擴頻增益與頻域陷波性能關系分析

張有志，陳敬喬，寇辰光

(1.海裝裝備項目管理中心，北京 100166;2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

擴頻通信在衛星通信系統中發揮著不可替代的重要作用，但是隨著科技的發展，擴頻通信面臨著強干擾環境下如何保證通信可靠性的問題。雖然擴頻通信系統本身具有較強的抗干擾能力，但受接收機帶寬的限制，系統處理增益不可能無限提高，而惡意干擾功率往往較大，僅依靠系統處理增益，無法滿足接收端對信噪比的要求[1-3]。為進一步提升擴頻通信系統抗干擾能力，研究擴頻通信抗干擾技術顯得尤為必要[4-7]。

CDMA通信系統如何有效抑制窄帶干擾是信號抗干擾技術領域的重要課題。近20 年來，國內外相繼有許多窄帶干擾抑制算法被提出，目前常用的抗窄帶技術主要有時域抗干擾和頻域抗干擾技術。時域抗干擾技術實現簡單，但時域抗干擾算法需要長時間的迭代才能達到穩定狀態，無法跟蹤快變干擾，當干擾的個數增加或能量改變時，干擾能力迅速下降。頻域抗干擾技術不需要收斂過程，能對快時變干擾迅速做出反應，且對干擾模型不敏感，比較適合用于快時變窄帶干擾抑制。本文對頻域抗干擾技術進行了建模仿真，可為工程實踐中抗窄帶干擾算法的設計提供參考依據[8-10]。

1 窄帶干擾抑制模型

窄帶干擾示意圖如圖1所示。窄帶干擾具有高功率譜密度和易于實現的特點，只需要幾個窄帶干擾就可以覆蓋或是淹沒一定帶寬的有用信號，當窄帶干擾能量較大時，將目標信號淹沒在干擾中，這將顯著降低接收能力，影響通信質量。

圖1 窄帶干擾示意圖Fig.1 Narrow-band interface

時域抗干擾技術和頻域抗干擾技術均可實現窄帶干擾抑制，提高系統的抗干擾能力，2種方式統稱為變換域干擾抑制技術[11-15]。變換域干擾抑制原理如圖2所示。

圖2 變換域干擾抑制原理框圖Fig.2 Transform domain interference suppression

變換域干擾抑制技術利用干擾與信號不同的變換域特性，在變換域上選擇合適的閾值，通過抑制干擾分量，實現抗干擾[16-20]。

頻域抗干擾算法具有較好的抗窄帶干擾效果，相比于時域自適應干擾抑制技術，有處理步驟簡單，速度更快等優點。該算法的依據是，相對于擴頻信號，窄帶干擾的能量集中在較窄的頻帶，在頻域上，擴頻信號的頻譜比較平坦，而窄帶干擾的頻譜卻呈現出一個較窄的尖峰。將混有窄帶干擾的導航信號通過FFT變換到頻域后，可以很容易地檢測到干擾譜線對應的位置，將這些譜線置零，然后再做IFFT變換回時域，就會獲得抑制了窄帶干擾的導航信號。

在實際應用中，由于需要對信號每次選取一段進行處理，勢必會發生頻譜泄露現象，故要對信號進行加窗，同時為了避免加窗導致的信噪比降低，一般采用如下方法進行處理，算法原理框圖如圖3所示。

圖3 頻域陷波原理框圖Fig.3 Principle diagram of frequency domain notch filter

從圖3可以看出，信號處理詳細流程對輸入信號進行時域加窗，在這一步中，窗函數的選擇為hanning 窗。通過加窗，可以平滑頻譜，即弱化頻譜邊緣處的不連續性，這樣降低經過時域濾波后信號主瓣能量泄露。

當判決門限生成之后，超過門限值的譜線通常認為是含有干擾信號的譜線，對這些譜線的處理一般采用以下方式：將該頻點(窄帶干擾的頻點) 譜線置零，認為大于門限的譜線完全是干擾信號，徹底去掉。由于窄帶干擾的帶寬遠小于 LFM 信號的帶寬，所以，置零法對信號的損失并不大。

綜上所述，該頻域陷波算法將混疊信號變換到頻域，在頻域中進行包絡檢波，進而得到精確的干擾信號信息，最后根據干擾信號信息在相應頻率位置進行抑制處理，達到抗窄帶干擾的效果。

2 性能仿真

為了驗證頻域抗干擾算法性能，以及不同擴頻增益對該算法的影響，針對不同比例的頻譜置零進行了算法仿真。

在擴頻增益為32，64條件下，設置信號調制方式為BPSK調制，噪聲為高斯白噪聲，在信號頻譜相同位置分別將5%，10%，15%和20%的頻譜置零，通過仿真，得到的誤碼曲線結果如圖4和圖5所示。

圖4 擴頻增益為32的誤碼曲線Fig.4 BER performance of spreading factor 32

圖5 擴頻增益為64的誤碼曲線Fig.5 BER performance of spreading factor 64

由圖4和圖5可知，與理論解調性能相比，將信號頻譜一定比例置零后，解調性能會相應變差，并且隨著頻譜置零比例的增大解調性能隨之惡化。當頻譜置零比例在10%條件下，擴頻增益為32時的解調性能下降約1.5 dB，擴頻增益為64時的解調性能下降約1 dB；頻譜置零比例在20%條件下，擴頻增益為32時的解調性能下降接近3 dB，擴頻增益為64時的解調性能下降約2 dB。

由圖4和圖5對比可知，擴頻增益為32條件下的解調性能惡化程度相較于擴頻增益為64條件下的惡化程度明顯嚴重，說明擴頻增益越大，頻譜置零后對解調性能的影響越小。

要想驗證不同擴頻增益與頻域干擾算法性能的關系，還需進一步仿真分析。在擴頻增益為128，512條件下分別進行了仿真實驗。同樣設置信號調制方式為BPSK調制，噪聲為高斯白噪聲，并在信號頻譜相同位置分別將5%，10%，15%，20%的頻譜置零，仿真誤碼曲線，結果如圖6和圖7所示。

圖7 擴頻增益為512的誤碼曲線Fig.7 BER performance of spreading factor 512

由圖6和圖7可知，當頻譜置零比例在10%條件下，擴頻增益為128時的解調性能下降不足1 dB，擴頻增益為512時的解調性能下降約0.5 dB；頻譜置零比例在20%條件下，擴頻增益為128時的解調性能下降小于2 dB，擴頻增益為512時的解調性能下降約1 dB。通過對比進一步說明在相同的頻譜置零條件下，擴頻增益越大對解調性能影響越小。

為了通過數據更加準確地比較不同擴頻增益下頻譜置零對解調性能的影響，以信噪比為6 dB為例，對解調性能數據進行比較整理，結果如表1所示。由表1可以看出，相同頻譜置零條件下，解調性能隨擴頻增益的增大得到顯著提升。在解調性能要求較高時可以考慮提高擴頻增益。

表1 解調性能結果
Tab.1 Demodulation performance

擴頻增益置零比例/%5101520325.0×10-37.8×10-31.3×10-21.6×10-2643.3×10-35.7×10-36.9×10-31.1×10-21283.2×10-34.9×10-35.8×10-37.5×10-35123.1×10-34.4×10-34.6×10-35.9×10-3

3 仿真結論及分析

通過上述性能仿真結果對比分析可以得出：

① 由于將頻譜置零會減小信號功率并且導致信號失真，因此將信號頻譜一定比例置零后，解調性能會相應變差，并且隨著頻譜置零比例的增大而惡化；

② 頻譜置零會使解調性能下降，但在一定比例下，依然可以正確解調，滿足解調性能要求，因此可以證明干擾信號帶寬占有用信號帶寬比例滿足要求時，該頻域抗干擾算法的可行性；

③ 在同樣的頻譜置零條件下，信號解調性能與擴頻增益有關，擴頻增益越大，解調性能下降越少，因此在工程實踐中解調性能要求較高時可以考慮增加擴頻增益。

4 結束語

對BPSK擴頻信號在抗干擾中的作用以及時域處理和頻域處理2種不同抗干擾方式的優缺點進行了討論。著重介紹了頻域抗窄帶干擾方式，給出了頻域陷波信號處理模型，并基于Matlab仿真平臺進行了仿真驗證，得出頻域陷波處理對誤碼性能的影響，結合擴頻增益等因素對該抗干擾算法與解調性能損失的關系進行了分析。結果表明，該算法可有效應用于CDMA信號中大功率窄帶干擾的抗干擾處理中，可以推廣應用到其他調制方式的抗干擾處理中。