地域通信網(wǎng)中QPSK信號的抗干擾能力研究

孔德強，劉旭光，張祥虎

(中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471003)

地域通信網(wǎng)中QPSK信號的抗干擾能力研究

孔德強，劉旭光，張祥虎

(中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471003)

System View是由美國ELANIX公司推出的、基于Windows環(huán)境下的可視化軟件工具，主要用于信號級的系統(tǒng)仿真，是電路與通信系統(tǒng)設(shè)計、仿真時強有力的動態(tài)系統(tǒng)分析工具。利用System View動態(tài)分析仿真平臺搭建了地域通信網(wǎng)的QPSK通信系統(tǒng)模型，并通過仿真給出高斯、單音、噪聲調(diào)頻、BPSK和QPSK五種干擾信號在該系統(tǒng)中的干擾效果和誤碼率。通過用System View對QPSK系統(tǒng)的仿真，可以看出單音和噪聲調(diào)頻是對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，所帶信息量多，而且能更經(jīng)濟有效地利用頻帶，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QPSK通信系統(tǒng)的抗干擾性能研究具有重要現(xiàn)實意義。

本文利用System View軟件平臺，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QPSK信號通信系統(tǒng)中不同形式的干擾樣式進行仿真[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信號分析

四相相移鍵控信號(QPSK)，是采用了四進制的數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)。對于矩形包絡(luò)的QPSK系統(tǒng)，其已調(diào)的信號的時域表達式為：

(1)

其中：

(2)

(3)

由此可見，信號可由兩路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部分組成。二進制信息編碼后經(jīng)過串-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，兩路信號通過加法器完成調(diào)制，產(chǎn)生QPSK信號并與干擾信號一同進入信道。解調(diào)部分采用的相干解調(diào)，濾除高頻的分量，經(jīng)過判決電路實現(xiàn)波形恢復(fù)，最終還原出原始信號，通過收發(fā)兩端的二進制序列的比對測試，計算出系統(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

整個QPSK系統(tǒng)的仿真模型包括三個部分。首先，將二進制序列進行QPSK編碼，產(chǎn)生傳送的信號；其次，信號在理想信道下的傳送，并加入各種干擾樣式。最后，就是對QPSK信號的解碼，恢復(fù)出原始的二進制序列。系統(tǒng)采樣率設(shè)為16.384MHz，Token3是PN序列仿真的二進制碼，速率為256kHz，經(jīng)過卷積編碼，具體實現(xiàn)如圖2所示。Token136采樣器采樣頻率為512kHz，而后通過串并變換子系統(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)碼元正好相隔一個碼元寬度被采樣，等到I路和Q路信號后相加完成QPSK調(diào)制，加法器后通過帶通濾波濾除帶外干擾，用同頻同相的正弦波與已調(diào)信號相乘，經(jīng)低通濾波器后抽樣判決，通過并串變換得到解調(diào)信號。

2.1 QPSK基帶信號的產(chǎn)生

數(shù)字信號由PN序列表示。經(jīng)過卷積編碼后經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換之后分別經(jīng)過采樣和保持產(chǎn)生奇序列和偶數(shù)列。接下來分別通過兩個正交載波調(diào)制，形成一對PSK信號，最后相加得到QPSK信號，調(diào)制信號如圖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)字信號作為輸入信號。因此，選取Source Library中的PN Freq圖符。當(dāng)系統(tǒng)速率為512kbps時，參數(shù)設(shè)定為：幅度為1V，頻率為256kHz，模擬數(shù)字信號。

卷積編碼器的模型設(shè)計和參數(shù)設(shè)置如下，卷積碼的輸出比特數(shù)為1，信息位長1，約束長度為7，時間偏置為0。

信號進行串并轉(zhuǎn)換時，使用兩個延時器，然后用采樣器和保持器，將信號的奇序列和偶序列分離出來。當(dāng)系統(tǒng)速率為512kbps時，一路延時器的延時時間為3.90625e-6 s，這樣保證采到偶序列。另外一路的延時時間是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、偶序列分別擴充成連續(xù)的信號。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，系統(tǒng)采用正交調(diào)制使用一個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的調(diào)制。

2.2 信號的相干接收

通過萊斯信道傳送后的信號經(jīng)帶通濾波后，分別通過兩個相干解調(diào)。然后解調(diào)之后的信號一路為同相信號，一路為正交信號。經(jīng)過判決之后，分別為原始的信號的奇序列和偶序列，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)兩端信號的相關(guān)性。元器件的選擇和參數(shù)的設(shè)定如下：

信號通過帶通濾波器后，采用相干解調(diào)。使用一個與QPSK信號正交調(diào)制相同的頻率的調(diào)制信號。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的解調(diào)。同時用濾波器把相干解調(diào)的2倍載波的信號濾除，只保留基帶信號。因此采用巴特沃斯低通濾波器，系統(tǒng)速率為512kbps時，截止頻率為256kHz，采樣速率16.384e+6 Hz。分別對解調(diào)濾波之后的同相信號和正交信號進行采樣和保持。

這里為了達到并串轉(zhuǎn)換，可對兩路信號輸入脈沖串，當(dāng)系統(tǒng)速率為512kbps時，頻率為256kHz，脈寬為1.953125e-6 s。這樣用它的高低電平1和0來對輸入的正交和同相信號作為奇、偶序列進行選擇和相加,形成一個完整的序列數(shù)據(jù)。

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

2.3 干擾樣式庫設(shè)計

System View仿真平臺提供了Source Library庫和Function Library庫，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模塊來搭建噪聲調(diào)頻干擾樣式。本文設(shè)計的干擾源模型包括高斯白噪聲、噪聲調(diào)頻信號、單音信號、BPSK信號和QPSK信號五種常用的干擾樣式。干擾信號產(chǎn)生后，通過增益器加入到信號中，進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BER的仿真時，設(shè)定每次循環(huán)后將干信比遞增1dB，即噪聲增加1dB。運行系統(tǒng)仿真，到系統(tǒng)分析窗口，對接收到的經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)信號，通過BER計數(shù)器與原始數(shù)據(jù)信號比較，求出循環(huán)一次所得到的誤碼率，不斷的改變噪聲增益來改變干信比，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，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，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，干擾信號使通信系統(tǒng)的誤碼率增大到25%時的干擾被認(rèn)為是有效的干擾，即達到干擾門限值。表1是五種干擾信號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，五種干擾信號對通信系統(tǒng)干擾，使其誤碼率達到25%時，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

通過用System View對QPSK系統(tǒng)的仿真，可以看出單音和噪聲調(diào)頻是對QPSK通信系統(tǒng)最有效的干擾樣式，而System View是系統(tǒng)仿真與分析的強有力的工具，有效利用它可以在短時間內(nèi)完成對系統(tǒng)的仿真與分析、設(shè)計，對于開展內(nèi)場系統(tǒng)的性能仿真研究并在系統(tǒng)上作進一步設(shè)計，提供了極大的便利。■

[1] 馬萬治.無線通信抗干擾技術(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]. 實驗技術(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的直序擴頻調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)仿真研究[J].延安大學(xué)學(xué)報,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實現(xiàn)對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(1982-)，男，工程師，碩士，主要從事通信對抗與網(wǎng)絡(luò)對抗工作。

TN975

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