何力舟

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 長(zhǎng)治 046299）

0 引 言

在信息化時(shí)代，短波通信方式在現(xiàn)代通信中占據(jù)著重要的地位，主要因?yàn)槠渚哂屑夹g(shù)成熟、設(shè)備占地面積少、體積較小、不宜損毀等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。但與此同時(shí)，短波通信也存在不可避免的缺點(diǎn)，如存在大量的抗干擾因素等。短波通信通過(guò)電離層的反射經(jīng)接收器接收來(lái)獲得信號(hào)的傳遞，但由于電離層的情況比較復(fù)雜，氣候、環(huán)境等因素對(duì)短波通信均存在影響，因此合理選擇抗干擾方式對(duì)短波通信技術(shù)的發(fā)展有著極大的意義[4-6]。當(dāng)前，研究人員對(duì)短波通信抗干擾手段進(jìn)行了大量的研究。李利等人針對(duì)跳頻通信系統(tǒng)抗干擾技術(shù)進(jìn)行了探討，分析了提高艦載短波通信系統(tǒng)抗干擾能力的方法[7]；王慧對(duì)同步跳頻關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，得出同步跳頻技術(shù)是目前短波最佳抗干擾技術(shù)的結(jié)論[8]；賀偉分析了電磁環(huán)境的復(fù)雜程度，并提出恰當(dāng)?shù)目垢蓴_手段[9]。本文基于現(xiàn)有研究，分析了正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術(shù)的工作原理，借助OFDM短波通信系統(tǒng)提出一種新的抗干擾算法，具有較強(qiáng)的實(shí)踐意義。

1 短波寬帶OFDM通信系統(tǒng)

OFDM因其自身的特點(diǎn)而適用于短波通信抗干擾技術(shù)的研發(fā)。眾所周知，信號(hào)在頻帶上的傳播具有一定的選擇性衰落，從而導(dǎo)致信號(hào)穩(wěn)定性降低。而OFDM技術(shù)可將頻帶劃分為多個(gè)不同的信道和子載波，同時(shí)每一個(gè)子載波都具有一定的信號(hào)傳播能力，且頻譜較為平坦。信號(hào)傳播過(guò)程中可克服短波通信中的頻率衰落問(wèn)題，具有較強(qiáng)的抗干擾特性。經(jīng)過(guò)此系統(tǒng)傳播的信號(hào)具有均勻的功率，可以保證信號(hào)的穩(wěn)定性。同時(shí)OFDM的時(shí)域波形在技術(shù)手段上非常類似于高斯統(tǒng)計(jì)，可使其信號(hào)傳播過(guò)程中具有較強(qiáng)隱蔽性?；谶@些特點(diǎn)，可以看到OFDM技術(shù)在短波信號(hào)抗干擾能力提升中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，不需要額外提高信號(hào)傳播功率或增加帶寬便可以提高短波通信的效率，防止選擇性衰落并提升其抗干擾能力。

在日常的短波通信過(guò)程中，通常存在窄帶干擾，這種干擾對(duì)于傳播的信號(hào)而言，是一種帶寬較窄而功率性較強(qiáng)的干擾信號(hào)，相較于其他干擾具有更強(qiáng)的干擾性。窄帶干擾在目前的短波通信過(guò)程中比較常見(jiàn)，干擾性較強(qiáng)，在信號(hào)傳播的過(guò)程中會(huì)對(duì)多個(gè)信道的信號(hào)產(chǎn)生干擾。由于OFDM技術(shù)具有多頻波的特點(diǎn)，在每個(gè)信道中的平臺(tái)利用率較高，因此可以借助該技術(shù)關(guān)閉部分受窄帶干擾影響的子載波段，從而提高系統(tǒng)抗干擾能力。

2 窄帶干擾抑制效果

在短波通信過(guò)程中，同一頻帶內(nèi)信號(hào)多且復(fù)雜，而且在頻帶內(nèi)通常有不同短波電臺(tái)相互干擾，會(huì)使短波通信系統(tǒng)信噪比嚴(yán)重降低，從而影響短波通信接收器接收信號(hào)的性能。根據(jù)現(xiàn)有研究查閱參考文獻(xiàn)，不同的抗干擾算法對(duì)窄帶干擾抑制的效果均有差異，一般分為頻域窄帶干擾抑制方法和時(shí)域窄帶干擾抑制方法[10,11]。由于窄帶干擾在頻帶內(nèi)呈現(xiàn)出尖峰的特點(diǎn)，因此頻域窄帶干擾濾波方案可有效計(jì)算出頻帶內(nèi)干擾的中心頻點(diǎn)。但頻域的快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT）與快速傅里葉逆變換（Inverse Fast Fourier Transform，IFFT）對(duì)硬件要求較高，嚴(yán)重增加其造價(jià)負(fù)擔(dān)，這也是頻域窄帶干擾抑制方法的突出缺點(diǎn)之一。時(shí)域窄帶干擾抑制方法可很好地計(jì)算頻帶內(nèi)干擾的信號(hào)頻率，雖然存在一定誤差，但不影響使用。缺點(diǎn)在于信號(hào)干擾較弱時(shí)的使用效果不理想，導(dǎo)致陷波器計(jì)算失準(zhǔn)，影響系統(tǒng)抗干擾性能。

3 干擾抑制算法

對(duì)于短波通信過(guò)程中OFDM技術(shù)的應(yīng)用，參考相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)OFDM符號(hào)的長(zhǎng)度進(jìn)行了限制，一般選擇為10 ms，通常間隔的長(zhǎng)度為5 ms。考慮到接收端對(duì)信號(hào)接收的特點(diǎn)和OFDM系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)原則，提出在短波通信系統(tǒng)中的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 信號(hào)的幀結(jié)構(gòu)

為了更有效地提出抗干擾性能的方法，在理解了時(shí)域和頻域干擾抑制方法工作原理的基礎(chǔ)上，將兩者的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行整合，從而提出一種行之有效的窄帶抗干擾方法。二級(jí)無(wú)線響應(yīng)脈沖濾波器（Infinite Impulse Response Filter，IIR）的傳輸函數(shù)為：

此函數(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)在于計(jì)算出頻帶干擾存在的中心頻點(diǎn)，其中a是陷波器的參數(shù)，主要用于控制陷波器的帶寬，a的大小直接決定了陷波帶寬的大小。依此建立一種時(shí)域陷波器，當(dāng)頻帶內(nèi)存在多組信號(hào)干擾時(shí)，借助建立的多級(jí)陷波器移除干擾電臺(tái)信號(hào)，從而達(dá)到抗干擾的效果。

根據(jù)IIR濾波器的工作原理，建立抗干擾算法的核心在于取長(zhǎng)度為N的接收信號(hào)（OFDM信號(hào)+窄帶干擾+背景噪聲），對(duì)其進(jìn)行離散傅里葉變換（Discrete Fourier Transform，DFT）。由于窄帶干擾在頻域會(huì)出現(xiàn)極大的峰值，根據(jù)DFT的原理，每?jī)蓚€(gè)相鄰數(shù)據(jù)之間的間隔為2π/N，找到1～2/N中信號(hào)頻域數(shù)據(jù)較大峰值的位置k，那么窄帶干擾頻率的估計(jì)值則為0=(k-1)(2π/N)，從而自適應(yīng)IIR陷波器中對(duì)應(yīng)陷波頻率的參數(shù)應(yīng)為β=-cos0，實(shí)現(xiàn)框圖如圖2所示。

圖2 濾波器工作原理

由于目前的短波通信系統(tǒng)中，3 kHz的頻帶比較常見(jiàn)，因此在320 kHz的短波通信過(guò)程中極易受到3 kHz的帶內(nèi)信號(hào)干擾。根據(jù)建立的抗干擾算法，在同一頻域識(shí)別高峰值信號(hào)，當(dāng)識(shí)別到多組3 kHz上下波動(dòng)的信號(hào)時(shí)，可直接認(rèn)定其為干擾信號(hào)，采用級(jí)聯(lián)陷波器對(duì)其移除，以達(dá)到抗干擾效果。

在短波通信過(guò)程中，窄帶干擾不是一直存在的，而且窄帶干擾的過(guò)程隨時(shí)間推移也存在差別。在本文設(shè)計(jì)的算法中，首先參照信號(hào)干擾的頻域特性計(jì)算陷波頻率，以此頻率建立級(jí)聯(lián)時(shí)域陷波器，對(duì)接收到的信號(hào)停止FFT頻點(diǎn)估計(jì)，可借助時(shí)域陷波器去除干擾信號(hào)；其次對(duì)下一個(gè)信號(hào)進(jìn)行同樣的操作，建立時(shí)域陷波器；最后以此類推，從而構(gòu)建一種良好循環(huán)的抗干擾系統(tǒng)。本算法抗干擾原理如圖3所示。

圖3 抗干擾原理

在這一算法中，連續(xù)準(zhǔn)確的計(jì)算出干擾信號(hào)的中心頻點(diǎn)至關(guān)重要，也是本算法最大的優(yōu)點(diǎn)。借助建立的連續(xù)陷波器對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行排除，從而達(dá)到短波通信抗干擾的效果。具體算法如下文所述。

（1）一個(gè)OFDM符號(hào)長(zhǎng)度為1 100，通過(guò)FFT后長(zhǎng)度擴(kuò)展為2 048，系統(tǒng)采用4倍過(guò)采樣，取N=8 192加窗進(jìn)行FFT變換。計(jì)算Wi(0)=Xi(0)/max[Xi(0)]，Xi(0)表示i點(diǎn)的信號(hào)功率譜密度。

（2）計(jì)算∑[Wi(0)]N=a。在高斯白噪聲背景下，當(dāng)a是一個(gè)0.5左右的數(shù)時(shí)，一般直接認(rèn)為接收的信號(hào)中無(wú)干擾存在，不需要采取干擾抑制手段，對(duì)信號(hào)直接處理并傳輸即可；若a是一個(gè)接近于0的數(shù)時(shí)，一般認(rèn)為信號(hào)存在強(qiáng)窄帶干擾。

（3）帶內(nèi)信號(hào)干擾頻率強(qiáng)弱不一，對(duì)不同窄帶干擾的算法略有差異。對(duì)待強(qiáng)窄帶干擾時(shí)，如果Wi(0)＞b（b是在0附近的常數(shù)），標(biāo)記此干擾存在的位置。其中，a=0.98時(shí)抗干擾效果較好，一般情況可去除5個(gè)峰值電臺(tái)信號(hào)的干擾。此外，頻帶內(nèi)干擾信號(hào)的個(gè)數(shù)和頻帶特性直接影響級(jí)聯(lián)陷波器的數(shù)量。

（4）干擾信號(hào)通過(guò)級(jí)聯(lián)陷波器移除系統(tǒng)后，算法自動(dòng)對(duì)下一個(gè)信號(hào)進(jìn)行上述3個(gè)步驟的操作。

4 結(jié) 論

為有效提高短波通信抗干擾性能，在分析時(shí)域和頻域干擾抑制方法工作原理的基礎(chǔ)上，基于OFDM技術(shù)多頻波和信道高利用率的特點(diǎn)提出了一種行之有效的窄帶抗干擾方法。本算法可連續(xù)準(zhǔn)確地計(jì)算出干擾信號(hào)的中心頻點(diǎn)，借助級(jí)聯(lián)陷波器將干擾信號(hào)移除系統(tǒng)，從而達(dá)到短波通信抗干擾的效果。