基于多徑碼間干擾濾波的短波通信優(yōu)化

邸珩燁

摘 要：短波通信的通訊信號受到電臺與地面控制站之間的跳頻影響會造成多徑信道的碼間干擾，通過干擾濾波設計可提高短波通信的抗干擾能力，降低通信誤碼率。為此，文中提出了一種基于直接序列擴頻的短波通信多徑碼間干擾濾波算法，構(gòu)建了短波通信的多徑信道模型，并進行通信信號的時間尺度特征提取，采用PSK調(diào)制得到短波通信的偽隨機序列，基于二階自相關(guān)方法進行時延和尺度參量估計，同時構(gòu)建直接序列擴頻濾波器來實現(xiàn)多徑信號碼間干擾抑制。仿真結(jié)果表明，采用該算法能在低信噪比下有效實現(xiàn)通信信號的多徑干擾濾波，降低通信誤碼率，改善通信質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：短波通信；濾波；直接序列擴頻；PSK調(diào)制

中圖分類號：TN911 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）10-00-02

0 引 言

隨著科學的不斷發(fā)展，短波通信已經(jīng)成為世界軍事的重點研究方向，短波通信的原理是在大型無線電通信系統(tǒng)上配上跳頻電臺，通過跳頻電臺與地面控制站進行數(shù)據(jù)通訊，跳頻電臺通訊有抗干擾性強、保密性高、靈敏度高、傳輸距離遠、重量輕、體積小的特點，非常適用于短波通信的控制系統(tǒng)。短波通信通訊信號受到電臺與地面控制站之間的跳頻影響，造成多徑信道的碼間干擾，隨著短波通信的通訊信號干擾逐漸增多，抗干擾濾波技術(shù)的研究也在不斷受到人們的關(guān)注[1]，并越來越多地應用在實際中。

關(guān)于現(xiàn)階段對短波通信過程中的電子通訊信號抗干擾算法的研究，主要采用CPM迭代算法，首先，對干擾信號進行分析，CPM信號根據(jù)其頻率響應函數(shù)、指數(shù)、脈沖長度與多進制數(shù)形成響應函數(shù)[2]，在系統(tǒng)中，信息數(shù)據(jù)有相位的記憶作用，會自動記錄干擾的信號，從而形成迭代干擾估計系統(tǒng)，根據(jù)迭代估計值，判斷抑制短波通信通訊的干擾信號[3]。迭代算法就無法通過記憶體系對跟蹤信號進行削弱或排除，如果干擾信號為跟蹤式干擾，那么將會嚴重影響短波通信的通訊信號的傳播，從而造成非常嚴重的后果。針對上述問題，本文提出了一種基于直接序列擴頻的短波通信多徑碼間干擾濾波算法，首先構(gòu)建短波通信的信道模型，并進行多徑碼間干擾濾波算法設計，以此為基礎(chǔ)，采用偽隨機序列產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機序列，實現(xiàn)短波通信的信號抽取，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力。仿真實驗進行了性能驗證，展示了本文算法在提高短波通信空間增益，降低誤碼率方面的優(yōu)越性能，證明了此方法確實有效。

1 短波通信的多徑信道模型及信號分析

1.1 短波通信的多徑信道模型

大量研究表明，短波通信具有多徑效應，短波通信通訊信號受到電臺與地面控制站之間的跳頻影響，造成多徑信道的碼間干擾，為了實現(xiàn)干擾濾波，首先構(gòu)建短波通信的多徑信道模型[4]，假設發(fā)射機發(fā)送一個極窄的脈沖信號S0（t）=a0δ（t），發(fā)射信號沿各個路徑到短波通信發(fā)射臺的脈沖為：

（1）

其中，N為路徑個數(shù)，τi和ai分別為接收脈沖時延和衰減，wc為碼元周期載頻，在短波通信系統(tǒng)中，信道受到空變、時變等因素的影響，短波通信的信道時變多徑特性可表示為一種梯度的變化特征，具體如下：

（2）

其中，為常量特征值，將指向性增益特征值代入式（2）得到：

（3）

式中，Lgcb為信號干擾參數(shù)，則，其中表示為系統(tǒng)帶寬。短波通信的信噪比與頻率、傳播距離的關(guān)系具有自相關(guān)性，接收信號的寬度為T+Δ，由此導出大型短波系統(tǒng)的輸出信號最大信噪比為：

（4）

代入公式（3）得：

（5）

通過上述描述，計算短波通信的多徑信道最大傳輸時延和最小傳輸時延之間的差值，可實現(xiàn)信道模型構(gòu)建。由于接收信號中一個碼元的波形會擴展到其他碼元周期中，進而引起碼間干擾，故需要進行干擾濾波[5]。

1.2 通信信號特征分析

在上述進行信道模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，可進行通信信號的特征提取和分析，根據(jù)大量實測數(shù)據(jù)找出時延擴展的統(tǒng)計平均值，通過限定碼元速率來避免碼間干擾，在信號接收控制系統(tǒng)中，通信信號模型為：

（6）

其中，an（t）是第n條多徑信道接收陣元信道沖激響應，τn（t）為第n條路徑的通信距離，fc為調(diào)制頻率，sl（t）為時間擴展，通信信號的最小方差在滿足條件情況下輸出功率達到最小，則最小方差表達式為：

（7）

其中，G為約束矩陣，H為信號響應量，則輸出功率表示為：

（8）

式中，Qaa為輸入矢量差值的矩陣，其函數(shù)表示為：

（9）

在短波通信控制系統(tǒng)中，濾波器在某個方向上的響應為常數(shù)h，若設信號接收矢量為U，則約束信號接收值為LEU=h，根據(jù)以上計算，可得出短波通信信號自適應濾波抗干擾算法的最優(yōu)解為：

（10）

上述算法實現(xiàn)了短波通信信號的特征提取，使得短波通信信號具有較高的時間和頻率分辨力，從而為下一步進行多徑碼間干擾濾波算法設計奠定基礎(chǔ)。

2 多徑碼間干擾濾波優(yōu)化算法

本文在上述進行信號分析和信道模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，進行短波通信的多徑碼間干擾濾波設計，通過干擾濾波設計提高短波通信的抗干擾能力，降低通信誤碼率。本文提出一種基于直接序列擴頻的短波通信多徑碼間干擾濾波算法，算法改進設計關(guān)鍵技術(shù)描述如下：

假設短波通信信號源產(chǎn)生的信號a（t）為擴頻信號，短波通信過程中多徑碼元速率為Ra，隨機序列的碼元寬度為Ta，Ta=1/Ra，則a（t）為：

（11）

采用PSK調(diào)制可得到短波通信的偽隨機序列c（t），干擾信號JI（t）和其它網(wǎng)的擴頻信號sJ（t）同步時，有c（t）=c'（t），對于噪聲分量nI（t），碼流速率為Rc，經(jīng)解擴處理后，短波通信的碼間干擾切普寬度為Tc，Tc=1/Rc，則：

（12）

式中：cn為偽隨機碼碼元，取值+1或-1，基于二階自相關(guān)方法進行時延、尺度的估計，假設gc（t）為通信抗干擾濾波的門函數(shù)，信號的背景噪聲為加性色噪聲v（n），表示為高斯分布，設白噪聲是均值為零，方差為σ2的白噪聲序列，短波通信信號檢測為如下二元假設檢驗問題：

（13）

式中，r（t）為信號單邊指數(shù)分布，g（t）為回波信號，n（t）為均值為零、方差為σ2的復平穩(wěn)高斯白噪聲。由此得到直接序列擴頻濾波器的傳輸函數(shù)為：

（14）

通過上述算法描述可見，擴頻過程實質(zhì)上是信息流a（t）與偽隨機序列c（t）的模2加或相乘的過程，且Rc/Ra>>1，所以擴展后序列的速率仍為偽隨機碼速率Rc，通過直接序列擴頻濾波，實現(xiàn)對短波通信的抗干擾濾波，改善通信質(zhì)量。

3 仿真實驗

為了測試本文算法在實現(xiàn)短波通信干擾濾波和通信優(yōu)化中的性能，可進行仿真實驗。實驗的硬件環(huán)境為：Inter Pentium 43 000 MHz，內(nèi)存1.5G，顯卡為NVIDIA GeForce 9600，任意波形產(chǎn)生器（AWG2005），示波器（Agilent 54624A，ADS3034）。仿真軟件為Matlab7。仿真環(huán)境參數(shù)設為：短波通信信號發(fā)出間隔為F=L/2，圓陣半徑為R=L/2，入射平面波長為L，入射方向角度在0≤a<90°范圍內(nèi)，方位角在0≤b<360°范圍內(nèi)，噪聲比在-15～-25 dB之間，設置中頻為52.87 MHz，速率設置在9.2。產(chǎn)生噪聲的窄帶濾波器的帶寬參數(shù)ρ=0.96，采樣頻率為10倍載波頻率，觀測序列的長度取為3 000。迭代步長分別為0.003、0.005，0.003選擇平滑系數(shù)β=0.995。根據(jù)上述仿真環(huán)境和參數(shù)設計，構(gòu)建短波通信的多徑信道模型，在多徑信道中進行通信信號采集，得到的信號采集結(jié)果如圖1所示。

圖1 短波通信信號時域波形

從圖可見，原始的短波通信信號受到多徑碼間干擾，幾乎看不到信號的有用信息，需要進行碼間干擾抑制，采用本文算法進行直接序列擴頻濾波，進行信號抽取，得到多徑碼間干擾濾波后的通信信號輸出結(jié)果如圖2所示。

從圖2可見，采用本文算法有效實現(xiàn)了短波通信信號的碼間干擾濾波，在信噪比變?yōu)镾NR=-8.5 dB條件下仍然具有較好的空間增益，濾波輸出后可以看到信號的瞬時頻率和功率譜密度等有用特征，可見提高了通信質(zhì)量。為了對比算法性能，采用本文算法在低信噪比下分析通信誤碼率，得到的仿真結(jié)果如圖3所示，從圖3可見，采用本文算法可有效降低通信誤碼率，改善通信質(zhì)量，展示了較好的應用價值。

圖2 多徑碼間干擾濾波實現(xiàn)信號抽取后的輸出結(jié)果

圖3 通信誤碼率仿真結(jié)果

4 結(jié) 語

為了改善短波通信性能，本文提出一種基于直接序列擴頻的短波通信多徑碼間干擾濾波算法，構(gòu)建短波通信的多徑信道模型，并進行通信信號的時間尺度特征提取，采用PSK調(diào)制得到短波通信的偽隨機序列，基于二階自相關(guān)方法進行時延、尺度參量估計，構(gòu)建直接序列擴頻濾波器，實現(xiàn)多徑信號碼間干擾抑制。仿真結(jié)果表明，采用該算法能在低信噪比下有效實現(xiàn)通信信號的多徑干擾濾波，降低了通信誤碼率，改善了通信質(zhì)量。

參考文獻

[1]鄧異，梁燕，周勇.水聲換能器基陣信號采集系統(tǒng)優(yōu)化設計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015，5（4）：36-37，41.

[2]劉家亮，王海燕，姜喆，等.垂直線列陣結(jié)構(gòu)對PTRM陣處理空間增益的影響[J].魚雷技術(shù)，2010，18（4）： 263-267.

[3]葛立志.基于全彈道控制分析的水下航行器攻擊模型視景仿真[J].艦船電子工程，2015，35（3）：137-141.

[4]李瑞國， 張宏立， 王雅. 基于量子粒子群優(yōu)化算法的新型正交基神經(jīng)網(wǎng)絡分數(shù)階混沌時間序列單步預測[J]. 計算機應用， 2015， 35（8）： 2227-2232.

[5]孟慶昕，楊士莪，于盛齊.基于波形結(jié)構(gòu)特征和支持向量機的水面目標識別[J]. 電子與信息學報， 2015， 37（9）： 2117-2123.