一种频域抗干扰技术在扩频通信中的应用

赵大恒，李春祎，孟景涛

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；

2.河北工业职业技术学院，河北 石家庄 050091)



一种频域抗干扰技术在扩频通信中的应用

赵大恒1，李春祎2，孟景涛1

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081；

2.河北工业职业技术学院，河北 石家庄 050091)

扩频通信(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)系统中的单音、窄带干扰抑制算法一直是扩频通信领域的研究热点。针对扩频序列的频域特性，研究了基于数据重叠复用的频域单音、窄带干扰抑制算法，并对其中的加窗、数据重叠复用等关键技术进行了研究，描述了该干扰抑制技术的原理和主要实现方法，给出了在扩频系统中的应用方法及Matlab仿真分析结果，实现了在扩频通信工程中的应用，并通过测试在不同信噪比下的误码率，给出了分析结果，以期为扩频通信中的干扰抑制技术提供更可靠的解决方案。

扩频通信；频域处理；干扰抑制

0　引言

在许多情况下,扩频系统本身所固有的扩频增益可以提供足够的抗干扰能力,但在强干扰存在的情形下,干扰的影响将造成扩频通信系统无法正常工作，有必要采取额外的干扰抑制方法。

目前常用的窄带干扰抑制方法均是采用时域、频域的信号处理方法进行干扰抑制。时域窄带干扰抑制技术需要迭代算法估计干扰信号，需要收敛时间,使得实时性比较差,同时其收敛速度慢,往往只能处理平稳的窄带干扰。频域窄带干扰抑制技术不需要用迭代算法估计干扰信号,只需在频域进行陷波处理过滤掉干扰信号，因此速度远远超过时域滤波的方法,这种方法可以抑制时变的窄带干扰。

文献[1]讨论了扩频通信中的窄带干扰模型，指出由多个正弦波之和或窄带白噪声模拟窄带干扰具有几乎相同的性能；文献[2]介绍了常用的窄带干扰抑制技术，对在频域估计出干扰信号特征，然后在时域进行陷波算法进行了仿真研究；文献[3-4]讨论了对信号进行傅里叶变换后在频域陷波的一种频域窄带干扰技术；文献[5-6]提出一种自适应门限设置方法用，于频域陷波窄带干扰抑制算法中；文献[7]讨论了一种跳频系统的抗干扰方法；文献[8-9]通过分析干扰形式，在本地产生干扰参考信号，然后进行干扰对消。文献[1-5]均是对频域抗干扰算法的仿真分析，本文在以上参考文献的基础上，对一种基于重叠变换的FFT抗干扰技术进行了理论分析、仿真与工程实现。

1　基于FFT的频域抗干扰技术应用概述

扩频通信技术利用扩频码的伪噪声特性把信号的能量扩散到一个很宽的频带中，并且在这很宽的频带内扩频信号的频谱是平坦的，而单频点、多频点、窄带干扰的频谱在频带中分布比较集中，当扩频信号中有强的窄带干扰存在时能在频域很容易地分辨出来。利用扩频信号与干扰信号频谱分布的这一特点，可以用FFT在频域中实现干扰抑制[10]。

基于50%重叠复用的FFT抗干扰技术实现模型如图1所示。

图1　频域干扰抑制技术实现模型

2　窗函数的应用及重叠取数的方法

在DS扩频系统频域抗干扰算法中，通常对数据分段进行FFT变换，分段数据周期延拓后的非连续性会导致频谱泄露现象，通常可以采用对分段数据进行加窗的方法减小频谱泄露。从时域看，加窗实质上是对输入数据进行加权，窗函数[11-12]从中心向两端逐步衰减，保证数据段两端的平滑，从而达到减小频偏泄露的目的。本文采用汉明窗，主瓣比第一旁瓣大43dB。

从加窗的实质来看，对信号在时域加窗，然后经过傅里叶变换、抗干扰后恢复的信号，恢复的信号前1/4帧与后1/4帧失真严重(如图2(c))，中间一半信号损失较小，根据这个特点可采取重叠加窗的方法减少加窗带来的信号失真，采用重叠比例因子为1/2的重叠取数方法，重叠加窗方法如图3所示。

图2(a)为输入序列波形，图2(c)为没有重叠情况下进行加窗后恢复得到的信号波形，在无重叠情况下，恢复得到的信号相产生严重的失真，这种失真主要是由于时域加窗产生的。图2(b)为存在1/2重叠情况下得到的恢复波形，可以看出存在重叠的情况下，恢复信号的失真程度大大减少。

图2　经过重叠取数与没有经过重叠取数恢复出的信号对比

图3　1/2重叠加窗取数的方法

频域干扰抑制技术包括干扰检测和陷波两部分。干扰检测通过比较某个频率位置的信号能量是否大于干扰门限确定该频点位置是不是干扰。陷波就是把某个干扰频率位置的信号电平置为零以抑制干扰[13-14]。

干扰门限由噪声功率和扩频伪码速率共同决定，一般根据伪码速率选择比噪底大几个dB的值做为干扰门限。信号经过频域干扰抑制后，对干扰抑制后的信号进行傅里叶反变换得到时域信号，对两路(如图1所示)反变换后的信号取中间一半信号拼接进行去重叠恢复数据。

4　Matlab仿真实验

实验流程图如图4所示。

实验条件：中频频率70MHz，扩频伪码速率10Mbps,数据速率2 kbps，载波多普勒小于30 kHz。干扰总能量大于信号能量65dB。分别在Eb/N0为6～12dB下进行误码率对比。

实验：在不同的载噪比下分别添加大于信号能量65dB的单音干扰信号、添加总能量大于信号能量65dB、带宽为2MHz的窄带干扰信号，测试算法抗干扰能力及抗干扰算法带来的能量损失。

图4　抗干扰算法Matlab仿真流程图

图5　有干扰的扩频信号抗干扰前后频谱对比

图5(a)为没有干扰、下变频后经过低通滤波中心频率在0频的20MHz扩频信号频谱；图5(b)为在5MHz频率处添加带宽2MHz、大于信号65dB的窄带干扰的扩频信号频谱，图5(c)为去掉窄带干扰后的信号频谱；图5(d)为在5MHz频率处添加大于信号65dB的单音干扰的扩频信号频谱，图5(e)为去掉单音干扰后的扩频信号频谱。

对比图5(b)、图5(c)、图5(d)与图5(e)能发现，基于重叠复用的FFT抗干扰技术能够准确地找到干扰的位置，并能够将干扰抑制掉，去掉干扰后，仍会有比噪底大15dB的点频干扰，剩余的这些小的点频干扰，利用扩频通信自身的抗干扰特性即可消除干扰的影响。从图5可以直观地看出，在抗干扰的同时，一部分有用信号将一并剔除，这势必引起信号能量的损失。

图6为Matlab仿真环境下有干扰的扩频通信系统经过抗干扰后在不同信噪比下的误码率曲线。图6中的“理论误码率”曲线是BPSK调制信号在没有经过编码时在各个信噪比下的误码率；“添加窄带干扰”的误码率曲线是扩频系统有图5(b)的窄带干扰条件下，经过抗干扰后的误码率曲线；“添加单音干扰”的误码率曲线是扩频系统有图5(d)的单音干扰条件下，经过抗干扰后的误码率曲线。

图6　仿真时不同信噪比下抗干扰系统误码率

对比图6中的3条误码率曲线，可以看出，经过抗干扰技术后，有干扰的扩频系统能够正常工作，经过抗窄带、单音干扰后，系统的信号能量大约损失1.7dB左右。有65dB干扰的扩频系统，经过抗干扰技术，未添加LDPC/TPC编码前，信噪比为7dB时误码率即可达到5×10-3，而编码技术会给系统带来6dB的增益，即有编码的系统，在信噪比为7dB时误码率可达到10-7量级。

5　抗干扰算法在工程上的应用

试验条件：2台工控机，分别模拟发端，收端；伪码码速率10 Mbps；数据速率2 kbps；调制中频70MHz。

进行二组实验：

(1)在Eb/N0为6～12dB条件下向扩频通信系统添加大于信号65dB的单音干扰信号，测试系统误码率；

(2)在Eb/N0为6～12dB条件下向扩频通信系统添加大于信号65dB的窄带干扰信号，测试系统误码率。

具体试验流程如图7所示。

图7　抗干扰算法在工程上的应用流程图

不同信噪比条件下的误码率试验结果如表1所示。

表1　误码率测试结果　单位：(°)

对比表中不同信噪比条件下扩频系统误码率，可以看出Matlab仿真实验与工程试验结果一致，在工程系统中应用LDPC编码技术，在信噪比为7dB时，去掉单音、窄带干扰后，系统误码率为6.73×10-7，验证了基于重叠变换的FFT抗干扰算法的工程可行性。

6　结束语

基于FFT变换的干扰抑制技术的优点是能够实时性地去掉干扰，不需迭代，同时能够处理多个干扰，有能力对变化的干扰环境快速反应。但是在频域进行干扰抑制，同时也会不可避免地把干扰所在位置的有用信号一并抑制掉，从而使有用信号的信噪比下降，并且干扰信号带宽和功率不同，损失也不同。一般情况下，干扰带宽不超过总带宽的15%，干扰总能量大于信号能量不超过65dB时，基于重叠变换的FFT频域抗干扰算法能取得不错的效果。

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Application of a Frequency-domain Anti-interference Technique in DSSS Communication System

ZHAO Da-heng1，LI Chun-yi2，MENG Jing-tao1

(1.The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China; 2.Hebei College of Industry and Technology，Shijiazhuang Hebei 050091，China)

Interference suppression is a focus area of direct sequence spread spectrum communication system research all the time.In this paper，the frequency domain interference suppression algorithm based on FFT is studied，and the key technologies of windowing and overlapped multiplexing are analysed.The principle of this interference suppression technique and the primary implementation method areintroduced.The application of this methodand the Matlab simulation results are given,which is expected to provide more reliable solution for the acquisition of interference suppression in direct sequence spread spectrum communication system.

spread spectrum communication;frequency domain processing;interference suppression

10.3969/j.issn.1003-3114.2016.05.23

引用格式：赵大恒，李春袆，孟景涛.一种频域抗干扰技术在扩频通信中的应用，2016,42(5):92-95.

2016-06-28

国家部委基金资助项目

赵大恒(1984—)，男，工程师，主要研究方向：纠错编码、扩频通信。李春祎(1981—)，女，讲师，主要研究方向：信号与信息处理。

TP391.4

A

1003-3114(2016)05-92-4