一種基于累積譜的MF-TDMA信號檢測技術

赫 暢，?；郜?/p>

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

一種基于累積譜的MF-TDMA信號檢測技術

赫 暢，?；郜?/p>

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

多頻時分多址（MF-TDMA）是一種基于頻分和時分相結合的二維多址方式，在衛(wèi)星通信靈活組網和支持綜合業(yè)務傳輸方面具有明顯的優(yōu)勢，適合不同規(guī)模衛(wèi)星通信網絡的應用。針對現(xiàn)代衛(wèi)星通信領域中廣泛采用的MF-TDMA信號，分析了信號的時頻特征和載波特性，基于累積譜計算、頻域搜索、時域能量窗檢測等方法，提出了一套完整的MF-TDMA信號檢測算法，實現(xiàn)了MF-TDMA信號的多載波檢測以及載波特性分析，并通過實際采集數(shù)據驗證算法的正確性與可行性。

MF-TDMA；反向鏈路；累積譜；信號搜索

0 引言

MF-TDMA是一種基于頻分和時分相結合的二維多址方式，利用逐時隙載波跳變發(fā)送和接收、速率捷變和虛路由尋址等相結合技術，可完成地球站間靈活組網以及面向話音、數(shù)據、視頻等綜合業(yè)務的點對多點通信，是實現(xiàn)通信衛(wèi)星資源高效利用和信息傳輸?shù)挠行侄?，成為國內外研究的熱點并得到了廣泛應用［1－2］。

因此，研究MF-TDMA信號的發(fā)展趨勢和技術特點，深入探討MF-TDMA信號的檢測技術，可為偵收、阻斷、欺騙，破壞、摧毀敵軍衛(wèi)星通信系統(tǒng)進行技術積累，對打贏高技術條件下的局部戰(zhàn)爭、奪取戰(zhàn)場制信息權具有重大的現(xiàn)實意義。

本文提出了一套完整的MF-TDMA信號檢測算法，實現(xiàn)了MF-TDMA信號的多載波檢測以及載波特性分析，并通過實際采集數(shù)據驗證算法的正確性與可行性，解決了傳統(tǒng)檢測算法需要人工干預的問題。

1 MF-TDMA體制研究

MF-TDMA［3－5］是將頻分多址接入（FDMA）和時分多址接入（TDMA）體制相結合的一種混合多址接入方式。作為目前寬帶多媒體衛(wèi)星通信系統(tǒng)所采用的主流體制，MF-TDMA允許眾多用戶終端共享一系列不同速率的載波［6］，每個載波進行時隙劃分，通過綜合調度時頻二維資源，達到資源的靈活分配。MF-TDMA原理示意如圖1所示。從圖1中可以看出，在MF-TDMA系統(tǒng)中，每個載波是時分使用的，每個載波的TDMA速率可以相同也可以不同，甚至同一載波不同時隙的載波速率也可以不同。與傳統(tǒng)單載波TDMA系統(tǒng)相比，由于載波速率降低，大大降低了用戶終端的發(fā)送能力要求，通過使用不同速率載波的組合可構成一個能夠同時兼容大、小用戶終端且具有靈活組網能力的寬帶多媒體衛(wèi)星通信系統(tǒng)。當MF-TDMA系統(tǒng)的空中速率逐步提高，載波數(shù)逐漸變小，當空中速率高到一定程度、載波數(shù)為1時，對應的就是傳統(tǒng)的高速TDMA體制；當載波數(shù)逐漸增多、空中速率低到用戶終端的速率時，對應的就是FDMA（SCPC）體制。

圖1 MF-TDMA示意

根據用戶終端的跳頻能力，MF-TDMA可分為靜態(tài)MF-TDMA和動態(tài)MF-TDMA兩種。靜態(tài)MF-TDMA（如圖2所示）是指一個終端在連續(xù)發(fā)送信號的過程中，載波的速率、時隙的寬度及突發(fā)的配置（調制編碼方式等）都保持不變，即靜態(tài)MF-TDMA不能在不同速率載波上連續(xù)跳頻，只能在速率相同、頻點不同的載波上進行跳頻，而且載波時隙的大小、突發(fā)的配置也必須是一樣的。如果用戶終端需要不同速率的載波，則需要網控中心進行配置，終端將通信中斷，調整過后繼續(xù)工作；而動態(tài)MF-TDMA（如圖3所示）在連續(xù)發(fā)送信號過程中，載波的速率、時隙的寬度和突發(fā)的配置都可以實時靈活地改變。即動態(tài)MF-TDMA可以在不同速率的載波上連續(xù)跳頻，動態(tài)MF-TDMA的優(yōu)點是可以更有效地適應多媒體業(yè)務的通信需求。

圖2 靜態(tài)MF-TDMA

圖3 動態(tài)MF-TDMA

根據用戶終端的頻率切換速度，MF-TDMA可分為快速跳頻和慢速跳頻2種［7］?？焖偬l是指終端可以在連續(xù)的時隙上“跳頻”，利用時隙突發(fā)中的保護時間進行頻率的切換，通常根據實際情況保護時間為幾個到十幾個符號長度。慢速跳頻是指終端無法在連續(xù)的時隙“跳頻”，頻率之間的切換需要至少1個時隙的時間，但通常切換時間不超過1 s。慢速跳頻終端在實現(xiàn)代價上相對較低，快速跳頻終端則更加靈活，可以更好地適應多媒體業(yè)務需求。在設計資源分配算法時需要考慮到終端的跳頻能力，對于慢速跳頻終端，一幀內的時隙通常連續(xù)分配在同一個載波內，即慢速跳頻終端在幀內不跳頻。

2 MF-TDMA檢測技術

根據MF-TDMA體制的載波特性，MF-TDMA信號檢測算法整體流程如圖4所示。

圖4 MF-TDMA信號檢測流程

首先對輸入的I、Q兩路零中頻數(shù)據進行去均值、歸一化預處理，然后根據頻率分辨率、累積次數(shù)等輸入參數(shù)計算信號的累積譜［8］。對累積譜進行低通濾波、中值計算等處理平滑譜線，采用極值點與下降沿搜索相結合的方法完成寬帶信號的搜索。根據搜索結果（載頻、帶寬的載波特性參數(shù)）對每一個載波信號分別進行變頻、低通濾波后，進行單個載波特性分析，完成調制樣式、符號速率和載頻等參數(shù)的精確測量。

2.1 累積譜的計算

根據算法需要達到的頻率分辨率計算累積譜的FFT點數(shù)：

累積譜的FFT點數(shù)=采樣率/頻率分辨率。

將輸入的零中頻信號進行時域分段，設置分段長度等于累積譜的FFT點數(shù)。

累積譜的步進由分段長度和累積次數(shù)計算得到：

累積譜步進=數(shù)據分段長度/累積譜次數(shù)。

將以上累積譜的FFT點數(shù)、分段長度和累積譜的步進等參數(shù)計算完成后，逐段進行FFT運算，然后計算整段采樣數(shù)據的累積頻譜。

設第i次計算得到的頻譜為spec（i），則第i次計算后得到的累積譜為SPEC（i），則

對圖5所示的實際采樣數(shù)據進行累積譜的計算，得到的累積譜如圖6所示。

圖5 實際采集數(shù)據時頻

圖6 信號累積譜

2.2 信號搜索算法

由于累積譜存在大量的毛刺，對信號的搜索存在很大的干擾，因此，需要對累積譜進行平滑處理。對累積譜進行低通濾波以及中值計算，實現(xiàn)譜線平滑，如圖7所示。

圖7 平滑后的信號累積譜

從累積譜上進行信號搜索，記平滑后的累積譜為p，設定信號的門限為th。

首先搜索整個平滑譜中的局部極值點，然后從第1個極值點開始向左搜索，尋找滿足信號頻譜下降沿的特征：

若搜索到平滑譜的第1個點仍不存在滿足下降沿特征的點，則從下一個極值點開始向左搜索；若存在，則存儲該點的位置n，從當前的極值點開始向右搜索，若搜索到平滑譜的最后一個點仍不存在滿足下降沿特征的點，則搜索結束，沒找到完整的信號，否則，存儲該點的位置m，搜索到一個完整的信號，信號頻譜的左邊界為n，右邊界為m，修正向左搜索的邊界為m，從下一個大于m的極值點開始向左向右檢測，依次類推，完成整個頻段內信號的搜索。

2.3 時域檢測

根據頻域搜索的結果，將每個頻率的信號分別進行正交下變頻、低通濾波處理。采用雙滑動窗法［9，10］檢測突發(fā)的起始時間、終止時間，原理如圖8所示，選取合適的窗長，比較相鄰2個窗的能量差，當能量差大于門限時，表示突發(fā)信號的起始、終止。若整段數(shù)據檢測完畢，相鄰2個窗沒有大于門限的能量差，則表示信號不是突發(fā)信號。

圖8 雙滑動窗檢測法

3 算法驗證

算法采用C語言實現(xiàn)，將算法應用于圖5所示的實際采樣數(shù)據，分析結果如圖9所示。

圖9 MF-TDMA信號檢測結果

從圖9中可以得出，該采樣數(shù)據包含3個載波。載波1的參數(shù)如下：頻偏：－816 976 Hz；帶寬：742 340 Hz；信號為突發(fā)信號；調制樣式：QPSK；符號速率：625 000 sym/s；信噪比：9.63。

該載波上檢測到11個突發(fā)，起始樣點、終止樣點和突發(fā)持續(xù)樣點個數(shù)如表1所示。

表1 突發(fā)信號時域參數(shù)

載波2、載波3與載波1類似，在此不進行贅述。

從圖9中可以看出，該算法可以很好地完成MF-TDMA信號的多載波檢測，并將每個載波進行分離，給出每個載波的調制樣式、符號速率、帶寬、載頻、信噪比以及突發(fā)信號的時域參數(shù)（起始樣點、結束樣點和突發(fā)持續(xù)樣點）。

4 結束語

本文通過分析MF-TDMA系統(tǒng)的時頻特征和載波特性，基于累積譜計算、頻域搜索和時域能量窗檢測等方法，提出了一套完整的DVB-RCS系統(tǒng)反向鏈路檢測算法，突破了傳統(tǒng)分析算法需要人工干預、人工判決的限制，實現(xiàn)了MF-TDMA信號的多載波自動檢測以及載波特性分析，該算法運算速度快、精度高并易于硬件實現(xiàn)，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)的對抗領域具有廣闊的應用前景。

［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］ 馮少棟，呂 晶，張更新，等.寬帶多媒體衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的多址接入技術（下）［J］.衛(wèi)星與網絡，2010（9）：64－69.

［4］ 湯 軍，周文玉，江會娟.MF－TDMA技術衛(wèi)星應用探討［J］.無線電通信技術，2014，40（5）：22－23.

［5］ 賀 軍，彭 華.MF-TDMA信號檢測和參數(shù)估計系統(tǒng)［J］.通信技術，2008，41（9）：32－33.

［6］ 郝學坤.MF-TDMA衛(wèi)星通信多站型組網體制研究［J］.無線電通信技術，2012，38（1）：5－6，20.

［7］ 陳利虎，張爾揚，沈榮駿.跳頻信號的時頻分析［J］.宇航學報，2009，30（2）：740－747.

［8］ 楊小女，葛臨東.基于分段譜平均的高精度頻率估計方法［J］.信息工程大學學報，2007，8（1）：59－63.

［9］ 何玉紅.基于雙滑動窗的TDMA信號盲檢測算法實現(xiàn)［J］.通信技術，2012，45（6）：70－72.

［10］ 李成瑰.衛(wèi)星TDMA通信信號參數(shù)提取與信號類型識別算法研究［D］.成都：電子科技大學，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 暢，?；郜?一種基于MF-TDMA信號檢測技術［J］.無線電工程，2015，45（9）：77－80.

赫 暢女，（1985—），工程師。主要研究方向：通信對抗。

2015-06-01

?；郜撃?，（1985—），工程師。主要研究方向：通信對抗。