孫 健，許 斌，丁 丹，樓 鑫

(中國人民解放軍裝備學院 光電裝備系,北京 101416)

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【基礎理論與應用研究】

變換域通信系統(tǒng)研究

孫 健，許 斌，丁 丹，樓 鑫

(中國人民解放軍裝備學院 光電裝備系,北京 101416)

對變換域通信系統(tǒng)的技術原理進行了概述，梳理了變換域通信系統(tǒng)的發(fā)展過程和研究現(xiàn)狀，歸納了變換域通信系統(tǒng)的基礎調制波形產生算法和變換域技術、調制解調技術，總結了下一步的研究重點和發(fā)展趨勢，為變換域通信技術研究提供了參考。

變換域通信；基礎調制波形；偽隨機相位；低截獲/低檢測概率

隨著無線通信技術的不斷發(fā)展，通信業(yè)務量大幅提升，各種干擾手段頻出，電磁環(huán)境越來越復雜，通信的品質、安全和保密性的受到了越來越嚴峻的挑戰(zhàn)，于是研究人員致力于尋找新的抗干擾技術。在Mitola教授提出認知無線電的理論[1-2]后，研究人員將認知技術與擴頻通信及變換域技術結合起來開發(fā)了一項新技術——變換域通信系統(tǒng)(transform domain communication system,TDCS)，它提供了新的抗干擾思路，能實現(xiàn)抑制干擾和LPI(低截獲概率)的目的，越來越受到各國軍事部門的重視。本文對變換域通信系統(tǒng)的設計、主要原理進行歸納總結，分析變換域通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

1 變換域通信系統(tǒng)概述

1.1 TDCS技術介紹

TDCS的理念首先是由German在1988年提出的[3]，最早由美國空軍研究實驗室和空軍技術學院提出并開展研究，2005年國際無線通信與網(wǎng)絡會議上，V.Chakravarthy提出將變換域通信系統(tǒng)作為一種認知無線電技術的收發(fā)機候選方案[4]。

傳統(tǒng)的抗干擾技術是通過對接收機接收到的信號進行濾波或陷波處理，進行相關或解調處理來獲取原信息，由于對干擾頻帶濾除，使得該頻段內的有用信號的能量同時被濾除，信號的能量受到了損失，增加了誤碼率。變換域通信系統(tǒng)則是在信號的發(fā)射端進行波形設計，先分析電磁頻譜的占用情況，獲得可使用的未受污染的“干凈”頻段進行信號的傳輸，避開了干擾存在的電磁頻譜，使得傳輸信號與干擾信號在變換域正交，而在信號的接收端同樣采用相同的信號頻段進行信號獲取，由于傳輸信號的頻率不分布于干擾頻段，從而實現(xiàn)了誤碼率的降低。

變換域通信基本原理如圖1，首先對電磁環(huán)境進行譜估計(采取自相關法、周期圖法、AR模型法等)，將測得的功率譜密度與閾值門限進行比較，根據(jù)相對門限值的大小分別將幅度譜置0和置1，得到不連續(xù)的矩形譜，從而得到可進行通信的一系列的頻點，然后對每一個頻點進行隨機相位編碼，以提高抗截獲和多址傳輸能力，再通過變換域技術轉換到時域信號，并對需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行調制，功率調整和存儲后發(fā)射出去。

圖1 TDCS技術基本原理

1.2 TDCS技術的發(fā)展現(xiàn)狀及主要應用

在German提出變換域通信系統(tǒng)的基本思想后，1991年，Harris公司的Andren申請了一項與German提出的技術相類似的低截獲概率通信系統(tǒng)專利[5]。1997年，美國空軍針對軍用飛機進入敵方領空執(zhí)行任務時面對極強的電子干擾問題，采用了Andren提出的對通信電磁環(huán)境采樣、波形生成的收發(fā)機框架和German基于環(huán)境采樣值產生基礎調制波形的思想構架，2001年在美國國防部關于電子戰(zhàn)發(fā)展計劃的報告中也有對TDCS技術發(fā)展狀況的介紹。目前變換域通信系統(tǒng)己經成為美軍電子戰(zhàn)計劃的重要組成部分，是下一代電子戰(zhàn)裝備的備選方案之一。

初期的TDCS的基礎調制波形是在DFT域進行的，Radcliffe[6]及Roberts[7]等人利用自回歸(Auto-regressive,AR)線性預測濾波技術對傳輸信道進行譜估計，剔除干擾譜存在的區(qū)域，再利用傅里葉逆變換生成時域的基礎調制波形進行傳輸，取得一批有價值的研究成果。之后，一些學者利用小波變換[8]及小波包變換[9]對電磁傳輸環(huán)境進行頻譜感知，利用對應的反變換對TDCS的基礎調制波形進行設計，對該算法下的TDCS系統(tǒng)性能進行了仿真分析與驗證。

國外的研究以美國空軍技術學院和空軍技術研究實驗室為代表，國內對該項研究關注較晚，在2003年才陸續(xù)出現(xiàn)相關文獻，目前開展研究的單位主要有電子科技大學、西安電子科技大學、西安交通大學、哈爾濱工業(yè)大學、空軍工程大學等。

目前開展的研究多集中于TDCS建模、頻譜估計與基礎調制波形生成、調制方法、對簡單干擾抑制效果或經過簡單多徑信道時系統(tǒng)的性能比較及分析等方面，很多研究工作都是基于收發(fā)雙方處于相同的電磁頻譜環(huán)境的假設條件下，對TDCS系統(tǒng)的性能分析也都是假設信道為加性高斯白噪聲信道。

可以考慮將OFDM技術應用到TDCS發(fā)射機中，將串行數(shù)據(jù)轉換為并行數(shù)據(jù)，對每個子載波的數(shù)據(jù)進行相應的調制，星座圖映射加CP后傳輸，在提高抗干擾能力的同時，保證了數(shù)據(jù)的高速傳輸能力。

TDCS算法中，基礎調制波形的設計、變換域技術的選擇、調制解調技術是變換域通信系統(tǒng)的核心，下面分別對相關技術和算法進行簡單介紹。

2 基礎調制波形設計

變換域通信系統(tǒng)的設計側重于于基礎調制波形的設計，然后用來進行數(shù)據(jù)信息的調制。

2.1 功率譜估計技術

譜估計模塊完成對當前電磁環(huán)境的檢測，估計和識別干擾頻段最終確定可用頻段。譜估計方法主要有兩種：經典譜估計方法與現(xiàn)代譜估計方法。

經典譜估計將觀測區(qū)間外的數(shù)據(jù)設為零，根據(jù)隨機數(shù)據(jù)的N點觀測值計算，相當于對信號進行時域加窗，存在分辨率不高和頻譜泄露問題，使得譜估計的性能很不穩(wěn)定。經典譜估計法主要分為相關法和周期圖法。

現(xiàn)代譜估計法[10-11]使用參數(shù)模型進行信號功率譜的估計，主要有AR/MA/ARMA 3種模型，其中AR模型的應用最為廣泛?，F(xiàn)代法能夠回避觀測區(qū)間外的數(shù)據(jù)假設問題，性能相比經典法過程穩(wěn)定，具有很高的分辨率，曲線光滑，方差較小。AR模型法有3種算法：自相關法、Burg算法和改進協(xié)方差法。對于AR模型算法來說，階數(shù)p的選擇至關重要，階數(shù)選擇過小會無法分辨較近的譜峰，選擇過大又會出現(xiàn)偽峰，目前p的選取準則主要有最終預測誤差準則(FPE)、信息論準則(AIC),判別自回歸傳輸函數(shù)準則(CAT)等。

2.2 幅度譜成型算法

傳統(tǒng)的幅度譜成型算法采用單一固定門限。門限值是根據(jù)經驗選用環(huán)境頻譜峰值的40%，將高于該門限值的頻段設為0以剔除，而低于該門限值的頻段設為1用以傳送信息。

這種單一門限法，算法簡單，但由于來源于經驗，對頻譜中的有效能量使用不夠，造成了能量的浪費，并存在以下不足：當選取過低的判決門限時，會將受到輕微干擾的頻段剔除，致使可以用于通信的頻點數(shù)很少，生成的基函數(shù)類噪聲性能差，不具備良好的低截獲/低檢測概率性能，同時由于每個頻點分配的功率過大，難以實現(xiàn)隱蔽通信。選取過高的判決門限時，強干擾點可能只剔除一部分，會有很高的漏檢概率，傳輸過程會造成較高的誤碼率，抗干擾性能差。

為彌補單門限法的不足，研究人員提出了多門限法權系數(shù)法[12-16]，分型法[17]和自適應門限法[18]。

文獻[12-13]提出的雙門限法，文獻[14]中的多級門限判別法，文獻[15]中的功率譜翻轉門限設計，通過設計多級門限，對感知的電磁環(huán)境頻譜進行多級量化，體現(xiàn)出不同頻段的不同使用程度，具有更低的誤碼率和更高的吞吐能力。文獻[16]中采用的權系數(shù)法，在背景干擾存在的情況下，通過給采樣后每個干擾頻點幅值乘以權系數(shù)生成幅度譜值，在干信比為29dB和35dB、信噪比為0dB時，仍可以有效地進行通信。

分型理論譜峰檢測方法[17]采用以盒維數(shù)為判據(jù)的譜峰檢測算法，側重識別頻譜圖中的特征點，根據(jù)干擾頻譜起點、頂點、終點的特異性，準確識別干擾頻段的起始范圍，據(jù)此對干擾進行精確剔除，從而達到降低誤碼率的目的。該算法在對抗TDCS70%部分帶寬干擾，改善尤為明顯，而對于TDCS抗線性調頻干擾條件下，在大干信比時，對誤碼率的減小也很明顯。

自適應門限法是近年來幅度譜成型算法研究的熱點，基于Otsu準則的自適應門限選擇方案[18]，通過對接收機估計的頻譜幅度進行灰度映射，將頻譜灰度分為背景噪聲和干擾兩類，利用最大類間距準則和類內方差和最小準則確定出最佳的分類閾值作為TDCS的判決門限。這種自動根據(jù)對信道的感知結果動態(tài)地搜索最佳判決門限的方法，在強背景噪聲條件下，依然具有良好的降低誤碼率表現(xiàn)。

文獻[19]中的TDCS自適應門限設置方法，該算法依托二元假設模型，對檢測概率和虛警概率進行權衡，確立了最優(yōu)判決門限算法。門限值由干擾信號功率、噪聲功率以及權重因子共同決定，能自適應于信道環(huán)境的變化，誤碼率較低，有良好的抗干擾性能。理論分析和仿真實驗證明，在多音干擾和窄帶干擾共存的信道環(huán)境下，該方法能夠準確定位干擾并將其剔除，進而生成近似純凈無干擾的基函數(shù)幅度譜，降低TDCS系統(tǒng)的誤碼率。

2.3 偽隨機相位編碼算法

TDCS中引入偽隨機相位的概念是為了使通信系統(tǒng)具有LPI/LPD特性和提供多址接入能力，偽隨機相位生成所選用的PN序列對基函數(shù)的性能有很大影響，該相位服從[0，2π]均勻隨機分布且與基函數(shù)譜值長度相同。PN序列的選擇與設計，不但需要較好的自相關性能(即自相關峰較大)，而且需要較好的互相關特性(即互相關峰很小并趨于0)，同時，偽隨機相位序列也是影響TDCS多址能力的一個重要因素，不同的PN序列可作為不同用戶的地址碼。目前的幾種偽隨機序列有m序列、Gold序列及混沌序列等。

傳統(tǒng)TDCS系統(tǒng)都是通過一維m序列生成偽隨機相位，m序列通過n階線性移位寄存器產生，周期為2n-1，m序列生成方法比較簡單，具有雙值自相關性和較好的互相關性，但存在以下不足：由于其周期限制于2n-1，當n較大時，相鄰周期相距較遠，有時不能得到所需周期的偽隨機序列，另外由m序列組成的互相關特性好的互為優(yōu)選的序列集很少，為了避免多址應用時產生的相互干擾對不同用戶之間通信品質的影響，需要精心挑選符合要求的不同的m序列。如果要求的地址數(shù)過多，只能降低互相關要求。m序列產生偽隨機序列如圖2所示，生成相位數(shù)目與幅度譜頻點數(shù)一致。

圖2 m序列生成偽隨機序列

1967年R.Gold在m序列基礎上提出了用優(yōu)選對組成的復合碼序列——Gold序列，使用Gold序列作為地址碼，地址數(shù)可大大超過使用m序列作為地址碼的數(shù)量。文獻[20]中采用雙Gold序列進行基函數(shù)的映射，與單Gold序列相比，隨機性更好，相關性更優(yōu)，可有效降低系統(tǒng)誤碼率，提高變換域通信系統(tǒng)抗截獲能力，具有良好的多址接入性能。

混沌現(xiàn)象類似于在非線性動態(tài)系統(tǒng)中出現(xiàn)的隨機過程，這種過程不收斂，非周期，有界，與初始值依賴性強。其遍歷統(tǒng)計特性類似零均值白噪聲，相關性能好，完全依賴于初始值的變化，不同的初始值，會生成完全不同的混沌序列?？梢钥紤]將混沌算法擴展TDCS的多址性能，利用不同的初值產生不同的混沌序列(作為多址接入的地址單元)分配給不同的用戶使用[21-24]。

“互聯(lián)網(wǎng)+”親職教育是未來親職教育發(fā)展的必然趨勢，是互聯(lián)網(wǎng)與教育之間的深度耦合，將對教育產生深刻的變革?？墒牵两裨谌珖秶鷥炔]有形成成熟的教育模式。究其原因，其中很重要的一點就是跨界人才的缺乏。

3 變換域技術選擇

目前TDCS技術所使用的變換域技術主要有傅里葉變換(DFT)、小波變換(DWT)小波包變換(DWPT)、分數(shù)階傅里葉變換(FrFT)等。

DFT是應用最廣泛的數(shù)字信號處理工具，TDCS技術是依托DFT發(fā)展，由于DFT是一種全局變換，無法顯示時頻局部信息，所以對于非平穩(wěn)信號的處理存在很大缺陷。

DWT和DWPT是能夠處理非平穩(wěn)信號的現(xiàn)代信號處理工具。DWT采用長寬可變但面積恒定的矩形窗口進行信號時頻局部性能分析，其針對時間和頻率分辨率的不同調節(jié)，能大幅提升系統(tǒng)的時頻分析能力。DWPT技術進一步提升了小波變換在分辨率上的優(yōu)勢。但兩種變換仍然存在分解深度不易控制和對非平穩(wěn)干擾的抵抗能力差的問題。

通過將時頻平面的坐標軸旋轉，得到可以進行任意角度旋轉的FrFT變換，它是一種廣義傅里葉變換，是將信號在一組正交的Chirp信號上進行展開而的得到的(傅里葉變換則是一組正弦基為完備正交基)，坐標軸的旋轉可以將原時頻平面耦合的信號和干擾轉換到合適的角度耦合，對于線性調頻信號可使其在某個方向上具有時頻聚集性，顯示為沖激函數(shù)，可以更好的進行chirp干擾的分離和干擾的剔除。

3類算法的優(yōu)缺點如表1。

表1 變換域算法比較

4 調制解調技術

TDCS調制技術主要有雙極性調制、正交調制、混合調制等。

1) 雙極性調制采用基礎調制波形及其負數(shù)分別代表二進制碼元的不同符號，設基礎調制波形為b(t)，則雙極性調制的表達式為：

(1)

(2)

2) 正交調制。因為基礎調制波形具有類噪聲性質，即自身與自身時移的互相關值接近為0。因此可使用循環(huán)移位鍵控(cyclic shift keying，CSK)，即采用基礎調制波形的不同時移代表不同的碼元符號，性能接近正交調制，其本質是調相。二元CSK調制的理論誤比特率為

(3)

將雙極性調制和正交調制結合則形成一種新的調制方式，循環(huán)翻轉移位鍵控，它比CSK更接近正交調制。隨著技術的發(fā)展，又出現(xiàn)了新的解調技術-雙支路準正交循環(huán)移位鍵控和基于簇化理論的循環(huán)移位鍵控。

5 TDCS的研究方向及發(fā)展趨勢

作為認知無線電收發(fā)機的候選方案，TDCS有其獨特的抗干擾性能，能有效抑制單音、多音、窄帶、線性調頻等多種干擾。其真正投入使用還需要一段時間，國外基于軍事的研究處于嚴格保密中，國內研究多聚焦在理論方面，從技術發(fā)展角度來看，預計TDCS技術的發(fā)展將主要關注以下方面[25-26]：

1) 幅度譜成型算法的研究

目前的變換域通信系統(tǒng)算法研究中，幅度譜的成型算法很受重視。隨著認知無線電技術及設備的成熟和新的譜估計技術的不斷出現(xiàn)，必然能使變換域通信系統(tǒng)走上新的發(fā)展階段，并可能使變換域通信技術結合軍事項目產生巨大的軍事效益。為充分發(fā)揮TDCS主動抗干擾的優(yōu)點，對自適應算法的研究將會是下一個階段的重點。

2) 目前開展的TDCS研究對多徑信道條件下的抗干擾性能研究還有不足?；诘男诺拉h(huán)境都是加性高斯白噪聲信道，對于實際通信中的無線傳輸信道的多徑衰落特性研究開展較少，信道的多徑會導致TDCS各用戶間的正交性的破壞，會產生多用戶干擾，將嚴重影響TDCS的系統(tǒng)性能。

3) TDCS具有獨特的抗干擾性能，能有效躲避各種有意和無意的干擾，提高通信品質。TDCS的似噪聲信號很難被檢測截獲。在軍事通信中，TDCS不但可以作為一種抗干擾、LPI的通信技術，還可以作為一種智能干擾源?？紤]到TDCS具有定位信號譜的能力，在識別敵方正在使用的譜段后可以在該譜段合成一個強干擾波干擾敵臺，同時自身可以避開該譜段工作。

4) 電磁頻譜不一致問題的研究[27]。目前對TDCS的研究多假設接收端與發(fā)射端電磁頻譜一致，從而使用相同的頻譜和基礎調制波形進行數(shù)據(jù)的調制和解調，然而實際電磁環(huán)境中由于所受干擾不同，會使收發(fā)兩端的電磁環(huán)境很難保持一致，從而對TDCS的性能產生巨大影響，因此收發(fā)端頻譜感知結果不一致時的感知結果交換機制有待進一步的研究。

6 結論

變換域通信系統(tǒng)是提高系統(tǒng)抗干擾能力的有效技術手段之一。TDCS作為一種具有主動干擾規(guī)避、多址傳輸?shù)臒o線電通信技術，有很好的軍事應用前景，能極大推動軍事通信抗干擾技術的發(fā)展，但目前TDCS技術在實際應用上還存在很多挑戰(zhàn)。將變換域通信系統(tǒng)與OFDM等技術進行有效結合，能實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸條件下的干擾抑制，對戰(zhàn)場復雜電磁環(huán)境下的集群通信、站機通信有十分重要的意義。

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(責任編輯 楊繼森)

Research on Transform Domain Communication System

SUN Jian，XU Bin，DING Dan，LOU Xin

(Department of Equipment Acquisition, Equipment Academy of PLA, Beijing 101416, China)

The principle of transform domain communication system was introduced. Combing the development process and research status of transform domain communication system, the algorithms of fundamental modulation waveform design, transform domain and modulation and demodulation techniques were summarized, and the development key point and trend were concluded. All of these provide the reference for TDCS technologies study in the future.

ransform domain communication; fundamental modulation waveform; pseudo-random phase; low probability of intercept/low probability of detecting

2016-06-17；

2016-07-15

孫健(1983—)，男，碩士，主要從事信息網(wǎng)絡與安全研究。

10.11809/scbgxb2016.10.036

孫健，許斌，丁丹，等.變換域通信系統(tǒng)研究[J].兵器裝備工程學報，2016(10):169-173.

format:SUN Jian，XU Bin，DING Dan,et al.Research on Transform Domain Communication System[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(10):169-173.

TN92

A

2096-2304(2016)10-0169-05