周揚偉, 李岱若, 楊雅雯

(1.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院, 湖北 武漢　430033；2.海軍航空兵學(xué)院， 遼寧 葫蘆島　125001)

1　DSSS技術(shù)抗干擾能力分析

針對衛(wèi)星通信系統(tǒng)來說,分配帶寬內(nèi)DS擴頻通信,就是將待傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)信息用偽隨機碼c(t)擴展到衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器分配給艦載站的載波頻帶對應(yīng)的載波速率上,然后經(jīng)調(diào)制變頻后送到無線信道中,在艦載站接收端通過DS解擴處理,將輸入的寬帶有用信號的頻譜恢復(fù)為原信號帶寬,而頻帶較寬的干擾信號頻譜則被進(jìn)一步擴展,通過DS解擴模塊后的窄帶濾波器可以將大部分干擾信號濾除[1-2],實現(xiàn)DSSS對干擾的抑制。DS擴頻通信的頻譜示意圖如圖1所示。

為定量地分析最低限度通信模式的抗干擾的能力,需要引入一個重要的參數(shù):擴頻處理增益Gp,Gp代表通過頻譜擴展前后系統(tǒng)信噪比的變化程度,可表示為未擴頻信號的功率密度與擴頻后信號的功率密度之比[3],Gp近似表達(dá)式為

(1)

式中,L為直擴序列偽隨機碼長度,Tch碼片周期,Rch為碼片速率,Tb為信息周期,Rb為信息比特速率。

對于衛(wèi)星通信系統(tǒng)來說,固定站和艦載站之間一般開通1Mbps或2Mbps速率的干線網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸,由文獻(xiàn)[4]可知,使一路話音或者一路數(shù)據(jù)可以正常傳輸?shù)淖畹蛿?shù)據(jù)速率為2.4kbps。因此對于開通1Mbps或2Mbps速率的衛(wèi)星通信系統(tǒng)使用分配帶寬內(nèi)DSSS抗干擾技術(shù)可以獲得的處理增益Gp的dB形式為:

圖1　擴頻處理前后的頻譜示意圖

(2)

(3)

處理增益Gp表征了DSSS技術(shù)的抗干擾能力。但是實際上不同干擾樣式的干擾信號產(chǎn)生對DSSS系統(tǒng)的干擾效果是不同的,表現(xiàn)在同一個DSSS系統(tǒng)達(dá)到相同的干擾效果(相同系統(tǒng)誤碼率)時不同干擾樣式干擾信號需要達(dá)到不同的干信比。

本文主要分析針對壓制性干擾:點頻干擾、多頻干擾、部分頻帶干擾、全頻帶干擾對DSSS技術(shù)的干擾效果進(jìn)行分析。

1.1　點頻干擾

窄帶干擾的產(chǎn)生方式有很多,比如AR信號模型、隨機二元碼調(diào)制模型、點頻干擾模型[5]。其產(chǎn)生的干擾信號的頻譜特征都很相似,表現(xiàn)為頻域上極窄能量極高的干擾信號,其中點頻干擾是窄帶干擾的極限情況。

點頻干擾(CWI)信號表現(xiàn)為在某一特定頻點通信信號的功率大幅度增加,而其他頻點的功率則無變化,其時域連續(xù)、頻域單一。其數(shù)學(xué)模型如下:

(4)

式中,Pj代表正弦波的功率;f1表示干擾信號的頻率;ψ代表在區(qū)間[0,2π]服從均勻分布的隨機相位。

可以求得點頻干擾信號的自相關(guān)函數(shù)為:

Rj=Pjcos2πf1τ

(5)

因此點頻干擾的功率譜密度函數(shù)為[6]

(6)

不同干擾樣式的干擾信號的功率譜密度Nj0是不一樣的,因此決定了不同干擾樣式下,通信系統(tǒng)干信比JSR和系統(tǒng)的誤碼率Pe關(guān)系是不同的。下面計算點頻干擾的功率譜密度Nj0:

(7)

因此由文獻(xiàn)[7]可知點頻干擾下未編碼BPSK調(diào)制的通信系統(tǒng)的誤碼率表達(dá)式為

(8)

圖2　點頻干擾的時域波形和功率譜圖

1.2　多頻干擾

多頻干擾(MWI)可看作是一定頻帶寬度內(nèi)的多個點頻干擾的組合，可分為等幅等間隔和非等幅非等間隔。在保持總的干擾功率一定的情況下,本文選擇等幅等間隔情況進(jìn)行分析。采用頻分體制,在時域連續(xù)干擾,其時域表示式為[8]

(9)

式中,A為振幅,Δf為步進(jìn)頻率,N為發(fā)出多頻干擾的干擾音個數(shù)。

在相同干擾功率下,對于單載波系統(tǒng)來說,單頻干擾和多頻干擾的干擾效果相似,但多頻干擾的功率分配更靈活,更加有利于對多載波系統(tǒng)進(jìn)行干擾。

圖3　多頻干擾的時域波形和功率譜圖

1.3　全頻帶噪聲干擾

根據(jù)噪聲信號和信號帶寬的相對關(guān)系,可以把噪聲干擾分為全頻帶噪聲干擾和部分頻帶噪聲干擾。

全頻帶噪聲干擾是將噪聲能量產(chǎn)生的干擾帶寬Wj覆蓋在目標(biāo)信號的整個頻帶Wp上,即Wj=Wp,這種干擾又稱作全頻帶干擾。本文采用高斯白噪聲通過帶通濾波器來產(chǎn)生寬帶噪聲干擾:

NJ(t)=(σJ2×n(t))?hb(t)

(10)

的高斯白噪聲;?代表卷積運算;hb(t)為帶通濾波器沖擊響應(yīng)。

干擾信號的功率定義為[9]

(11)

式中，NJ0為寬帶噪聲干擾單邊帶功率譜密度;WJ為寬帶噪聲干擾帶寬。

圖4　全頻帶噪聲干擾的時域波形和功率譜圖

1.4　部分頻帶干擾

取WJ=0.1MHz,σJ2=1,中心頻率f0=30MHz時的部分頻帶噪聲干擾信號的時域波形和頻域功率譜密度波形如圖5所示。

圖5　部分頻帶噪聲干擾的時域波形和功率譜圖

部分頻帶噪聲干擾的功率譜密度函數(shù)為[10]

(12)

因此部分頻帶噪聲干擾下BPSK調(diào)制通信系統(tǒng)的誤碼率表達(dá)式為

(13)

式中Tj=1/Rj=1/ρRb,全頻帶干擾時ρ=1,Tj=Tc,其BPSK調(diào)制通信系統(tǒng)的誤碼率表達(dá)式為

(14)

2　四種干擾樣式對DSSS系統(tǒng)干擾效果

由前述分析可知：不同干擾樣式的干擾信號作用于DSSS系統(tǒng)時其干擾效果是不同的,也就是使系統(tǒng)達(dá)到相同的誤碼率時不同干擾樣式所需的干信比是不同的,接下來根據(jù)上面不同干擾樣式的誤碼率修正公式仿真分析干擾樣式對DSSS系統(tǒng)的干擾效果。

在編碼方式為3/4卷積碼,調(diào)制方式為BPSK調(diào)制,信噪比Eb/N0=10dB,編碼增益Gc=1.8dB條件下,對2.4kbps的數(shù)據(jù)進(jìn)行2MHz分配帶寬內(nèi)進(jìn)行直接序列擴頻,由式(3)可知此時擴頻增益Gp約為29.2dB。設(shè)置變量JSR從10dB到50dB以1dB差值步進(jìn),對上述四種不同類型的干擾信號作用下的干信比-誤碼率公式進(jìn)行仿真,可得到點頻干擾、多頻干擾、ρ=0.5部分頻帶干擾、全頻帶干擾四種干擾樣式下的干信比-誤碼率關(guān)系如圖6所示。

圖6　不同干擾樣式下干信比-誤碼率關(guān)系圖

由圖6可知,不同干擾樣式的干擾信號作用于3/4卷積碼DS/BPSK系統(tǒng)時,DSSS系統(tǒng)的干信比-誤碼率曲線趨勢基本相同。但相同干擾功率下達(dá)到的干擾效果是不同的,列出干擾使DSSS系統(tǒng)達(dá)到門限誤碼率[Pe]th=1×10-4時,不同樣式干擾信號所需的干信比如表1所示。

點頻和多頻干擾信號使系統(tǒng)達(dá)到門限誤碼率時所需的干信比最小,約為22.7dB左右,相差小于0.1dB;和部分頻帶干擾信號使系統(tǒng)達(dá)到門限誤碼率時所需的干信比相比相差大約1dB。全頻帶干擾使系統(tǒng)達(dá)到門限誤碼率時所需的干信比最大,約為24.6dB,與點頻干擾相差2dB左右。

表1　不同干擾樣式信號對系統(tǒng)的影響

仿真表明了DSSS系統(tǒng)對點頻干擾和多頻干擾的抑制能力低于全頻帶干擾抑制能力大約2dB,DSSS系統(tǒng)抵御窄帶干擾能力相對來說比較差。因此針對載波內(nèi)DSSS技術(shù)抗窄帶干擾能力有限的問題,運用窄帶干擾抑制技術(shù)在DS接收機相關(guān)解擴處理前添加窄帶干擾抑制模塊,可以提高DSSS系統(tǒng)抗干擾能力。

干擾差異產(chǎn)生的主要原因為點頻或者窄帶干擾相對于寬頻帶干擾來說能量相對集中,當(dāng)處理增益不夠時,DSSS技術(shù)對干擾信號的展擴效果不夠,故相同干擾功率時點頻或窄帶干擾將對DSSS系統(tǒng)產(chǎn)生更大的影響。

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