组合扩频信号设计及抗干扰处理方法

张 波， 毛良明

（①中国电子科技集团公司第十研究所，四川 成都 610036；②中国电子科技集团公司第二十九研究所，四川 成都 610036）

0 引言

目前，提高航天测控系统抗干扰能力主要通过直接序列扩频来完成。随着低检测概率信号检测技术的不断发展，直接序列扩频测控系统面临越来越严重的威胁，采用性能更强的组合扩频体制已经成为抗干扰测控系统的发展趋势。其中，跳频直扩组合扩频体制是组合式扩频的代表，已经在通信领域得到了广泛应用[1-3]。跳频直扩组合扩频体制应用于测控领域主要面临以下几个问题。首先，测控领域直扩伪码在完成信号频谱扩展的同时还兼有测距功能。为了能够完成较远目标的距离测量，伪码长度远大于通信中的直扩伪码，这时信号的捕获难度要比通信中困难的多。另外测控系统中通信的对象是远距离高速飞行的航天器，航天器较大的多普勒频率和多普勒变化率以及相当微弱的信号电平进一步加大了信号捕获难度。其次，当前的跳扩频组合系统中载波频率的跳变一般是在射频来完成的。由于模拟器件自身的特点，不同载波进行切换时相位会发生跳变，在通信中这不会有问题，但测控中需要根据载波多谱勒来进行测速，此时载波相位的不连续会导致相干多普勒测速无法进行，严重影响测速精度。

1 国内外发展现状

从目前已有的资料来看，国外已经出现了将跳频用于测控的研究文献[4]，但未见有关跳扩频信号用于测距测速等方面的报道。国内有些单位已经开展跳扩频组合体制用于航天测控系统的可行性论证工作，其中的关注重点是组合扩频信号的测距测速性能能否达到航天测控系统的精度要求。这些研究普遍基于一个前提，即跳频过程中不同载波进行切换时相位是连续的[5]。从已经发表的文献分析，这种情况下跳扩频信号用于航天测控系统是可行的，可以满足测控系统测距测速的精度要求。然而，所有文献均未给出保证跳频时载波相位连续的解决方法。针对跳频直扩组合扩频体制的研究现状和面临的问题，提出了保持跳频时不同载波间相位连续的方法，并在此基础上设计出了跳频直扩组合扩频信号格式，另外还对该信号格式下测控系统的抗干扰性能和接收机抗干扰方法进行了简要说明。由于篇幅的限制，组合扩频信号的捕获、跟踪方法和具体技术实现等内容文中没有提及。

2 信号体制设计

现设计了一种跳频直扩组合扩频信号产生方案，该方案可以在跳频载波切换时保持相位的连续性，使得相干多普勒提取成为可能。

在产生信号时可以使跳频载波起始时刻与扩频伪码起始时刻对齐，由于每个跳频驻留时间内包含直扩伪码码片数是已知的，在信号接收时可以根据此关系来简化信号的捕获过程。

当采用超长周期伪码时，直接对信号进行捕获是不现实的。此时可以根据系统时间使伪码相位的不确定度缩小到比较小的范围内，假设为N s，这样在进行信号捕获时只要在N s的不确定度范围内对信号进行捕获即可。

虽然可以通过系统时间把伪码相位不确定度缩小到一个较小的范围，但此时完成信号捕获仍然比较困难。这里通过在信号中增加同步指示标志的方法来降低信号捕获难度。同步指示信号每1个或几个跳频周期发送一次，持续时间很短，为突发模式，采用直扩扩频格式。同步指示信号与每个跳频周期的起始时刻保持严格的时间关系，由一个确定频率的载波来发送。由于同步指示信号和测控信号都为扩频信号，即使二者频谱重叠时也可以根据相关性进行分离，因此同步指示信号不会对真正的测控信号造成影响。接收时可以根据该同步指示信号得到信号跳频载波和伪码相位的信息以进一步简化信号的捕获过程。

为了保证同步指示信号的检测概率，可以在多个载波同时发送同步指示信号，这样即使一个或几个频点被干扰系统仍然可以完成信号捕获。由于同步指示信号持续时间短，需要提高指示信号的强度，以保证接收时接收端能够对其进行正确识别。同步指示信号持续时间很短且本身也是扩频信号具有很好的隐蔽性，不会降低系统的抗干扰能力。

为了保证在不同载波切换处载波相位的连续性，采用直接数字频率合成法来产生跳频载波。此时载波的切换在中频实现，当载波从一个频率跳变到另一个频率时只要改变相位累加器的累加值即可。调制方式采用BPSK或QPSK。为了进一步提高系统性能，可以加入纠错编译码来纠正传输过程中由于干扰或噪声造成的误码。如果直接采用FPGA中的DDS来产生各个跳频载波，由于器件本身的工作速率限制，跳频点最多只能覆盖几十兆赫兹左右的带宽范围，满足不了设计需要。为了进一步提高信号带宽，可以通过多路并行处理来提高FPGA内部总的信号处理速度，再结合高速DA和AD器件即可完成信号的发射和接收。目前的高速DA器件可以支持高达4 GHz/s以上的处理速度，跳频载波可以覆盖很宽的频率范围，足以满足扩频带宽的需要。

3 抗干扰性能分析

与直接序列扩频和跳频扩频相比，跳频直扩组合体制有以下两个明显的优势。

首先，在跳扩频组合体制下，扩频信号是由载波频率跳变的直接序列信号组成，当直接序列扩频伪码发生器时钟速率已经达到最大，或者跳频器的可用跳变频率数已经达到最大时，使用组合扩频体制对提高系统抗干扰能力价值极大。此时，对于阻塞式干扰，由于跳扩频组合系统扩频增益更大，对抗方要达到与直扩或跳频系统相同的干扰效果，需要更强的干扰功率。对于部分频带干扰，对抗方由于不知道信号位置，只能对单个频点进行干扰，并且在快跳扩频组合系统中，多个跳频点才传输一个符号，干扰效果进一步下降。

其次，抗侦破能力方面的比较。随着低截获概率信号检测技术的不断发展，尤其是周期平稳随机过程数学模型及谱相关理论的提出，直接序列扩频测控系统已经越来越不可靠。如果干扰方通过技术手段恢复了直扩系统的伪码序列，将会给直扩测控带来灾难性的后果。此时干扰方只要根据伪码序列产生合适的干扰信号，很小的干扰功率就可以使整个直扩测控系统无法正常工作。对于跳频系统，存在类似问题。目前已有仪器已经可以对2 GHz带宽范围内，5万跳每秒的跳频信号进行全频段监视，在10 s之内可以记录下所有跳频点，并且可以显示出信号在各个跳频点的完整频谱。只要掌握了信号的跳频点变化规律，破获跳频图案就变得非常容易。如果干扰方掌握了跳频图案，就可以对跳频系统形成跟踪式干扰，此时跳频系统的抗干扰能力将完全丧失，跳频系统将变得和一般的非扩频系统一样脆弱。

在抗侦破性能方面，与直扩或跳频系统相比，跳扩频组合系统具有非常明显的优势。在经过直扩和跳频的结合后，信号频谱深埋于噪声之下，这使得直接通过仪器或其他处理手段在宽带范围内直接对信号进行监视变得异常困难，同时由于载波频率在不停进行跳变，这使得对抗方无法获得完整的直扩信号，从而使其很难通过技术手段对信号进行分析，破译扩频序列也就变得不太可能。

4 抗干扰处理方法及相关技术问题

接收机抗干扰处理方法有很多种，涉及天线、信道、信号处理等各个环节。下面针对跳扩频信号一一进行说明。

4.1 自适应调零天线

在自适应调零天线中，各个天线阵元接收到的信号在进行AD采样后经过各通道的加权系数加权后输出，加权系数由自适应算法进行动态调整。通过对各个阵元的信号进行加权处理，可以在干扰方向形成零点，从而达到抑制干扰的目的。

天线阵元和可抑制的干扰数目具有以下关系：M个天线单元构成的天线阵，若有M个从不同入射角入射的信号和干扰，从其输入相关矩阵可能分辨出这M个入射的信号和干扰；或者可以在M-1个干扰入射角形成零点，在信号入射角有一定增益，以提取信号。M个天线单元构成的天线阵，若有功率相当的多于M个的信号和干扰从不同入射角入射，从其输入相关矩阵一般不能分辨出这些入射的信号和干扰。

另外，天线阵列的空间方向分辨率都是一定的，当干扰和期望信号的方向非常靠近时，阵列天线就无法在空域上对信号进行辨识，阵列性能也就会大幅度下降。另外当干扰数量大于天线阵阵元数量时，也无法正常完成对干扰信号的抑制。由于这些问题是由天线阵自身特性引起的，空域滤波技术无法克服，因此发展出了空时联合抗干扰技术。

4.2 时域抗干扰处理和空时联合抗干扰处理

为了提高对与信号来向接近干扰的处理能力，提高可抗干扰的数量，可以采用空域滤波和时域滤波相结合的空时联合算法[6-7]。

时域滤波器的基本原理：宽带信号自相关函数对相对较大的延迟值等于零，而窄带信号对同样的延迟值有显著的自相关性。从物理概念上说，宽度信号是快变信号，窄带信号是慢变信号，因此宽带信号在时间上错开少许，因其快变性而不相关；而对窄带信号，时间上间隔较长的两点上的信号有很强的相关性。利用这一特性，可构成宽带信号与周期信号分离器，也即宽带信号与窄带信号分离器。由于滤波器系数是动态调整的，因此用较少的抽头就可以完成信号的滤波，比直接频域滤波占用资源要少得多。

在空时联合抗干扰结构中干扰抑制度为阵元数目和时域抽头数目之和减 1。一般情况下时域横向滤波器的阶数相对多一些，天线阵的阵元数相对较少。不论干扰是宽带还是窄带，天线阵可以在干扰入射方向形成零点。在存在多干扰源的情况下，力求使天线阵对消宽带干扰，使时域横向滤波器对消窄带干扰是空时联合处理的基本原则[8]。

4.3 频域抗干扰处理

当干扰形式为大功率单音干扰或窄带干扰时，由于在跳扩频组合系统中信号载波在不断跳变，因此只有在干扰与当前跳频点的频谱重叠时才会起到干扰信号的作用。此时可以采用频域抗干扰处理方法。先求出下变频后基带信号的频谱，然后根据扩频信号频谱的特点对干扰信号是否存在进行判断，若干扰信号存在，则在频谱上对其进行置零或置为信号频谱预测值，然后通过反变换变回时域信号，从而达到抗干扰的目的。此方法可以有效抑制单音和窄带干扰[9]。

4.4 信号短暂中断或完全被干扰压制时的处理方法

这里对大功率脉冲干扰的处理方法进行说明。大功率脉冲干扰的特点是干扰持续时间短，可覆盖整个传输带宽，瞬时干扰功率大，干信比可达100 dB以上。如此大的干扰功率有可能烧毁射频前段，因此首先需要采取抗烧毁措施。可在场放前加入二极管，当干扰功率大于门限值时二极管导通。此时信号不会被送至后端电路，接收机会出现短暂的信号中断。这里要选择开关时间短的二极管，快速开关二极管的开关时间在几十纳秒以下，完全可以满足要求。

如果干扰功率没达到二极管的导通门限，当经过前端低噪放后，可能会使信道放大器饱和。由于AD采样位数有限，单独通过降低放大器增益来防止信道饱和可能会使AD采样后只得到干扰信息，有用信号没有被有效传送。而前段低噪放的增益需要保持一定水平，否则接收机的噪声系数过大，使灵敏度受到很大影响。可以使信道放大器增益保持在较低水平，当干扰功率大到一定程度时任信道饱和。由于干扰只是短暂出现，因此当干扰功率减小直至消失时放大器会自行从饱和状态回退至线性放大区。可以通过后端处理来对放大器的工作状态进行判断，在放大器饱和的时间里，丢弃AD采集到的信号。放大器从饱和状态回退至线性放大区的时间很快，为纳秒级，不会造成信号长时间中断。

在快速跳扩频信号中，一个符号通过很多个跳频点进行传输，少数几个跳频点的信号缺失对最终 的判决影响不大，所以上面两种情况下接收机可以完成信号的后续处理，从而对抗大功率脉冲干扰。

在上述处理过程中，当信号暂时中断时，要求环路不能失锁，以免干扰结束后重新再花费时间进行信号的捕获和跟踪。这需要在后端环路中加入自适应判决和预测等措施以保证在信号短暂中断时继续维持锁定状态。

5 结语

针对目前航天测控系统抗干扰能力不足的问题，设计出了一种跳频直扩组合扩频信号体制。为了保持信号在不同跳频点进行切换时载波相位的连续性，提出了用数字器件代替传统的模拟器件实现了信号跳频点变化的观点。文中从抗干扰性能和抗侦破性能两方面说明了这种新体制信号的优点。另外，还对不同干扰情况下接收机中常采用的抗干扰方法进行了介绍，在实际应用中这些方法可以结合起来使用以提高系统在各种情况下的抗干扰能力。从文中分析可以看出，与直扩体制相比，组合扩频体制具有明显的优势，可作为提高未来测控系统抗干扰能力的一种途径。

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