CN105207711A - 卫星通信信号的寄生传输和恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种卫星通信信号的寄生传输和恢复方法。所述方法采用伪码扩频技术对功率只有常规通信信号功率的1％以下的欲传输的通信信号进行扩频，并将其寄生到既有的正常通信频道上。寄生扩频信号的功率谱密度很低，可深埋于通信信号甚至噪声信号中，因此寄生通信信号不影响正常通信信号的正常接收。在接收时采用去背景处理消除或削弱正常通信信号，从而恢复出寄生通信信号，使寄生通信信号具有对抗正常通信信号影响的能力。所述寄生传输方法无需增加空间资源，也不需要专用通信卫星，具有很好的隐蔽性和抗干扰能力。采用本发明所述恢复方法，寄生信号功率比正常信号低70dB时才达到临界状态，比不采用本发明所述恢复方法改善了20dB。

Description

卫星通信信号的寄生传输和恢复方法

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，涉及一种卫星通信信号的寄生传输和恢复方法。

背景技术

低信息速率和小容量卫星通信系统是一类新的卫星通信系统。这类卫星通信系统已存在于个别专用领域，如海洋浮标信息回传系统Argos、卫星搜救系统COSPAS/SARSAT等。这些现有的低信息速率的通信系统大多是单向通信系统，只有回传通信，性能不全，而且因需要利用低轨运动卫星，对于一个地球上的固定工作点来说，与卫星可以通信的时段只有十几分钟，所以若要构成全时段能实现通信需要的系统，就需要有多颗卫星接力。美国Geostar、欧洲Locstar和中国北斗1号则采用专用的同步轨道卫星，具有双向通信功能，但由于星上只有±4MHz的频带资源，当用户多时，会出现信道拥堵，通信容量受限的情况；而铱星和其他移动卫星系统，对卫星的饱和有效全向辐射功率EIRPss等要求高。我国目前尚缺少这类在轨卫星，那么是否能利用现有的商用C波段和Ku波段在轨的通信卫星实现较低信息速率的卫星短信息传输呢？因为商用卫星功率已限定，卫星的EIRPss大约处在34dBW至42dBW之间。故在这类卫星通信里，需要应用微小型化的卫星终端，即终端应是简便、低功耗、廉价的、小型化和便于携带的移动用户设备，如手持小终端和简易的动中通终端。这样做是有难度的。

这类使用普通通信卫星的卫星通信系统，终端发射的通信信号经卫星透明转发器转发，然后以广播的形式下行至地面，由用户接收终端进行接收。但商用通信卫星容易被人为干扰或被阻塞，会影响通信传输。为此，需要提高系统的隐蔽性，增加系统的灵活性，保证系统的安全性。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种卫星通信信号的寄生传输和恢复方法。该方法采用伪码扩频技术对功率只有常规通信信号功率的1％(-20dB)以下的欲传输的通信信号进行扩频处理，然后将其寄生到既有的正常通信频道上。由于欲传输的通信信号扩频后信号的功率谱密度很低，可以深埋于通信信号甚至噪声信号中，因此，寄生的通信信号(即欲传输的通信信号)不会影响正常通信信号的正常接收。在接收时，采用伪码扩頻技术，便能恢复出寄生通信信号。使寄生通信信号具有对抗正常通信信号影响的能力。若能进一步采用去背景处理，消除或削弱正常通信信号，则能使寄生通信信号恢复的能力进一步提升，等效于能使寄生通信信号的功率进一步下降，实现更微弱的寄生通信信号的传输与恢复，从而使系统的隐蔽性能更好。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

一种卫星通信信号的寄生传输方法，包括以下步骤：

步骤1，对由数据源产生的寄生的通信电文进行编码，然后由二进制伪码序列进行扩频。

步骤2，对扩频后的信号进行调制、上变频处理，得到寄生射频信号。

步骤3，将所述寄生射频信号送至发射天线，由发射天线向空间上行发射。

步骤4，向空间上行发射的寄生射频信号被卫星转发器接收，并与由所述卫星转发器同时接收的正常通信信号迭加形成射频混迭信号；发射多载波寄生通信信号时，所述多载波寄生通信信号分别与多颗通信卫星上或在一颗通信卫星上多频段的正常通信信号进行混迭。

步骤5，所述射频混迭信号通过卫星转发器转发，向地面下行传输。

进一步地，所述寄生的通信电文的速率为10b/s～1200b/s；

进一步地，所述二进制伪码序列的速率为0.5Msps～30Msps；

进一步地，所述射频混迭信号中，寄生信号功率不超过正常通信信号功率的1％；

进一步地，所述由二进制伪码序列进行扩频的扩频码采用PN码，包括Gold码、Walsh码以及混沌序列码。

进一步地，所述扩频的增益由所述寄生信号所占频段的频带宽度来选取，使扩频信号所占的频段与被寄生信道所占频段一致。

另一种卫星通信信号的寄生传输方法，包括以下步骤：

步骤1，对由数据源产生的寄生的通信电文进行编码，然后由二进制伪码序列进行扩频；

步骤2，对所述扩频后的信号进行调制；

步骤3，调制后的信号与正常通信信号合成得到基带混迭信号；

步骤4，对基带混迭信号进行上变频处理，得到寄生射频信号；

步骤5，将所述寄生射频信号送至发射天线，由发射天线向空间上行发射；

步骤6，上行发射的信号被卫星转发器接收，由所述卫星转发器转发后向地面下行发射。

一种寄生信号恢复方法，包括以下步骤：

步骤1，地面接收天线接收卫星转发器发射的下行信号，并对天线接收信号依次进行带通滤波、低噪声放大、下变频处理。

步骤2，进行去背景处理：下变频后的信号分成两路，第一路首先进行解调处理输出正常的通信载波信号，解调出的正常通信信号再经调制、反向处理后，在时序及相位上与第二路信号的载波信号对齐，两路信号进行相关运算，消除或大幅度削弱背景信号。

步骤3，对去背景处理后的信号进行解扩解调处理，得到寄生的通信电文。

对于多载波寄生通信信号，先对地面接收天线的接收信号进行多路带通滤波处理，滤波带宽和中心频率与发射端相同，然后按照步骤1～3所述方法对多路信号分别进行处理。

进一步地，所述地面接收天线采用全向或波束宽度大于10度的天线。

进一步地，所述背景信号主要为正常通信信号。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明所述的寄生传输方法只是在发送端和接收端对信号进行处理，而无需增加空间资源。由于是将欲传输的信号寄生在正常通信信号上，因此不需要专用通信卫星，具有很好的隐蔽性和抗干扰能力。

2.本发明采用伪随机码扩频技术，利用扩频增益弥补隐蔽寄生通信信号功率低下的不足，从而实现微弱的寄生通信信号的传输与恢复。

3.本发明所述的寄生信号的恢复方法能够有效压制背景信号电平，从而大大降低了对寄生通信信号最低功率电平的要求，相当于降低了对正常通信信道频带宽度的要求，提高了传输寄生通信电文的信息速率；也可以说降低了对扩频增益的要求。实验表明，采用本发明所述的寄生通信信号恢复方法后，寄生通信信号的功率比正常通信信号低70dB时才达到临界状态，比不采用本发明所述恢复方法(50dB)改善了20dB。

附图说明

图1为寄生通信信号进行伪码扩频方法示意图；

图2为寄生通信信号与正常通信信号直接混迭的方法示意图；

图3为寄生通信信号恢复方法示意图；

图4为寄生通信信号比通信信号低50dB时，混迭信号与C/A码的相关图，(a)为未采用本发明所述恢复方法的相关图，(b)为采用本发明所述恢复方法的相关图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本发明提出一种卫星通信信号的寄生传输和恢复方法，方法流程图如图1～3所示。

首先，给出所述寄生传输方法的第一种实施方式，如图1所示，所述寄生传输方法包括以下步骤：

由数据源产生寄生的低速率(速率为10b/s～1200b/s)的通信电文，所述通信电文经编码后，由高速率(速率为0.5Msps～30Msps)的二进制伪码序列进行扩频调制，扩频码采用PN码，包括Gold码、Walsh码以及混沌序列码。扩频的增益由所述寄生信号所占频段的频带宽度来选取，使扩频信号所占的频段与被寄生信道所占频段一致。若正常通信信号带宽较窄时，这时扩频增益将降低，可通过改善接收终端基带里的信噪比，使解调时的寄生通信信号恢复的强度符合解调门槛要求。扩频调制后的信号进行上变频处理，得到寄生射频信号并送至发射天线，由发射天线向空间上行发射。

向空间上行发射的寄生射频信号被卫星转发器接收，并与由所述卫星转发器同时接收的正常通信信号迭加形成射频混迭信号，所述射频混迭信号通过卫星转发器转发，向地面下行发射。

上述方法中，寄生通信信号与正常通信信号是在射频通过卫星转发器实现混迭的。所述射频混迭信号中，寄生信号与正常通信信号相比非常小，其功率不超过正常通信信号功率的1％，完全可以淹没在正常通信信号或噪声中。因此，本发明所述的寄生传输方法具有非常好的隐蔽性，寄生信号的传输不会影响正常信号的传输与恢复。

如果发射的是多载波寄生通信信号，所述多载寄生波通信信号分别与多颗通信卫星上或在一颗通信卫星上多频段的正常通信信号进行混迭，然后经卫星转发器转发后下行传输。

然后，给出所述寄生传输方法的第二种实施方式，如图2所示，所述寄生传输方法包括以下步骤：

由数据源产生寄生的通信电文，所述通信电文经编码后，由二进制伪码序列进行扩频，扩频后的信号经调制后与正常通信信号进行合成得到基带混迭信号，所述基带混迭信号进行上变频处理得到射频混迭信号，然后送至发射天线向空间上行发射。

向空间上行发射的射频混迭信号被卫星转发器接收，并由所述卫星转发器转发后向地面下行发射。

第二种实施方式中的寄生通信信号与正常通信信号是在基带里进行混迭的，信号在基带里进行混迭后，经上变頻、功放，最后从天线发射上行。这种混迭方法的优点是方法简单、设备紧凑。而第一种实施方式中混迭方法，寄生通信信号与正常通信信号是在射频段进行混迭的，可以在空间进行混迭。这种混迭方法的优点是，不受位置和地点的限制，甚至可以异地发射，在空间进行混迭。

最后，给出上述寄生传输信号的恢复方法，如图3所示，所述恢复方法包括以下步骤：

地面端采用全向天线或宽波束天线(波束宽度大于10度)接收卫星转发器转发后向地面下行发射的信号。天线接收信号经带通滤波、低噪声放大、下变频后分成两路进行去背景处理，去背景处理的方法如下：如图3所示，第一路首先进行解调处理输出正常的通信载波信号，解调出的正常通信信号再经调制、反向处理，处理后的输出信号与第二路信号的载波信号在时序及相位上对齐，最后两路信号进行相关运算，便可消除或大幅度削弱背景信号。这里去除的背景信号主要是正常通信信号。去背景处理后的输出信号中，背景信号电平已大幅度下降，寄生传输信号的信噪比得以显著提高，从而使寄生传输信号易于恢复。去背景处理后的载波信号经解扩解调处理，得到寄生的通信电文。

为了提高去背景处理的效果，还可以同时采用多种抗干扰技术，比如极化抗干扰法(空域)和时间滤波法(时域)。极化抗干扰法的基本原理是利用极化调零来消除极化噪声信号的方法。首先利用一个探测通道识别和跟踪噪声或干扰信号的相位和幅度，然后进行抵消处理，消除或削弱接收信号中的噪声部分或干扰部分。时间滤波方法是在时间域内对信号特征进行处理。这种时间滤波技术可用于多个窄带噪声干扰和连续波干扰源问题，也能用于多径效应和回波抵消干扰问题，可以有效消除窄带干扰和连续波干扰。

如果发射的是多载波寄生通信信号，将地面接收天线的接收信号输入到多路带通滤波器进行滤波，滤波器的带宽和中心频率与发射端相同。然后对多路信号分别进行处理。

下面给出应用本发明所述寄生通信信号恢复方法的一些实验数据。

实验1：仿真实验。不断减小寄生通信信号的功率，直至失锁，通过测量寄生通信信号电平相对于正常通信信号电平的大小，获得寄生通信信号能解扩解调的临界水平。

正常通信信号采用扩频已调信号，调制方式为BPSK，载波频率20M；寄生通信信号采用GPS的C/A信号，信息数据速率50bps，扩频码速率：1.023Mchip/s。将正常通信信号、寄生通信信号与高斯白噪声混合，得到信噪比SNR＝30dB的混迭信号。

当寄生通信信号比正常通信信号低50dB时，不采用本发明所述的寄生通信信号恢复方法，混迭信号与C/A码进行相关运算，相关最大峰值/最大旁瓣值平均值约为1.2，此时峰值与旁瓣不能明显区分，如图4(a)所示，即不能恢复寄生通信信号。采用本发明所述恢复方法后，即在混迭信号中加上反向的通信信号，然后与C/A码进行相关运算，相关最大峰值/最大旁瓣值平均值已升至约为5.4，峰值与旁瓣又可以明显区分，如图4(b)所示。继续降低寄生通信信号的功率，当降至比正常通信信号低70dB时，相关最大峰值/最大旁瓣值平均值约为1.0，寄生通信信号不能正常恢复。

实验表明，采用本发明所述的寄生通信信号恢复方法后，寄生通信信号的功率比正常通信信号低70dB时才达到临界状态，也就是说，比不采用本发明所述恢复方法改善了20dB(70dB-50dB)！

实验2：上星试验。试验旨在对微小卫星终端通信系统的抗干扰以及寄生传输性能进行试验验证。试验内容及方法为：在同一个频点上，同时发射寄生通信信号以及卫星电视信号，检验寄生通信信号是否影响卫星电视的正常接收；以及卫星电视的信号是否对寄生通信信号产生影响(抗干扰)。

试验时，卫星电视信号的收发通过地面站的16米口径天线自发、自收实现。寄生通信信号采用语音信号，通过微小卫星终端发射。发射的电视信号EIRP为43.7dBw，语音终端发射的EIRP为25dBw，比电视信号低18.7dB。当语音终端发射单载波时，语音终端发射扩频信号，信号埋在电视信号以及噪声之下。

先发电视信号，后发语音信号。实验结果表明，电视视频和音频播放均未受到影响；电视接收的E_b/N₀(比特信噪比)基本没有变化。

本发明不限于上述实施方式，本领域技术人员所做出的对上述实施方式任何显而易见的改进或变更，都不会超出本发明的构思和所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种卫星通信信号的寄生传输方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，对由数据源产生的寄生的通信电文进行编码，然后由二进制伪码序列进行扩频；

步骤2，对扩频后的信号进行调制、上变频处理，得到寄生射频信号；

步骤3，将所述寄生射频信号送至发射天线，由发射天线向空间上行发射；

步骤4，向空间上行发射的寄生射频信号被卫星转发器接收，并与由所述卫星转发器同时接收的正常通信信号迭加形成射频混迭信号；发射多载波寄生通信信号时，所述多载波寄生通信信号分别与多颗通信卫星上或在一颗通信卫星上多频段的正常通信信号进行混迭；

步骤5，所述射频混迭信号通过卫星转发器转发，向地面下行传输。

2.根据权利要求1所述的卫星通信信号的寄生传输方法，其特征在于，所述寄生的通信电文的速率为10b/s～1200b/s。

3.根据权利要求1所述的卫星通信信号的寄生传输方法，其特征在于，所述二进制伪码序列的速率为0.5Msps～30Msps。

4.根据权利要求1所述的卫星通信信号的寄生传输方法，其特征在于，所述射频混迭信号中，寄生信号功率不超过正常通信信号功率的1％。

5.根据权利要求1所述的卫星通信信号的寄生传输方法，其特征在于，所述由二进制伪码序列进行扩频的扩频码采用PN码，包括Gold码、Walsh码以及混沌序列码。

6.根据权利要求1所述的卫星通信信号的寄生传输方法，其特征在于，所述扩频的增益根据所述寄生信号所占频段的频带宽度选取，使扩频信号所占的频段与被寄生信道所占频段一致。

7.一种卫星通信信号的寄生传输方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，对由数据源产生的寄生的通信电文进行编码，然后由二进制伪码序列进行扩频；

步骤2，对所述扩频后的信号进行调制；

步骤3，调制后的信号与正常通信信号合成得到基带混迭信号；

步骤4，对基带混迭信号进行上变频处理，得到寄生射频信号；

步骤5，将所述寄生射频信号送至发射天线，由发射天线向空间上行发射；

步骤6，上行发射的信号被卫星转发器接收，由所述卫星转发器转发后向地面下行发射。

8.一种权利要求1～7所述的寄生信号的恢复方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，地面接收天线接收卫星转发器发射的下行信号，并对天线接收信号依次进行带通滤波、低噪声放大、下变频处理；

步骤2，进行去背景处理：下变频后的信号分成两路，第一路首先进行解调处理输出正常的通信载波信号，解调出的正常通信信号再经调制、反向处理后，在时序及相位上与第二路信号的载波信号对齐，两路信号进行相关运算，消除或大幅度削弱背景信号；

步骤3，对去背景处理后的信号进行解扩解调处理，得到寄生的通信电文；

对于多载波寄生通信信号，先对地面接收天线的接收信号进行多路带通滤波处理，滤波带宽和中心频率与发射端相同，然后按照步骤1～3所述方法对多路信号分别进行处理。

9.根据权利要求8所述的寄生信号恢复方法，其特征在于，所述地面接收天线采用全向或波束宽度大于10度的天线。

10.根据权利要求8所述的寄生信号恢复方法，其特征在于，所述背景信号主要为正常通信信号。