文良滸，祁連年，谷 偉

(中國(guó)人民解放軍第63612部隊(duì)，甘肅 敦煌 736200)

變換域通信與擴(kuò)頻通信抗干擾的性能比較

文良滸，祁連年，谷 偉

(中國(guó)人民解放軍第63612部隊(duì)，甘肅 敦煌 736200)

隨著通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，來自各方面的干擾嚴(yán)重影響了網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量和系統(tǒng)的容量，提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力是當(dāng)前通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?，F(xiàn)階段常用的兩種通信方式是變換域通信和擴(kuò)頻通信，兩者在使用過程中各有優(yōu)點(diǎn)。文中介紹了通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的抗干擾技術(shù)，比較了變換域通信和擴(kuò)頻通信的抗干擾能力。

變換域；擴(kuò)頻；通信；抗干擾

隨著通信網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，各種電磁信號(hào)在無線空間交叉?zhèn)鞑?，使得通信環(huán)境越發(fā)惡劣，各種干擾嚴(yán)重影響了通信質(zhì)量，促使通信系統(tǒng)抗干擾技術(shù)快速發(fā)展。

1 通信干擾的分類

通信干擾的核心就是干擾對(duì)方接收設(shè)備，而這種干擾種類繁多，按照干擾信號(hào)的來源，可以將通信干擾分為自然干擾和人為干擾。其中，人為干擾又可分為積極干擾和消極干擾兩種，積極干擾的原理是通過發(fā)射機(jī)發(fā)射或者轉(zhuǎn)發(fā)一些電磁波來達(dá)到干擾的目的；消極干擾則是通過通信系統(tǒng)中不發(fā)生電磁輻射的干擾物來自主改變電磁波的傳播方式。若按照干擾的調(diào)制方式來劃分，又可分為音頻雜音調(diào)制干擾、純?cè)肼暩蓴_、鍵控干擾和脈沖干擾。另外根據(jù)干擾強(qiáng)度來劃分，可以分為壓制性干擾和欺騙性干擾。

2 通信系統(tǒng)中的干擾技術(shù)

2.1 跳頻技術(shù)

傳統(tǒng)上，通常使用一個(gè)或固定的幾個(gè)信號(hào)進(jìn)行通訊，這種方式很容易受到干擾而影響通信質(zhì)量，跳頻技術(shù)就很好地避免了這一缺陷，其原理就是通過一定的速度和規(guī)律來改變發(fā)射音頻信號(hào)，這種方式使得載波頻率不斷發(fā)生變化，從而達(dá)到擴(kuò)大頻譜，提高系統(tǒng)抗干擾能力的效果。在跳頻技術(shù)中，其抗干擾能力主要由跳速的高低、跳頻帶寬的大小直接決定。但在實(shí)際工作中，跳頻帶寬無法滿足多部電臺(tái)進(jìn)行同時(shí)跳到一個(gè)頻率上的要求，需要通過分段跳頻來避免不必要的干擾，才能基本滿足工作要求。

2.2 擴(kuò)頻技術(shù)

擴(kuò)頻技術(shù)是一種常用而且有效的抗干擾技術(shù)，它是將信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻處理，使得頻率帶增大了幾十倍甚至幾萬倍后再進(jìn)行傳遞，減少干擾信號(hào)帶來的不利影響。它通過G函數(shù)產(chǎn)生的調(diào)頻圖案來進(jìn)行數(shù)據(jù)控制，達(dá)到提高調(diào)速，提升碼速率的效果，而且其調(diào)頻時(shí)間很短，大幅提高了信息傳輸?shù)哪芰Α?/p>

2.3 信源與信道編碼技術(shù)

信源編碼與信道編碼技術(shù)是先將通信信息進(jìn)行編碼處理，再利用特定的冗余信息來和信息序列產(chǎn)生某種關(guān)聯(lián)，在接收端接收信號(hào)時(shí)，譯碼器根據(jù)設(shè)定好的規(guī)則來對(duì)接收的信息進(jìn)行檢查，若發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤信息及時(shí)進(jìn)行可控恢復(fù)，這一技術(shù)不但提高了信息傳遞的速度，還改善了通信性能。

2.4 多入多出技術(shù)

多入多出技術(shù)就是通過多個(gè)發(fā)射天線設(shè)備來發(fā)射信息，再通過多個(gè)接收天線來接收信息，其優(yōu)點(diǎn)在于它能大幅提高無線通信系統(tǒng)的性能和容量。在實(shí)際應(yīng)用中常與其他技術(shù)配合使用，但與目前常用的智能天線技術(shù)和多入多出技術(shù)存在較大差別，它通過借助其他工作中的通信設(shè)備來達(dá)到同智能天線類似的功能。在一定的空間內(nèi)，同類通信設(shè)備天線可以組合成一個(gè)虛擬的天線網(wǎng)絡(luò)，提高天線接收端的接收能力，從而滿足通信系統(tǒng)抗干擾能力的要求。

2.5 分集接收技術(shù)

分集接收技術(shù)的核心就是在接收端對(duì)信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)，它將接收到的多個(gè)特定信號(hào)進(jìn)行處理，利用這些信號(hào)在不同碼段的能量來提高接收信號(hào)的質(zhì)量，從而降低通信干擾的影響，分集接收技術(shù)由于無需提高發(fā)射功率就能改善接收信號(hào)的質(zhì)量而被廣泛應(yīng)用。

2.6 時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)

時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)也是最常用的通信抗干擾技術(shù)之一，它是對(duì)信道進(jìn)行充分的分析來達(dá)到事先控制信號(hào)產(chǎn)生干擾的目的。時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)又可分為有源時(shí)間反轉(zhuǎn)和無源時(shí)間反轉(zhuǎn)兩種方式，有源反轉(zhuǎn)是要在接收到信號(hào)后還要發(fā)射相應(yīng)的信號(hào)，無源反轉(zhuǎn)則只需接收信號(hào)。其基本原理是，通信系統(tǒng)的接收端根據(jù)信道沖激現(xiàn)象來分析判斷出信道的沖激響應(yīng)，由于用戶的信道沖激響應(yīng)均不相同，所以時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)在解決多址干擾和共道干擾時(shí)效果明顯。

3 擴(kuò)頻通信技術(shù)

3.1 擴(kuò)頻通信技術(shù)的概念

擴(kuò)頻通信技術(shù)(Spread Spectrum Communication，SSC)是一種通信方式，在這種方式中，信號(hào)本身的帶寬遠(yuǎn)小于傳輸信號(hào)過程中所用射頻信號(hào)的帶寬。擴(kuò)頻通信技術(shù)的基本特征為使用偽隨機(jī)碼進(jìn)行頻譜擴(kuò)展，其中偽隨機(jī)碼的傳輸速率遠(yuǎn)超過信息數(shù)據(jù)的發(fā)送速率。最終形成的發(fā)送射信號(hào)的信道容量滿足香農(nóng)公式

C=Wlog2(1+S/N)

(1)

其中，C表示信息傳輸速率；W為帶寬；S/N為信噪比。在C不變時(shí)，W和S/N能夠相互轉(zhuǎn)化，即在信息傳輸速率不變的情況下，可以采用犧牲帶寬來提高信噪比[1-3]。

3.2 擴(kuò)頻通信技術(shù)的特點(diǎn)

擴(kuò)頻信號(hào)是一種偽隨機(jī)帶寬信號(hào)，這種信號(hào)不可預(yù)測(cè)。擴(kuò)頻通信的特點(diǎn)如下：(1)抗干擾能力強(qiáng)，由于擴(kuò)頻信號(hào)本身的不可預(yù)見的特點(diǎn)，干擾者對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)的觀察產(chǎn)生較大困難，因此對(duì)其造成干擾就相應(yīng)變得更困難了，而擴(kuò)頻通信技術(shù)即使在信噪比比較低時(shí)，通信質(zhì)量仍然可以得到保證；(2)保密性好。由于擴(kuò)頻信號(hào)的頻帶較寬，而有用信號(hào)的功率譜在無線信道中較低，這就使得信號(hào)即使處在強(qiáng)噪聲中也能夠進(jìn)行可靠的通信，并給信號(hào)的截獲造成困難；(3)可實(shí)現(xiàn)CDMA，擴(kuò)頻碼間具有良好的相關(guān)性來進(jìn)行解擴(kuò)，這樣不同用戶的信號(hào)就能被系統(tǒng)分辨出來。

3.3 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的工作原理

一般情況下的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)都是針對(duì)直接序列擴(kuò)頻而言的，即直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)(DS)。典型的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩部分組成。發(fā)射機(jī)的原理為：輸入的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過信息調(diào)制變成調(diào)制信號(hào)，再將調(diào)制信號(hào)經(jīng)過擴(kuò)頻調(diào)制即借助擴(kuò)頻序列得到的信號(hào)進(jìn)行發(fā)送。接收機(jī)接收到信號(hào)后，通過捕捉偽隨機(jī)序列相位的方式，得到與發(fā)送相位相同的偽隨機(jī)碼用于解擴(kuò)本地信號(hào)，之后在同步電路的控制下進(jìn)行信息解調(diào)，最終得到發(fā)送端發(fā)送的信息數(shù)據(jù)。

4 變換域通信系統(tǒng)

4.1 變換域通信系統(tǒng)的概念

變換域通信系統(tǒng)的發(fā)展，以變換域處理技術(shù)和擴(kuò)頻通信為基礎(chǔ)，變換域信號(hào)和偽隨機(jī)序列技術(shù)，可以使收發(fā)雙方都能防止干擾頻譜而被使用。這種模式可以在復(fù)雜的無線環(huán)境中使用干網(wǎng)無線通信進(jìn)行重要的通信。被調(diào)制之后的載波信號(hào)頻率，不會(huì)出現(xiàn)在干擾的頻段內(nèi)，在這種情況下可以有效提高信號(hào)的信噪比，不會(huì)出現(xiàn)由于干擾信號(hào)引起的通信質(zhì)量下降，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)抗干擾，提高通信的可靠性和有效性。

4.2 變換域通信系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

4.2.1 較強(qiáng)的多址性能

變換域通信系統(tǒng)主要通過偽隨機(jī)相位合成，與此同時(shí)構(gòu)成基函數(shù)，但由于不同的用戶，在相同的序列使用不同的碼片，最后形成不同形式的隨機(jī)相位，所以由此產(chǎn)生的基函數(shù)也會(huì)不同。此外，變換域通信系統(tǒng)中具備不同的基函數(shù)，并擁有一定的正交性，具有一定的正交性，然后變換域通信系統(tǒng)具有較強(qiáng)的多址接入性能。

4.2.2 超寬帶通信

變換域通信系統(tǒng)進(jìn)行的數(shù)據(jù)調(diào)制，原理是利用其自身具有的噪聲特性，這個(gè)特性中包含的基函數(shù)與超寬帶通信的某些特性相似，在實(shí)現(xiàn)通信的基礎(chǔ)上還可以完成準(zhǔn)確的跟蹤定位功能，系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域得到了拓寬。寬帶通信自身具有的干擾信號(hào)有兩類，一個(gè)是阻塞式干擾，另一個(gè)是瞄準(zhǔn)式干擾。而阻塞式干擾還包括均勻頻譜、掃頻、單頻等寬帶干擾等。在阻塞式干擾的均勻頻譜寬帶干擾中，對(duì)于白噪聲類寬帶干擾還沒有有效的抗干擾措施，還有一些干擾信號(hào)包括：非平穩(wěn)干擾信號(hào)、平穩(wěn)干擾信號(hào)。在現(xiàn)代化信息處理和信號(hào)處理的發(fā)展過程中，基于特性檢測(cè)、能量檢測(cè)、匹配濾波這3種檢測(cè)方法，有關(guān)專家對(duì)信號(hào)估計(jì)分析提出了不同的理論，如：小波變換、時(shí)頻分析等。這些信號(hào)估計(jì)理論很大程度上拓寬了通信信號(hào)的研究領(lǐng)域，尤其是促進(jìn)了時(shí)頻分析理論方面的研究，將成為非平穩(wěn)信號(hào)的分析重點(diǎn)。

4.2.3 新穎的抗干擾理念

傳統(tǒng)形式下的抗干擾手段，其操作方法是在接收端的位置進(jìn)行干擾排除，而變換域通信系統(tǒng)采取的抗干擾方法，是通過兩端的收發(fā)信號(hào)設(shè)備就可以在相同時(shí)間，繼而將正常的頻率選擇以實(shí)時(shí)的方式運(yùn)用頻譜估計(jì)電磁環(huán)境找出來，并有效地避免干擾頻段[4-7]。

4.2.4 抗干擾能力較強(qiáng)

傳統(tǒng)形式下的抗干擾方法是以去除信號(hào)頻率中的頻率為目的，當(dāng)然去除范圍包括其中的干擾部分和非干擾部分。這種抗干擾方式的弊端就是在濾除干擾信號(hào)的過程中，將非干擾信號(hào)也同時(shí)去除，最后逐漸降低了信噪比，也使得誤碼率也在一定范圍上提高。變換域通信系統(tǒng)的抗干擾手段是以不適用兩端收發(fā)信號(hào)設(shè)備的被干擾頻段為前提，這種方式對(duì)于信號(hào)的調(diào)制基本上不會(huì)將干擾頻段頻譜成分包含在內(nèi)，信噪比就不會(huì)因變換域的信號(hào)處理而降低[8-10]。

4.3 變換域通信系統(tǒng)原理

作為一種寬帶系統(tǒng)，變換域通信系統(tǒng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的構(gòu)成包括多種模塊，分別是信道采樣、譜估計(jì)、隨機(jī)相位發(fā)生器等模塊。采樣器從系統(tǒng)寬帶中提取了本地電磁環(huán)境，然后再將采樣的結(jié)果輸入到譜估計(jì)器中，通過計(jì)算功率譜的密度，判斷頻率在通信信號(hào)和干擾信號(hào)中的正確位置?？梢酝ㄟ^對(duì)譜估計(jì)技術(shù)的應(yīng)用，完全實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確判定頻率位置的目的。要想有效避免干擾，就要通過采用門限檢測(cè)接收的門限值，與檢測(cè)出的頻譜幅值進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而明確干擾的正確位置，在此基礎(chǔ)上再查找未被干擾的部分[11-13]。若干擾頻段已經(jīng)大大超出了門限電平，在幅值的設(shè)置上則是“0”，剩余的正常頻段就需要把幅值設(shè)置成“1”。這樣的工作原理就構(gòu)成了“0”與“1”的譜向量，是一種比較正規(guī)的矩形譜[14-16]。

5 抗干擾性能比較

5.1 寬帶、窄帶噪聲干擾下的性能比較

變換域通信和擴(kuò)頻通信在受到與通信系統(tǒng)具有相同帶寬的寬帶噪聲干擾時(shí)，兩種通信方式的抗寬帶干擾能力基本一致，都沒有顯著地抑制能力。在窄帶干擾下，變換域通信的優(yōu)勢(shì)就顯示出來了。由于變換域通信具有頻譜摳除機(jī)制，在窄帶噪聲下誤比率比擴(kuò)頻通信提高很多，變換域通信在窄帶信號(hào)的干擾下，與理想的性能相當(dāng)接近。由于以上原因，變換域通信被廣泛使用在軍事通信領(lǐng)域[8-9]。

寬帶干擾又稱為全頻帶阻塞式干擾，TDC用與系統(tǒng)同樣帶寬的白噪聲(均勻)頻譜產(chǎn)生。窄帶干擾的定義，由式(2)給出。干擾和一個(gè)通信符號(hào)建模是相似的都是由一系列的正弦波組成，每個(gè)正弦波都有特定的幅度。然而干擾每次產(chǎn)生的時(shí)候，組成窄帶干擾的正弦分量的相位改變一次[10-13]

(2)

如果每個(gè)正弦分量的幅度BP己知，噪聲就可以當(dāng)作具有隨機(jī)擴(kuò)展相位的同步符號(hào)來對(duì)待。

TDC與DSSC同樣采用與系統(tǒng)等帶寬的白噪聲阻塞干擾時(shí)，誤比特率曲線如圖1所示。這里寬帶噪聲干擾等價(jià)于一個(gè)噪聲電平很大的AWGN信道，所以可以推測(cè)兩種通信應(yīng)該具有相當(dāng)?shù)目垢蓴_性能。

圖1 寬帶阻塞干擾下TDC與DSSC誤比特曲線

5.2 多用戶干擾下的性能比較

如果變換域通信采用正交碼而擴(kuò)頻通信采用Gold序列，變換域通信具有比擴(kuò)頻通信更好的抗干擾能力。在非同步干擾下，仍按照同步干擾下的比較方式：變換域通信采用隨機(jī)碼和擴(kuò)頻通信采用RNG產(chǎn)生隨機(jī)序列比較，變換域通信采用正交碼和擴(kuò)頻通信采用Gold序列比較。結(jié)果是，在第一種比較方式下二者的抗干擾能力基本相當(dāng)，而在第二種比較方式下，擴(kuò)頻通信的抗干擾性能要稍微優(yōu)于變換域通信。

5.3 多徑衰落信道干擾方面的性能比較

在實(shí)際的無線通信中，發(fā)送信號(hào)到達(dá)接收端的路徑一般不止一條，存在多徑效應(yīng)，不同路徑的信號(hào)會(huì)發(fā)生不同程度的衰減，對(duì)傳送信號(hào)產(chǎn)生不可預(yù)料的影響，比較這種通信環(huán)境下的抗干擾能力具有實(shí)際意義[13]。多徑衰落信道有4種模型：萊斯平坦、萊斯頻率、瑞利平坦和瑞利頻率模型。在這幾種模型下，變換域通信和擴(kuò)頻通信基本具有相同的抗干擾性能。

6 結(jié)束語

隨著通信系統(tǒng)的發(fā)展，抗干擾技術(shù)必將越來越重要，通信抗干擾技術(shù)也必將向復(fù)雜的電磁環(huán)境抗干擾技術(shù)發(fā)展。高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟛粩嗉觿?，迫切需求通信系統(tǒng)抗干擾技術(shù)的快速發(fā)展。

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Comparison of Anti Jamming Performance of Transform Domain Communication and Spread Spectrum Communication

WEN Lianghu,QI Liannian,GU Wei

(Unit 63612, PLA, Dunhuang 736200, China)

Rapid developing communication networks impose great interference on the network communication quality and system capacity. Widely used anti-jamming technologies in communication system are briefly introduced. The anti-jamming performance of the transform domain communication and the spread spectrum communication are compared.

transform domain; spread spectrum; communication; anti-jamming

2016- 06- 15

文良滸(1985-)，男，工程師。研究方向：雷達(dá)通信。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.05.054

TN914.4

A

1007-7820(2017)05-203-04