摘 要：變換域通信系統(tǒng)通過(guò)信道估計(jì)在變換域設(shè)計(jì)信號(hào)波形避開(kāi)干擾，它沒(méi)有采用載波調(diào)制，而是用一個(gè)類(lèi)似噪聲的基函數(shù)進(jìn)行信息調(diào)制。對(duì)高斯白噪聲信道下的取不同門(mén)限值的基于小波的變換域通信系統(tǒng)與DSSS的抗干擾性能作了比較分析，仿真結(jié)果表明基于小波的變換域通信系統(tǒng)相比于DSSS在單音、多音、線性調(diào)頻、10%部分帶寬干擾下誤碼率平均改進(jìn)約10 dB，在70%部分帶寬干擾下誤碼率平均改進(jìn)約5 dB，并對(duì)基于小波的變換域通信系統(tǒng)門(mén)限值的選取給出了建議。

關(guān)鍵詞：變換域；抗干擾；小波變換；門(mén)限

中圖分類(lèi)號(hào)：TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2008)11-007-03

Research on the Anti-jamming Performance of Transform Domain 

Communication System Based on Wavelet 

ZHANG Lei，YANG Xiao

(Qingdao Branch，Naval Aeronautical Engineering Institute，Qingdao，266041，China)

Abstract：The fundamental idea in transform domain communication system is to synthesize a smart adaptive waveform to avoid interference at the transmitter.Its communication waveform is designed in transform domain according to the estimation of electromagnetic environment and no carrier modulation is employed，but a noise-like basis function is used to modulate the data.Comparing the anti-jamming performance of TDCS based on wavelet transformation to DSSS withscenarios for AWGN channel.The simulation results demonstrate that the average TDCS bit error rates improvement relative to an equivalent DSSS system is 10 dB with single-tone，multiple-tone，line frequency modulation and 10% part-jamming.The improvement is 5dB with 70% part-jamming.We also simulate and analyze the problem of threshold selection.Some advices about threshold selection are given on basis of the simulation results.

Keywords：transform domain;anti-jamming;wavelet transformation;threshold

1 引 言

軍用通信不僅要面對(duì)自然界的各種干擾，還要面對(duì)敵方的故意干擾，這些干擾都會(huì)導(dǎo)致通信系統(tǒng)的可靠性大大降低，甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效的通信。寬帶干擾覆蓋通信系統(tǒng)整個(gè)有效頻帶，它可有效地提高系統(tǒng)本地噪聲，因此可與信道噪聲聯(lián)合考慮。一般地，窄帶干擾是對(duì)通信系統(tǒng)最具毀滅性的軟殺傷。因此，如何抑制窄帶干擾成為通信系統(tǒng)抗干擾研究的主要方向。保密性是軍用通信系統(tǒng)另一個(gè)重要的指標(biāo)，因此通信系統(tǒng)的低檢測(cè)/截獲概率(LPI/LPD)也是廣大軍事通信工作者的目標(biāo)之一。

變換域通信系統(tǒng)(Transform Domain Communication System，TDCS)是在擴(kuò)頻通信和變換域處理技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，但不同的是，它在收發(fā)端分別對(duì)電磁環(huán)境進(jìn)行估計(jì)來(lái)“避開(kāi)”干擾，而不是“消除”干擾。它具有較好的抗干擾能力和較高的LPI/LPD。對(duì)電磁環(huán)境(信道)的準(zhǔn)確估計(jì)是變換域通信系統(tǒng)能夠有效工作的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的信道估計(jì)方法主要是基于傅里葉變換^[1-4]的。由于傅里葉變換使得信號(hào)在變換后失去了時(shí)間信息，而很多信號(hào)都包含有人們感興趣的非穩(wěn)態(tài)(瞬變)特性，因而傅里葉變換不適合處理非平穩(wěn)信號(hào)。小波變換能夠提供信號(hào)的時(shí)頻信息，能更好地對(duì)電磁環(huán)境進(jìn)行估計(jì)。本文對(duì)高斯白噪聲信道下的基于小波的變換域通信系統(tǒng)進(jìn)行了分析，并給出了仿真結(jié)果。

2 基本概念

圖1和圖2分別是基于傅里葉變換的變換域通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)\\[2\\]和接收機(jī)的原理框圖，其他變換域通信系統(tǒng)的原理圖基本一樣，只不過(guò)將相應(yīng)的變換模塊更換為其他的變換方法。

在發(fā)射機(jī)端，電磁環(huán)境采樣結(jié)果輸入譜估計(jì)器后，通過(guò)計(jì)算功率譜密度(PSD)決定空間干擾所在的頻率位置。將估計(jì)得到的頻譜幅值A(w)與一個(gè)門(mén)限值相比較確定整個(gè)工作頻帶中哪些部分存在干擾，哪些部分沒(méi)有干擾可用于信息傳輸，然后將經(jīng)過(guò)門(mén)限剔除后的頻譜幅值向量A′(w)與偽隨機(jī)相位器產(chǎn)生的復(fù)隨機(jī)向量ejθ(w)相乘得到基函數(shù)的頻譜表示B(w)，再經(jīng)過(guò)IFFT得到基函數(shù)經(jīng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行調(diào)制后即可發(fā)射。

圖1 變換域通信系統(tǒng)發(fā)射機(jī)原理圖

圖2 變換域通信系統(tǒng)接收機(jī)原理圖

TDCS一般使用雙極性調(diào)制(Antipodal Modulation)或循環(huán)移位鍵控調(diào)制CSK(Cyclic Shift Keying)。雙極性調(diào)制即用基函數(shù)和基函數(shù)的負(fù)數(shù)代表不同的二進(jìn)制碼元，即:



[JB({]s1(t)=b(t)

s2(t)=-b(t)[JB)][JY](1)



雙極性調(diào)制在加性高斯白噪聲信道(AWGN)信道下的傳輸誤碼率Pb為：



Pb=Q(2EbN0)[JY](2)



和其他通信系統(tǒng)一樣，TDCS接收機(jī)在進(jìn)行解調(diào)處理之前要先進(jìn)行同步檢測(cè)^[3]。

在接收機(jī)端，用同樣的方法產(chǎn)生本地基函數(shù)(只是增加了取共軛一項(xiàng))與接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)，然后經(jīng)過(guò)判決檢測(cè)出數(shù)據(jù)信息。

3 抗干擾性能分析

擴(kuò)頻通信具有抗干擾、保密性好、抗多徑衰落、低功率譜密度下工作等優(yōu)點(diǎn)，是目前已在使用和正在研制中的一種技術(shù)。本節(jié)對(duì)AWGN信道下的基于小波變換的TDCS和直接序列擴(kuò)頻(DSSS)系統(tǒng)的抗干擾性能作了仿真比較，所采用的仿真參數(shù)見(jiàn)表1。DSSS在窄帶干擾下，各種干擾產(chǎn)生的干擾效果變化不大，本文中采用對(duì)各種干擾下求平均的方法得出DSSS的誤碼率圖。

圖3給出了DSSS和單音、多音、線性調(diào)頻干擾下的TDCS誤碼率曲線及理論的誤碼率曲線，從圖中可以看出基于小波變換的TDCS能成功地抑制掉單音和多音干擾，其誤碼率曲線與不存在干擾時(shí)的理論值相當(dāng)接近。線性調(diào)頻干擾的誤碼率曲線在J/E為7 dB前緩慢增加，7~8 dB之間減小到最小值，然后又呈增加趨勢(shì)。線性調(diào)頻干擾誤碼率曲線出現(xiàn)這種變化的原因與Db8小波變換及選取門(mén)限剔除子帶的過(guò)程有關(guān)。當(dāng)J/E在7~8 dB之間時(shí)，干擾的功率達(dá)到了設(shè)定的門(mén)限值，剔除了干擾所在的子帶，減小了干擾的影響，改善了誤碼率，才使誤碼率在7~8 dB之間減小。相比于DSSS系統(tǒng)，單音、多音干擾下的基于小波變換的TDCS誤碼率性能改進(jìn)約11 dB，線性調(diào)頻干擾下的基于小波變換的TDCS誤碼率性能平均改進(jìn)約10 dB。

表1 仿真參數(shù)表

參數(shù)名稱(chēng)方法或取值

圖3 DSSS和單音、多音、線性調(diào)頻干擾下的

基于小波變換的TDCS誤碼率及理論的誤碼率

圖4給出了DSSS和10%、70%部分帶寬干擾下的基于小波變換的TDCS誤碼率曲線及理論的誤碼率曲線。從圖中可以看出基于小波變換的TDCS對(duì)10%部分帶寬干擾有較好的抑制能力，除了J/E在0~2 dB之間誤碼率高出理論值接近1 dB，在J/E大于2 dB之后誤碼率增加緩慢。對(duì)于70%部分帶寬干擾的誤碼率曲線變化也是如此，在J/E為3 dB時(shí)誤碼率出現(xiàn)一個(gè)小的峰值，然后迅速下降，在J/E大于3.6 dB以后誤碼率曲線保持上升趨勢(shì)。分析其原因也與Db8小波變換及選取門(mén)限剔除子帶的過(guò)程有關(guān)，在10%部分帶寬干擾J/E小于1.8 dB、70%部分帶寬干擾J/E小于3 dB時(shí)干擾的功率還不足以使干擾所在子帶的功率譜超過(guò)門(mén)限值，干擾對(duì)基于小波變換的TDCS系統(tǒng)的影響較大。

另外，對(duì)于70%部分帶寬干擾系統(tǒng)由于干擾的能量在工作頻率上分布較寬，相應(yīng)的基函數(shù)的多個(gè)頻帶被置為零，這使得基函數(shù)的頻率構(gòu)成變得簡(jiǎn)單，從而導(dǎo)致基函數(shù)自相關(guān)序列的旁瓣變大，在相關(guān)接收時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤判決的可能大大提高。同樣當(dāng)干擾能量增加時(shí)，干擾頻段的能量會(huì)擴(kuò)散到鄰近的頻段，使基函數(shù)的多個(gè)子載波受到干擾的影響，這也是導(dǎo)致誤碼率隨干擾能量提高的原因之一。相比于DSSS系統(tǒng)，10%部分帶寬干擾下的基于小波變換的TDCS誤碼率性能改進(jìn)約10 dB，70%部分帶寬干擾下的基于小波變換的TDCS誤碼率性能平均改進(jìn)約5 dB。

圖4 DSSS和10%、70%部分帶寬干擾下的

基于小波變換的TDCS誤碼率及理論的誤碼率

4 門(mén)限選取分析

從以上結(jié)論可知，基于小波變換的TDCS相比于DSSS有較好的抗干擾性能，為了進(jìn)一步提高基于小波變換的TDCS的抗干擾能力，本節(jié)對(duì)AWGN信道下采用不同門(mén)限的TDCS抗干擾性能進(jìn)行了仿真分析，仿真參數(shù)見(jiàn)表1。

圖5、圖6分別對(duì)基于小波變換的TDCS系統(tǒng)在線性調(diào)頻干擾、10%部分帶寬干擾下選取不同門(mén)限值時(shí)的誤碼率進(jìn)行了仿真分析。

圖5 TDCS抗線性調(diào)頻干擾誤碼率曲線

從這兩個(gè)圖可以看出，在J/E較低(當(dāng)存在線性調(diào)頻

干擾時(shí)J/E低于9 dB、當(dāng)存在10%部分干擾時(shí)J/E低于4.5 dB)時(shí)，門(mén)限值取為1.1倍的噪聲功率譜密度時(shí)系統(tǒng)的誤碼率較小。存在線性調(diào)頻干擾時(shí)，J/E大于9 dB以后門(mén)限值取為1.3倍的噪聲功率譜密度時(shí)的誤碼率性能最好；存在10%部分帶寬干擾時(shí)，J/E大于4.5 dB后，取不同門(mén)限值時(shí)的誤碼率相差不大。在J/E比較大時(shí)，如果門(mén)限值取得過(guò)小，相應(yīng)的基函數(shù)的多個(gè)頻帶被置為零，這使得基函數(shù)的頻率構(gòu)成變得簡(jiǎn)單，會(huì)降低系統(tǒng)的LPI/LPD。綜合以上的分析結(jié)果，當(dāng)J/E小于10 dB時(shí)，門(mén)限值取為1.1倍的噪聲功率譜密度值；當(dāng)J/E大于10 dB后門(mén)限值取為1.3倍的噪聲功率譜密度值時(shí)的TDCS系統(tǒng)性能較佳。

圖6 TDCS抗10%部分帶寬干擾誤碼率曲線

5 結(jié) 語(yǔ)

TDCS系統(tǒng)對(duì)窄帶干擾有較好的抑制能力并且有較高的低檢測(cè)/截獲概率(LPI/LPD)，特別適用于軍用通信，對(duì)TDCS的深入研究有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。由本文的分析結(jié)果可知，可以通過(guò)針對(duì)不同類(lèi)型的干擾采用自適應(yīng)門(mén)限的方法或使用小波包對(duì)電磁環(huán)境中干擾進(jìn)行精確定位的方法進(jìn)一步提高TDCS的抗干擾性能。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］Swackhammer J.Performance Simulation of a Transform Domain Communication System for Multiple Access Application［A］.MILCOM′99，1999.

［2］Vasu Chakravarthy，Abel S Nunez，James P Stephens.TDCS，OFDM，and MC-CDMA:A Brief Tutorial［J］.IEEE Radio Communications，2005:511-516.

［3］Roberts M L.Initial Acquisition Performance of a Transform Domain Communication System:Modeling and Simulation Result［A］.Milcom，2000(2):22-25.

［4］何智青.變換域通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建模與仿真研究［D］.西安:西北工業(yè)大學(xué)，2003.

［5］芮國(guó)勝，康健.小波與傅里葉分析基礎(chǔ)\\[M\\].北京:電子工業(yè)出版社，2004.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。