潘申富，陳敬喬

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

擴(kuò)頻通信是現(xiàn)代通信系統(tǒng)常用的一種方式，用擴(kuò)展頻譜的方式降低信號(hào)譜密度，從而提高通信系統(tǒng)的隱蔽性和抗干擾能力[1]。目前的通信系統(tǒng)中，除了背景噪聲外還存在窄帶干擾，當(dāng)窄帶干擾很強(qiáng)時(shí)將導(dǎo)致通信系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行[2]。因此，在解調(diào)之前需要進(jìn)行窄帶干擾抑制，從而保證接收端能夠正常工作。

頻域陷波法是目前應(yīng)用很廣的干擾抑制方法，適用于干擾帶寬較窄而且干擾頻帶較穩(wěn)定的射頻干擾抑制處理[3]。頻域陷波的基本原理是在頻域?qū)π盘?hào)進(jìn)行分析，利用窄帶干擾、噪聲和擴(kuò)頻信號(hào)不同的頻域特性來(lái)區(qū)分并抑制干擾[4]。與擴(kuò)頻信號(hào)和白噪聲的頻譜相比，窄帶干擾的頻譜很窄，易于識(shí)別，可在頻域?qū)Ω蓴_信號(hào)進(jìn)行判斷、識(shí)別，找出干擾頻點(diǎn)并對(duì)其進(jìn)行陷波處理。頻域陷波處理后，可以降低干擾對(duì)接收信號(hào)的影響，改善信干比[5-8]。但頻域陷波也會(huì)帶來(lái)2個(gè)副作用：一是陷波位置的信號(hào)會(huì)被切除，導(dǎo)致信號(hào)總功率下降；二是陷波會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真，給接收端帶來(lái)一定的性能損失。而且頻譜切除得越多，信號(hào)失真越明顯，帶來(lái)的性能損失也越大。因此，在進(jìn)行陷波處理時(shí)，不但要考慮切除窄帶干擾導(dǎo)致的信噪比改善，還要考慮信號(hào)能量損失和信號(hào)失真導(dǎo)致的信噪比惡化。

目前，針對(duì)頻域陷波的研究多集中在技術(shù)實(shí)現(xiàn)及改進(jìn)方面，文獻(xiàn)[9-12]介紹了頻域陷波的設(shè)計(jì)及具體實(shí)現(xiàn)方法，文獻(xiàn)[13-16]介紹了頻域陷波的具體應(yīng)用，而對(duì)頻域陷波后信號(hào)失真進(jìn)行分析的文獻(xiàn)較少。本文針對(duì)不同擴(kuò)頻比、不同調(diào)制方式、不同陷波位置時(shí)，頻域陷波后的誤碼性能進(jìn)行仿真分析，得出頻域陷波后信號(hào)失真的計(jì)算方法，分析總結(jié)減小信號(hào)失真的參數(shù)選擇方法。為直擴(kuò)系統(tǒng)抗窄帶干擾設(shè)計(jì)提供參考，同時(shí)也可為頻域陷波策略的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 信號(hào)模型

擴(kuò)頻通信方式與其他通信方式的區(qū)別在于，擴(kuò)頻系統(tǒng)在傳送信號(hào)的過(guò)程中對(duì)信號(hào)發(fā)送端進(jìn)行了擴(kuò)展頻譜調(diào)制，擴(kuò)頻通信運(yùn)用偽隨機(jī)序列調(diào)制需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，把信號(hào)頻譜擴(kuò)展到更寬的頻帶后再進(jìn)行傳輸，因而能達(dá)到一定的抗干擾目的。發(fā)送端信號(hào)時(shí)域及頻域變化過(guò)程，如圖1所示[17]。

圖1 時(shí)域擴(kuò)頻前后和頻域擴(kuò)頻前后的對(duì)比Fig.1 Comparison before and after spreading in time and frequency domain

直接擴(kuò)頻信號(hào)在頻域中會(huì)呈現(xiàn)出與白噪聲相似的平坦特性，而窄帶干擾信號(hào)在頻域上會(huì)出現(xiàn)明顯的頻譜峰值，如圖2所示。

圖2 窄帶干擾示意Fig.2 Narrow-band interference schematic diagram

在窄帶干擾抑制的眾多方法中，頻域陷波的應(yīng)用最為普遍。頻域陷波法的原理框圖如圖 3所示。首先對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，得到其歸一化頻譜；然后按照一定的準(zhǔn)則設(shè)置干擾檢測(cè)門限，確定干擾在接收信號(hào)頻譜中的位置；接著對(duì)這些干擾頻點(diǎn)進(jìn)行陷波，最后對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行逆傅里葉變換得到干擾抑制后的數(shù)據(jù)[18]。由于實(shí)際應(yīng)用中需要對(duì)輸入信號(hào)截?cái)嗪筮M(jìn)行 FFT 運(yùn)算，再將干擾位置的頻譜置零，這些處理會(huì)帶來(lái)信號(hào)失真，從而使解調(diào)性能受到影響。

圖3 頻域陷波原理框圖Fig.3 Principle diagram of frequency domain notch

2 頻域陷波對(duì)接收性能的影響分析

(1)

(2)

陷波切除的信號(hào)頻譜越寬，信號(hào)失真越大，性能損失ξ也越大。在實(shí)際應(yīng)用中，陷波前需要對(duì)比ΔlJ和Δls的值，根據(jù)增益是否大于損失，決定是否陷波。因此，設(shè)計(jì)陷波策略時(shí)需要綜合考慮各參數(shù)的影響。由于信號(hào)失真為非線性變化，難以建立信號(hào)失真與性能損失ξ之間的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)關(guān)系式，所以采用仿真統(tǒng)計(jì)的方式分析二者之間的關(guān)系。

3 仿真分析

為充分說(shuō)明頻域陷波對(duì)接收性能的影響，從以下4個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比和仿真：不同陷波位置、不同調(diào)制方式、不同擴(kuò)頻比及不同陷波比例，分別給出不同參數(shù)時(shí)的誤碼率曲線。通過(guò)對(duì)比，可以得出各參數(shù)對(duì)陷波后誤碼性能的影響大小，為后續(xù)陷波方案的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3.1 不同陷波位置的陷波性能對(duì)比

仿真目的：BPSK方式，滾降系數(shù)不同，陷波位置對(duì)性能的影響是否與滾降系數(shù)大小有關(guān)系。

仿真條件：滾降系數(shù)設(shè)為0.1，陷波位置分別在頻譜的左、中、右三部分，陷波比例設(shè)為5%。

仿真結(jié)果：當(dāng)滾降系數(shù)為0.1時(shí)，陷波后頻譜如圖4所示。

圖4 頻域陷波后的頻譜Fig.4 Signal spectrum after frequency domain notch

在不同位置陷波后，分別仿真誤碼曲線，如圖5所示。

圖5 陷波位置分別為左、中、右的誤碼率對(duì)比Fig.5 Comparison of BER when notch position is on the left，in the center and on the right

由圖5可以看出，滾降系數(shù)為0.1，陷波位置分別為左側(cè)、中間、右側(cè)時(shí)，三條誤碼曲線幾乎重合，性能基本一致。即滾降系數(shù)為0.1時(shí)，陷波性能與陷波位置無(wú)關(guān)。由此可得出：滾降系數(shù)很小時(shí)，陷波后的性能與陷波位置無(wú)關(guān)。因此后續(xù)分析和仿真中，為了描述方便，可采用較小的滾降系數(shù)0.1進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2 不同調(diào)制方式的陷波性能對(duì)比

對(duì)比BPSK，QPSK和8PSK，切除相同比例寬度的頻譜后，性能損失情況，如圖6所示。

圖6 BPSK，QPSK和8PSK陷波后的誤碼率對(duì)比Fig.6 BER performance of BPSK，QPSK and 8PSK after notched

設(shè)定切除頻譜寬度占總寬度的10%，擴(kuò)頻比512，分別畫出3種調(diào)制方式的誤碼曲線。

可以看出，切除相同比例的頻譜，調(diào)制方式為BPSK時(shí)，性能損失最小，QPSK和8PSK調(diào)制方式的性能損失均大于BPSK調(diào)制方式。因此，采用頻域陷波抗窄帶干擾措施時(shí)，應(yīng)選擇低階調(diào)制方式BPSK。

3.3 不同擴(kuò)頻比的陷波性能對(duì)比

調(diào)制方式為BPSK方式，擴(kuò)頻比不同時(shí)，頻域陷波后性能也有所不同。分別仿真擴(kuò)頻比為128，512、頻譜切除比例分別為5%，10%，15%，20%的誤碼性能，誤碼率曲線如圖7所示。

圖7 擴(kuò)頻比為128和512，陷波后的誤碼率對(duì)比Fig.7 BPSK BER with spread ratio of 128 and 512 after notched

由圖7可以看出，當(dāng)陷波比例在10%條件下，擴(kuò)頻比為128時(shí)，性能損失約為1 dB，擴(kuò)頻比為512時(shí)，性能損失約為0.5 dB；陷波比例為20%，擴(kuò)頻比為128時(shí)的性能損失約為2 dB，擴(kuò)頻比為512時(shí)的性能損失約為1 dB。通過(guò)對(duì)比，可以看出在相同的陷波比例下，隨擴(kuò)頻比增大，陷波損失相應(yīng)減小。

頻域陷波后，除了陷波位置的窄帶干擾被切除，陷波位置的信號(hào)也會(huì)被切除，因此陷波處的信號(hào)能量消失為0。由信號(hào)功率減小帶來(lái)的性能損失：

lnotch=10*lg[1/(1-r)] ，

(3)

式中，lnotch為性能損失；r為歸一化陷波帶寬，r=Bnotch/Bs，Bnotch為陷波帶寬，Bs為信號(hào)帶寬。

在圖7的基礎(chǔ)上，去掉lnotch的值，即可得信號(hào)失真帶來(lái)的性能損失，如圖8所示。圖8的性能曲線中，橫軸的Eb/N0是去掉了能量損失部分以后的值，可以直接看出失真導(dǎo)致的惡化。

圖8 擴(kuò)頻比為128和512，陷波后信號(hào)失真帶來(lái)的性能損失對(duì)比Fig.8 Performance loss caused by signal distortion with spread ratio of 128 and 512 after notched

由圖8可以看出，擴(kuò)頻比為128時(shí)，性能失真還比較明顯；擴(kuò)頻比為512時(shí)，性能失真變得很小，幾乎可以忽略。因此，當(dāng)調(diào)制信號(hào)為BPSK擴(kuò)頻信號(hào)，且擴(kuò)頻比較大時(shí)，信號(hào)失真對(duì)誤碼性能的影響可以忽略，這時(shí)，可以認(rèn)為陷波后的性能損失只和陷波帶寬有關(guān)系。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)Matlab仿真，詳細(xì)分析了頻域陷波抗干擾措施對(duì)接收性能的影響。為提高擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗窄帶干擾能力，給出了設(shè)計(jì)及選擇信號(hào)參數(shù)的依據(jù)。在同樣干擾條件下，應(yīng)盡量采用低階調(diào)制，以降低陷波后的性能損失。擴(kuò)頻比較小時(shí)，應(yīng)充分考慮信號(hào)失真的影響；擴(kuò)頻比較大時(shí)，信號(hào)失真的影響可以忽略，性能損失僅與陷波比例有關(guān)。因此在工程實(shí)踐中，為了提高抗窄帶干擾能力，達(dá)到更好的陷波性能，可選擇低階調(diào)制BPSK方式及較大的擴(kuò)頻比。