吳 丹，萬 達(dá)，梁保衛(wèi)

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081;2.大連民族學(xué)院，遼寧大連116600)

0 引言

直接序列擴(kuò)頻技術(shù)以抗干擾能力強(qiáng)、保密性強(qiáng)和抗多徑衰落等優(yōu)點(diǎn)在軍用無線通信中獲得了廣泛的應(yīng)用。在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中由于采用擴(kuò)頻序列來擴(kuò)展信息數(shù)據(jù)的頻譜的方法，使它自身具有一定的干擾抑制能力，擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益決定了它的干擾容限，但當(dāng)干擾強(qiáng)度超過干擾容限時(shí)，系統(tǒng)性能會(huì)急劇下降，需要采取有效的干擾抑制技術(shù)以提高系統(tǒng)性能，彌補(bǔ)擴(kuò)頻增益的不足。

變換域抗干擾技術(shù)以其不需要自適應(yīng)算法，并且隨干擾的變化迅速調(diào)整，在處理速度上遠(yuǎn)超時(shí)域自適應(yīng)方法等優(yōu)勢(shì)廣泛用于直擴(kuò)系統(tǒng)中。其中抗干擾算法是影響變換域抗干擾技術(shù)性能的關(guān)鍵。無論哪種算法，都要求去掉盡量多的干擾信號(hào)，且保證有用信號(hào)受損最小。

1 變換域干擾抑制原理

當(dāng)強(qiáng)窄帶干擾信號(hào)加到有用信號(hào)上時(shí)，在頻域表現(xiàn)為很窄的尖峰，因此可將混合信號(hào)變換到頻域上，在頻域上檢測(cè)出干擾的位置，利用干擾抑制算法去掉干擾，再還原到時(shí)域進(jìn)行解調(diào)。其實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

圖1 變換域干擾抑制實(shí)現(xiàn)框圖

在變換域抗干擾算法中，需對(duì)輸入數(shù)據(jù)分段進(jìn)行FFT變換，但分段數(shù)據(jù)周期延拓后的非連續(xù)性會(huì)導(dǎo)致頻譜泄露現(xiàn)象，為了減少頻譜泄露效應(yīng)，要對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行加窗。加窗實(shí)質(zhì)上是對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)，窗函數(shù)從中心向兩端衰減，平滑了數(shù)據(jù)段兩端的不連續(xù)，因此減少了頻譜泄露。然而加窗會(huì)使輸入信號(hào)發(fā)生畸變，帶來額外的信噪比損耗，為了減少這種損耗，所以采用1/2重疊技術(shù)。

首先對(duì)接收信號(hào)按照FFT長(zhǎng)度分組，并將分組后信號(hào)分成2個(gè)支路，1條支路直接進(jìn)行干擾抑制，另一條支路為延遲1/2幀后再作干擾抑制;對(duì)每一路IFFT只取中間的部分，拋棄邊緣部分，最后輸出時(shí)把2路合成1路，這樣得到的一幀信號(hào)均為高可靠信號(hào)。

變換域干擾抑制原理中最關(guān)鍵的是干擾抑制算法，選擇合適的門限是整個(gè)算法的關(guān)鍵。

2 干擾抑制算法

2.1 N-SIGMA算法

N-SIGMA 算法是2000年Capozza［1］提出的。其基本原理為:選擇合適的門限，將經(jīng)FFT處理后的信號(hào)與門限相比較，若高于門限，則認(rèn)為此處存在干擾，將此頻點(diǎn)的幅度值清零;否則，保持原值。

其中刪除門限按下式計(jì)算:

式中，μ和σ分別為信號(hào)經(jīng)過FFT變換后的其幅度的均值和方差，N為定標(biāo)因子，有N0～N5共5個(gè)值可選。

較大的σ表明存在干擾，需要選擇較小的定標(biāo)因子N以保證門限位于干擾的底部。

N-SIGMA算法隨干擾頻譜占據(jù)的比例增加，其刪除頻譜的百分比從1.5% ～13.7%逐漸增加。但是該算法在N值的選取上比較困難，并且無法判斷存在幾個(gè)干擾。

2.2 中值濾波算法

中值濾波器(MF)是一個(gè)局部序列處理器，L為滑動(dòng)窗的長(zhǎng)度，它沿著輸入序列滑動(dòng)一個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的窗口，輸出為窗口中數(shù)據(jù)的中值。中值濾波算法如下式所示:

式中，xj，yi分別為輸入和輸出序列。median(xj|j=i－k，…i+k)表示求L=2k+1個(gè)值的中值，L為窗口的長(zhǎng)度，參數(shù)k確定窗口寬度。

中值濾波器對(duì)信號(hào)起到平滑的作用，最多可濾除寬度為k點(diǎn)的干擾。由于擴(kuò)頻信號(hào)本身為均勻分布，其頻譜的包絡(luò)按照sin(x)/x函數(shù)變化，直接使用中值濾波器處理就會(huì)給信號(hào)本身帶來?yè)p失。但是當(dāng)強(qiáng)窄帶干擾存在時(shí)，在頻域表現(xiàn)為很窄的尖峰，可以通過修改中值濾波器算法進(jìn)行干擾抑制。

2.3 改進(jìn)的中值濾波器算法

改進(jìn)的中值濾波器算法稱為條件中值濾波器(CMF)，可以依據(jù)干擾的寬度和幅度大小有選擇地去除干擾。其算法如下式:

式中，C為閥值門限，L和k與上文定義一致。

條件中值濾波器對(duì)信號(hào)起到平滑的作用，任何干擾只要其幅度大于C并且寬度小于窗寬k就會(huì)被條件中值濾波器濾掉;但是對(duì)于幅度大于C并且寬度大于窗寬k的干擾，條件中值濾波器不能濾除，而這種干擾由于其帶寬較寬，幅度較大，會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成惡劣影響，因此必須濾掉。

針對(duì)以上問題，這里進(jìn)一步修改中值濾波器算法，具體如下:

①首先設(shè)定一個(gè)閥值門限C，對(duì)變換后的信號(hào)進(jìn)行條件中值濾波，窗口為L(zhǎng)=2k+1，濾波后信號(hào)記為 y1，y2;

②對(duì)濾波后的信號(hào)y1，y2求取絕對(duì)值，如果絕對(duì)值中有大于閥值門限C的信號(hào)，說明干擾的寬度大于窗口寬度k，且沒有被條件中值濾波器濾除，此時(shí)將最大值前后各k2個(gè)值直接置為零，置零處理后的信號(hào)記為y11，y22;

③對(duì)y11，y22再進(jìn)行條件中值濾波，窗口設(shè)為L(zhǎng)=2k+1，濾波后信號(hào)記為y111，y222，此時(shí)所有干擾均得到有效抑制。

修改的中值濾波器算法具有以下優(yōu)點(diǎn):

①能夠抑制強(qiáng)度較高、頻譜寬度較寬的干擾信號(hào);

②通過選擇適當(dāng)?shù)拈y值門限C，當(dāng)干擾很小或不存在時(shí)，不會(huì)對(duì)信號(hào)本身帶來額外的損失;

③算法簡(jiǎn)單，易于硬件實(shí)現(xiàn)。

3 仿真結(jié)果分析

以BPSK信號(hào)為例，對(duì)經(jīng)過中值濾波算法進(jìn)行干擾抑制前后的信號(hào)頻譜進(jìn)行仿真，其中干擾源分別為:

①2個(gè)單音干擾，干信比設(shè)為20 dB;

②一個(gè)寬帶干擾，干擾寬帶占帶寬的10%，干信比設(shè)為30 dB。

圖2顯示了上述多個(gè)干擾存在時(shí)使用改進(jìn)的中值濾波算法的處理效果。其中圖2(a)為未處理的信號(hào)加干擾的頻譜;圖2(b)為經(jīng)步驟①濾波后的頻譜，可以看到2個(gè)單音干擾已經(jīng)濾掉，但強(qiáng)寬帶干擾仍存在;圖2(c)為經(jīng)步驟②處理后的信號(hào)頻譜，可以看到寬帶干擾的中心k2個(gè)值被置為0，僅剩下一些窄帶干擾;圖2(d)為經(jīng)步驟③濾波處理后的信號(hào)頻譜，可以看到此時(shí)所有的干擾都被濾除。

圖2 改進(jìn)的中值濾波算法

這里針對(duì)第2節(jié)介紹的幾種干擾抑制算法，利用MATLAB仿真了BPSK調(diào)制時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)圖2(a)所示的2種強(qiáng)干擾時(shí)，采用干擾抑制前后系統(tǒng)的誤碼性能，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 干擾抑制算法的誤碼性能

分析圖3可得以下結(jié)論:

①當(dāng)通信系統(tǒng)出現(xiàn)強(qiáng)干擾時(shí)，若不采用干擾抑制措施，系統(tǒng)完全不通;

②采用干擾抑制技術(shù)后，由于干擾抑制算法對(duì)有用信號(hào)造成一定損傷，導(dǎo)致誤碼性能相對(duì)于無干擾的理論曲線出現(xiàn)一定惡化;

③比較系統(tǒng)采用幾種干擾抑制算法后的性能曲線可知，改進(jìn)的中值濾波算法性能雖略差于N-SIGMA算法，但比傳統(tǒng)中值濾波算法有4 dB的改進(jìn);

④相對(duì)N-SIGMA算法，具有算法簡(jiǎn)單和易于硬件實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，更適合工程應(yīng)用推廣。

4 結(jié)束語

改進(jìn)的中值濾波算法對(duì)單音和具有一定寬度的強(qiáng)干擾信號(hào)均有較強(qiáng)的抑制能力，其性能雖略差于N-SIGMA算法，但遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)中值濾波算法;在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度上，N-SIGMA算法需要計(jì)算均值和方差，需要消耗大量的硬件資源，不適合工程應(yīng)用，而這里提出的改進(jìn)的中值濾波算法具有算法簡(jiǎn)單、易于硬件實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，因此在通信抗干擾領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］CAPOZZA P T，HOLLAND B J.A Single-Chip Narrow-Band Frequency-Domain Excisor for a Global Positioning System(GPS)Receiver［J］.IEEE Journal of solid-satte circuits，2000，35(3)：401 －411.

［2］FU Jiang-zhi，GUO Li-li.Narrow-band Interference Suppression in DSSS Systems Using Efficient Adaptive Filters［C］∥ International Conference on Communications and Mobile Computing，2009，CMC’09：353 －357.

［3］DIPIETRO R C.An FFT-based technique for suppressing narrowband interference in PN spread-spectrum communications systems［C］∥ ICASSP’89，Glasgow，Scotland，U.K，1989：1360 －1363.

［4］YOUNG J A.Analysis of DFT-based frequency excision algorithms for direct-sequence spread-spectrum communications［C］∥ IEEE Trans on Commun，1998，46(8)：1076 －1087.

［5］張邦寧，魏安全，郭道省.通信抗干擾技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007：128 －137.

［6］郭藝，梅陽.一種新的抗窄帶干擾的方法［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2005，27(12)：1 －3.

［7］張寶華，張榮軍，楊峰.基于DFT的抗窄帶干擾研究［J］.無線電工程，2007，37(6)：35 －36，59.

［8］張曉明，王莎莎.針對(duì)窄帶干擾抑制的數(shù)字陷波器設(shè)計(jì)［J］.無線電工程，2008，38(5)：24 －25，52.