OFDM-FH自適應抗干擾技術研究

唐 正，楊 凡，毛海偉，高乙文，張田田

(1.國家電網湖北省隨州供電公司， 湖北 隨州 441300；2.中國航天科工航天發展重慶金美通信有限責任公司， 重慶 400030；3.重慶大學 通信工程學院， 重慶 400044；4.中國移動通信集團重慶有限公司， 重慶 400044；5.重慶科技學院 化學化工學院， 重慶 400044)

隨著戰術通信對業務速率的需求越來越高，傳輸帶寬也隨之不斷增加，干擾信號對頻帶的污染變得越來越普遍，因此寬帶通信的抗干擾成為戰術通信中亟需解決的問題[1]。OFDM技術由于其數據傳輸速率高、頻譜利用率高、可對抗頻率選擇性衰落和窄帶干擾等特點被廣泛應用于戰術互聯網中，而跳頻(FH)的突出特點是抗干擾性能優異，這兩種技術的結合不但可滿足戰術通信中靈活的多址組網方式和大業務數據的需求，又可極大提高系統的抗干擾能力[2-4]。因此，OFDM-FH是一種適合寬帶無線軍事通信的有效傳輸方式。

本文在OFDM-FH系統的基礎上提出了一種傳輸帶寬內的自適應技術，可對干擾頻點做出檢測，在未被干擾的OFDM子帶內分配業務數據，提高OFDM-FH系統的抗干擾性能。

1 OFDM-FH的自適應系統結構

OFDM-FH自適應系統由圖1所示的模塊組成： OFDM基帶信號產生模塊、跳頻模塊、信道干擾模塊、解跳模塊、跳頻自適應控制模塊和OFDM基帶信號恢復模塊。

圖1 OFDM-FH自適應系統

1.1 OFDM基帶信號產生模塊

每個OFDM符號是多個經過調制的子載波信號的疊加，用N表示子信道的個數，d表示一個OFDM子幀的數據，si(i=0,1,…,N-1)表示分配給一個子幀的數據符號，fi表示載波頻率，則從t=ts開始的OFDM符號的等效基帶信號可表示為[2]：

(1)

1.2 跳頻模塊

OFDM-FH的跳頻是在每一個跳頻頻點傳輸一個OFDM子幀，如圖2所示。其中跳頻序列由跳頻碼發生器產生，頻率合成器生成跳頻頻點。設在某個發射頻點的一個周期[0,Ts]內，傳輸M個子幀(d0,d1,…,dM-1)，dk=ak+bk,其中ak、bk分別為同向分量和正交分量。第k個子幀dk調制到第i個跳頻載波，則在跳頻時發射的OFDM信號可表示為

(2)

式中：g(t)為每個子幀的脈沖成形；fi在跳頻頻率集F中任意取值。

1.3 信道和干擾信號

OFDM的基帶信號在跳頻調制后經過信道、受到干擾后，可以表示為

(3)

其中：h(t,r)為信道的沖擊響應；n(t)為加性高斯白噪聲；J(t)為干擾信號，本文采用的J(t)分為多音干擾和部分頻帶干擾。

1.4 解跳模塊

假設收發兩端的跳頻圖案已經完成同步，解跳模塊產生和跳頻模塊相同的跳頻序列，經過信道的OFDM-FH信號在通過混頻器和帶通濾波器后，得到的解跳信號為

(4)

1.5 跳頻自適應控制模塊

對經過解調的OFDM-FH信號進行解跳，還原OFDM信號。為了測試OFDM信號每個子信道的信道質量，在發送端每個子幀的最后一個符號發送空子載波，在接收端進行解跳后根據空載波估算出每個子信道的信噪比[SNR0,SNR1,SNR2,…,SNRN]，并使用該估計值與檢測門限進行比較，超過門限的子信道數為Nth，γ=Nth/N，γth為信道質量的判決門限。

自適應控制算法流程如圖3所示。

圖3 自適應控制算法流程

1.6 OFDM信號的恢復模塊

經過干擾的信號在通過解跳和帶通濾波器后，接收機在[iTs,(i+1)Ts]內對接收信號做FFT以及數字解調和解碼處理，恢復出OFDM每個子載波上承載的數據信息。

2 系統性能與仿真分析

為了測試系統性能，采用Matlab對上述模型進行仿真，仿真的系統參數配置見表1。

表1 OFDM-FH自適應系統的參數配置

2.1 單音干擾時的系統性能

單音干擾信號可以表示為

(5)

式中：J為單音干擾的功率；φ為單音干擾的相位。由文獻可得系統的誤碼率為[5]

(6)

OFDM-FH和OFDM-FH自適應系統的單音干擾誤碼率的表達式可以通過仿真得到。

圖4是OFDM信號在跳頻頻點2.4 GHz的帶內遭受單音干擾時的頻譜，圖5為帶內遭受單頻干擾時3種不同系統的性能曲線。由仿真結果可以看出：無論是OFDM-FH系統還是OFDM-FH自適應系統，對帶內單頻點的干擾是有效的，雖然兩者在單音干擾情況下性能差異不大，但相對OFDM系統來說，高斯白噪聲信道下有近1dB的性能提升。

圖4 受到單音干擾的OFDM-FH信號

圖5 3種系統在單音干擾時的性能

2.2 多音干擾時的系統性能

對于多音干擾，干擾機將其總的干擾功率J均勻分布在Nt=Nρ個不同的子載波頻率fi上，其中干擾因子ρ表示干擾音與子載波頻率個數之比。多音干擾表達式為[3]

(7)

為了對比3種系統對抗多音干擾的性能，本文仿真了N=7時的OFDM信號， OFDM信號在跳頻頻點為2.1 GHz時遭受多音干擾時的頻譜如圖6所示。

圖6 受到多音干擾的OFDM-FH信號

多音干擾可以看作在帶內同時遭受多個單音干擾的疊加，由于干擾音的隨機性， OFDM不具備對抗多音干擾的能力。由圖7可以看到：OFDM-FH的系統由于采用了FH技術可以有效地避開干擾，特別是采用OFDM-FH自適應的算法后可以有效檢測出被污染的頻點，并反饋到發端。結合FH技術，有針對性地從跳頻圖案中剔除干擾頻點，使得盡可能少的頻點遭受干擾。由圖7可以看出：OFDM-FH的自適應性能最好，較OFDM-FH有1 dB的增益，較OFDM有3 dB的增益。

圖7 3種系統在單音干擾時的性能

2.3 部分頻帶干擾時的系統性能

對于部分頻帶干擾，假定工作頻帶為W，干擾機發送噪聲的額定功率為J，干擾因子為ρ(0≤ρ≤1)，干擾帶寬為WJ，則WJ=ρ*W。當ρ=1時為寬帶干擾，當0<ρ<1時為部分頻帶干擾[7-8]。圖8仿真了ρ=0.2時OFDM信號在跳頻頻點2.1 GHz遭受到部分頻帶干擾時的頻譜。WJ=ρ*W，當ρ=1時為寬帶干擾，當0<ρ<1時為部分頻帶干擾[7-8]。圖8仿真了ρ=0.2時OFDM信號在跳頻頻點2.1 GHz遭受到部分頻帶干擾時的頻譜。

圖8 受到部分頻帶干擾的OFDM-FH信號

部分頻帶干擾直接表現為某些連續的碼元錯誤。遭受到部分頻帶干擾時，無論怎樣改變跳頻圖案，總有一些頻點會被干擾。經過OFDM-FH自適應算法把干擾頻點反饋到發端，當跳頻模塊遍歷完當前跳頻頻率集中的所有頻點后依然判定為“壞信道”時，可通過子信道質量檢測確定被干擾的子信道并通知發端不分配業務數據給被干擾的子信道，從而盡可能保證在未被干擾的子信道中傳輸數據。由圖9可以看出，OFDM-FH自適應系統對抗部分頻帶干擾較OFDM-FH系統和單純的OFDM系統均有較大的優勢。仿真結果表明：OFDM-FH自適應系統比OFDM-FH系統有3 dB的誤碼提升，比單純的OFDM約有7 dB的誤碼提升。

圖9 3種系統在部分頻帶干擾時的性能

3 結束語

本文提出一種OFDM-FH自適應算法，在單音干擾、多音干擾和部分頻帶干擾時，分別對比OFDM系統、OFDM-FH系統和OFDM-FH自適應系統的性能。仿真結果表明：OFDM-FH自適應系統經過3種干擾源時均有較好的性能，特別是在部分頻帶干擾情況下抗干擾能力明顯。較OFDM-FH系統有1～3 dB的誤碼性能提升，較OFDM系統有3～7 dB的誤碼性能提升。因此，OFDM、跳頻和自適應技術的結合將有效提高寬帶通信抗干擾的性能。

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