趙大恒，李春祎，孟景濤

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；

2.河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，河北 石家莊 050091)

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一種頻域抗干擾技術(shù)在擴頻通信中的應(yīng)用

趙大恒1，李春祎2，孟景濤1

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；

2.河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，河北 石家莊 050091)

擴頻通信(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)系統(tǒng)中的單音、窄帶干擾抑制算法一直是擴頻通信領(lǐng)域的研究熱點。針對擴頻序列的頻域特性，研究了基于數(shù)據(jù)重疊復(fù)用的頻域單音、窄帶干擾抑制算法，并對其中的加窗、數(shù)據(jù)重疊復(fù)用等關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，描述了該干擾抑制技術(shù)的原理和主要實現(xiàn)方法，給出了在擴頻系統(tǒng)中的應(yīng)用方法及Matlab仿真分析結(jié)果，實現(xiàn)了在擴頻通信工程中的應(yīng)用，并通過測試在不同信噪比下的誤碼率，給出了分析結(jié)果，以期為擴頻通信中的干擾抑制技術(shù)提供更可靠的解決方案。

擴頻通信；頻域處理；干擾抑制

0　引言

在許多情況下,擴頻系統(tǒng)本身所固有的擴頻增益可以提供足夠的抗干擾能力,但在強干擾存在的情形下,干擾的影響將造成擴頻通信系統(tǒng)無法正常工作，有必要采取額外的干擾抑制方法。

目前常用的窄帶干擾抑制方法均是采用時域、頻域的信號處理方法進行干擾抑制。時域窄帶干擾抑制技術(shù)需要迭代算法估計干擾信號，需要收斂時間,使得實時性比較差,同時其收斂速度慢,往往只能處理平穩(wěn)的窄帶干擾。頻域窄帶干擾抑制技術(shù)不需要用迭代算法估計干擾信號,只需在頻域進行陷波處理過濾掉干擾信號，因此速度遠遠超過時域濾波的方法,這種方法可以抑制時變的窄帶干擾。

文獻[1]討論了擴頻通信中的窄帶干擾模型，指出由多個正弦波之和或窄帶白噪聲模擬窄帶干擾具有幾乎相同的性能；文獻[2]介紹了常用的窄帶干擾抑制技術(shù)，對在頻域估計出干擾信號特征，然后在時域進行陷波算法進行了仿真研究；文獻[3-4]討論了對信號進行傅里葉變換后在頻域陷波的一種頻域窄帶干擾技術(shù)；文獻[5-6]提出一種自適應(yīng)門限設(shè)置方法用，于頻域陷波窄帶干擾抑制算法中；文獻[7]討論了一種跳頻系統(tǒng)的抗干擾方法；文獻[8-9]通過分析干擾形式，在本地產(chǎn)生干擾參考信號，然后進行干擾對消。文獻[1-5]均是對頻域抗干擾算法的仿真分析，本文在以上參考文獻的基礎(chǔ)上，對一種基于重疊變換的FFT抗干擾技術(shù)進行了理論分析、仿真與工程實現(xiàn)。

1　基于FFT的頻域抗干擾技術(shù)應(yīng)用概述

擴頻通信技術(shù)利用擴頻碼的偽噪聲特性把信號的能量擴散到一個很寬的頻帶中，并且在這很寬的頻帶內(nèi)擴頻信號的頻譜是平坦的，而單頻點、多頻點、窄帶干擾的頻譜在頻帶中分布比較集中，當擴頻信號中有強的窄帶干擾存在時能在頻域很容易地分辨出來。利用擴頻信號與干擾信號頻譜分布的這一特點，可以用FFT在頻域中實現(xiàn)干擾抑制[10]。

基于50%重疊復(fù)用的FFT抗干擾技術(shù)實現(xiàn)模型如圖1所示。

圖1　頻域干擾抑制技術(shù)實現(xiàn)模型

2　窗函數(shù)的應(yīng)用及重疊取數(shù)的方法

在DS擴頻系統(tǒng)頻域抗干擾算法中，通常對數(shù)據(jù)分段進行FFT變換，分段數(shù)據(jù)周期延拓后的非連續(xù)性會導(dǎo)致頻譜泄露現(xiàn)象，通常可以采用對分段數(shù)據(jù)進行加窗的方法減小頻譜泄露。從時域看，加窗實質(zhì)上是對輸入數(shù)據(jù)進行加權(quán)，窗函數(shù)[11-12]從中心向兩端逐步衰減，保證數(shù)據(jù)段兩端的平滑，從而達到減小頻偏泄露的目的。本文采用漢明窗，主瓣比第一旁瓣大43dB。

從加窗的實質(zhì)來看，對信號在時域加窗，然后經(jīng)過傅里葉變換、抗干擾后恢復(fù)的信號，恢復(fù)的信號前1/4幀與后1/4幀失真嚴重(如圖2(c))，中間一半信號損失較小，根據(jù)這個特點可采取重疊加窗的方法減少加窗帶來的信號失真，采用重疊比例因子為1/2的重疊取數(shù)方法，重疊加窗方法如圖3所示。

圖2(a)為輸入序列波形，圖2(c)為沒有重疊情況下進行加窗后恢復(fù)得到的信號波形，在無重疊情況下，恢復(fù)得到的信號相產(chǎn)生嚴重的失真，這種失真主要是由于時域加窗產(chǎn)生的。圖2(b)為存在1/2重疊情況下得到的恢復(fù)波形，可以看出存在重疊的情況下，恢復(fù)信號的失真程度大大減少。

圖2　經(jīng)過重疊取數(shù)與沒有經(jīng)過重疊取數(shù)恢復(fù)出的信號對比

圖3　1/2重疊加窗取數(shù)的方法

頻域干擾抑制技術(shù)包括干擾檢測和陷波兩部分。干擾檢測通過比較某個頻率位置的信號能量是否大于干擾門限確定該頻點位置是不是干擾。陷波就是把某個干擾頻率位置的信號電平置為零以抑制干擾[13-14]。

干擾門限由噪聲功率和擴頻偽碼速率共同決定，一般根據(jù)偽碼速率選擇比噪底大幾個dB的值做為干擾門限。信號經(jīng)過頻域干擾抑制后，對干擾抑制后的信號進行傅里葉反變換得到時域信號，對兩路(如圖1所示)反變換后的信號取中間一半信號拼接進行去重疊恢復(fù)數(shù)據(jù)。

4　Matlab仿真實驗

實驗流程圖如圖4所示。

實驗條件：中頻頻率70MHz，擴頻偽碼速率10Mbps,數(shù)據(jù)速率2 kbps，載波多普勒小于30 kHz。干擾總能量大于信號能量65dB。分別在Eb/N0為6～12dB下進行誤碼率對比。

實驗：在不同的載噪比下分別添加大于信號能量65dB的單音干擾信號、添加總能量大于信號能量65dB、帶寬為2MHz的窄帶干擾信號，測試算法抗干擾能力及抗干擾算法帶來的能量損失。

圖4　抗干擾算法Matlab仿真流程圖

圖5　有干擾的擴頻信號抗干擾前后頻譜對比

圖5(a)為沒有干擾、下變頻后經(jīng)過低通濾波中心頻率在0頻的20MHz擴頻信號頻譜；圖5(b)為在5MHz頻率處添加帶寬2MHz、大于信號65dB的窄帶干擾的擴頻信號頻譜，圖5(c)為去掉窄帶干擾后的信號頻譜；圖5(d)為在5MHz頻率處添加大于信號65dB的單音干擾的擴頻信號頻譜，圖5(e)為去掉單音干擾后的擴頻信號頻譜。

對比圖5(b)、圖5(c)、圖5(d)與圖5(e)能發(fā)現(xiàn)，基于重疊復(fù)用的FFT抗干擾技術(shù)能夠準確地找到干擾的位置，并能夠?qū)⒏蓴_抑制掉，去掉干擾后，仍會有比噪底大15dB的點頻干擾，剩余的這些小的點頻干擾，利用擴頻通信自身的抗干擾特性即可消除干擾的影響。從圖5可以直觀地看出，在抗干擾的同時，一部分有用信號將一并剔除，這勢必引起信號能量的損失。

圖6為Matlab仿真環(huán)境下有干擾的擴頻通信系統(tǒng)經(jīng)過抗干擾后在不同信噪比下的誤碼率曲線。圖6中的“理論誤碼率”曲線是BPSK調(diào)制信號在沒有經(jīng)過編碼時在各個信噪比下的誤碼率；“添加窄帶干擾”的誤碼率曲線是擴頻系統(tǒng)有圖5(b)的窄帶干擾條件下，經(jīng)過抗干擾后的誤碼率曲線；“添加單音干擾”的誤碼率曲線是擴頻系統(tǒng)有圖5(d)的單音干擾條件下，經(jīng)過抗干擾后的誤碼率曲線。

圖6　仿真時不同信噪比下抗干擾系統(tǒng)誤碼率

對比圖6中的3條誤碼率曲線，可以看出，經(jīng)過抗干擾技術(shù)后，有干擾的擴頻系統(tǒng)能夠正常工作，經(jīng)過抗窄帶、單音干擾后，系統(tǒng)的信號能量大約損失1.7dB左右。有65dB干擾的擴頻系統(tǒng)，經(jīng)過抗干擾技術(shù)，未添加LDPC/TPC編碼前，信噪比為7dB時誤碼率即可達到5×10-3，而編碼技術(shù)會給系統(tǒng)帶來6dB的增益，即有編碼的系統(tǒng)，在信噪比為7dB時誤碼率可達到10-7量級。

5　抗干擾算法在工程上的應(yīng)用

試驗條件：2臺工控機，分別模擬發(fā)端，收端；偽碼碼速率10 Mbps；數(shù)據(jù)速率2 kbps；調(diào)制中頻70MHz。

進行二組實驗：

(1)在Eb/N0為6～12dB條件下向擴頻通信系統(tǒng)添加大于信號65dB的單音干擾信號，測試系統(tǒng)誤碼率；

(2)在Eb/N0為6～12dB條件下向擴頻通信系統(tǒng)添加大于信號65dB的窄帶干擾信號，測試系統(tǒng)誤碼率。

具體試驗流程如圖7所示。

圖7　抗干擾算法在工程上的應(yīng)用流程圖

不同信噪比條件下的誤碼率試驗結(jié)果如表1所示。

表1　誤碼率測試結(jié)果　單位：(°)

對比表中不同信噪比條件下擴頻系統(tǒng)誤碼率，可以看出Matlab仿真實驗與工程試驗結(jié)果一致，在工程系統(tǒng)中應(yīng)用LDPC編碼技術(shù)，在信噪比為7dB時，去掉單音、窄帶干擾后，系統(tǒng)誤碼率為6.73×10-7，驗證了基于重疊變換的FFT抗干擾算法的工程可行性。

6　結(jié)束語

基于FFT變換的干擾抑制技術(shù)的優(yōu)點是能夠?qū)崟r性地去掉干擾，不需迭代，同時能夠處理多個干擾，有能力對變化的干擾環(huán)境快速反應(yīng)。但是在頻域進行干擾抑制，同時也會不可避免地把干擾所在位置的有用信號一并抑制掉，從而使有用信號的信噪比下降，并且干擾信號帶寬和功率不同，損失也不同。一般情況下，干擾帶寬不超過總帶寬的15%，干擾總能量大于信號能量不超過65dB時，基于重疊變換的FFT頻域抗干擾算法能取得不錯的效果。

[1]Ketchum J W，Proakis J G.Adaptive Algorithms for Estimating and Suppressing Narrow-band Interference in PN Spread-spectrum Systems[J].IEEE Trans.on Commun.，1982，COM-30(5):925-928.

[2]黃文晶，梅軍輝， 李文君.一種有效的窄帶干擾抑制技術(shù)[J].艦船電子工程,2008,28(4):84-86.

[3]饒偉,程玉勝.變換域信號處理在窄帶干擾抑制中的應(yīng)用[J].青島大學學報,2001,16(3):12-14.

[4]吳丹,萬達,梁保衛(wèi).一種改進的窄帶干擾抑制算法[J].無線電通信技術(shù)，2012,38(1):32-34.

[5]薛巍,向敬成，黃懷信.基于門限估計的直擴通信系統(tǒng)窄帶干擾變換域抑制方法[J].電子與信息學報,2003,25(7):990-994.

[6]高保生.一種跳頻抗干擾數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)設(shè)計[J].無線電工程,2011,41(10):4-6.

[7]朱南皓,張濤.TD-LTE異構(gòu)網(wǎng)覆蓋以及干擾的研究[J].移動通信,2015,39(3/4):107-111.

[8]王元欽,陳源,袁嗣杰.基于變步長LMS算法的多址干擾消除研究[J].無線電工程,2011,41(2):21-24.

[9]齊一飛.基于動態(tài)頻譜適應(yīng)的高鐵網(wǎng)絡(luò)降干擾方案研究[J].移動通信,2015,39(24):21-25.

[10]鄒敏,紀學軍.射頻自適應(yīng)干擾抵消系統(tǒng)的分析與設(shè)計[J].無線電工程,2011,41(4):39-41.

[11]黃國勝,易爭榮,朱振才.衛(wèi)星擴頻通信中一種窄帶干擾抑制的組合方案[J].中國科學院研究生院學報，2010，27(5)：657-664.

[12]胡愛群,雷靜.擴頻通信中大功率窄帶干擾抑制的一種頻域自適應(yīng)自法[J].東南大學學報(自然科學版)，1999，29(4)：9552-56.

[13]呂婷,盛煜,李福昌.LTE宏微協(xié)同組網(wǎng)中的干擾抑制技術(shù)研究[J].移動通信,2015,39(24):5-9,16.

[14]陳惠河.TD_LTE小區(qū)間干擾抑制技術(shù)研究[D].長春：吉林大學，2013.

Application of a Frequency-domain Anti-interference Technique in DSSS Communication System

ZHAO Da-heng1，LI Chun-yi2，MENG Jing-tao1

(1.The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China; 2.Hebei College of Industry and Technology，Shijiazhuang Hebei 050091，China)

Interference suppression is a focus area of direct sequence spread spectrum communication system research all the time.In this paper，the frequency domain interference suppression algorithm based on FFT is studied，and the key technologies of windowing and overlapped multiplexing are analysed.The principle of this interference suppression technique and the primary implementation method areintroduced.The application of this methodand the Matlab simulation results are given,which is expected to provide more reliable solution for the acquisition of interference suppression in direct sequence spread spectrum communication system.

spread spectrum communication;frequency domain processing;interference suppression

10.3969/j.issn.1003-3114.2016.05.23

引用格式：趙大恒，李春袆，孟景濤.一種頻域抗干擾技術(shù)在擴頻通信中的應(yīng)用，2016,42(5):92-95.

2016-06-28

國家部委基金資助項目

趙大恒(1984—)，男，工程師，主要研究方向：糾錯編碼、擴頻通信。李春祎(1981—)，女，講師，主要研究方向：信號與信息處理。

TP391.4

A

1003-3114(2016)05-92-4