基于單載波頻域均衡的直接序列擴頻自適應抗干擾技術

辜方林，黃育偵，趙鶯，趙海濤，魏急波

（1.國防科技大學電子科學學院，湖南 長沙 410073；2.軍事科學院，北京 100097；3.北京信息通信技術研究中心，北京 100036）

0 引言

直接序列擴頻（DSSS,direct sequence spread spectrum）通信由于具有很強的抗窄帶干擾能力，并且具有信息隱蔽、多址保密等優點[1]，已在通信領域大量應用。但是，DSSS 技術目前局限于低速通信系統或者信道環境簡單、干凈的衛星通信系統。事實上，高速通信系統或者地面移動通信環境往往存在大量多徑，使信道呈現頻率選擇性衰落，此時，要使DSSS 技術發揮作用，亟須克服多徑帶來的影響[2-3]。

均衡是克服信道多徑影響的核心技術之一。已有許多學者提出在DSSS 接收端采用Rake 接收或者時域均衡技術來克服或者利用多徑的影響提升系統的接收性能。但是Rake 接收或者時域均衡面臨以下2 個問題：一是Rake 接收僅適用于多徑較少的情形，且Rake 接收過程中的多徑分量時延、相位估計存在誤差，其性能難以保證；二是無論是Rake 接收還是時域均衡技術均面臨實現復雜度大的難題，工程實現面臨挑戰[4-6]。隨著快速傅里葉變換（FFT,fast Fourier transform）的成熟，頻域均衡技術得到了快速發展，以正交頻分復用（OFDM,orthogonal frequency division multiplexing）和單載波頻域均衡（SCFDE,single carrier frequency domain equalization）技術最為典型，且在許多標準規范中得到了推廣應用，例如，IEEE802.16a、IEEE 802.11n等。SCFDE 與OFDM 的原理極其相似，兩者都是通過插入循環前綴（CP,cyclic prefix）來消除碼間干擾，并在頻域完成信道估計與均衡。其主要區別是在SCFDE 系統中，FFT/IFFT 模塊均位于接收端；而在OFDM 系統中，IFFT 模塊位于發射端，而FFT 模塊位于接收端。同OFDM 相比，SCFDE 具有以下優點：顯著降低了信號峰均比，利于實現小型化、低功耗；對頻偏的敏感性較小，適用于高動態等復雜環境；易于與DSSS 技術結合，能獲得大的擴頻處理增益。結合上述分析，本文提出了一種SCFDE 與DSSS 技術有機結合的寬帶擴頻通信體制，它利用頻域均衡來克服多徑導致的頻率選擇性衰落帶來的影響，同時充分利用DSSS 獲得大的擴頻處理增益，使系統具有優良的抗干擾性能，為DSSS 技術應用于多徑信道環境提供了有效的解決方案[7-9]。

盡管擴頻能夠提升系統的抗干擾能力，且擴頻倍數越大，系統的抗干擾能力越強。然而，實際應用過程中系統通常是帶寬受限的，在帶寬一定的條件下，擴頻倍數越大，抗干擾能力越強，接收機靈敏度越高，但傳輸速率越小，能夠支持的業務類型和組網應用嚴重受限，反之亦然。注意到，搶險救災等任務所面臨的通信環境往往是復雜多樣的，這種多樣性不僅體現為山地、丘陵、沙漠、海洋等地理環境的多樣性，也體現為電磁環境的多樣性，例如，不同強度、不同類型的電磁干擾等；另一方面，根據執行的任務不同，所需要信息交互的速率、距離等也會不同?；谏鲜龇治?，需要通信鏈路具備性能指標可重構的能力，即條件允許時傳輸圖像、視頻等豐富多樣的業務信息，實現高速傳輸；條件惡劣時能夠傳輸生命體征、位置坐標等少量關鍵信息，實現低速的保底通信。綜上所述，為了兼顧信息傳輸速率和可靠性，滿足不同環境下可靠傳輸的需求，本文提出了帶寬自適應傳輸模式，這里的帶寬指有效信道帶寬，通過給固定信道帶寬配置不同的擴頻因子即可獲得不同的有效信道帶寬，從而實現擴頻處理增益、傳輸速率的靈活轉換，滿足不同環境和任務在信息速率和可靠性方面所面臨的多樣化需求。在此基礎上，本文結合SCFDE 接收端固有FFT 過程的特點，實現對干擾強度、干擾類型等信息的伴隨式檢測與分析，優化選取頻域承載點，提升系統對干擾，特別是阻塞式干擾的適應性。

1 系統架構

1.1 基于SCFDE 的寬帶DSSS 系統

圖1 給出了一種基于SCFDE 的寬帶DSSS 系統框架。在發射端，信源序列經過調制后進行直接序列擴頻。令di表示第i個調制符號，與擴頻序列c=[c1,c2,…,cN]進行異或操作實現擴頻，xi=dic=[x1,x2,…,xN]表示符號向量，其中，N為擴頻因子。利用擴頻后的符號向量xi組成數據塊，如圖2 所示。保護間隔CP 被插入每個塊的前面，這樣第k個發送塊可以表示為xk=[xcp,x k1,xk2,…,xkL]，其中，k=1,2,…，l=1,2,…,L。

圖1 基于SCFDE 的寬帶DSSS 系統框架

圖2 基于SCFDE 的寬帶DSSS 系統數據塊結構

假設信道為塊衰落的準靜態信道，在一個符號塊的時間間隔內，信道頻率響應不變。經過碼片間隔的采樣后，離散等效信道可以表示為h=[h1,…,hP]，其中，P是多徑分量的數目。不失一般性，假設CP 的長度大于信道的沖激響應長度。CP 的添加使塊間干擾消除，同時使接收符號塊和信道的線性卷積變為循環卷積。

在接收端，經過匹配濾波和碼片間隔采樣，去除CP 后的接收符號塊可以表示為

其中，?表示循環卷積，w表示加性白高斯噪聲矢量，噪聲分量均值為0、方差為N0。

第k個接收塊信號經過FFT 被變換到頻域，可表示為

接收塊信號被變換到頻域后進行頻域均衡，均衡后的信號向量可以表示為

其中，U是長度為NL的頻域均衡系數向量。

對于迫零（ZF,zero force）均衡，有

對于最小均方誤差（MMSE,minimum mean square error）均衡，有

其中，(·)T表示轉置。

1.2 有效帶寬自適應

根據圖1 所示的基于SCFDE 寬帶DSSS 系統框架，其中，L和N是至關重要的2 個參數，合理設置參數L用于克服信道的頻率選擇性衰落，合理設置參數N用于獲取合理的擴頻處理增益。本文考慮信道帶寬固定的情形，固定信道帶寬的優勢是使射頻前端實現簡單，便于小型化和低成本，且系統工作穩定、可靠。信道帶寬的確定與實際系統工作的頻譜環境、傳輸能力需求和硬件平臺能力息息相關。

以某一測控通信鏈路為例，假設信道帶寬為12.8 MHz，通過配置不同的L和N，如表1 所示，系統可以獲得具有不同傳輸速率、抗干擾能力和接收機靈敏度指標的傳輸模式。

表1 有效帶寬可配置系統實例

為了實現自適應抗干擾傳輸，在圖1 所示的框架基礎上，本文提出了如圖3 所示的有效帶寬自適應DSSS 系統框架。在圖3 所示的波形框架中，分別利用控制段和數據段傳輸控制信息和數據信息，且控制信息主要包括數據段解調所需的調制方式、編碼效率、擴頻倍數、負載長度等。

圖3 有效帶寬自適應DSSS 系統框架

在此基礎上，針對自適應抗干擾需求，設計如圖4 所示的幀結構。在該幀結構中，時頻同步、控制段按照最小有效帶寬（具有最強的抗干擾能力和接收機靈敏度等指標）對應的參數進行設計，保證在極限情況下能夠準確獲得數據段的傳輸參數；同時，利用控制段獲得的參數解調數據段，不同參數表示數據段采用不同傳輸模式，對應不同的抗干擾能力和傳輸速率，但是不同模式下FFT/IFFT 點數固定，因此其控制邏輯十分簡單，便于工程實現。

圖4 有效帶寬自適應DSSS 波形幀結構

最后，針對接收端僅依靠估計的信干噪比（SINR,signal to interference plus noise ratio）反映鏈路質量存在隨機波動，導致參數自適應調整存在振蕩現象和系統工作不穩定的問題，構建綜合SINR、控制段循環冗余校驗（CRC,cyclic redundancy check）、數據段CRC 連續錯誤次數CRC_Data_Errortimes等信息的指標，實時、穩定地反饋當前地理環境、干擾環境下的鏈路質量，發射端在線優化數據鏈路的系統參數，實現不同傳輸模式的自適應傳輸，其實現流程如圖5 所示。圖5 中，THH和THL表示SINR 門限，α表示CRC_Data_Errortimes門限。

圖5 有效帶寬自適應實現流程

2 基于SCFDE 的寬帶DSSS 系統自適應抗干擾策略

2.1 頻域陷波抗干擾

直接擴頻信號在頻域中會呈現出與白噪聲相似的平坦特性，而窄帶干擾信號在頻域上會出現明顯的頻譜峰值，如圖6 所示。

圖6 擴譜系統窄帶干擾

頻域陷波法是目前應用很廣泛的干擾抑制方法，適用于干擾帶寬較窄且干擾頻帶較固定的情形。頻域陷波的基本原理是根據窄帶干擾、噪聲和擴頻信號不同的頻域特性來檢測識別干擾，找出干擾頻點并對其進行陷波處理。進行陷波處理可以降低干擾對接收信號的影響，改善信干比。但頻域陷波也會導致信號總功率下降和信號失真，給接收端帶來一定的性能損失。而且頻譜切除得越多，信號失真就越明顯，帶來的性能損失也越大。因此，在進行陷波處理時，不但要考慮切除窄帶干擾導致的信干比改善，還要考慮信號能量損失和信號失真導致的信噪比惡化。

根據圖3(b)可以看出，接收端本身就需要對接收信號進行FFT 和IFFT 以實現頻域均衡，因此，其與頻域陷波有著天然的契合。綜合上述分析，本文提出一種基于SCFDE 的寬帶DSSS 系統頻域陷波抗干擾的實現框架，如圖7 所示。接收端在對接收信號進行傅里葉變換之后，首先按照一定的準則設置干擾檢測門限，確定干擾在接收信號頻譜中的位置，然后對這些干擾頻點進行陷波，最后對處理后的數據進行頻域均衡與逆傅里葉變換得到干擾抑制后的數據，并利用干擾抑制后的數據進行解擴恢復發送信息。

2.2 自適應門限算法

根據圖7 所示的頻域陷波抗干擾的實現框架，利用導頻符號進行干擾檢測。不失一般性地，本文所提基于SCFDE 的DSSS 系統采用恒包絡零自相關（CAZAC,constant amplitude zero auto correlation）序列作為導頻序列用于信道估計，這是因為它能夠顯著減少信道估計所需的計算復雜性。CAZAC 序列可以表示為

其中，n∈ [0,M-1]，M=NL，ν是與M互質的正整數。可以證明，CAZAC 序列通過傅里葉變換后仍然為CAZAC 序列，且CAZAC 序列具有恒模特性[10]。

為了使干擾檢測算法能夠適應不同前端增益、信噪比等因素導致的信號尺度變化，需要干擾檢測的門限值能夠自適應調整以適應不同環境。文獻[11]通過分析接收信號譜線幅度平方的統計特性進行干擾檢測，獲得的干擾檢測門限為統計量，因而具有自適應特征。結合圖7 所示的頻域陷波抗干擾的實現框架，本文提出通過分析導頻符號的譜線幅度平方的統計特性進行干擾檢測。根據上述分析，CAZAC 序列導頻符號具有恒模特性，在無窄帶干擾條件下，其頻域觀測數據是一個高斯隨機序列?？梢宰C明，高斯隨機序列的幅度服從瑞利分布，相位在(0,2π)服從均勻分布，幅度平方服從指數分布。指數分布的統計特征為

圖7 基于SCFDE 的寬帶DSSS 系統頻域陷波抗干擾的實現框架

表2 譜線的幅度平方分布

當Z>0 時，有窄帶干擾；當Z=0 時，無窄帶干擾。

基于指數分布特征的自適應門限干擾檢測算法的實現過程如算法1 所示。

算法1基于指數分布特征的自適應門限干擾檢測算法

初始化根據定時同步確定導頻符號集合Ω、數據符號集合、總符號數目K，設置干擾檢測的置信度為99.3%（顯著性水平a= 0.007）

3 仿真分析

3.1 基于SCFDE 的寬帶DSSS 系統性能仿真

為了充分驗證所提方案的有效性，基于MATLAB仿真平臺對所提基于SCFDE 的寬帶DSSS 系統在各種信道環境下進行仿真分析。首先，仿真分析所提基于SCFDE 的寬帶DSSS 系統在高斯白噪聲信道環境下的誤碼性能，具體的仿真參數如表3 所示。

表3 系統仿真參數

圖8 給出了系統誤碼性能隨接收信號信噪比變化的曲線。從圖8 可以看出，隨著擴頻倍數的增加，系統誤碼性能有明顯改善，且擴頻倍數每增加一倍，接收性能約改善2 dB，與理論的3 dB 相差約1 dB，這是因為所提系統中需要進行信道均衡，信道均衡會放大噪聲的影響，使性能惡化。此外，本文在仿真中采用最簡單的最小二乘（LS,least square）信道均衡，在實際系統中則可以采用MMSE信道均衡，它能抑制噪聲的放大，在一定程度上改善誤碼性能。

圖8 系統誤碼性能隨接收信號信噪比的變化

其次，仿真分析所提基于 SCFDE 的寬帶DSSS 系統在多徑信道環境下的誤碼性能，系統仿真參數不變，IEEE 802.11g 信道模型參數如表4所示。

表4 IEEE 802.11g 信道模型參數

圖9 給出了典型DSSS 系統、采用Rake 接收技術的DSSS 系統（多徑時延參數準確）和本文所提基于SCFDE 的寬帶DSSS 系統的誤碼性能隨接收信號信噪比變化的曲線。系統仿真過程中，擴頻倍數為64，仿真次數為1 000。從圖9 可以看出，典型DSSS 系統由于沒有信道均衡處理過程，在多徑信道環境下性能急劇惡化，不能適用多徑信道環境；本文所提基于SCFDE 的寬帶DSSS 系統與采用Rake 接收技術的DSSS 系統性能基本相當，雖然在高信噪比條件下性能略差于Rake 接收機，但是Rake 接收機在帶寬較寬、多徑復雜的情形下難以實現準確的多徑、時延等參數估計。綜上所述，本文所提基于SCFDE 的寬帶DSSS 系統誤碼性能受多徑信道環境影響小，且在多徑信道環境下呈現了較低的誤碼傳輸性能，具有很好的工程實用價值。

圖9 3 種系統的誤碼性能隨接收信號信噪比的變化

圖10 給出了本文所提基于SCFDE 的寬帶DSSS系統在不同擴頻倍數下誤碼性能隨接收信號信噪比變化的曲線。從圖10 可以看出，隨著擴頻倍數的增加，系統的誤碼性能穩步改善，且擴頻倍數每增加一倍，接收性能約改善1.6 dB。特別地，對比分析圖8和圖10 可以發現，多徑與高斯白噪聲信道環境下性能差異較小，這在研制的實際系統中也得到驗證，多徑信道環境下由于擴頻帶來的頻率分集效果，相較于有效信道帶寬一樣的不擴頻系統，接收機靈敏度會有一定程度的改善，這對于增強所提基于SCFDE 的寬帶DSSS 系統在城市、郊區、空地等典型多徑信道環境下的通信效果具有重大意義。

圖10 本文所提基于SCFDE 的寬帶DSSS 系統在不同擴頻倍數下誤碼性能隨接收信號信噪比的變化

3.2 頻域陷波抗干擾性能分析

為充分說明頻域陷波對干擾抑制的效能，本節仿真分析了不同干擾類型下采樣頻域陷波時的誤比特率，系統的具體仿真參數與表3 一致。

首先，仿真分析了頻域陷波用于抑制零中頻接收機所面臨的本振干擾的效果。由于零中頻接收機在小型化、低功耗方面具有優勢，近年來已發展成主流，但是其本振干擾抑制是保障系統性能必須要解決的問題。在本文所提基于SCFDE 的寬帶DSSS系統中，由于信道帶寬一般較大，難以利用數字中頻的方法實現，采用頻域陷波是一種極佳的選擇。仿真過程中，假設信號與本振干擾的信干比為10 dB。圖11 給出了系統采用16 倍擴頻條件下系統誤碼性能隨接收信號信噪比變化的曲線。從圖11可以看出，采用頻域陷波抑制本振干擾的系統與沒有本振干擾不需要本振抑制的系統性能基本一致，所以采用頻域陷波能夠很好地解決本振干擾抑制的問題。

圖11 采用16 倍擴頻條件下系統誤碼性能隨接收信號信噪比的變化

在此基礎上，本節進一步仿真分析了干擾分布于帶內其他位置的頻點，以及干擾占用不同帶寬下的誤碼性能。系統仿真過程中，假設信號與窄帶干擾的干信比為0，每次仿真干擾信號的頻帶隨機分布在信號帶寬內，仿真次數為1 000。圖12給出了干擾信號帶寬占用不同擴頻信號帶寬條件下，采用頻域干擾抑制時系統誤碼性能隨接收信號信噪比變化的曲線。從圖12 可以看出，窄帶干擾的頻帶分布對基于頻域陷波的干擾抑制方法基本沒有影響；隨著干擾信號頻帶占用擴頻信號頻帶帶寬比例的增加，系統的誤碼性能會逐漸惡化，但在干擾信號帶寬占比小于擴頻信號帶寬15%的條件下，其影響有限。因此，頻域陷波具有很好的干擾抑制能力。

圖12 干擾信號帶寬占用不同擴頻信號帶寬條件下，采用頻域干擾抑制時系統誤碼性能隨接收信號信噪比的變化

4 結束語

本文提出了一種SCFDE 與DSSS 技術有機結合的自適應抗干擾擴頻通信系統，該系統通過頻域均衡克服多徑帶來的頻率選擇性衰落，同時支持自適應調整擴頻因子，實現系統傳輸速率與抗干擾能力的重構。此外，結合SCFDE 頻域均衡的特點，充分利用其接收端固有的FFT 過程高效實現檢測、分析系統所面臨的干擾強度、干擾類型等信息，優化選取頻域承載點，提升系統對干擾，特別是阻塞式干擾的適應性。下一步工作是利用機器學習等手段實現頻域承載點的在線優化，構建完整的自適應抗干擾系統。