衛(wèi)星通信與測(cè)量系統(tǒng)頻譜共享信號(hào)設(shè)計(jì)

范建軍，李春霞，李 敏，馮曉超

(北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心,北京 100094)

0 引言

隨著衛(wèi)星頻譜資源的日趨緊張，頻譜共享技術(shù)已經(jīng)成為解決資源供需矛盾的一種有效方式[1-4]，甚至在隱蔽通信中也有廣泛應(yīng)用[5]。FDMA信號(hào)是衛(wèi)星通信經(jīng)常使用的多址方式，但頻譜利用率低，F(xiàn)DMA用戶被分配到一個(gè)固定頻段后，其他用戶不能與其共用頻段。而CDMA信號(hào)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是功率譜密度低，類似于高斯白噪聲。通過將直接擴(kuò)頻信號(hào)疊加在衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器的其他用戶信號(hào)上，相當(dāng)于增加了背景噪聲，可以實(shí)現(xiàn)與FDMA信號(hào)利用相同的頻率資源提高系統(tǒng)容量的目的[6]。文獻(xiàn)[7]研究了直接擴(kuò)頻CDMA信號(hào)與窄帶信號(hào)頻譜共享應(yīng)用技術(shù)；文獻(xiàn)[8]分析了寬窄合用CDMA衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)容量，但均為通信系統(tǒng)，未考慮測(cè)量系統(tǒng)時(shí)的性能影響。隨著大數(shù)據(jù)應(yīng)用的發(fā)展，通信與測(cè)量系統(tǒng)的融合共用越來越普遍，已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，但關(guān)注的重點(diǎn)還是通信性能[9-11]。2種信號(hào)始終共存的關(guān)鍵在于能夠確保各自的用戶性能，并對(duì)對(duì)方用戶的干擾控制在可允許范圍內(nèi)。基于上述原則，本文研究一種FDMA通信用戶和CDMA測(cè)量用戶的共存形式，這種方式在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中屬于下墊式(Underlay)頻譜共享方式[12-15]?？紤]共存信號(hào)相互干擾情況下計(jì)算不同信號(hào)條件的FDMA通信性能和FDMA測(cè)量性能，設(shè)計(jì)了2種信號(hào)共存的合理方案。

1 CDMA與FDMA相互干擾的理論分析

在有限帶寬內(nèi)，F(xiàn)DMA通信信號(hào)相對(duì)于CDMA信號(hào)來說是一個(gè)窄帶信號(hào)，CDMA信號(hào)被認(rèn)為是頻譜擴(kuò)展在整個(gè)頻帶內(nèi)的寬帶信號(hào)，因此2種信號(hào)共存時(shí)的相互影響也可以理解為寬窄帶信號(hào)間的相互干擾。

對(duì)于一個(gè)數(shù)字通信系統(tǒng)，按照ITU規(guī)則，干擾分析按照系統(tǒng)溫度不能超過所需的6%。系統(tǒng)溫度的提高意味著噪聲功率密度N0的增加，相當(dāng)于等效信號(hào)能量Ee相比信號(hào)能量E0降低6%，即：

(1)

首先，考慮CDMA用戶對(duì)FDMA用戶的干擾情況。按照文獻(xiàn)[5]，對(duì)于FDMA信號(hào)，K個(gè)CDMA信號(hào)可看作是疊加在背景噪聲的高斯噪聲，其能量損失Δ為：

(2)

(3)

式中，K為CDMA用戶數(shù)量；PNB，PSS為FDMA信號(hào)和CDMA信號(hào)的載波功率；TC，TNB分別為FDMA和CDMA信號(hào)的碼片周期。

考慮相反情況，對(duì)于CDMA信號(hào)，每個(gè)FDMA信號(hào)通過CDMA用戶終端后均經(jīng)過解擴(kuò)處理，其功率譜密度函數(shù)表示為：

(4)

令：

(5)

式(4)表示為：

(6)

式中，H(f)為用滾降系數(shù)為α的升余弦濾波器函數(shù)表示的CDMA功率譜密度函數(shù)，實(shí)際代表每個(gè)獨(dú)立的FDMA信號(hào)經(jīng)過CDMA用戶終端后的密度函數(shù)，具體表達(dá)式如下：

對(duì)于CDMA用戶，其能量損失Δ為：

(7)

(8)

對(duì)于主用于測(cè)量的CDMA信號(hào)，其受FDMA用戶影響時(shí)，還應(yīng)該著重考慮能量損失對(duì)測(cè)距性能的影響。考慮最簡(jiǎn)單的BPSK調(diào)制，按照非相干鑒別器的測(cè)距誤差公式，可以計(jì)算出測(cè)距誤差στ與載噪比C/N0之間的關(guān)系：

(9)

式中，Bn為接收機(jī)環(huán)路噪聲帶寬；d為碼片相關(guān)間隔；T為累積積分時(shí)間。

假設(shè)接收機(jī)噪聲環(huán)路帶寬Bn=0.1 Hz，相關(guān)間隔0.1碼片，累積積分時(shí)間T=0.005 ms。根據(jù)以上公式可以計(jì)算測(cè)距精度與載噪比曲線如圖1所示。當(dāng)要求測(cè)距精度達(dá)到0.3 ns時(shí)，由曲線可以看出，在碼率為5 Mc/s時(shí)載噪比下降不能低于39.6 dB。

圖1 偽碼測(cè)距精度變化曲線Fig.1 Pseudo-code ranging accuracy variation curve

2 信號(hào)共存設(shè)計(jì)

假定一個(gè)衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)中使用固定頻帶10 MHz，設(shè)計(jì)CDMA用戶與FDMA用戶共存，基本參數(shù)設(shè)置如表1所示，其中CDMA信號(hào)的信號(hào)功率、碼率及用戶數(shù)為主要設(shè)計(jì)參數(shù)，F(xiàn)DMA信號(hào)的信息速率也是可變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)。

表1 CDMA信號(hào)與FDMA信號(hào)參數(shù)表Tab.1 CDMA and FDMA signal parameters list

按照前面所述信號(hào)條件，分別分析CDMA用戶和FDMA共存時(shí)的相互影響。

2.1 CDMA對(duì)FDMA的影響分析

不同偽碼碼率、不同信號(hào)功率及不同信息速率條件下的FDMA信號(hào)能量損失如圖2～圖5所示。

圖2 CDMA信號(hào)對(duì)共存FDMA信號(hào)的影響曲線(信息速率 5 kb/s，碼率1.25 Mc/s)Fig.2 Influence curve of CDMA signal on coexisting FDMA signal(bit rate 5 kb/s，code rate 1.25 Mc/s)

圖3 CDMA信號(hào)對(duì)共存FDMA信號(hào)的影響曲線(信息速率75 kb/s，碼率1.25 Mc/s)Fig.3 Influence curve of CDMA signal on coexisting FDMA signal(bit rate 75 kb/s，code rate 1.25 Mc/s)

圖4 CDMA信號(hào)對(duì)共存FDMA信號(hào)的影響曲線(信息速率 5 kb/s，碼率5.0 Mc/s)Fig.4 Influence curve of CDMA signal on coexisting FDMA signal(bit rate 5 kb/s，code rate 5.0 Mc/s)

圖5 CDMA信號(hào)對(duì)共存FDMA信號(hào)的影響曲線(信息速率 75 kb/s，碼率5.0 Mc/s)Fig.5 Influence curve of CDMA signal on coexisting FDMA signal(bit rate 75 kb/s，code rate 5.0 Mc/s)

由圖2～圖5可以看出：

① 對(duì)于2種不同速率的FDMA用戶，相同CDMA用戶條件對(duì)其影響的變化規(guī)律非常相似，但相對(duì)變化的量值差別卻非常顯著。如果嚴(yán)格按照能量損失不超過0.25 dB的門限，信息速率為75 kb/s的FDMA，即使在頻帶內(nèi)碼率達(dá)到極限5 MHz，CDMA用戶共存?zhèn)€數(shù)要達(dá)到20個(gè)，2類用戶信號(hào)功率比至少要低于-18 dB，而對(duì)于信息速率為5 kb/s的FDMA用戶，相同碼率的CDMA信號(hào)僅需要低于-6 dB即可達(dá)到。

② 偽碼碼率一定條件下，CDMA信號(hào)功率相比FDMA信號(hào)功率越低，可共存的CDMA用戶數(shù)越多。因此，文中假定的信號(hào)條件下，若想降低CDMA對(duì)FDMA信號(hào)的影響，可通過在一定范圍內(nèi)提高偽碼碼率的方式。對(duì)于5 kb/s的FDMA用戶來說，假定有固定20個(gè)CDMA用戶，碼率為1.25 Mc/s的CDMA用戶功率必須低于FDMA用戶-12 dB以上才能滿足與FDMA共存條件，而碼率為5.0 Mc/s時(shí)信號(hào)功率比低于-6 dB即可滿足共存條件。

2.2 FDMA對(duì)CDMA的影響分析

首先，分析FDMA用戶對(duì)CDMA用戶通信性能的影響。

按照式(4)，在不同頻率偏移時(shí)FDMA用戶疊加的歸一化譜密度函數(shù)如圖6和圖7所示。其中，圖6為FDMA信息速率5 kb/s情況，圖7為FDMA信息速率75 kb/s情況，每個(gè)圖中由下到上3條曲線分別對(duì)應(yīng)CDMA偽碼碼率5,2.5,1.25 Mc/s。

圖6 FDMA用戶信號(hào)疊加歸一化譜密度(5 kb/s)Fig.6 FDMA user signal stacking normalized spectral density (5 kb/s)

圖7 FDMA用戶信號(hào)疊加歸一化譜密度(75 kb/s)Fig.7 FDMA user signal stacking normalized spectral density (75 kb/s)

由圖6和圖7可以看出，對(duì)于2種不同速率的FDMA用戶，其譜密度隨頻率偏移的變化規(guī)律非常相似，但相對(duì)變化的量值差別卻非常顯著。變化曲線均似梯形變化，中間位置出現(xiàn)“平頂”現(xiàn)象，碼率的不同沒有顯著差異，但是兩側(cè)受碼率變化影響較大，且碼率越高，數(shù)值越低。

表2 頻率偏移9 MHz處FDMA用戶疊加譜密度值Tab.2 FDMA user stacking spectral density with frequency offset of 9 MHz

圖8 FDMA信號(hào)對(duì)共存CDMA信號(hào)的影響曲線(信息速率 5 kb/s，碼率1.25 Mc/s)Fig.8 Influence curve of FDMA signal on coexisting CDMA signal(bit rate 5 kb/s，code rate 1.25 Mc/s)

圖9 FDMA信號(hào)對(duì)共存CDMA信號(hào)的影響曲線(信息速率 75 kb/s，碼率1.25 Mc/s)Fig.9 Influence curve of FDMA signal on coexisting CDMA signal(bit rate 75 kb/s，code rate 1.25 Mc/s)

圖10 FDMA信號(hào)對(duì)共存CDMA信號(hào)的影響曲線(信息速率 5 kb/s，碼率5.0 Mc/s)Fig.10 Influence curve of FDMA signal on coexisting CDMA signal(bit rate 5 kb/s，code rate 5.0 Mc/s)

圖11 FDMA信號(hào)對(duì)共存CDMA信號(hào)的影響曲線(信息速率 75 kb/s，碼率5.0 Mc/s)Fig.11 Influence curve of FDMA signal on coexisting CDMA signal(bit rate 75 kb/s，code rate 5.0 Mc/s)

由圖8～圖11可以看出：

① 2種不同速率的FDMA用戶對(duì)CDMA用戶影響的變化規(guī)律比較相似。FDMA信號(hào)相比CDMA信號(hào)功率越低，其對(duì)CDMA用戶的影響就越小，可容許的CDMA用戶數(shù)也越多。

② 對(duì)于5 kb/s的 FDMA用戶來說，其對(duì)CDMA用戶形成的干擾遠(yuǎn)超0.25 dB的門限，說明這2種類型用戶在該信號(hào)條件下無法滿足共存條件。

③ 對(duì)于75 kb/s的 FDMA用戶來說，當(dāng)CDMA用戶信號(hào)功率相比FDMA信號(hào)功率高于-6 dB(1.25 Mc/s)甚至高于-9 dB(5.0 Mc/s)時(shí)，可以滿足對(duì)CDMA用戶影響不超過0.25 dB的門限，即此時(shí)CDMA用戶和FDMA用戶可以共存。但是，當(dāng)前信號(hào)條件下2類用戶共存的空間很小。

按照主從用戶的概念，假定主用戶為CDMA用戶(20個(gè))，從用戶為FDMA用戶，以偽碼碼率5 Mc/s、FDMA信號(hào)信息速率75 kb/s為例，F(xiàn)DMA相對(duì)CDMA用戶功率小于9 dB即可滿足小于0.25 dB干擾門限，其造成的偽碼測(cè)距精度曲線如圖12虛線所示。而此時(shí)，F(xiàn)DMA用戶被CDMA用戶干擾造成的SNR損失達(dá)到1.53 dB。

圖12 FDMA對(duì)CDMA主用戶測(cè)距性能影響Fig.12 Performance influence of CDMA main user on coexisting FDMA

相反，假定主用戶為FDMA用戶，從用戶為CDMA用戶(20個(gè))，CDMA相對(duì)FDMA用戶功率小于18 dB即可滿足小于0.25 dB干擾門限。而此時(shí)，CDMA用戶被FDMA用戶干擾造成的SNR損失達(dá)到1.69 dB，其造成的偽碼測(cè)距精度曲線如圖13虛線所示，此時(shí)的載噪比損耗是可以接受的，可以作為一個(gè)設(shè)計(jì)方案。

圖13 FDMA對(duì)CDMA從用戶測(cè)距性能影響Fig.13 Performance influence of CDMA secondary user on coexisting FDMA

因此，2種用戶信號(hào)共享頻譜資源，理想的結(jié)果是其相互影響在可容許的范圍內(nèi)，從而達(dá)到始終共存。實(shí)際上，作為互相干擾的矛盾存在，在完全滿足一方用戶性能前提下，適當(dāng)降低另一方的性能，會(huì)大大降低信號(hào)設(shè)計(jì)難度。

3 結(jié)束語

信號(hào)共存是一種解決頻譜資源緊張的有效方式。2種信號(hào)作為互為干擾存在，對(duì)信號(hào)設(shè)計(jì)同時(shí)是一種挑戰(zhàn)。2種信號(hào)共存需要考慮的條件、參數(shù)設(shè)置對(duì)信號(hào)設(shè)計(jì)結(jié)果有重要影響。文中2種信號(hào)參數(shù)條件下的設(shè)計(jì)結(jié)果表明，該條件下2種信號(hào)共存條件空間有限。為此建議考慮損失一定性能基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)2種信號(hào)的共存，一定程度上降低了信號(hào)設(shè)計(jì)難度，為衛(wèi)星固定業(yè)務(wù)多種類信號(hào)共存系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參考。