OFDM-FH自适应抗干扰技术研究

唐 正，杨 凡，毛海伟，高乙文，张田田

(1.国家电网湖北省随州供电公司， 湖北 随州 441300；2.中国航天科工航天发展重庆金美通信有限责任公司， 重庆 400030；3.重庆大学 通信工程学院， 重庆 400044；4.中国移动通信集团重庆有限公司， 重庆 400044；5.重庆科技学院 化学化工学院， 重庆 400044)

随着战术通信对业务速率的需求越来越高，传输带宽也随之不断增加，干扰信号对频带的污染变得越来越普遍，因此宽带通信的抗干扰成为战术通信中亟需解决的问题[1]。OFDM技术由于其数据传输速率高、频谱利用率高、可对抗频率选择性衰落和窄带干扰等特点被广泛应用于战术互联网中，而跳频(FH)的突出特点是抗干扰性能优异，这两种技术的结合不但可满足战术通信中灵活的多址组网方式和大业务数据的需求，又可极大提高系统的抗干扰能力[2-4]。因此，OFDM-FH是一种适合宽带无线军事通信的有效传输方式。

本文在OFDM-FH系统的基础上提出了一种传输带宽内的自适应技术，可对干扰频点做出检测，在未被干扰的OFDM子带内分配业务数据，提高OFDM-FH系统的抗干扰性能。

1 OFDM-FH的自适应系统结构

OFDM-FH自适应系统由图1所示的模块组成： OFDM基带信号产生模块、跳频模块、信道干扰模块、解跳模块、跳频自适应控制模块和OFDM基带信号恢复模块。

图1 OFDM-FH自适应系统

1.1 OFDM基带信号产生模块

每个OFDM符号是多个经过调制的子载波信号的叠加，用N表示子信道的个数，d表示一个OFDM子帧的数据，si(i=0,1,…,N-1)表示分配给一个子帧的数据符号，fi表示载波频率，则从t=ts开始的OFDM符号的等效基带信号可表示为[2]：

(1)

1.2 跳频模块

OFDM-FH的跳频是在每一个跳频频点传输一个OFDM子帧，如图2所示。其中跳频序列由跳频码发生器产生，频率合成器生成跳频频点。设在某个发射频点的一个周期[0,Ts]内，传输M个子帧(d0,d1,…,dM-1)，dk=ak+bk,其中ak、bk分别为同向分量和正交分量。第k个子帧dk调制到第i个跳频载波，则在跳频时发射的OFDM信号可表示为

(2)

式中：g(t)为每个子帧的脉冲成形；fi在跳频频率集F中任意取值。

1.3 信道和干扰信号

OFDM的基带信号在跳频调制后经过信道、受到干扰后，可以表示为

(3)

其中：h(t,r)为信道的冲击响应；n(t)为加性高斯白噪声；J(t)为干扰信号，本文采用的J(t)分为多音干扰和部分频带干扰。

1.4 解跳模块

假设收发两端的跳频图案已经完成同步，解跳模块产生和跳频模块相同的跳频序列，经过信道的OFDM-FH信号在通过混频器和带通滤波器后，得到的解跳信号为

(4)

1.5 跳频自适应控制模块

对经过解调的OFDM-FH信号进行解跳，还原OFDM信号。为了测试OFDM信号每个子信道的信道质量，在发送端每个子帧的最后一个符号发送空子载波，在接收端进行解跳后根据空载波估算出每个子信道的信噪比[SNR0,SNR1,SNR2,…,SNRN]，并使用该估计值与检测门限进行比较，超过门限的子信道数为Nth，γ=Nth/N，γth为信道质量的判决门限。

自适应控制算法流程如图3所示。

图3 自适应控制算法流程

1.6 OFDM信号的恢复模块

经过干扰的信号在通过解跳和带通滤波器后，接收机在[iTs,(i+1)Ts]内对接收信号做FFT以及数字解调和解码处理，恢复出OFDM每个子载波上承载的数据信息。

2 系统性能与仿真分析

为了测试系统性能，采用Matlab对上述模型进行仿真，仿真的系统参数配置见表1。

表1 OFDM-FH自适应系统的参数配置

2.1 单音干扰时的系统性能

单音干扰信号可以表示为

(5)

式中：J为单音干扰的功率；φ为单音干扰的相位。由文献可得系统的误码率为[5]

(6)

OFDM-FH和OFDM-FH自适应系统的单音干扰误码率的表达式可以通过仿真得到。

图4是OFDM信号在跳频频点2.4 GHz的带内遭受单音干扰时的频谱，图5为带内遭受单频干扰时3种不同系统的性能曲线。由仿真结果可以看出：无论是OFDM-FH系统还是OFDM-FH自适应系统，对带内单频点的干扰是有效的，虽然两者在单音干扰情况下性能差异不大，但相对OFDM系统来说，高斯白噪声信道下有近1dB的性能提升。

图4 受到单音干扰的OFDM-FH信号

图5 3种系统在单音干扰时的性能

2.2 多音干扰时的系统性能

对于多音干扰，干扰机将其总的干扰功率J均匀分布在Nt=Nρ个不同的子载波频率fi上，其中干扰因子ρ表示干扰音与子载波频率个数之比。多音干扰表达式为[3]

(7)

为了对比3种系统对抗多音干扰的性能，本文仿真了N=7时的OFDM信号， OFDM信号在跳频频点为2.1 GHz时遭受多音干扰时的频谱如图6所示。

图6 受到多音干扰的OFDM-FH信号

多音干扰可以看作在带内同时遭受多个单音干扰的叠加，由于干扰音的随机性， OFDM不具备对抗多音干扰的能力。由图7可以看到：OFDM-FH的系统由于采用了FH技术可以有效地避开干扰，特别是采用OFDM-FH自适应的算法后可以有效检测出被污染的频点，并反馈到发端。结合FH技术，有针对性地从跳频图案中剔除干扰频点，使得尽可能少的频点遭受干扰。由图7可以看出：OFDM-FH的自适应性能最好，较OFDM-FH有1 dB的增益，较OFDM有3 dB的增益。

图7 3种系统在单音干扰时的性能

2.3 部分频带干扰时的系统性能

对于部分频带干扰，假定工作频带为W，干扰机发送噪声的额定功率为J，干扰因子为ρ(0≤ρ≤1)，干扰带宽为WJ，则WJ=ρ*W。当ρ=1时为宽带干扰，当0<ρ<1时为部分频带干扰[7-8]。图8仿真了ρ=0.2时OFDM信号在跳频频点2.1 GHz遭受到部分频带干扰时的频谱。WJ=ρ*W，当ρ=1时为宽带干扰，当0<ρ<1时为部分频带干扰[7-8]。图8仿真了ρ=0.2时OFDM信号在跳频频点2.1 GHz遭受到部分频带干扰时的频谱。

图8 受到部分频带干扰的OFDM-FH信号

部分频带干扰直接表现为某些连续的码元错误。遭受到部分频带干扰时，无论怎样改变跳频图案，总有一些频点会被干扰。经过OFDM-FH自适应算法把干扰频点反馈到发端，当跳频模块遍历完当前跳频频率集中的所有频点后依然判定为“坏信道”时，可通过子信道质量检测确定被干扰的子信道并通知发端不分配业务数据给被干扰的子信道，从而尽可能保证在未被干扰的子信道中传输数据。由图9可以看出，OFDM-FH自适应系统对抗部分频带干扰较OFDM-FH系统和单纯的OFDM系统均有较大的优势。仿真结果表明：OFDM-FH自适应系统比OFDM-FH系统有3 dB的误码提升，比单纯的OFDM约有7 dB的误码提升。

图9 3种系统在部分频带干扰时的性能

3 结束语

本文提出一种OFDM-FH自适应算法，在单音干扰、多音干扰和部分频带干扰时，分别对比OFDM系统、OFDM-FH系统和OFDM-FH自适应系统的性能。仿真结果表明：OFDM-FH自适应系统经过3种干扰源时均有较好的性能，特别是在部分频带干扰情况下抗干扰能力明显。较OFDM-FH系统有1～3 dB的误码性能提升，较OFDM系统有3～7 dB的误码性能提升。因此，OFDM、跳频和自适应技术的结合将有效提高宽带通信抗干扰的性能。

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