一种基于累积谱的MF-TDMA信号检测技术

赫 畅，牛慧莹

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

一种基于累积谱的MF-TDMA信号检测技术

赫 畅，牛慧莹

（中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

多频时分多址（MF-TDMA）是一种基于频分和时分相结合的二维多址方式，在卫星通信灵活组网和支持综合业务传输方面具有明显的优势，适合不同规模卫星通信网络的应用。针对现代卫星通信领域中广泛采用的MF-TDMA信号，分析了信号的时频特征和载波特性，基于累积谱计算、频域搜索、时域能量窗检测等方法，提出了一套完整的MF-TDMA信号检测算法，实现了MF-TDMA信号的多载波检测以及载波特性分析，并通过实际采集数据验证算法的正确性与可行性。

MF-TDMA；反向链路；累积谱；信号搜索

0 引言

MF-TDMA是一种基于频分和时分相结合的二维多址方式，利用逐时隙载波跳变发送和接收、速率捷变和虚路由寻址等相结合技术，可完成地球站间灵活组网以及面向话音、数据、视频等综合业务的点对多点通信，是实现通信卫星资源高效利用和信息传输的有效手段，成为国内外研究的热点并得到了广泛应用［1－2］。

因此，研究MF-TDMA信号的发展趋势和技术特点，深入探讨MF-TDMA信号的检测技术，可为侦收、阻断、欺骗，破坏、摧毁敌军卫星通信系统进行技术积累，对打赢高技术条件下的局部战争、夺取战场制信息权具有重大的现实意义。

本文提出了一套完整的MF-TDMA信号检测算法，实现了MF-TDMA信号的多载波检测以及载波特性分析，并通过实际采集数据验证算法的正确性与可行性，解决了传统检测算法需要人工干预的问题。

1 MF-TDMA体制研究

MF-TDMA［3－5］是将频分多址接入（FDMA）和时分多址接入（TDMA）体制相结合的一种混合多址接入方式。作为目前宽带多媒体卫星通信系统所采用的主流体制，MF-TDMA允许众多用户终端共享一系列不同速率的载波［6］，每个载波进行时隙划分，通过综合调度时频二维资源，达到资源的灵活分配。MF-TDMA原理示意如图1所示。从图1中可以看出，在MF-TDMA系统中，每个载波是时分使用的，每个载波的TDMA速率可以相同也可以不同，甚至同一载波不同时隙的载波速率也可以不同。与传统单载波TDMA系统相比，由于载波速率降低，大大降低了用户终端的发送能力要求，通过使用不同速率载波的组合可构成一个能够同时兼容大、小用户终端且具有灵活组网能力的宽带多媒体卫星通信系统。当MF-TDMA系统的空中速率逐步提高，载波数逐渐变小，当空中速率高到一定程度、载波数为1时，对应的就是传统的高速TDMA体制；当载波数逐渐增多、空中速率低到用户终端的速率时，对应的就是FDMA（SCPC）体制。

图1 MF-TDMA示意

根据用户终端的跳频能力，MF-TDMA可分为静态MF-TDMA和动态MF-TDMA两种。静态MF-TDMA（如图2所示）是指一个终端在连续发送信号的过程中，载波的速率、时隙的宽度及突发的配置（调制编码方式等）都保持不变，即静态MF-TDMA不能在不同速率载波上连续跳频，只能在速率相同、频点不同的载波上进行跳频，而且载波时隙的大小、突发的配置也必须是一样的。如果用户终端需要不同速率的载波，则需要网控中心进行配置，终端将通信中断，调整过后继续工作；而动态MF-TDMA（如图3所示）在连续发送信号过程中，载波的速率、时隙的宽度和突发的配置都可以实时灵活地改变。即动态MF-TDMA可以在不同速率的载波上连续跳频，动态MF-TDMA的优点是可以更有效地适应多媒体业务的通信需求。

图2 静态MF-TDMA

图3 动态MF-TDMA

根据用户终端的频率切换速度，MF-TDMA可分为快速跳频和慢速跳频2种［7］。快速跳频是指终端可以在连续的时隙上“跳频”，利用时隙突发中的保护时间进行频率的切换，通常根据实际情况保护时间为几个到十几个符号长度。慢速跳频是指终端无法在连续的时隙“跳频”，频率之间的切换需要至少1个时隙的时间，但通常切换时间不超过1 s。慢速跳频终端在实现代价上相对较低，快速跳频终端则更加灵活，可以更好地适应多媒体业务需求。在设计资源分配算法时需要考虑到终端的跳频能力，对于慢速跳频终端，一帧内的时隙通常连续分配在同一个载波内，即慢速跳频终端在帧内不跳频。

2 MF-TDMA检测技术

根据MF-TDMA体制的载波特性，MF-TDMA信号检测算法整体流程如图4所示。

图4 MF-TDMA信号检测流程

首先对输入的I、Q两路零中频数据进行去均值、归一化预处理，然后根据频率分辨率、累积次数等输入参数计算信号的累积谱［8］。对累积谱进行低通滤波、中值计算等处理平滑谱线，采用极值点与下降沿搜索相结合的方法完成宽带信号的搜索。根据搜索结果（载频、带宽的载波特性参数）对每一个载波信号分别进行变频、低通滤波后，进行单个载波特性分析，完成调制样式、符号速率和载频等参数的精确测量。

2.1 累积谱的计算

根据算法需要达到的频率分辨率计算累积谱的FFT点数：

累积谱的FFT点数=采样率/频率分辨率。

将输入的零中频信号进行时域分段，设置分段长度等于累积谱的FFT点数。

累积谱的步进由分段长度和累积次数计算得到：

累积谱步进=数据分段长度/累积谱次数。

将以上累积谱的FFT点数、分段长度和累积谱的步进等参数计算完成后，逐段进行FFT运算，然后计算整段采样数据的累积频谱。

设第i次计算得到的频谱为spec（i），则第i次计算后得到的累积谱为SPEC（i），则

对图5所示的实际采样数据进行累积谱的计算，得到的累积谱如图6所示。

图5 实际采集数据时频

图6 信号累积谱

2.2 信号搜索算法

由于累积谱存在大量的毛刺，对信号的搜索存在很大的干扰，因此，需要对累积谱进行平滑处理。对累积谱进行低通滤波以及中值计算，实现谱线平滑，如图7所示。

图7 平滑后的信号累积谱

从累积谱上进行信号搜索，记平滑后的累积谱为p，设定信号的门限为th。

首先搜索整个平滑谱中的局部极值点，然后从第1个极值点开始向左搜索，寻找满足信号频谱下降沿的特征：

若搜索到平滑谱的第1个点仍不存在满足下降沿特征的点，则从下一个极值点开始向左搜索；若存在，则存储该点的位置n，从当前的极值点开始向右搜索，若搜索到平滑谱的最后一个点仍不存在满足下降沿特征的点，则搜索结束，没找到完整的信号，否则，存储该点的位置m，搜索到一个完整的信号，信号频谱的左边界为n，右边界为m，修正向左搜索的边界为m，从下一个大于m的极值点开始向左向右检测，依次类推，完成整个频段内信号的搜索。

2.3 时域检测

根据频域搜索的结果，将每个频率的信号分别进行正交下变频、低通滤波处理。采用双滑动窗法［9，10］检测突发的起始时间、终止时间，原理如图8所示，选取合适的窗长，比较相邻2个窗的能量差，当能量差大于门限时，表示突发信号的起始、终止。若整段数据检测完毕，相邻2个窗没有大于门限的能量差，则表示信号不是突发信号。

图8 双滑动窗检测法

3 算法验证

算法采用C语言实现，将算法应用于图5所示的实际采样数据，分析结果如图9所示。

图9 MF-TDMA信号检测结果

从图9中可以得出，该采样数据包含3个载波。载波1的参数如下：频偏：－816 976 Hz；带宽：742 340 Hz；信号为突发信号；调制样式：QPSK；符号速率：625 000 sym/s；信噪比：9.63。

该载波上检测到11个突发，起始样点、终止样点和突发持续样点个数如表1所示。

表1 突发信号时域参数

载波2、载波3与载波1类似，在此不进行赘述。

从图9中可以看出，该算法可以很好地完成MF-TDMA信号的多载波检测，并将每个载波进行分离，给出每个载波的调制样式、符号速率、带宽、载频、信噪比以及突发信号的时域参数（起始样点、结束样点和突发持续样点）。

4 结束语

本文通过分析MF-TDMA系统的时频特征和载波特性，基于累积谱计算、频域搜索和时域能量窗检测等方法，提出了一套完整的DVB-RCS系统反向链路检测算法，突破了传统分析算法需要人工干预、人工判决的限制，实现了MF-TDMA信号的多载波自动检测以及载波特性分析，该算法运算速度快、精度高并易于硬件实现，在卫星通信系统的对抗领域具有广阔的应用前景。

［1］ ETSIEN 302 307 Vl.2.1.Digital Video Broadcasting；Sec-ond Generation Framing Structure，Channel Coding and Modulation Systems for Broadcasting，Interactive Services，News Gathering and Other Broadband Satellite Application［S］，2009.

［2］ ETSI.Digital Video Broadcasting（DVB）；Interaction Channel for Satellite Distribution Systems［S］，2009.

［3］ 冯少栋，吕 晶，张更新，等.宽带多媒体卫星通信系统中的多址接入技术（下）［J］.卫星与网络，2010（9）：64－69.

［4］ 汤 军，周文玉，江会娟.MF－TDMA技术卫星应用探讨［J］.无线电通信技术，2014，40（5）：22－23.

［5］ 贺 军，彭 华.MF-TDMA信号检测和参数估计系统［J］.通信技术，2008，41（9）：32－33.

［6］ 郝学坤.MF-TDMA卫星通信多站型组网体制研究［J］.无线电通信技术，2012，38（1）：5－6，20.

［7］ 陈利虎，张尔扬，沈荣骏.跳频信号的时频分析［J］.宇航学报，2009，30（2）：740－747.

［8］ 杨小女，葛临东.基于分段谱平均的高精度频率估计方法［J］.信息工程大学学报，2007，8（1）：59－63.

［9］ 何玉红.基于双滑动窗的TDMA信号盲检测算法实现［J］.通信技术，2012，45（6）：70－72.

［10］ 李成瑰.卫星TDMA通信信号参数提取与信号类型识别算法研究［D］.成都：电子科技大学，2005.

A Technology of MF-TDMA Signal Detection Based on Cumulative Spectrum

HE Chang，NIU Huiying
（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China）

The Multiple Frequency and Time Division Multiple Access（MFTDMA）isamultiple access technology based on the combination of frequencydomain and timedomain.This technology has some special advantages in flexible networking and integrated service transmission in satellite communications，so it is suitable for different satellite communications.Aiming at the MFTDMA signal used widely in currentsatellite communication domain，this paper analyzes the timefrequency characteristics and the carrier features of signal.An integrated MFTDMA signal detectionmethod is put forward based on cumulative spectrum calculation，search in frequency domain and detection of energy window in time domain.Themulticarrier detection and carrier features of MF－TDMA signal are analyzed.The actual data proves the validity andfeasibility of thismethod.

MF-TDMA；reverse link；cumulative spectrum；signal search

TN911.23

A

1003－3106（2015）09－0077－04

10.3969/j.issn.1003－3106.2015.09.20

赫 畅，牛慧莹.一种基于MF-TDMA信号检测技术［J］.无线电工程，2015，45（9）：77－80.

赫 畅女，（1985—），工程师。主要研究方向：通信对抗。

2015-06-01

牛慧莹男，（1985—），工程师。主要研究方向：通信对抗。