Page 16 - 网络电信2024年8月刊

基于FPGA的特征扩频卫星物联网链路设计与实现

李嘉烨1 陈子贤2 陈翔2
1.中山大学系统科学与工程学院 2.中山大学电子与信息工程学院

摘 要：随着卫星通信与地面无线通信的发展，通信系统频谱共用问题日益突出。传统扩
频方法通常将外部干扰视作均匀功率谱信号，但此类方法对卫星通信频谱的利用尚不充分。
采用信号功率谱特征与干扰信号功率谱特征互补塑形的特征扩频系统，更符合实际卫星通信
中噪声频谱非均匀和小信噪比(Signal to Noise Ratio, SNR)的情况。设计了特征扩频的扩
频与解扩方案的现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)实现，借助成型
的四相相移键控(Quadrature Phase Shift Keying, QPSK)通信链路，嵌入特征扩频模块对
QPSK调制后的信号进行扩频幅度调制。在FPGA上实现了该方案，验证所完成的系统在发送端
能正确对数据进行扩频处理，在接收端能识别扩频后的信号，并正确解析出来。该研究的结
论有助于现代卫星通信中业务数据实现小信噪比和低误码率(Bit Error Rate, BER)传输。

关键词：卫星通信；特征扩频；现场可编程门阵列；四相相移键控通信链路

引言 共存共用、提高频谱利用效率的一种有效动态频谱管理手段，
被广泛应用于实现相同频段内多种业务的频谱共存共用[12]。
扩频通信技术通过注入一个更高频的信号将发射信号的
能量扩展到一个更宽的频带内，能实现信号功率低于噪声的传 基于认知无线电，文献[13-14]提出了一套特征扩频序列
输。传统的直接扩频技术采用伪随机序列进行扩频，更适应环 的设计方法，借助矩阵分析和信号分析处理方法，计算干扰噪
境噪声为白噪声的情况；而在卫星通信中，由于通信系统的广 声信号协方差矩阵的特征向量，适应性调整扩频序列，设计得
覆盖特性，在其工作带宽内，有些地面通信系统的基站或者终 到功率谱特征和环境干扰信号功率谱互补塑形的码分多址卫
端会不可避免地位于卫星通信系统的波束覆盖范围内，带来系 星通信系统。目前对直接序列扩频的现场可编程门阵列(Field
统外的非协助同频干扰[1-2]。譬如在工作带宽位于特高频频段内 Programmable Gate Array, FPGA)硬件实现已有大量工作[15-
的美军移动用户目标系统，广泛受到包括视距通信、雷达、无 20],但是对特征扩频的研究仅限于理论分析与软件级别仿真，
线电导航和商用电视广播[3]等地面通信业务的复杂干扰。多项 尚未有关于特征扩频的FPGA硬件实现与实际性能检测。由此，
调查表明[4-5],受到地面系统的共存干扰影响会使卫星系统的频 本设计提出并完成了特征扩频码分多址扩频与解扩方案的FPGA
谱利用效率受到可见的衰减。同时由于同频干扰的存在，传输 实现，并完成基于FPGA硬件级别性能测试。基于FPGA的全数字
信道不再是加性高斯白噪声信道，使用伪随机序列进行直接扩 化通信链路，以其可编程门阵列为核心，编程方便快捷，能在
频得到的处理增益不足以降低或消除呈有色谱的系统外干扰的 较短开发周期内可靠的对特征扩频系统进行调试仿真与硬件测
影响。因此，打破传统静态频率划分的现状，以频谱资源利用 试。
率最大化为目标，使用信号处理手段对频谱共用的系统进行适
应性信号设计，是提高现有频谱资源利用效率的有效手段之一 1 特征扩频序列设计
[6]。
1.1 系统模型
现有实现多种业务频谱共存的关键技术主要分为静态和 对于传统的直接序列码分多址接入，用户采用m位的扩频序
动态两大类技术手段。一类是以干扰管理思想为基础的静态频 列S=[s1,s2,…,sm]进行扩频的结果为xk=bkS,bk表示用户发送的
谱共存手段，基本方法是通过联合调整信道间隔和分布距离指 第k个信息比特经过相移键控调制后基带信号的采样点幅度值，
标，以保证不同系统之间的相互干扰最小[7-8]。另一类实现多种 扩频的作用表现为将一个采样点扩充成m的采样点，符号速率乘
业务频谱共存共用的关键技术为动态频谱共存手段。在有限的 以m倍，带宽扩展为m倍。
频谱资源条件下，认知无线电[9-11]通信是实现多种业务的频谱 假设在接收端接收到的信号为：

网络电信 二零二四年八月 21