直擴(kuò)通信系統(tǒng)抗窄帶干擾技術(shù)研究與仿真

姜恩光，張福洪

(杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，杭州310018)

直擴(kuò)通信系統(tǒng)本身有一定的抗干擾能力，但在強(qiáng)干擾條件下，干擾強(qiáng)度容易超出其干擾容限。因此需要通過有效的干擾抑制技術(shù)提高系統(tǒng)性能。干擾抑制的基本思想就是采取措施在直擴(kuò)信號(hào)解擴(kuò)之前把強(qiáng)干擾能量消除。目前常用的干擾抑制技術(shù)主要分為基于預(yù)測(cè)的干擾抑制技術(shù)和變換域干擾抑制技術(shù)。這兩種技術(shù)各有其特點(diǎn)，許多文章對(duì)此作了深入研究［1］。FFT(Fast Fourier Transformation)重疊變換干擾抑制算法是一種廣泛應(yīng)用的變換域干擾抑制技術(shù)。它能有效降低因數(shù)據(jù)截?cái)嘁鸬念l譜泄漏，減少因加窗引入的信噪比損耗。

1 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)建模

擴(kuò)頻通信系統(tǒng)是指將傳輸信息的頻譜用某個(gè)特定的擴(kuò)頻函數(shù)擴(kuò)展后成為寬帶信號(hào)，然后送入信道中傳輸，再利用相應(yīng)的手段將其解擴(kuò)，從而獲得傳輸信息的系統(tǒng)。直接序列擴(kuò)頻是應(yīng)用最為廣泛的一種擴(kuò)頻體制［2］。圖1 給出了本文所建立的直擴(kuò)通信系統(tǒng)模型的原理框圖。

圖1 直擴(kuò)通信系統(tǒng)原理框圖

2 FFT 重疊變換干擾抑制算法分析

FFT 重疊變換干擾抑制算法的原理是窄帶干擾相對(duì)于擴(kuò)頻信號(hào)能量集中在很窄的頻帶內(nèi)，所以可以先將混合信號(hào)變換到頻域，檢測(cè)出干擾的頻譜位置，將這些譜線去掉或進(jìn)行衰減，最后反變換還原成時(shí)域信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)［3］。其原理框圖如圖2 所示。

圖2 FFT 重疊變換實(shí)現(xiàn)框圖

在各種頻域陷波算法中，都必須在FFT 運(yùn)算前對(duì)時(shí)域信號(hào)序列進(jìn)行加窗處理。如果不加窗，進(jìn)行N 點(diǎn)FFT 運(yùn)算就相當(dāng)于對(duì)時(shí)域信號(hào)加1 個(gè)N 點(diǎn)矩形窗，矩形窗的第1 旁瓣只比主瓣低13.46 dB，對(duì)于比有用信號(hào)大幾十分貝的干擾來說，它的旁瓣也比信號(hào)大得多，這樣就造成了干擾信號(hào)的頻譜泄漏，使整個(gè)信號(hào)頻域都被干擾污染了。因此，為了減小干擾的頻譜泄漏，必須采用旁瓣比較低的窗函數(shù)［4］。表1 給出了幾種主要窗函數(shù)的旁瓣特性。

表1 常用窗函數(shù)比較 單位:dB

綜上分析，考慮到直擴(kuò)通信系統(tǒng)工作環(huán)境的復(fù)雜性，仿真中使用旁瓣衰減較大的布萊克曼窗，以達(dá)到抗強(qiáng)干擾的目的。

但同時(shí)，在直擴(kuò)通信系統(tǒng)頻域抗干擾算法中，通常對(duì)輸入數(shù)據(jù)分段進(jìn)行N 點(diǎn)FFT 變換，分段數(shù)據(jù)周期延拓后的非連續(xù)性導(dǎo)致頻譜泄漏現(xiàn)象，通常可以采用對(duì)分段數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗的方法減小頻譜泄漏。從時(shí)域看，加窗實(shí)質(zhì)上是對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)，窗函數(shù)從中心向兩端逐步衰減，保證了數(shù)據(jù)段兩端的平滑，從而達(dá)到減小頻譜泄漏的目的。然而加窗卻會(huì)使輸入信號(hào)發(fā)生畸變，使進(jìn)行FFT 變換的數(shù)據(jù)段兩端嚴(yán)重衰減，從而帶來額外的信噪比損耗。假設(shè)窗函數(shù)為［w(n)，n=1，2，…，N］，定義加窗引入的信噪比損耗為式(1)

文獻(xiàn)［5］分析了不同形式的窗函數(shù)所帶來的信噪比損耗。當(dāng)N 取512 時(shí)，常用的海明窗所引入的信噪比損耗為1.35 dB，布萊克曼窗引入的信噪比損耗為2.38 dB。為了減小加窗所帶來的信噪比損耗，本文所采用的方法是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行1/4 重疊加窗。其原理框圖如圖3 所示。

圖中x(n)是包含窄帶干擾的幀數(shù)據(jù)流，y(n)是經(jīng)過重疊加窗和干擾抑制處理之后的恢復(fù)數(shù)據(jù)。在x(n)連續(xù)的碼流中，由于一幀的邊緣部分受到的影響最大，所以對(duì)于每個(gè)FFT 幀，只取其中間的部分，而丟掉邊緣部分。將一幀分為8 份，任何一幀主要受影響的是前后3/8 幀，中間的1/4 幀受影響最小，也就是說一幀最可靠部分是它中間的1/4 幀。將4 路時(shí)延分別差1/4 幀的數(shù)據(jù)段處理疊加就可以起到互為補(bǔ)充的作用。由圖4 可以看出，4 路延時(shí)抗干擾后的信號(hào)相加，其幀信號(hào)兩端的衰減在對(duì)齊合并之后基本消除了，因而極大地克服了由加窗引入的信噪比損耗。

圖3 1/4 重疊加窗和干擾抑制原理框圖

圖4 各支路抗窄帶干擾后的波形及4 路疊加后信號(hào)波形

為保證門限確定的自適應(yīng)性［6］，通常根據(jù)當(dāng)前一次或多次FFT 變換的值來確定門限。門限的確定可以用下式(2)表示

式中，Thmin是最小的門限值，是沒有干擾時(shí)信號(hào)的幅度值;M 是FFT 變換的次數(shù);NFFT是FFT 變換的長度;η 是衰減系數(shù)。ui，m是輸入信號(hào)x(n)和窗函數(shù)W(n)相乘之后的FFT 變換的值。對(duì)于超過門限值的譜線通常認(rèn)為是含有干擾信號(hào)的譜線，對(duì)這些譜線置零。

3 系統(tǒng)仿真與分析

為了驗(yàn)證FFT 重疊變換干擾抑制算法的有效性，通過Matlab/Simulink 搭建完整的直擴(kuò)通信系統(tǒng)模型［7］，在所建立的直擴(kuò)通信系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行算法仿真。仿真采用BPSK 調(diào)制方式，信源碼速率為1 kbit/s，擴(kuò)頻碼長255，調(diào)制載波510 kHz，信道為高斯白噪聲信道。多音干擾由3 個(gè)單音干擾相加，信干比均為－30 dB，中心頻率分別為310 kHz、510 kHz 和710 kHz。算法中進(jìn)行1 024 點(diǎn)的FFT 變換，衰減系數(shù)η 取0.3，M 取2。圖5 ～圖6 給出了多音情況下算法的處理效果。從圖中可以看出，窄帶干擾基本消除。

圖5 加多音干擾后的信號(hào)頻譜圖

圖6 多音干擾抑制后的信號(hào)頻譜圖

通過Monte Carlo 法來估計(jì)系統(tǒng)的誤碼率性能［8］。圖7 為系統(tǒng)的誤碼率曲線，為了便于進(jìn)行性能比較，圖中同時(shí)給出了無干擾時(shí)的碼率曲線，多音干擾下的誤碼率曲線以及加入抗干擾算法后的誤碼率曲線。從圖中可以看出，加入抗干擾算法后，系統(tǒng)的誤碼率明顯改善。

圖7 系統(tǒng)誤碼率曲線

4 結(jié)束語

本文通過構(gòu)建直擴(kuò)通信系統(tǒng)模型來研究抗窄帶干擾的方法。給出了加窗和數(shù)據(jù)截?cái)鄬?duì)信號(hào)產(chǎn)生的影響，研究分析了一種改進(jìn)型的重疊變換干擾抑制算法。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明，該算法有效抑制了窄帶干擾，改善了系統(tǒng)的誤碼率性能，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

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