孔德強(qiáng)，劉旭光，張祥虎

(中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心，河南 洛陽(yáng) 471003)

地域通信網(wǎng)中QPSK信號(hào)的抗干擾能力研究

孔德強(qiáng)，劉旭光，張祥虎

(中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心，河南 洛陽(yáng) 471003)

System View是由美國(guó)ELANIX公司推出的、基于Windows環(huán)境下的可視化軟件工具，主要用于信號(hào)級(jí)的系統(tǒng)仿真，是電路與通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真時(shí)強(qiáng)有力的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分析工具。利用System View動(dòng)態(tài)分析仿真平臺(tái)搭建了地域通信網(wǎng)的QPSK通信系統(tǒng)模型，并通過(guò)仿真給出高斯、單音、噪聲調(diào)頻、BPSK和QPSK五種干擾信號(hào)在該系統(tǒng)中的干擾效果和誤碼率。通過(guò)用System View對(duì)QPSK系統(tǒng)的仿真，可以看出單音和噪聲調(diào)頻是對(duì)QPSK通信系統(tǒng)最有效的干擾樣式。

System View；QPSK；誤碼率；干信比

0 引言

BPSK、QPSK、FSK和ASK是數(shù)字調(diào)制的四種基本方法，但是在實(shí)際應(yīng)用中，信道帶寬有限，信道的抗噪聲能力也各不相同[1]。在恒參信道下，QPSK調(diào)制技術(shù)與FSK、BPSK、ASK調(diào)制技術(shù)相比較，不但抗干擾能力強(qiáng)，所帶信息量多，而且能更經(jīng)濟(jì)有效地利用頻帶，適合回傳通道的技術(shù)要求，因此在地域通信網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，戰(zhàn)術(shù)級(jí)地域通信網(wǎng)中的干線微波通信多采用這種調(diào)制方式，因此對(duì)QPSK通信系統(tǒng)的抗干擾性能研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

本文利用System View軟件平臺(tái)，在理想信道下，采用了卷積編碼、正交載波調(diào)制、串并變換等技術(shù)，對(duì)QPSK信號(hào)通信系統(tǒng)中不同形式的干擾樣式進(jìn)行仿真[2-5]，并給出了系統(tǒng)誤碼率-干信比曲線。

1 QPSK系統(tǒng)原理

1.1 QPSK信號(hào)分析

四相相移鍵控信號(hào)(QPSK)，是采用了四進(jìn)制的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)。對(duì)于矩形包絡(luò)的QPSK系統(tǒng)，其已調(diào)的信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為：

(1)

其中：

(2)

(3)

由此可見(jiàn)，信號(hào)可由兩路BPSK組成,即同相分量與正交分量組成[6]。

1.2 通信系統(tǒng)抗干擾仿真原理

QPSK通信系統(tǒng)仿真原理如圖1所示。其大致由串并變換、調(diào)制、傳輸信道、接收濾波器、解調(diào)器和并串變換等幾個(gè)部分組成。二進(jìn)制信息編碼后經(jīng)過(guò)串-并變換，取出其同相分量I(t)與正交分量Q(t)，采用正交調(diào)制，兩路信號(hào)通過(guò)加法器完成調(diào)制，產(chǎn)生QPSK信號(hào)并與干擾信號(hào)一同進(jìn)入信道。解調(diào)部分采用的相干解調(diào)，濾除高頻的分量，經(jīng)過(guò)判決電路實(shí)現(xiàn)波形恢復(fù)，最終還原出原始信號(hào)，通過(guò)收發(fā)兩端的二進(jìn)制序列的比對(duì)測(cè)試，計(jì)算出系統(tǒng)在受到干擾后的誤碼率。

2 QPSK通信系統(tǒng)仿真模型設(shè)計(jì)

整個(gè)QPSK系統(tǒng)的仿真模型包括三個(gè)部分。首先，將二進(jìn)制序列進(jìn)行QPSK編碼，產(chǎn)生傳送的信號(hào)；其次，信號(hào)在理想信道下的傳送，并加入各種干擾樣式。最后，就是對(duì)QPSK信號(hào)的解碼，恢復(fù)出原始的二進(jìn)制序列。系統(tǒng)采樣率設(shè)為16.384MHz，Token3是PN序列仿真的二進(jìn)制碼，速率為256kHz，經(jīng)過(guò)卷積編碼，具體實(shí)現(xiàn)如圖2所示。Token136采樣器采樣頻率為512kHz，而后通過(guò)串并變換子系統(tǒng)，上下兩路采樣使得串并變換后碼速率減為一半，這樣使偶數(shù)碼元和奇數(shù)碼元正好相隔一個(gè)碼元寬度被采樣，等到I路和Q路信號(hào)后相加完成QPSK調(diào)制，加法器后通過(guò)帶通濾波濾除帶外干擾，用同頻同相的正弦波與已調(diào)信號(hào)相乘，經(jīng)低通濾波器后抽樣判決，通過(guò)并串變換得到解調(diào)信號(hào)。

2.1 QPSK基帶信號(hào)的產(chǎn)生

數(shù)字信號(hào)由PN序列表示。經(jīng)過(guò)卷積編碼后經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換之后分別經(jīng)過(guò)采樣和保持產(chǎn)生奇序列和偶數(shù)列。接下來(lái)分別通過(guò)兩個(gè)正交載波調(diào)制，形成一對(duì)PSK信號(hào)，最后相加得到QPSK信號(hào)，調(diào)制信號(hào)如圖3所示。元器件的選擇和參數(shù)設(shè)定情況如下：

根據(jù)任務(wù)要求，使用數(shù)字信號(hào)作為輸入信號(hào)。因此，選取Source Library中的PN Freq圖符。當(dāng)系統(tǒng)速率為512kbps時(shí)，參數(shù)設(shè)定為：幅度為1V，頻率為256kHz，模擬數(shù)字信號(hào)。

卷積編碼器的模型設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)置如下，卷積碼的輸出比特?cái)?shù)為1，信息位長(zhǎng)1，約束長(zhǎng)度為7，時(shí)間偏置為0。

信號(hào)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換時(shí)，使用兩個(gè)延時(shí)器，然后用采樣器和保持器，將信號(hào)的奇序列和偶序列分離出來(lái)。當(dāng)系統(tǒng)速率為512kbps時(shí)，一路延時(shí)器的延時(shí)時(shí)間為3.90625e-6 s，這樣保證采到偶序列。另外一路的延時(shí)時(shí)間是1.95313e-6 s，保證采到的奇序列。采樣，保持的作用是將采到的奇、偶序列分別擴(kuò)充成連續(xù)的信號(hào)。因此采樣器的頻率為256kHz。兩路濾波器均采用升余弦模型，由于系統(tǒng)速率為512kbps，滾降系數(shù)取0.5，速率為256kHz，抽頭數(shù)130，輸入的采樣速率16.384MHz。

為了生成QPSK信號(hào)，系統(tǒng)采用正交調(diào)制使用一個(gè)Source Library中的Sinusiod，頻率為1024kHz。一路直接用于調(diào)制，一路90°相移之后用于另外一路信號(hào)的調(diào)制。

2.2 信號(hào)的相干接收

通過(guò)萊斯信道傳送后的信號(hào)經(jīng)帶通濾波后，分別通過(guò)兩個(gè)相干解調(diào)。然后解調(diào)之后的信號(hào)一路為同相信號(hào)，一路為正交信號(hào)。經(jīng)過(guò)判決之后，分別為原始的信號(hào)的奇序列和偶序列，再將他們相加就得到接收到的數(shù)據(jù)序列，圖4給出了收發(fā)兩端信號(hào)的相關(guān)性。元器件的選擇和參數(shù)的設(shè)定如下：

信號(hào)通過(guò)帶通濾波器后，采用相干解調(diào)。使用一個(gè)與QPSK信號(hào)正交調(diào)制相同的頻率的調(diào)制信號(hào)。Source Library中的Sinusiod，頻率為1024kHz。一路直接用于解調(diào)，一路90°相移之后用于另外一路信號(hào)的解調(diào)。同時(shí)用濾波器把相干解調(diào)的2倍載波的信號(hào)濾除，只保留基帶信號(hào)。因此采用巴特沃斯低通濾波器，系統(tǒng)速率為512kbps時(shí)，截止頻率為256kHz，采樣速率16.384e+6 Hz。分別對(duì)解調(diào)濾波之后的同相信號(hào)和正交信號(hào)進(jìn)行采樣和保持。

這里為了達(dá)到并串轉(zhuǎn)換，可對(duì)兩路信號(hào)輸入脈沖串，當(dāng)系統(tǒng)速率為512kbps時(shí)，頻率為256kHz，脈寬為1.953125e-6 s。這樣用它的高低電平1和0來(lái)對(duì)輸入的正交和同相信號(hào)作為奇、偶序列進(jìn)行選擇和相加,形成一個(gè)完整的序列數(shù)據(jù)。

卷積譯碼器參數(shù)輸出長(zhǎng)度為2，信息位長(zhǎng)1，約束長(zhǎng)度為7，維特比譯碼器路徑長(zhǎng)度15，偏置為4。

2.3 干擾樣式庫(kù)設(shè)計(jì)

System View仿真平臺(tái)提供了Source Library庫(kù)和Function Library庫(kù)，可根據(jù)Gauss Noise模塊、Sinusoid模塊、PSK Carrier模塊分別搭建高斯白噪聲、單音、BPSK和QPSK干擾樣式，根據(jù)Fred Mod模塊來(lái)搭建噪聲調(diào)頻干擾樣式。本文設(shè)計(jì)的干擾源模型包括高斯白噪聲、噪聲調(diào)頻信號(hào)、單音信號(hào)、BPSK信號(hào)和QPSK信號(hào)五種常用的干擾樣式。干擾信號(hào)產(chǎn)生后，通過(guò)增益器加入到信號(hào)中，進(jìn)而仿真其干擾情況下該系統(tǒng)的誤碼率。

3 仿真結(jié)果及分析

比特誤碼率(BER)衡量一個(gè)通信系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一[7]。本文使用System View軟件對(duì)BER的仿真時(shí)，設(shè)定每次循環(huán)后將干信比遞增1dB，即噪聲增加1dB。運(yùn)行系統(tǒng)仿真，到系統(tǒng)分析窗口，對(duì)接收到的經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)據(jù)信號(hào)，通過(guò)BER計(jì)數(shù)器與原始數(shù)據(jù)信號(hào)比較，求出循環(huán)一次所得到的誤碼率，不斷的改變?cè)肼曉鲆鎭?lái)改變干信比，得到誤碼率-干信比曲線。誤碼率-干信比仿真曲線如圖5～9所示。

對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，BPSK和QPSK干擾情況下的干信比曲線相似，干信比在0～5dB范圍內(nèi)，誤碼率迅速

增加，此后隨干信比增加，誤碼率趨于穩(wěn)定，但干擾效果不同。而噪聲調(diào)頻和單音干擾效果最好，調(diào)頻干信比在0～5dB范圍內(nèi)，誤碼率迅速增大，但此后增大緩慢，大于約14dB后誤碼率穩(wěn)定在50%左右；單音干擾能力最強(qiáng)，在0～1dB范圍內(nèi)，誤碼率極劇增大，在1～12dB范圍，隨干信比增加，誤碼率變化不大，干擾效果不明顯，而后隨干信比增大誤碼率迅速增大，直至極值50%；高斯噪聲的干信比曲線明顯不同于其它四種樣式，干信比在0～5dB范圍內(nèi)，干擾效果不明顯，干擾繼續(xù)增大，干信比為10dB時(shí)，誤碼率才緩慢增加到30%，干擾的效果十分不明顯。

為比較不同干擾樣式的干擾效果，干擾信號(hào)使通信系統(tǒng)的誤碼率增大到25%時(shí)的干擾被認(rèn)為是有效的干擾，即達(dá)到干擾門限值。表1是五種干擾信號(hào)在相同功率的情況下的干擾門限值。

表1 不同干擾樣式下的QPSK通信系統(tǒng)干擾門限值

由仿真得出，五種干擾信號(hào)對(duì)通信系統(tǒng)干擾，使其誤碼率達(dá)到25%時(shí)，干信比從0～11dB不等，其中單音和噪聲調(diào)頻干擾效果較好，QPSK干擾次之，高斯白噪聲和BPSK干擾效果最差。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)用System View對(duì)QPSK系統(tǒng)的仿真，可以看出單音和噪聲調(diào)頻是對(duì)QPSK通信系統(tǒng)最有效的干擾樣式，而System View是系統(tǒng)仿真與分析的強(qiáng)有力的工具，有效利用它可以在短時(shí)間內(nèi)完成對(duì)系統(tǒng)的仿真與分析、設(shè)計(jì)，對(duì)于開展內(nèi)場(chǎng)系統(tǒng)的性能仿真研究并在系統(tǒng)上作進(jìn)一步設(shè)計(jì)，提供了極大的便利?！?/p>

[1] 馬萬(wàn)治.無(wú)線通信抗干擾技術(shù)性能研究[D].成都：電子科技大學(xué),2012.

[2] 徐升槐.基于System View的QPSK仿真與分析[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2009，26(4):73-75.

[3] 張之越.基于System View的單載波調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)性能對(duì)比[J]. 電子世界,2016(13):135-136.

[4] 李娜,張威虎,劉文霞,等.基于System View的直序擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)仿真研究[J].延安大學(xué)學(xué)報(bào),2009,28(1):40-43.

[5] 張曉慧,張紅燕.基于System View的BPSK、QPSK與OQPSK仿真與分析[J].信息通信, 2015(12):1-3.

[6] 湯永清,張銀明.用System View實(shí)現(xiàn)對(duì)QPSK系統(tǒng)的仿真與分析[J]. 福建電腦,2003(4):38-49.

[7] 楊亮,齊林,劉艷霞.基于System View的比特誤碼率測(cè)試的仿真[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù),2005(2):109-111.

Research on the anti-jamming ability of QPSK signal in the regional communication network

Kong Deqiang, Liu Xuguang, Zhang Xianghu

(Luoyang Electronic Equipment Test Center, Luoyang 471003, Henan,China)

System View is a visualization software tool based on Windows produced by American ELANIX, mainly used for system simulation, signal level, design, circuit simulation and communication system dynamic system powerful analysis tool. Based on System View dynamic analysis simulation platform,a QPSK communication system model of communication network is built .The simulation results of Gauss, BPSK, tone, noise FM and QPSK five kinds of interference signal interference effect in the system and the bit error rate are given. By using System View simulation of the QPSK system, tone and FM noise is the most effective jamming of QPSK communication system.

System View; QPSK; bit error rate; dry signal ratio

2016-11-30;2017-01-17修回。

孔德強(qiáng)(1982-)，男，工程師，碩士，主要從事通信對(duì)抗與網(wǎng)絡(luò)對(duì)抗工作。

TN975

A