跳频传输帧结构设计与频率估计研究

王赛宇

(中国电子科技集团第五十四研究所，河北石家庄050081)

0 引言

在卫星通信中，卫星、地面站和用户终端构成完整的应用系统。星地链路的开放性决定了抗干扰是卫星通信系统必须要考虑的问题［1］。随着卫星通信在军事领域中的应用，其所面临的电磁环境越来越复杂，不仅要考虑非人为干扰，更需要重点考虑对抗各种恶意干扰，确保通信链路的正常应用。

跳频通信是对抗各种恶意干扰的一种基本手段，已经被应用无线通信中，如跳频电台［2－4］。在卫星通信中，随着系统频段的不断提高，可用带宽达到1 GHz以上，为卫星通信宽带跳频抗干扰提供了带宽资源［5］。为了进一步提高卫星通信链路的抗干扰能力，系统在采用跳频体制的前提下，还会综合应用其他多种手段，如波束隔离、天线调零、直扩和跳时等。随着侦收和干扰技术水平的提升，干扰手段逐渐多样化、灵巧化，且实时处理能力越来越强。因此，对系统的跳频速率、跳频带宽和信号隐蔽性提出了更高的要求。

针对高速宽带跳频卫星通信的传输要求，提出了一种支持多速率传输的帧结构设计方案，通过非均匀插入导频，不仅能够解决传输帧定时，而且还支持高精度的载波频率估计。该方案可以实现频率估计与链路定时的导频信息共用，不仅能够提高传输效率，而且导频在传输帧内随机出现，增加了一维变化，提高了信号抗定点干扰能力，适合高速宽带跳频卫星通信系统的应用领域［6］。

1 跳频信号传输模型

跳频信号可以表示为:

式中，A为基带信号幅度;ωk和θ(t)为载波频率和相位，与定频信号的区别是载波频率ωk随时间跳频图案频率集中选择。

频率集共N个频点，每个频点的驻留时间为T，即跳频速率为1/T。

从上式中可以看出，在跳频频点驻留时间T内，传输的符号数与基带信号的符号速率相关，目前卫星跳频通信中，跳速超过了1万跳/s，每跳传输的符号数在几比特～几千比特。由于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。为了提高差分解调的性能，需要进行载波频率校正和补偿，降低频差对解调性能的影响［7］。

2 帧结构设计

通过跳频信道模型可以看出，在跳频条件下要完成收发通信，必须实现收发跳频图案、定时和载波等同步。为了完成收发同步，发端必须在信号中提供图案、定时和载波等能够用于同步的信息。接收端在已知图案变化规律的前提下，在解出上述信息后，实现收发同步［8，9］。

同步信息仅用于系统的同步，不传输任何业务信息，因此同步信息传输的多少影响传输链路的效率。为了便于系统同步，需要通过传输帧中周期插入同步信息。考虑到系统传输效率，要尽量减少同步信息插入频度，另外如果插入的信息能够被多个功能复用，减少了插入信息的种类，同样能够达到目的。基于上述目的，设计了一种适应高速宽带多速率跳频的信道帧结构，如图1所示。

图1 一种适应高速宽带多速率跳频的帧结构

可以看出，每个超帧包含多个帧，在每个超帧中都插入一次用于图案同步的信息，该信息可以是和图案变化规律相关的时间信息。每帧中都插入一次用于定时和载波同步的信息，该信息可以采用扩频方式发送，扩频码速率不低于其他业务载波速率。同步信息在超帧中位置不固定，随着时间随机变化。

采用这种帧结构设计，具有以下几个特点:

①特殊信息在帧内出现位置随机，增加了侦收和定点干扰的难度;

②定时和载波恢复共用导频信息，提高了帧效率;

③通过导频完成了整帧定时，便于多速率传输。

利用帧内图案同步信息实现图案同步后，链路定时是基于经过扩频的导频信息来完成［10］，扩频后的导频符号速率不低于其他业务速率，利用高速信号提取的定时误差相对于其他低速信号影响更小。但载波频差会对解调性能产生影响，尤其对于低速载波。因此，需要对载波频率估计进行重点研究。

剩余载波频差对频差比较敏感的DQPSK差分解调性能的影响，如图2所示。

图2 剩余载波频差对差分解调性能的影响

从图2可以看出，当归一化载波频差小于1%时，误码率在10－2～10－3，对解调性能的影响约0.2 dB。这也为差分解调时剩余载波频差估计精度提出了性能要求。

3 频率估计

考虑到不同地面站的接收能力，速率动态范围假定为24 dB，导频采用码长2 048的扩频序列，最低的门限接收信噪比6 dB。那么对于最小的站型，导频的最低接收信噪比为6－24=－18 dB。

3.1 算法设计与实现

由于导频的信噪比很低，且非均匀的分散在超帧中，因此必须通过相干积分提高信噪比，积分后降低了样本符号率，还可以提高频率估计的分辨率和精度，支持低速载波的解调。相干积分后，如果积分越长，积分后的符号信噪比越高，样本速率越低，频率分辨率越高，但对系统频差越敏感。另外，由于导频的信噪比很低，单帧导频的频率估计精度可能无法满足系统要求，因此需要对相干积分的长度以及需要利用多少帧导频进行设计。

假定定时恢复后的导频数据为r(k)，发送的原始调制数据为a(k)，通过下述运算消除数据的影响。

式中，*为调制数据的复共轭。通过上式运算后消除了调制数据的影响，利用FFT是一种较为理想的估计方式［11，12］，且运算复杂度适中。其主要影响是对载波频差进行了有限精度量化，其量化精度与FFT点数相关，需要通过仿真确定FFT点数。

算法实现框图如图3所示。导频输入后，首先进行相干积分，为了保证频差估计精度，相干积分的数据经过FFT，FFT输出的数据进行功率计算和多帧累加，累加完成后，进行峰值查找，确定频率误差。下面对频率估计性能进行仿真。

图3 基于逐帧累加的频率估计方案

3.2 性能分析与仿真

由于帧内多速率信号速率范围为24 dB，即最高速率是最低符号速率的256倍，频率估计精度要到3．9×10－5才能满足帧中所有载波的解调要求。

仿真条件:导频长度2 048个符号，符号信噪比为－18 dB，相干积分长度为64，归一化载波频差为1/1 024，FFT长度为 2 048。每个点的精度为1/(2 048×64)，仿真次数10 000次。仿真图如图4所示。

图4 基于多帧累加FFT载波频率估计性能

通过仿真可以看出，当累加帧数大于8帧处理后，频率估计偏差值落在4以内的概率达到了98%以上，频差估计精度优于3×10－5，满足帧内最低速信号差分解调的需求。

仿真条件:累加帧数固定为16，其他条件与上述仿真相同。仿真图如图5所示。通过仿真可以看出，相干积分长度大于64后，对频率估计精度基本无影响。

图5 相干积分长度对载波频率估计的影响

4 结束语

针对跳频信道下的应用背景，帧内非均匀插入导频，不仅解决了信号整体定时的难题，同时通过对多段导频的非相干处理，可以使频率估计精度达到3×10－5，满足系统大速率动态、多速率信号的非相干解调。另外，由于算法具有通用性，能够适应其他非均匀导频插入方式的系统中，因此算法具有较强的实际应用价值，给出的实现框图可以指导工程实现。

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