DSSS技術(shù)對不同干擾樣式干擾信號抗干擾性能分析

周揚(yáng)偉, 李岱若, 楊雅雯

(1.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院, 湖北 武漢　430033；2.海軍航空兵學(xué)院， 遼寧 葫蘆島　125001)

1　DSSS技術(shù)抗干擾能力分析

針對衛(wèi)星通信系統(tǒng)來說,分配帶寬內(nèi)DS擴(kuò)頻通信,就是將待傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)信息用偽隨機(jī)碼c(t)擴(kuò)展到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器分配給艦載站的載波頻帶對應(yīng)的載波速率上,然后經(jīng)調(diào)制變頻后送到無線信道中,在艦載站接收端通過DS解擴(kuò)處理,將輸入的寬帶有用信號的頻譜恢復(fù)為原信號帶寬,而頻帶較寬的干擾信號頻譜則被進(jìn)一步擴(kuò)展,通過DS解擴(kuò)模塊后的窄帶濾波器可以將大部分干擾信號濾除[1-2],實(shí)現(xiàn)DSSS對干擾的抑制。DS擴(kuò)頻通信的頻譜示意圖如圖1所示。

為定量地分析最低限度通信模式的抗干擾的能力,需要引入一個(gè)重要的參數(shù):擴(kuò)頻處理增益Gp,Gp代表通過頻譜擴(kuò)展前后系統(tǒng)信噪比的變化程度,可表示為未擴(kuò)頻信號的功率密度與擴(kuò)頻后信號的功率密度之比[3],Gp近似表達(dá)式為

(1)

式中,L為直擴(kuò)序列偽隨機(jī)碼長度,Tch碼片周期,Rch為碼片速率,Tb為信息周期,Rb為信息比特速率。

對于衛(wèi)星通信系統(tǒng)來說,固定站和艦載站之間一般開通1Mbps或2Mbps速率的干線網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸,由文獻(xiàn)[4]可知,使一路話音或者一路數(shù)據(jù)可以正常傳輸?shù)淖畹蛿?shù)據(jù)速率為2.4kbps。因此對于開通1Mbps或2Mbps速率的衛(wèi)星通信系統(tǒng)使用分配帶寬內(nèi)DSSS抗干擾技術(shù)可以獲得的處理增益Gp的dB形式為:

圖1　擴(kuò)頻處理前后的頻譜示意圖

(2)

(3)

處理增益Gp表征了DSSS技術(shù)的抗干擾能力。但是實(shí)際上不同干擾樣式的干擾信號產(chǎn)生對DSSS系統(tǒng)的干擾效果是不同的,表現(xiàn)在同一個(gè)DSSS系統(tǒng)達(dá)到相同的干擾效果(相同系統(tǒng)誤碼率)時(shí)不同干擾樣式干擾信號需要達(dá)到不同的干信比。

本文主要分析針對壓制性干擾:點(diǎn)頻干擾、多頻干擾、部分頻帶干擾、全頻帶干擾對DSSS技術(shù)的干擾效果進(jìn)行分析。

1.1　點(diǎn)頻干擾

窄帶干擾的產(chǎn)生方式有很多,比如AR信號模型、隨機(jī)二元碼調(diào)制模型、點(diǎn)頻干擾模型[5]。其產(chǎn)生的干擾信號的頻譜特征都很相似,表現(xiàn)為頻域上極窄能量極高的干擾信號,其中點(diǎn)頻干擾是窄帶干擾的極限情況。

點(diǎn)頻干擾(CWI)信號表現(xiàn)為在某一特定頻點(diǎn)通信信號的功率大幅度增加,而其他頻點(diǎn)的功率則無變化,其時(shí)域連續(xù)、頻域單一。其數(shù)學(xué)模型如下:

(4)

式中,Pj代表正弦波的功率;f1表示干擾信號的頻率;ψ代表在區(qū)間[0,2π]服從均勻分布的隨機(jī)相位。

可以求得點(diǎn)頻干擾信號的自相關(guān)函數(shù)為:

Rj=Pjcos2πf1τ

(5)

因此點(diǎn)頻干擾的功率譜密度函數(shù)為[6]

(6)

不同干擾樣式的干擾信號的功率譜密度Nj0是不一樣的,因此決定了不同干擾樣式下,通信系統(tǒng)干信比JSR和系統(tǒng)的誤碼率Pe關(guān)系是不同的。下面計(jì)算點(diǎn)頻干擾的功率譜密度Nj0:

(7)

因此由文獻(xiàn)[7]可知點(diǎn)頻干擾下未編碼BPSK調(diào)制的通信系統(tǒng)的誤碼率表達(dá)式為

(8)

圖2　點(diǎn)頻干擾的時(shí)域波形和功率譜圖

1.2　多頻干擾

多頻干擾(MWI)可看作是一定頻帶寬度內(nèi)的多個(gè)點(diǎn)頻干擾的組合，可分為等幅等間隔和非等幅非等間隔。在保持總的干擾功率一定的情況下,本文選擇等幅等間隔情況進(jìn)行分析。采用頻分體制,在時(shí)域連續(xù)干擾,其時(shí)域表示式為[8]

(9)

式中,A為振幅,Δf為步進(jìn)頻率,N為發(fā)出多頻干擾的干擾音個(gè)數(shù)。

在相同干擾功率下,對于單載波系統(tǒng)來說,單頻干擾和多頻干擾的干擾效果相似,但多頻干擾的功率分配更靈活,更加有利于對多載波系統(tǒng)進(jìn)行干擾。

圖3　多頻干擾的時(shí)域波形和功率譜圖

1.3　全頻帶噪聲干擾

根據(jù)噪聲信號和信號帶寬的相對關(guān)系,可以把噪聲干擾分為全頻帶噪聲干擾和部分頻帶噪聲干擾。

全頻帶噪聲干擾是將噪聲能量產(chǎn)生的干擾帶寬Wj覆蓋在目標(biāo)信號的整個(gè)頻帶Wp上,即Wj=Wp,這種干擾又稱作全頻帶干擾。本文采用高斯白噪聲通過帶通濾波器來產(chǎn)生寬帶噪聲干擾:

NJ(t)=(σJ2×n(t))?hb(t)

(10)

的高斯白噪聲;?代表卷積運(yùn)算;hb(t)為帶通濾波器沖擊響應(yīng)。

干擾信號的功率定義為[9]

(11)

式中，NJ0為寬帶噪聲干擾單邊帶功率譜密度;WJ為寬帶噪聲干擾帶寬。

圖4　全頻帶噪聲干擾的時(shí)域波形和功率譜圖

1.4　部分頻帶干擾

取WJ=0.1MHz,σJ2=1,中心頻率f0=30MHz時(shí)的部分頻帶噪聲干擾信號的時(shí)域波形和頻域功率譜密度波形如圖5所示。

圖5　部分頻帶噪聲干擾的時(shí)域波形和功率譜圖

部分頻帶噪聲干擾的功率譜密度函數(shù)為[10]

(12)

因此部分頻帶噪聲干擾下BPSK調(diào)制通信系統(tǒng)的誤碼率表達(dá)式為

(13)

式中Tj=1/Rj=1/ρRb,全頻帶干擾時(shí)ρ=1,Tj=Tc,其BPSK調(diào)制通信系統(tǒng)的誤碼率表達(dá)式為

(14)

2　四種干擾樣式對DSSS系統(tǒng)干擾效果

由前述分析可知：不同干擾樣式的干擾信號作用于DSSS系統(tǒng)時(shí)其干擾效果是不同的,也就是使系統(tǒng)達(dá)到相同的誤碼率時(shí)不同干擾樣式所需的干信比是不同的,接下來根據(jù)上面不同干擾樣式的誤碼率修正公式仿真分析干擾樣式對DSSS系統(tǒng)的干擾效果。

在編碼方式為3/4卷積碼,調(diào)制方式為BPSK調(diào)制,信噪比Eb/N0=10dB,編碼增益Gc=1.8dB條件下,對2.4kbps的數(shù)據(jù)進(jìn)行2MHz分配帶寬內(nèi)進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻,由式(3)可知此時(shí)擴(kuò)頻增益Gp約為29.2dB。設(shè)置變量JSR從10dB到50dB以1dB差值步進(jìn),對上述四種不同類型的干擾信號作用下的干信比-誤碼率公式進(jìn)行仿真,可得到點(diǎn)頻干擾、多頻干擾、ρ=0.5部分頻帶干擾、全頻帶干擾四種干擾樣式下的干信比-誤碼率關(guān)系如圖6所示。

圖6　不同干擾樣式下干信比-誤碼率關(guān)系圖

由圖6可知,不同干擾樣式的干擾信號作用于3/4卷積碼DS/BPSK系統(tǒng)時(shí),DSSS系統(tǒng)的干信比-誤碼率曲線趨勢基本相同。但相同干擾功率下達(dá)到的干擾效果是不同的,列出干擾使DSSS系統(tǒng)達(dá)到門限誤碼率[Pe]th=1×10-4時(shí),不同樣式干擾信號所需的干信比如表1所示。

點(diǎn)頻和多頻干擾信號使系統(tǒng)達(dá)到門限誤碼率時(shí)所需的干信比最小,約為22.7dB左右,相差小于0.1dB;和部分頻帶干擾信號使系統(tǒng)達(dá)到門限誤碼率時(shí)所需的干信比相比相差大約1dB。全頻帶干擾使系統(tǒng)達(dá)到門限誤碼率時(shí)所需的干信比最大,約為24.6dB,與點(diǎn)頻干擾相差2dB左右。

表1　不同干擾樣式信號對系統(tǒng)的影響

仿真表明了DSSS系統(tǒng)對點(diǎn)頻干擾和多頻干擾的抑制能力低于全頻帶干擾抑制能力大約2dB,DSSS系統(tǒng)抵御窄帶干擾能力相對來說比較差。因此針對載波內(nèi)DSSS技術(shù)抗窄帶干擾能力有限的問題,運(yùn)用窄帶干擾抑制技術(shù)在DS接收機(jī)相關(guān)解擴(kuò)處理前添加窄帶干擾抑制模塊,可以提高DSSS系統(tǒng)抗干擾能力。

干擾差異產(chǎn)生的主要原因?yàn)辄c(diǎn)頻或者窄帶干擾相對于寬頻帶干擾來說能量相對集中,當(dāng)處理增益不夠時(shí),DSSS技術(shù)對干擾信號的展擴(kuò)效果不夠,故相同干擾功率時(shí)點(diǎn)頻或窄帶干擾將對DSSS系統(tǒng)產(chǎn)生更大的影響。

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