張有志，陳敬喬，寇辰光

(1.海裝裝備項(xiàng)目管理中心，北京 100166;2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

擴(kuò)頻通信在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中發(fā)揮著不可替代的重要作用，但是隨著科技的發(fā)展，擴(kuò)頻通信面臨著強(qiáng)干擾環(huán)境下如何保證通信可靠性的問題。雖然擴(kuò)頻通信系統(tǒng)本身具有較強(qiáng)的抗干擾能力，但受接收機(jī)帶寬的限制，系統(tǒng)處理增益不可能無限提高，而惡意干擾功率往往較大，僅依靠系統(tǒng)處理增益，無法滿足接收端對(duì)信噪比的要求[1-3]。為進(jìn)一步提升擴(kuò)頻通信系統(tǒng)抗干擾能力，研究擴(kuò)頻通信抗干擾技術(shù)顯得尤為必要[4-7]。

CDMA通信系統(tǒng)如何有效抑制窄帶干擾是信號(hào)抗干擾技術(shù)領(lǐng)域的重要課題。近20 年來，國內(nèi)外相繼有許多窄帶干擾抑制算法被提出，目前常用的抗窄帶技術(shù)主要有時(shí)域抗干擾和頻域抗干擾技術(shù)。時(shí)域抗干擾技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但時(shí)域抗干擾算法需要長(zhǎng)時(shí)間的迭代才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，無法跟蹤快變干擾，當(dāng)干擾的個(gè)數(shù)增加或能量改變時(shí)，干擾能力迅速下降。頻域抗干擾技術(shù)不需要收斂過程，能對(duì)快時(shí)變干擾迅速做出反應(yīng)，且對(duì)干擾模型不敏感，比較適合用于快時(shí)變窄帶干擾抑制。本文對(duì)頻域抗干擾技術(shù)進(jìn)行了建模仿真，可為工程實(shí)踐中抗窄帶干擾算法的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)[8-10]。

1 窄帶干擾抑制模型

窄帶干擾示意圖如圖1所示。窄帶干擾具有高功率譜密度和易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，只需要幾個(gè)窄帶干擾就可以覆蓋或是淹沒一定帶寬的有用信號(hào)，當(dāng)窄帶干擾能量較大時(shí)，將目標(biāo)信號(hào)淹沒在干擾中，這將顯著降低接收能力，影響通信質(zhì)量。

圖1 窄帶干擾示意圖Fig.1 Narrow-band interface

時(shí)域抗干擾技術(shù)和頻域抗干擾技術(shù)均可實(shí)現(xiàn)窄帶干擾抑制，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，2種方式統(tǒng)稱為變換域干擾抑制技術(shù)[11-15]。變換域干擾抑制原理如圖2所示。

圖2 變換域干擾抑制原理框圖Fig.2 Transform domain interference suppression

變換域干擾抑制技術(shù)利用干擾與信號(hào)不同的變換域特性，在變換域上選擇合適的閾值，通過抑制干擾分量，實(shí)現(xiàn)抗干擾[16-20]。

頻域抗干擾算法具有較好的抗窄帶干擾效果，相比于時(shí)域自適應(yīng)干擾抑制技術(shù)，有處理步驟簡(jiǎn)單，速度更快等優(yōu)點(diǎn)。該算法的依據(jù)是，相對(duì)于擴(kuò)頻信號(hào)，窄帶干擾的能量集中在較窄的頻帶，在頻域上，擴(kuò)頻信號(hào)的頻譜比較平坦，而窄帶干擾的頻譜卻呈現(xiàn)出一個(gè)較窄的尖峰。將混有窄帶干擾的導(dǎo)航信號(hào)通過FFT變換到頻域后，可以很容易地檢測(cè)到干擾譜線對(duì)應(yīng)的位置，將這些譜線置零，然后再做IFFT變換回時(shí)域，就會(huì)獲得抑制了窄帶干擾的導(dǎo)航信號(hào)。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于需要對(duì)信號(hào)每次選取一段進(jìn)行處理，勢(shì)必會(huì)發(fā)生頻譜泄露現(xiàn)象，故要對(duì)信號(hào)進(jìn)行加窗，同時(shí)為了避免加窗導(dǎo)致的信噪比降低，一般采用如下方法進(jìn)行處理，算法原理框圖如圖3所示。

圖3 頻域陷波原理框圖Fig.3 Principle diagram of frequency domain notch filter

從圖3可以看出，信號(hào)處理詳細(xì)流程對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行時(shí)域加窗，在這一步中，窗函數(shù)的選擇為hanning 窗。通過加窗，可以平滑頻譜，即弱化頻譜邊緣處的不連續(xù)性，這樣降低經(jīng)過時(shí)域?yàn)V波后信號(hào)主瓣能量泄露。

當(dāng)判決門限生成之后，超過門限值的譜線通常認(rèn)為是含有干擾信號(hào)的譜線，對(duì)這些譜線的處理一般采用以下方式：將該頻點(diǎn)(窄帶干擾的頻點(diǎn)) 譜線置零，認(rèn)為大于門限的譜線完全是干擾信號(hào)，徹底去掉。由于窄帶干擾的帶寬遠(yuǎn)小于 LFM 信號(hào)的帶寬，所以，置零法對(duì)信號(hào)的損失并不大。

綜上所述，該頻域陷波算法將混疊信號(hào)變換到頻域，在頻域中進(jìn)行包絡(luò)檢波，進(jìn)而得到精確的干擾信號(hào)信息，最后根據(jù)干擾信號(hào)信息在相應(yīng)頻率位置進(jìn)行抑制處理，達(dá)到抗窄帶干擾的效果。

2 性能仿真

為了驗(yàn)證頻域抗干擾算法性能，以及不同擴(kuò)頻增益對(duì)該算法的影響，針對(duì)不同比例的頻譜置零進(jìn)行了算法仿真。

在擴(kuò)頻增益為32，64條件下，設(shè)置信號(hào)調(diào)制方式為BPSK調(diào)制，噪聲為高斯白噪聲，在信號(hào)頻譜相同位置分別將5%，10%，15%和20%的頻譜置零，通過仿真，得到的誤碼曲線結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 擴(kuò)頻增益為32的誤碼曲線Fig.4 BER performance of spreading factor 32

圖5 擴(kuò)頻增益為64的誤碼曲線Fig.5 BER performance of spreading factor 64

由圖4和圖5可知，與理論解調(diào)性能相比，將信號(hào)頻譜一定比例置零后，解調(diào)性能會(huì)相應(yīng)變差，并且隨著頻譜置零比例的增大解調(diào)性能隨之惡化。當(dāng)頻譜置零比例在10%條件下，擴(kuò)頻增益為32時(shí)的解調(diào)性能下降約1.5 dB，擴(kuò)頻增益為64時(shí)的解調(diào)性能下降約1 dB；頻譜置零比例在20%條件下，擴(kuò)頻增益為32時(shí)的解調(diào)性能下降接近3 dB，擴(kuò)頻增益為64時(shí)的解調(diào)性能下降約2 dB。

由圖4和圖5對(duì)比可知，擴(kuò)頻增益為32條件下的解調(diào)性能惡化程度相較于擴(kuò)頻增益為64條件下的惡化程度明顯嚴(yán)重，說明擴(kuò)頻增益越大，頻譜置零后對(duì)解調(diào)性能的影響越小。

要想驗(yàn)證不同擴(kuò)頻增益與頻域干擾算法性能的關(guān)系，還需進(jìn)一步仿真分析。在擴(kuò)頻增益為128，512條件下分別進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。同樣設(shè)置信號(hào)調(diào)制方式為BPSK調(diào)制，噪聲為高斯白噪聲，并在信號(hào)頻譜相同位置分別將5%，10%，15%，20%的頻譜置零，仿真誤碼曲線，結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖7 擴(kuò)頻增益為512的誤碼曲線Fig.7 BER performance of spreading factor 512

由圖6和圖7可知，當(dāng)頻譜置零比例在10%條件下，擴(kuò)頻增益為128時(shí)的解調(diào)性能下降不足1 dB，擴(kuò)頻增益為512時(shí)的解調(diào)性能下降約0.5 dB；頻譜置零比例在20%條件下，擴(kuò)頻增益為128時(shí)的解調(diào)性能下降小于2 dB，擴(kuò)頻增益為512時(shí)的解調(diào)性能下降約1 dB。通過對(duì)比進(jìn)一步說明在相同的頻譜置零條件下，擴(kuò)頻增益越大對(duì)解調(diào)性能影響越小。

為了通過數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確地比較不同擴(kuò)頻增益下頻譜置零對(duì)解調(diào)性能的影響，以信噪比為6 dB為例，對(duì)解調(diào)性能數(shù)據(jù)進(jìn)行比較整理，結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，相同頻譜置零條件下，解調(diào)性能隨擴(kuò)頻增益的增大得到顯著提升。在解調(diào)性能要求較高時(shí)可以考慮提高擴(kuò)頻增益。

表1 解調(diào)性能結(jié)果
Tab.1 Demodulation performance

擴(kuò)頻增益置零比例/%5101520325.0×10-37.8×10-31.3×10-21.6×10-2643.3×10-35.7×10-36.9×10-31.1×10-21283.2×10-34.9×10-35.8×10-37.5×10-35123.1×10-34.4×10-34.6×10-35.9×10-3

3 仿真結(jié)論及分析

通過上述性能仿真結(jié)果對(duì)比分析可以得出：

① 由于將頻譜置零會(huì)減小信號(hào)功率并且導(dǎo)致信號(hào)失真，因此將信號(hào)頻譜一定比例置零后，解調(diào)性能會(huì)相應(yīng)變差，并且隨著頻譜置零比例的增大而惡化；

② 頻譜置零會(huì)使解調(diào)性能下降，但在一定比例下，依然可以正確解調(diào)，滿足解調(diào)性能要求，因此可以證明干擾信號(hào)帶寬占有用信號(hào)帶寬比例滿足要求時(shí)，該頻域抗干擾算法的可行性；

③ 在同樣的頻譜置零條件下，信號(hào)解調(diào)性能與擴(kuò)頻增益有關(guān)，擴(kuò)頻增益越大，解調(diào)性能下降越少，因此在工程實(shí)踐中解調(diào)性能要求較高時(shí)可以考慮增加擴(kuò)頻增益。

4 結(jié)束語

對(duì)BPSK擴(kuò)頻信號(hào)在抗干擾中的作用以及時(shí)域處理和頻域處理2種不同抗干擾方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了討論。著重介紹了頻域抗窄帶干擾方式，給出了頻域陷波信號(hào)處理模型，并基于Matlab仿真平臺(tái)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，得出頻域陷波處理對(duì)誤碼性能的影響，結(jié)合擴(kuò)頻增益等因素對(duì)該抗干擾算法與解調(diào)性能損失的關(guān)系進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，該算法可有效應(yīng)用于CDMA信號(hào)中大功率窄帶干擾的抗干擾處理中，可以推廣應(yīng)用到其他調(diào)制方式的抗干擾處理中。