唐 正，楊 凡，毛海偉，高乙文，張?zhí)锾?/p>

(1.國(guó)家電網(wǎng)湖北省隨州供電公司， 湖北 隨州 441300；2.中國(guó)航天科工航天發(fā)展重慶金美通信有限責(zé)任公司， 重慶 400030；3.重慶大學(xué) 通信工程學(xué)院， 重慶 400044；4.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)重慶有限公司， 重慶 400044；5.重慶科技學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院， 重慶 400044)

隨著戰(zhàn)術(shù)通信對(duì)業(yè)務(wù)速率的需求越來(lái)越高，傳輸帶寬也隨之不斷增加，干擾信號(hào)對(duì)頻帶的污染變得越來(lái)越普遍，因此寬帶通信的抗干擾成為戰(zhàn)術(shù)通信中亟需解決的問(wèn)題[1]。OFDM技術(shù)由于其數(shù)據(jù)傳輸速率高、頻譜利用率高、可對(duì)抗頻率選擇性衰落和窄帶干擾等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)中，而跳頻(FH)的突出特點(diǎn)是抗干擾性能優(yōu)異，這兩種技術(shù)的結(jié)合不但可滿足戰(zhàn)術(shù)通信中靈活的多址組網(wǎng)方式和大業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的需求，又可極大提高系統(tǒng)的抗干擾能力[2-4]。因此，OFDM-FH是一種適合寬帶無(wú)線軍事通信的有效傳輸方式。

本文在OFDM-FH系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出了一種傳輸帶寬內(nèi)的自適應(yīng)技術(shù)，可對(duì)干擾頻點(diǎn)做出檢測(cè)，在未被干擾的OFDM子帶內(nèi)分配業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，提高OFDM-FH系統(tǒng)的抗干擾性能。

1 OFDM-FH的自適應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

OFDM-FH自適應(yīng)系統(tǒng)由圖1所示的模塊組成： OFDM基帶信號(hào)產(chǎn)生模塊、跳頻模塊、信道干擾模塊、解跳模塊、跳頻自適應(yīng)控制模塊和OFDM基帶信號(hào)恢復(fù)模塊。

圖1 OFDM-FH自適應(yīng)系統(tǒng)

1.1 OFDM基帶信號(hào)產(chǎn)生模塊

每個(gè)OFDM符號(hào)是多個(gè)經(jīng)過(guò)調(diào)制的子載波信號(hào)的疊加，用N表示子信道的個(gè)數(shù)，d表示一個(gè)OFDM子幀的數(shù)據(jù)，si(i=0,1,…,N-1)表示分配給一個(gè)子幀的數(shù)據(jù)符號(hào)，fi表示載波頻率，則從t=ts開(kāi)始的OFDM符號(hào)的等效基帶信號(hào)可表示為[2]：

(1)

1.2 跳頻模塊

OFDM-FH的跳頻是在每一個(gè)跳頻頻點(diǎn)傳輸一個(gè)OFDM子幀，如圖2所示。其中跳頻序列由跳頻碼發(fā)生器產(chǎn)生，頻率合成器生成跳頻頻點(diǎn)。設(shè)在某個(gè)發(fā)射頻點(diǎn)的一個(gè)周期[0,Ts]內(nèi)，傳輸M個(gè)子幀(d0,d1,…,dM-1)，dk=ak+bk,其中ak、bk分別為同向分量和正交分量。第k個(gè)子幀dk調(diào)制到第i個(gè)跳頻載波，則在跳頻時(shí)發(fā)射的OFDM信號(hào)可表示為

(2)

式中：g(t)為每個(gè)子幀的脈沖成形；fi在跳頻頻率集F中任意取值。

1.3 信道和干擾信號(hào)

OFDM的基帶信號(hào)在跳頻調(diào)制后經(jīng)過(guò)信道、受到干擾后，可以表示為

(3)

其中：h(t,r)為信道的沖擊響應(yīng)；n(t)為加性高斯白噪聲；J(t)為干擾信號(hào)，本文采用的J(t)分為多音干擾和部分頻帶干擾。

1.4 解跳模塊

假設(shè)收發(fā)兩端的跳頻圖案已經(jīng)完成同步，解跳模塊產(chǎn)生和跳頻模塊相同的跳頻序列，經(jīng)過(guò)信道的OFDM-FH信號(hào)在通過(guò)混頻器和帶通濾波器后，得到的解跳信號(hào)為

(4)

1.5 跳頻自適應(yīng)控制模塊

對(duì)經(jīng)過(guò)解調(diào)的OFDM-FH信號(hào)進(jìn)行解跳，還原OFDM信號(hào)。為了測(cè)試OFDM信號(hào)每個(gè)子信道的信道質(zhì)量，在發(fā)送端每個(gè)子幀的最后一個(gè)符號(hào)發(fā)送空子載波，在接收端進(jìn)行解跳后根據(jù)空載波估算出每個(gè)子信道的信噪比[SNR0,SNR1,SNR2,…,SNRN]，并使用該估計(jì)值與檢測(cè)門限進(jìn)行比較，超過(guò)門限的子信道數(shù)為Nth，γ=Nth/N，γth為信道質(zhì)量的判決門限。

自適應(yīng)控制算法流程如圖3所示。

圖3 自適應(yīng)控制算法流程

1.6 OFDM信號(hào)的恢復(fù)模塊

經(jīng)過(guò)干擾的信號(hào)在通過(guò)解跳和帶通濾波器后，接收機(jī)在[iTs,(i+1)Ts]內(nèi)對(duì)接收信號(hào)做FFT以及數(shù)字解調(diào)和解碼處理，恢復(fù)出OFDM每個(gè)子載波上承載的數(shù)據(jù)信息。

2 系統(tǒng)性能與仿真分析

為了測(cè)試系統(tǒng)性能，采用Matlab對(duì)上述模型進(jìn)行仿真，仿真的系統(tǒng)參數(shù)配置見(jiàn)表1。

表1 OFDM-FH自適應(yīng)系統(tǒng)的參數(shù)配置

2.1 單音干擾時(shí)的系統(tǒng)性能

單音干擾信號(hào)可以表示為

(5)

式中：J為單音干擾的功率；φ為單音干擾的相位。由文獻(xiàn)可得系統(tǒng)的誤碼率為[5]

(6)

OFDM-FH和OFDM-FH自適應(yīng)系統(tǒng)的單音干擾誤碼率的表達(dá)式可以通過(guò)仿真得到。

圖4是OFDM信號(hào)在跳頻頻點(diǎn)2.4 GHz的帶內(nèi)遭受單音干擾時(shí)的頻譜，圖5為帶內(nèi)遭受單頻干擾時(shí)3種不同系統(tǒng)的性能曲線。由仿真結(jié)果可以看出：無(wú)論是OFDM-FH系統(tǒng)還是OFDM-FH自適應(yīng)系統(tǒng)，對(duì)帶內(nèi)單頻點(diǎn)的干擾是有效的，雖然兩者在單音干擾情況下性能差異不大，但相對(duì)OFDM系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，高斯白噪聲信道下有近1dB的性能提升。

圖4 受到單音干擾的OFDM-FH信號(hào)

圖5 3種系統(tǒng)在單音干擾時(shí)的性能

2.2 多音干擾時(shí)的系統(tǒng)性能

對(duì)于多音干擾，干擾機(jī)將其總的干擾功率J均勻分布在Nt=Nρ個(gè)不同的子載波頻率fi上，其中干擾因子ρ表示干擾音與子載波頻率個(gè)數(shù)之比。多音干擾表達(dá)式為[3]

(7)

為了對(duì)比3種系統(tǒng)對(duì)抗多音干擾的性能，本文仿真了N=7時(shí)的OFDM信號(hào)， OFDM信號(hào)在跳頻頻點(diǎn)為2.1 GHz時(shí)遭受多音干擾時(shí)的頻譜如圖6所示。

圖6 受到多音干擾的OFDM-FH信號(hào)

多音干擾可以看作在帶內(nèi)同時(shí)遭受多個(gè)單音干擾的疊加，由于干擾音的隨機(jī)性， OFDM不具備對(duì)抗多音干擾的能力。由圖7可以看到：OFDM-FH的系統(tǒng)由于采用了FH技術(shù)可以有效地避開(kāi)干擾，特別是采用OFDM-FH自適應(yīng)的算法后可以有效檢測(cè)出被污染的頻點(diǎn)，并反饋到發(fā)端。結(jié)合FH技術(shù)，有針對(duì)性地從跳頻圖案中剔除干擾頻點(diǎn)，使得盡可能少的頻點(diǎn)遭受干擾。由圖7可以看出：OFDM-FH的自適應(yīng)性能最好，較OFDM-FH有1 dB的增益，較OFDM有3 dB的增益。

圖7 3種系統(tǒng)在單音干擾時(shí)的性能

2.3 部分頻帶干擾時(shí)的系統(tǒng)性能

對(duì)于部分頻帶干擾，假定工作頻帶為W，干擾機(jī)發(fā)送噪聲的額定功率為J，干擾因子為ρ(0≤ρ≤1)，干擾帶寬為WJ，則WJ=ρ*W。當(dāng)ρ=1時(shí)為寬帶干擾，當(dāng)0<ρ<1時(shí)為部分頻帶干擾[7-8]。圖8仿真了ρ=0.2時(shí)OFDM信號(hào)在跳頻頻點(diǎn)2.1 GHz遭受到部分頻帶干擾時(shí)的頻譜。WJ=ρ*W，當(dāng)ρ=1時(shí)為寬帶干擾，當(dāng)0<ρ<1時(shí)為部分頻帶干擾[7-8]。圖8仿真了ρ=0.2時(shí)OFDM信號(hào)在跳頻頻點(diǎn)2.1 GHz遭受到部分頻帶干擾時(shí)的頻譜。

圖8 受到部分頻帶干擾的OFDM-FH信號(hào)

部分頻帶干擾直接表現(xiàn)為某些連續(xù)的碼元錯(cuò)誤。遭受到部分頻帶干擾時(shí)，無(wú)論怎樣改變跳頻圖案，總有一些頻點(diǎn)會(huì)被干擾。經(jīng)過(guò)OFDM-FH自適應(yīng)算法把干擾頻點(diǎn)反饋到發(fā)端，當(dāng)跳頻模塊遍歷完當(dāng)前跳頻頻率集中的所有頻點(diǎn)后依然判定為“壞信道”時(shí)，可通過(guò)子信道質(zhì)量檢測(cè)確定被干擾的子信道并通知發(fā)端不分配業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)給被干擾的子信道，從而盡可能保證在未被干擾的子信道中傳輸數(shù)據(jù)。由圖9可以看出，OFDM-FH自適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)抗部分頻帶干擾較OFDM-FH系統(tǒng)和單純的OFDM系統(tǒng)均有較大的優(yōu)勢(shì)。仿真結(jié)果表明：OFDM-FH自適應(yīng)系統(tǒng)比OFDM-FH系統(tǒng)有3 dB的誤碼提升，比單純的OFDM約有7 dB的誤碼提升。

圖9 3種系統(tǒng)在部分頻帶干擾時(shí)的性能

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種OFDM-FH自適應(yīng)算法，在單音干擾、多音干擾和部分頻帶干擾時(shí)，分別對(duì)比OFDM系統(tǒng)、OFDM-FH系統(tǒng)和OFDM-FH自適應(yīng)系統(tǒng)的性能。仿真結(jié)果表明：OFDM-FH自適應(yīng)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)3種干擾源時(shí)均有較好的性能，特別是在部分頻帶干擾情況下抗干擾能力明顯。較OFDM-FH系統(tǒng)有1～3 dB的誤碼性能提升，較OFDM系統(tǒng)有3～7 dB的誤碼性能提升。因此，OFDM、跳頻和自適應(yīng)技術(shù)的結(jié)合將有效提高寬帶通信抗干擾的性能。

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