DS/FH通信系統(tǒng)智能干擾抑制技術(shù)研究

李常青， 盧滿宏， 諶 明

(北京遙測技術(shù)研究所 北京 100076)

引 言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，空間電磁環(huán)境變得越來越復(fù)雜，各種電子干擾必然會對衛(wèi)星通信造成極大威脅。在DS/FH通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)的處理增益能夠抑制一部分干擾，但當干擾功率超過了系統(tǒng)的干擾容限時，整個系統(tǒng)將無法正常工作。為保證在強干擾情況下通信系統(tǒng)的正常工作，需要采取相關(guān)技術(shù)來增強系統(tǒng)的抗干擾能力。干擾抑制技術(shù)在此條件下應(yīng)運而生，該技術(shù)通常是利用信號和干擾在時域、頻域的特性差異來檢測和消除干擾。一般來說，在干擾抑制過程中，可利用的信號和干擾信息越多，干擾抑制的效果就越好。文獻[1]研究了時域窄帶干擾抑制算法，仿真表明采用該算法后可有效抑制窄帶干擾。但當干擾變化速率達到一定程度時，尤其是突發(fā)性干擾，整個系統(tǒng)的干擾抑制性能會急劇下降，該算法很難應(yīng)用于動態(tài)干擾環(huán)境。文獻[2]提出一種雙門限抗干擾算法，該算法在強信噪比時，會將信號誤認為干擾將其抑制掉，造成信號失真嚴重?zé)o法解調(diào)。為此，本文提出了一種適用于動態(tài)強干擾環(huán)境中基于變換域的自適應(yīng)門限智能干擾抑制算法，該算法利用信號處理技術(shù)在時域和頻域?qū)邮招盘柕某煞诌M行分析，檢測估計干擾信號類型和參數(shù)，設(shè)計相應(yīng)的干擾抑制算法，減少干擾信號的影響，實現(xiàn)智能干擾抑制，從而提高通信系統(tǒng)的抗干擾能力。

1 DS/FH通信系統(tǒng)干擾信號建模分析

DS/FH通信系統(tǒng)框圖如圖1所示。由圖可以看出，信號在空間傳輸過程中存在干擾和噪聲，到達接收機后其表示形式為

其中，n(t)為噪聲，在DS/FH系統(tǒng)中，主要是指熱噪聲，一般用高斯白噪聲來描述;J(t)為干擾信號;A為信號的幅度;d(t)為數(shù)據(jù)信號;PN(t)是直擴偽碼;ωA為模擬本振源的頻率;ωH(t)為跳頻碼字控制的頻率;ωD為數(shù)控本振的頻率;φ(t)為信號的相位。

圖1 DS/FH通信系統(tǒng)

目前，衛(wèi)星通信面臨的干擾，一是來自復(fù)雜的空間電磁環(huán)境，二是來自人為的破壞性攻擊，三是來自自身的綜合因素。上述三類干擾中，又以人為干擾[3]的影響最為惡劣。為了對其進行有效的干擾抑制，需要建立合適的干擾模型，常見的窄帶干擾[4]有音頻干擾、AR干擾和帶限噪聲干擾;寬帶干擾[4]包括線性調(diào)頻干擾和脈沖干擾。

①音頻干擾包括單音干擾和多音干擾，通常表現(xiàn)為一個或多個正弦信號之和，其表示形式為

其中，m表示正弦信號的個數(shù)，Aj為各單音干擾的幅度，fj是各單音的干擾頻率，θj為各單音干擾的初始相位，在[0，2π)上均勻分布，且相互獨立。

②自回歸干擾(AR干擾)模型可以用隨機白噪聲通過一個窄帶數(shù)字濾波器進行建模，其數(shù)學(xué)模型可以表示為

其中，a1，a2，…，ap為AR模型的系數(shù)，p為階數(shù)，u(n)是方差為σ2u的零均值高斯白噪聲序列。

③帶限噪聲干擾是寬帶高斯白噪聲經(jīng)過帶限信道后形成的，其功率譜的形狀取決于信道的傳遞函數(shù)H(ω)2，其功率譜密度可表示為

其中，N0表示噪聲的單邊功率譜密度。

其中，α、ω、φ0分別是線性掃頻信號的掃頻速率、初始角頻率及初始相位，A(t)為線性掃頻幅度變化函數(shù)，可表示為

式中，Ka為幅度變化系數(shù)，T為掃頻持續(xù)時間段。

⑤脈沖干擾分為規(guī)則脈沖干擾和隨機脈沖干擾兩種，一般人為干擾多為后者。隨機脈沖干擾可以采用限幅噪聲對信號調(diào)幅來實現(xiàn)，也可采用偽隨機序列對信號調(diào)幅實現(xiàn)。

2 基于變換域的自適應(yīng)門限智能干擾抑制算法

接收機受到干擾影響后表現(xiàn)為載噪比降低，當載噪比低于接收機跟蹤門限時，接收機環(huán)路跟蹤失鎖，對信號的跟蹤解調(diào)將產(chǎn)生嚴重影響[5]。這就需要對干擾信號進行檢測，并實現(xiàn)干擾的智能抑制。為此，本文提出了一種基于變換域的自適應(yīng)門限智能干擾抑制算法，該算法可根據(jù)當前信噪比自適應(yīng)選取門限，實現(xiàn)干擾的智能檢測和抑制，最大程度地保留有用信號，提高DS/FH通信系統(tǒng)在動態(tài)強干擾環(huán)境下的生存能力。

2.1 干擾檢測和估計

接收機接收到信號后首先進行干擾檢測，用基于變換域的干擾檢測算法判斷接收信號中是否存在干擾，如果存在干擾則進入干擾辨識模塊，運用信號處理和模式識別等方法，分析接收信號中的干擾類型，并進行參數(shù)估計，以便對其進行有針對性的干擾抑制。智能干擾抑制算法流程如圖2所示。

圖2 智能干擾抑制算法流程

2.1.1 基于變換域的干擾檢測算法

基于變換域的干擾檢測算法的核心思想是設(shè)定一個干擾檢測門限，將接收信號的功率譜線與該門限進行比較，大于門限值的信號頻點判定為存在干擾，送入干擾識別模塊;小于門限值的信號頻點認為不存在干擾，不進行處理。

2.1.2 干擾識別

本系統(tǒng)采用模式識別聯(lián)合算法實現(xiàn)干擾信號的識別，其流程如圖3所示。首先在時域、頻域和分數(shù)階傅里葉變換域分別計算接收信號的壓縮增益，用CG表示。CG用于計算信號能量的集中程度，能量集中的采樣點數(shù)越少，CG越大。壓縮增益CG定義為

式中，r'(m)為待判定的采樣信號，即輸入信號r(m)的時域信號、a階分數(shù)階傅里葉變換信號及傅里葉變換信號;K為待判定信號長度。

圖3 干擾檢測識別原理

CG主要用于識別窄帶干擾、線性調(diào)頻干擾和脈沖干擾，一般情況下，干擾信號的能量遠高于DS/FH混合擴頻信號，因此可以認定接收信號能量主要來源于干擾信號。線性調(diào)頻干擾，在分數(shù)階傅里葉變換域的信號能量最集中;脈沖干擾，在時域信號能量最集中;而窄帶干擾，在頻域信號能量大，且還需要結(jié)合譜的相關(guān)特性，進一步對音頻干擾、AR干擾、帶限噪聲干擾進行檢測。

2.2 基于變換域的自適應(yīng)門限干擾抑制算法

由于窄帶干擾的干擾頻率對準系統(tǒng)的通信頻率，并且干擾信號的帶寬很窄，因此干擾信號的能量能夠全部落入接收信號的頻帶內(nèi)，對接收信號的解調(diào)造成極為嚴重的影響。本文主要針對窄帶干擾提出一種基于變換域的自適應(yīng)門限干擾抑制算法[6，7]，其算法流程如圖4所示，首先對輸入信號進行加窗處理，然后進行FFT變換，得到信號的譜線，在頻域根據(jù)DS/FH信號和窄帶干擾信號的幅度分布來實現(xiàn)對干擾頻點的檢測。檢測到干擾信號后，將其對應(yīng)頻點的譜線置零，然后進行IFFT反變換，恢復(fù)出原信號。

圖4 基于變換域的自適應(yīng)門限干擾抑制算法

2.2.1 窗函數(shù)選取方案

引入窗函數(shù)的目的是為了減少頻譜泄漏，增加主副瓣比。若因加窗導(dǎo)致頻率分辨率無法滿足系統(tǒng)需求，則可考慮通過增加FFT點數(shù)來彌補加窗對頻率精度的損失。

2.2.2 FFT 點數(shù)及重疊比例

FFT點數(shù)取決于系統(tǒng)對頻率分辨率的需求，點數(shù)越多分辨率越高。另外，根據(jù)FFT算法特征，參與FFT計算的數(shù)據(jù)點數(shù)N設(shè)定為2的整數(shù)次冪。不難看出，重疊比例越高，信號的完整性越好，但是重疊比例的增加會使計算量急劇上升，一般采用1/2重疊加窗干擾抑制算法。

2.2.3 自適應(yīng)門限設(shè)計

為了在抑制窄帶干擾的同時，使得信號功率損失盡可能小，干擾門限的選取應(yīng)隨著信噪比的變化自適應(yīng)調(diào)整，通常根據(jù)當前一次或幾次FFT變換值來確定門限值，具體步驟如下。

首先，將接收信號r(n)劃分成長度為N的數(shù)據(jù)塊，然后運用窗函數(shù)w(n)對其進行加權(quán)處理，接著進行FFT變換，得到

根據(jù)譜線幅度φ(k)進行升序排列，重排后序列記為z(k)，選擇前M點作為門限檢測點，求其平均值作為初始門限，即

根據(jù)信噪比自適應(yīng)選取門限加權(quán)因子，將門限值與門限加權(quán)因子相乘，即可得到高、低門限，門限加權(quán)因子的解析式如下

在求得高、低門限后，首先將高于低門限的相鄰值劃分為一個簇，然后將每一簇的最大值與高門限比較，如果最大值大于高門限，可將該簇判別為窄帶干擾，對其進行置零處理，將其徹底去掉。雖然這種方式會損失一部分有用信號，但是當擴頻信號解擴后，有用信號的頻譜會壓縮在一個很窄的帶寬內(nèi)，對信號解調(diào)的影響可以忽略不計。

3 仿真分析

仿真條件:系統(tǒng)為DS/FH體制，數(shù)據(jù)率為10kb/s，擴頻碼率為10Mb/s，跳頻速率為500hop/s，跳頻點數(shù)100個，中心頻率為80MHz，跳頻間隔100kHz，采用BPSK調(diào)制方式。在中心頻點處加入60dB的窄帶干擾，干擾帶寬為系統(tǒng)帶寬的5%，分別觀察采用基于變換域的自適應(yīng)門限智能干擾抑制算法和未使用干擾抑制算法兩種情況下整個系統(tǒng)的性能。

圖5給出了發(fā)射信號頻譜和加入帶限噪聲干擾后信號頻譜。可以看出，加入干擾之后，有用信號的能量被干擾壓制在一個很低的范圍內(nèi)。若不采用智能干擾抑制算法，接收機很難從干擾信號中解調(diào)出有用信號完成信息的傳遞。

圖5 發(fā)射信號頻譜和加入帶限噪聲后的信號頻譜

圖6 是干信比為60dB的窄帶干擾(干擾帶寬占系統(tǒng)帶寬的5%)抑制前、后信號的頻譜圖。通過對比可以看到，采用智能干擾抑制算法可以明顯減弱干擾對DS/FH系統(tǒng)的影響。觀察圖6(a)、(b)和圖6(c)、(d)的門限值，不難發(fā)現(xiàn)，其干擾門限的數(shù)值隨著干擾類型和干信比自適應(yīng)變化，這樣既能將干擾完全抑制又能使信號失真引起的系統(tǒng)誤差保持在很小的范圍內(nèi)。

圖7給出了系統(tǒng)的誤碼率曲線。通過對比圖7中的誤碼率曲線，不難看出，當外界對系統(tǒng)施加的干擾超過干擾容限時，整個系統(tǒng)性能將會急劇下降，無法進行正確的信號解調(diào)。而加入智能干擾抑制模塊的系統(tǒng)，在干擾環(huán)境中，仍可以正常工作，并表現(xiàn)出良好的性能，系統(tǒng)誤碼率得到明顯改善。在Eb/N0=20dB時，系統(tǒng)誤碼率可以達到3×10-3，滿足系統(tǒng)后續(xù)解調(diào)要求。圖8為窄帶干擾的帶寬對系統(tǒng)誤碼率的影響，可以看到，窄帶干擾的帶寬對系統(tǒng)誤碼率的影響不大，大體趨勢是干擾帶寬愈窄，干擾抑制的效果愈好。

圖6 干擾抑制前、后信號的頻譜

圖7 系統(tǒng)誤碼率

圖8 窄帶干擾的帶寬對系統(tǒng)誤碼率的影響

4 結(jié)束語

針對DS/FH通信中人為干擾會造成信號無法順利解調(diào)這一問題，本文提出了一種適用于動態(tài)強干擾環(huán)境中基于變換域的自適應(yīng)門限智能干擾抑制算法。首先建立了干擾信號的基本模型，其次在時域和頻域?qū)邮招盘栠M行分析，最后根據(jù)分析結(jié)果，對門限加權(quán)因子進行自適應(yīng)選取，使算法能智能識別干擾信號，最大限度地抑制窄帶干擾。仿真結(jié)果表明，在擴頻碼率10Mb/s、窄帶干擾(干擾帶寬為系統(tǒng)帶寬的5%)干信比為60dB的條件下，使用該算法能有效抑制干擾，降低系統(tǒng)誤碼率，減小干擾對信號解調(diào)的影響。

[1]龔文飛，孫 昕.衛(wèi)星導(dǎo)航接收機時域窄帶干擾抑制濾波器設(shè)計與性能分析[J].信號處理，2011，27(11):1774～1779.

[2]Vartiainen J，Lehtomaki J J，Saarnisaari H.Double Threshold Based Narrowband Signal Extraction[C].IEEE 61stVehicular Technology Conference，Stockholm，2005，61(2):1288 ～1292.

[3]Jones W W，Jones K R.Narrowband Interference Suppression Using Filter-bank Analysis/Synthesis Techniques[C].IEEE Military Communication Conference，San Diego，1992，3:898 ～902.

[4]王立松.衛(wèi)星測控通信抗干擾技術(shù)研究[D].國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文，2010，25～33.

[5]陳圣斌，呂金龍.基于干擾抑制差異特性的混合擴頻的同步技術(shù)[J].電視技術(shù)，2010，34(S1):97～100.

[6]Kumpumaki T J，Isohookana M A，Juntti J K.Narrow-Band Interference Rejection Using Transform Domain Signal Processing in a Hybrid DS/FH Spread-Spectrum System[C].IEEE Military Communication Conference，Monterey，1997，(1):89 ～93.

[7]蔣志勇，陳 穎.基于DFT的自適應(yīng)窄帶干擾抑制算法研究[J].信息化研究，2009，35(2):26～28.