现代扩频技术在航天通信中的应用

2019-02-13吴建强

数字通信世界 2019年3期

吴建强，魏昕

（中国空间技术研究院西安分院，西安 710100）

如今，扩频技术越来越多地应用于航天的多个领域，尤其是通信方面。随着航天产业的不断扩大，和其他一些原因，军用通信、卫星测控、加密抗干扰通信，经常受到其他设备的干扰，所处环境较为复杂[1]；而且卫星通信用户量不断增加，对于通信容量也提出新的要求。传统扩频技术存在一定缺陷或者不足，急需抗干扰能力更强，保密性更好、容量更大、相对容易实现的通信技术。而现代扩频通信技术非常符合现有卫星强抗干扰、高保密性、大容量的通信和测控的需求。

1 扩频技术概述

扩频就是传输信息所用的信道远远超过信息本身的带宽的传输形式。扩频在通信领域中应用主要有三个特点：其调制信号载波为随机的宽带信号载波；最终调制信号带宽远远大于携带的信息信号带宽；解调扩频信号是由宽带宽载波和扩频因子进行相关解调。

1.1 扩频类型

扩频技术根据其实现形式主要分为：直序扩频、跳频扩频、跳时扩频及混合式扩频四种。直序扩频将信源信息用高码率的伪随机序列扩展到宽带频带上去，并在接收端使用相同的扩频伪随机序列，进行信息解调处理；跳频系统则是使用伪随机码控制载波频率的跳变；而在跳时系统，信号发送时隙由伪随机序列控制；混合扩频系统则是由两种或多种基本扩频方式结合起来，形成新的扩频系统，获得更好的通信系统性能。

1.2 扩频技术的特点

（1）抗干扰能力强：通过增加扩展频谱宽度，可提高信号增益，增加通信的抗干扰能力，提高工作信噪比。

（2）抗多径干扰：利用扩频码序列之间的彼此相关特性，在接收端根据各多径信号中分离出或者合成有用信号，使信号具有抗多路能力。

（3）实现多址通信，提高频带资源利用率：扩频技术最大缺点是频带带宽占用大，但是利用不用的扩频码，实现码分多址，使多个用户同时使用同一带宽资源，从而提高带宽资源利用率。

（4）保密性强：扩频信号成噪声谱，隐蔽性好，如再使用跳频技术更难以捕获跟踪信号。

（5）通过扩频码的相干性可实现测距功能，控制测距精确性。

2 现代扩频技术发展

现代扩频技术是在传统扩频技术发展起来的，多为结合其他技术或者混合型扩频技术；扩跳结合就为典型现代混合型扩频技术；时频二维扩频与单载波码分与频分多址技术的结合等。现代扩频技术拥有更好的数据传输性能、更强的抗干扰能力、保密更强、容量更大等特点。

2.1 扩跳结合技术

扩跳结合是直接扩频和跳频技术的结合[2]。随着通信电磁环境复杂，以及军用干扰技术的高速发展，对通信系统的抗干扰能力提出了更高的要求。传统直接序列扩频技术在实际应用中，为了提高自身的抗干扰能力，增大扩频因子，通信带宽大大增大，造成频率资源的浪费，以及工程上实现难度增大；而跳频系统提高抗干扰性能，必须增加跳频速度，这样对频率综合器的要求很高，甚至无法实现。所以将两者相互融合，形成更高一级的混合扩频系统，将跳频信号先进行直序扩频调制，然后再进行跳频调制；即便在跳频过程中，信号落入干扰信号频带，也可以利用直序扩频进行抗干扰抑制，从而使整个通信系统抗干扰能力大大提升。

2.2 扩频与其他通信技术的结合

将扩频技术与现有其他通信技术进行结合，从而提高整体通信性能，例如：时频二维扩频与单载波码分与频分多址技术进行结合，它采用时域扩频与频域扩频串联的方法构建时频二维扩频矩阵，在不增加载波数的前提下增加扩频因子。还有将直序扩频技术和跳频技术融入到超宽带通信系统内（UWB）为其提供多址接入方案，该方案在系统复杂程度以及稳定性、系统指标相对与传统方案具有明显优势

3 扩频技术在航天各领域的应用

3.1 测控领域应用

卫星测控系统是卫星组成部分中不可缺少的一个关键系统，它完成地面对卫星遥控指令的注入、卫星遥测状态的回传、距离测量和速度测量等测控任务，是一套技术复杂、造价极高的大型电子设备[3]。目前卫星测控系统多采用传统的侧音测距体制和伪码测距体制，但随着现代干扰、信号追踪破解技术的发展、以及日益复杂的电磁环境，测控系统的抗干扰及保密性能还需要进一步提高。在军事领域，将扩跳技术应用到测控领域，能够有效提高卫星测控链路抗干扰能力及保密性，应对各种电子信息对抗；在民用领域，扩跳技术引用可进一步提高卫星测控链路的各项性能，尤其是低轨卫星通信系统在完成各种数据服务业务的同时，增强信息传输的可靠性，抗干扰性。

3.2 导航领域应用

导航应用不管在民用范围还是军事应用范围都非常广泛，其导航数据服务信号也需要非常好的抗干扰能力，军事用途的数据服务还需要很好的保密性，现代扩频技术在导航领域的应用可以大大提高系统抗干扰能力，同时提升系统的误码率特性，增强信保密性[4]。

3.3 通信领域

卫星通信领域，带宽资源是非常有限的，不能一味的通过扩充带宽来提高通信容量，现代扩频技术的应用可以提高系统频率资源利用率，同时获得较好的抗干扰能力，例如：时频二维扩频与单载波码分与频分多址技术结合，通过仿真结果，可以看出在系统的在相同的性能下，信息率提高30%，同时配合其他通信技术，可以得到更好的信道传输质量，同时在一些超宽带通信卫星系统中，使用现代扩频技术，以及在提高接入用户量的同时，提高系统传输性能，提高频谱利用率。