現(xiàn)代擴頻技術在航天通信中的應用

吳建強，魏 昕

（中國空間技術研究院西安分院，西安 710100）

如今，擴頻技術越來越多地應用于航天的多個領域，尤其是通信方面。隨著航天產(chǎn)業(yè)的不斷擴大，和其他一些原因，軍用通信、衛(wèi)星測控、加密抗干擾通信，經(jīng)常受到其他設備的干擾，所處環(huán)境較為復雜[1]；而且衛(wèi)星通信用戶量不斷增加，對于通信容量也提出新的要求。傳統(tǒng)擴頻技術存在一定缺陷或者不足，急需抗干擾能力更強，保密性更好、容量更大、相對容易實現(xiàn)的通信技術。而現(xiàn)代擴頻通信技術非常符合現(xiàn)有衛(wèi)星強抗干擾、高保密性、大容量的通信和測控的需求。

1 擴頻技術概述

擴頻就是傳輸信息所用的信道遠遠超過信息本身的帶寬的傳輸形式。擴頻在通信領域中應用主要有三個特點：其調(diào)制信號載波為隨機的寬帶信號載波；最終調(diào)制信號帶寬遠遠大于攜帶的信息信號帶寬；解調(diào)擴頻信號是由寬帶寬載波和擴頻因子進行相關解調(diào)。

1.1 擴頻類型

擴頻技術根據(jù)其實現(xiàn)形式主要分為：直序擴頻、跳頻擴頻、跳時擴頻及混合式擴頻四種。直序擴頻將信源信息用高碼率的偽隨機序列擴展到寬帶頻帶上去，并在接收端使用相同的擴頻偽隨機序列，進行信息解調(diào)處理；跳頻系統(tǒng)則是使用偽隨機碼控制載波頻率的跳變；而在跳時系統(tǒng)，信號發(fā)送時隙由偽隨機序列控制；混合擴頻系統(tǒng)則是由兩種或多種基本擴頻方式結合起來，形成新的擴頻系統(tǒng)，獲得更好的通信系統(tǒng)性能。

1.2 擴頻技術的特點

（1）抗干擾能力強：通過增加擴展頻譜寬度，可提高信號增益，增加通信的抗干擾能力，提高工作信噪比。

（2）抗多徑干擾：利用擴頻碼序列之間的彼此相關特性，在接收端根據(jù)各多徑信號中分離出或者合成有用信號，使信號具有抗多路能力。

（3）實現(xiàn)多址通信，提高頻帶資源利用率：擴頻技術最大缺點是頻帶帶寬占用大，但是利用不用的擴頻碼，實現(xiàn)碼分多址，使多個用戶同時使用同一帶寬資源，從而提高帶寬資源利用率。

（4）保密性強：擴頻信號成噪聲譜，隱蔽性好，如再使用跳頻技術更難以捕獲跟蹤信號。

（5）通過擴頻碼的相干性可實現(xiàn)測距功能，控制測距精確性。

2 現(xiàn)代擴頻技術發(fā)展

現(xiàn)代擴頻技術是在傳統(tǒng)擴頻技術發(fā)展起來的，多為結合其他技術或者混合型擴頻技術；擴跳結合就為典型現(xiàn)代混合型擴頻技術；時頻二維擴頻與單載波碼分與頻分多址技術的結合等?，F(xiàn)代擴頻技術擁有更好的數(shù)據(jù)傳輸性能、更強的抗干擾能力、保密更強、容量更大等特點。

2.1 擴跳結合技術

擴跳結合是直接擴頻和跳頻技術的結合[2]。隨著通信電磁環(huán)境復雜，以及軍用干擾技術的高速發(fā)展，對通信系統(tǒng)的抗干擾能力提出了更高的要求。傳統(tǒng)直接序列擴頻技術在實際應用中，為了提高自身的抗干擾能力，增大擴頻因子，通信帶寬大大增大，造成頻率資源的浪費，以及工程上實現(xiàn)難度增大；而跳頻系統(tǒng)提高抗干擾性能，必須增加跳頻速度，這樣對頻率綜合器的要求很高，甚至無法實現(xiàn)。所以將兩者相互融合，形成更高一級的混合擴頻系統(tǒng)，將跳頻信號先進行直序擴頻調(diào)制，然后再進行跳頻調(diào)制；即便在跳頻過程中，信號落入干擾信號頻帶，也可以利用直序擴頻進行抗干擾抑制，從而使整個通信系統(tǒng)抗干擾能力大大提升。

2.2 擴頻與其他通信技術的結合

將擴頻技術與現(xiàn)有其他通信技術進行結合，從而提高整體通信性能，例如：時頻二維擴頻與單載波碼分與頻分多址技術進行結合，它采用時域擴頻與頻域擴頻串聯(lián)的方法構建時頻二維擴頻矩陣，在不增加載波數(shù)的前提下增加擴頻因子。還有將直序擴頻技術和跳頻技術融入到超寬帶通信系統(tǒng)內(nèi)（UWB）為其提供多址接入方案，該方案在系統(tǒng)復雜程度以及穩(wěn)定性、系統(tǒng)指標相對與傳統(tǒng)方案具有明顯優(yōu)勢

3 擴頻技術在航天各領域的應用

3.1 測控領域應用

衛(wèi)星測控系統(tǒng)是衛(wèi)星組成部分中不可缺少的一個關鍵系統(tǒng)，它完成地面對衛(wèi)星遙控指令的注入、衛(wèi)星遙測狀態(tài)的回傳、距離測量和速度測量等測控任務，是一套技術復雜、造價極高的大型電子設備[3]。目前衛(wèi)星測控系統(tǒng)多采用傳統(tǒng)的側音測距體制和偽碼測距體制，但隨著現(xiàn)代干擾、信號追蹤破解技術的發(fā)展、以及日益復雜的電磁環(huán)境，測控系統(tǒng)的抗干擾及保密性能還需要進一步提高。在軍事領域，將擴跳技術應用到測控領域，能夠有效提高衛(wèi)星測控鏈路抗干擾能力及保密性，應對各種電子信息對抗；在民用領域，擴跳技術引用可進一步提高衛(wèi)星測控鏈路的各項性能，尤其是低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)在完成各種數(shù)據(jù)服務業(yè)務的同時，增強信息傳輸?shù)目煽啃?，抗干擾性。

3.2 導航領域應用

導航應用不管在民用范圍還是軍事應用范圍都非常廣泛，其導航數(shù)據(jù)服務信號也需要非常好的抗干擾能力，軍事用途的數(shù)據(jù)服務還需要很好的保密性，現(xiàn)代擴頻技術在導航領域的應用可以大大提高系統(tǒng)抗干擾能力，同時提升系統(tǒng)的誤碼率特性，增強信保密性[4]。

3.3 通信領域

衛(wèi)星通信領域，帶寬資源是非常有限的，不能一味的通過擴充帶寬來提高通信容量，現(xiàn)代擴頻技術的應用可以提高系統(tǒng)頻率資源利用率，同時獲得較好的抗干擾能力，例如：時頻二維擴頻與單載波碼分與頻分多址技術結合，通過仿真結果，可以看出在系統(tǒng)的在相同的性能下，信息率提高30%，同時配合其他通信技術，可以得到更好的信道傳輸質(zhì)量，同時在一些超寬帶通信衛(wèi)星系統(tǒng)中，使用現(xiàn)代擴頻技術，以及在提高接入用戶量的同時，提高系統(tǒng)傳輸性能，提高頻譜利用率。

4 結束語

綜上所述，傳統(tǒng)的擴頻系統(tǒng)比其他相對一般的系統(tǒng)具有更好的抗干擾特性，而現(xiàn)代擴頻技術在傳統(tǒng)擴頻技術基礎上通過與其他技術結合，進一步提升系統(tǒng)各項性能，在日益發(fā)展的航天領域中，可以得到廣闊的發(fā)展。