扩频增益与频域陷波性能关系分析

张有志，陈敬乔，寇辰光

(1.海装装备项目管理中心，北京 100166;2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

扩频通信在卫星通信系统中发挥着不可替代的重要作用，但是随着科技的发展，扩频通信面临着强干扰环境下如何保证通信可靠性的问题。虽然扩频通信系统本身具有较强的抗干扰能力，但受接收机带宽的限制，系统处理增益不可能无限提高，而恶意干扰功率往往较大，仅依靠系统处理增益，无法满足接收端对信噪比的要求[1-3]。为进一步提升扩频通信系统抗干扰能力，研究扩频通信抗干扰技术显得尤为必要[4-7]。

CDMA通信系统如何有效抑制窄带干扰是信号抗干扰技术领域的重要课题。近20 年来，国内外相继有许多窄带干扰抑制算法被提出，目前常用的抗窄带技术主要有时域抗干扰和频域抗干扰技术。时域抗干扰技术实现简单，但时域抗干扰算法需要长时间的迭代才能达到稳定状态，无法跟踪快变干扰，当干扰的个数增加或能量改变时，干扰能力迅速下降。频域抗干扰技术不需要收敛过程，能对快时变干扰迅速做出反应，且对干扰模型不敏感，比较适合用于快时变窄带干扰抑制。本文对频域抗干扰技术进行了建模仿真，可为工程实践中抗窄带干扰算法的设计提供参考依据[8-10]。

1 窄带干扰抑制模型

窄带干扰示意图如图1所示。窄带干扰具有高功率谱密度和易于实现的特点，只需要几个窄带干扰就可以覆盖或是淹没一定带宽的有用信号，当窄带干扰能量较大时，将目标信号淹没在干扰中，这将显著降低接收能力，影响通信质量。

图1 窄带干扰示意图Fig.1 Narrow-band interface

时域抗干扰技术和频域抗干扰技术均可实现窄带干扰抑制，提高系统的抗干扰能力，2种方式统称为变换域干扰抑制技术[11-15]。变换域干扰抑制原理如图2所示。

图2 变换域干扰抑制原理框图Fig.2 Transform domain interference suppression

变换域干扰抑制技术利用干扰与信号不同的变换域特性，在变换域上选择合适的阈值，通过抑制干扰分量，实现抗干扰[16-20]。

频域抗干扰算法具有较好的抗窄带干扰效果，相比于时域自适应干扰抑制技术，有处理步骤简单，速度更快等优点。该算法的依据是，相对于扩频信号，窄带干扰的能量集中在较窄的频带，在频域上，扩频信号的频谱比较平坦，而窄带干扰的频谱却呈现出一个较窄的尖峰。将混有窄带干扰的导航信号通过FFT变换到频域后，可以很容易地检测到干扰谱线对应的位置，将这些谱线置零，然后再做IFFT变换回时域，就会获得抑制了窄带干扰的导航信号。

在实际应用中，由于需要对信号每次选取一段进行处理，势必会发生频谱泄露现象，故要对信号进行加窗，同时为了避免加窗导致的信噪比降低，一般采用如下方法进行处理，算法原理框图如图3所示。

图3 频域陷波原理框图Fig.3 Principle diagram of frequency domain notch filter

从图3可以看出，信号处理详细流程对输入信号进行时域加窗，在这一步中，窗函数的选择为hanning 窗。通过加窗，可以平滑频谱，即弱化频谱边缘处的不连续性，这样降低经过时域滤波后信号主瓣能量泄露。

当判决门限生成之后，超过门限值的谱线通常认为是含有干扰信号的谱线，对这些谱线的处理一般采用以下方式：将该频点(窄带干扰的频点) 谱线置零，认为大于门限的谱线完全是干扰信号，彻底去掉。由于窄带干扰的带宽远小于 LFM 信号的带宽，所以，置零法对信号的损失并不大。

综上所述，该频域陷波算法将混叠信号变换到频域，在频域中进行包络检波，进而得到精确的干扰信号信息，最后根据干扰信号信息在相应频率位置进行抑制处理，达到抗窄带干扰的效果。

2 性能仿真

为了验证频域抗干扰算法性能，以及不同扩频增益对该算法的影响，针对不同比例的频谱置零进行了算法仿真。

在扩频增益为32，64条件下，设置信号调制方式为BPSK调制，噪声为高斯白噪声，在信号频谱相同位置分别将5%，10%，15%和20%的频谱置零，通过仿真，得到的误码曲线结果如图4和图5所示。

图4 扩频增益为32的误码曲线Fig.4 BER performance of spreading factor 32

图5 扩频增益为64的误码曲线Fig.5 BER performance of spreading factor 64

由图4和图5可知，与理论解调性能相比，将信号频谱一定比例置零后，解调性能会相应变差，并且随着频谱置零比例的增大解调性能随之恶化。当频谱置零比例在10%条件下，扩频增益为32时的解调性能下降约1.5 dB，扩频增益为64时的解调性能下降约1 dB；频谱置零比例在20%条件下，扩频增益为32时的解调性能下降接近3 dB，扩频增益为64时的解调性能下降约2 dB。

由图4和图5对比可知，扩频增益为32条件下的解调性能恶化程度相较于扩频增益为64条件下的恶化程度明显严重，说明扩频增益越大，频谱置零后对解调性能的影响越小。

要想验证不同扩频增益与频域干扰算法性能的关系，还需进一步仿真分析。在扩频增益为128，512条件下分别进行了仿真实验。同样设置信号调制方式为BPSK调制，噪声为高斯白噪声，并在信号频谱相同位置分别将5%，10%，15%，20%的频谱置零，仿真误码曲线，结果如图6和图7所示。

图7 扩频增益为512的误码曲线Fig.7 BER performance of spreading factor 512

由图6和图7可知，当频谱置零比例在10%条件下，扩频增益为128时的解调性能下降不足1 dB，扩频增益为512时的解调性能下降约0.5 dB；频谱置零比例在20%条件下，扩频增益为128时的解调性能下降小于2 dB，扩频增益为512时的解调性能下降约1 dB。通过对比进一步说明在相同的频谱置零条件下，扩频增益越大对解调性能影响越小。

为了通过数据更加准确地比较不同扩频增益下频谱置零对解调性能的影响，以信噪比为6 dB为例，对解调性能数据进行比较整理，结果如表1所示。由表1可以看出，相同频谱置零条件下，解调性能随扩频增益的增大得到显著提升。在解调性能要求较高时可以考虑提高扩频增益。

表1 解调性能结果
Tab.1 Demodulation performance

扩频增益置零比例/%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 仿真结论及分析

通过上述性能仿真结果对比分析可以得出：

① 由于将频谱置零会减小信号功率并且导致信号失真，因此将信号频谱一定比例置零后，解调性能会相应变差，并且随着频谱置零比例的增大而恶化；

② 频谱置零会使解调性能下降，但在一定比例下，依然可以正确解调，满足解调性能要求，因此可以证明干扰信号带宽占有用信号带宽比例满足要求时，该频域抗干扰算法的可行性；

③ 在同样的频谱置零条件下，信号解调性能与扩频增益有关，扩频增益越大，解调性能下降越少，因此在工程实践中解调性能要求较高时可以考虑增加扩频增益。

4 结束语

对BPSK扩频信号在抗干扰中的作用以及时域处理和频域处理2种不同抗干扰方式的优缺点进行了讨论。着重介绍了频域抗窄带干扰方式，给出了频域陷波信号处理模型，并基于Matlab仿真平台进行了仿真验证，得出频域陷波处理对误码性能的影响，结合扩频增益等因素对该抗干扰算法与解调性能损失的关系进行了分析。结果表明，该算法可有效应用于CDMA信号中大功率窄带干扰的抗干扰处理中，可以推广应用到其他调制方式的抗干扰处理中。