为：

式中：f0为衰减带宽的起始位置；α为衰减幅度因子；β为衰减带宽比。可知，经过信号衰减处理后的系统性能与衰减带宽的起始位置fd、衰减幅度因子α和衰减带宽比β有关。在起始位置f0和衰减带宽比β一定时，信号的能量损失随α而增大；在起始位置fd和衰减幅度因子α一定时，信号的能量损失随β而增大；在衰减幅度因子α和衰减带宽比β一定时，信号的能量损失随fd的增加而减小。信号的能量损失造成接收机输入信噪比降低，降低了系统的解调性能。

用Matlab进行基带的误码率仿真，仿真假设条件是宽带扩频信号频带内均匀分布3个载波，如图4所示。该种载波分布情况能够代表一般情况。载波分配带宽、载波占用带宽和载波之间的保护带宽关系一般是固定的。保护带宽占载波分配带宽的10%左右。

按照基于频谱感知的隐蔽性增强策略处理后，对信号解调性能损失的影响的仿真过程如图5所示。

以扩频比为N=63为例，仿真信号在保护频带内的衰减对系统性能的影响。如图6所示，仿真结果显示了保护带宽占总带宽10%时，信号做频谱成形后，对信号解调性能影响在0.5 dB左右。所以，在基本不影响解调性能的情况下，采用基于频谱感知的隐蔽性增强策略可以使带内功率波动从3 dB降到0.67 dB，增强了信号隐蔽性。

3 结 语

本文根据低速突发信号与转发器上原有信号进行共频带传输的特点，对低速突发信道进行链路分析。结果表明，低速突发信号在保护频带内引起的功率波动达到3 dB，导致信号隐蔽性降低。为改善低速突发信道的隐蔽性，提出了隐蔽性增强策略。通过确定保护频带的位置和数量，对宽带扩频信号在保护频带内做衰减处理。处理方法是对发送信号做FFT运算进行时频转换，在频域内做衰减处理，再进行IFFT将信号转换为时域信号发送出去。仿真分析表明，频谱成形技术对信号解调性能影响在0.5 dB以内，而带内功率波动从3 dB降到0.67 dB，很好地提升了突发信号的隐蔽性。