基于小波的變換域通信系統抗干擾性能研究

摘 要：變換域通信系統通過信道估計在變換域設計信號波形避開干擾，它沒有采用載波調制，而是用一個類似噪聲的基函數進行信息調制。對高斯白噪聲信道下的取不同門限值的基于小波的變換域通信系統與DSSS的抗干擾性能作了比較分析，仿真結果表明基于小波的變換域通信系統相比于DSSS在單音、多音、線性調頻、10%部分帶寬干擾下誤碼率平均改進約10 dB，在70%部分帶寬干擾下誤碼率平均改進約5 dB，并對基于小波的變換域通信系統門限值的選取給出了建議。

關鍵詞：變換域；抗干擾；小波變換；門限

中圖分類號：TN911 文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2008)11-007-03

Research on the Anti-jamming Performance of Transform Domain 

Communication System Based on Wavelet 

ZHANG Lei，YANG Xiao

(Qingdao Branch，Naval Aeronautical Engineering Institute，Qingdao，266041，China)

Abstract：The fundamental idea in transform domain communication system is to synthesize a smart adaptive waveform to avoid interference at the transmitter.Its communication waveform is designed in transform domain according to the estimation of electromagnetic environment and no carrier modulation is employed，but a noise-like basis function is used to modulate the data.Comparing the anti-jamming performance of TDCS based on wavelet transformation to DSSS withscenarios for AWGN channel.The simulation results demonstrate that the average TDCS bit error rates improvement relative to an equivalent DSSS system is 10 dB with single-tone，multiple-tone，line frequency modulation and 10% part-jamming.The improvement is 5dB with 70% part-jamming.We also simulate and analyze the problem of threshold selection.Some advices about threshold selection are given on basis of the simulation results.

Keywords：transform domain;anti-jamming;wavelet transformation;threshold

1 引 言

軍用通信不僅要面對自然界的各種干擾，還要面對敵方的故意干擾，這些干擾都會導致通信系統的可靠性大大降低，甚至無法實現有效的通信。寬帶干擾覆蓋通信系統整個有效頻帶，它可有效地提高系統本地噪聲，因此可與信道噪聲聯合考慮。一般地，窄帶干擾是對通信系統最具毀滅性的軟殺傷。因此，如何抑制窄帶干擾成為通信系統抗干擾研究的主要方向。保密性是軍用通信系統另一個重要的指標，因此通信系統的低檢測/截獲概率(LPI/LPD)也是廣大軍事通信工作者的目標之一。

變換域通信系統(Transform Domain Communication System，TDCS)是在擴頻通信和變換域處理技術的基礎上發展起來的，但不同的是，它在收發端分別對電磁環境進行估計來“避開”干擾，而不是“消除”干擾。它具有較好的抗干擾能力和較高的LPI/LPD。對電磁環境(信道)的準確估計是變換域通信系統能夠有效工作的基礎。傳統的信道估計方法主要是基于傅里葉變換^[1-4]的。由于傅里葉變換使得信號在變換后失去了時間信息，而很多信號都包含有人們感興趣的非穩態(瞬變)特性，因而傅里葉變換不適合處理非平穩信號。小波變換能夠提供信號的時頻信息，能更好地對電磁環境進行估計。本文對高斯白噪聲信道下的基于小波的變換域通信系統進行了分析，并給出了仿真結果。

2 基本概念

圖1和圖2分別是基于傅里葉變換的變換域通信系統發射機\\[2\\]和接收機的原理框圖，其他變換域通信系統的原理圖基本一樣，只不過將相應的變換模塊更換為其他的變換方法。

在發射機端，電磁環境采樣結果輸入譜估計器后，通過計算功率譜密度(PSD)決定空間干擾所在的頻率位置。將估計得到的頻譜幅值A(w)與一個門限值相比較確定整個工作頻帶中哪些部分存在干擾，哪些部分沒有干擾可用于信息傳輸，然后將經過門限剔除后的頻譜幅值向量A′(w)與偽隨機相位器產生的復隨機向量ejθ(w)相乘得到基函數的頻譜表示B(w)，再經過IFFT得到基函數經數據信息進行調制后即可發射。

圖1 變換域通信系統發射機原理圖

圖2 變換域通信系統接收機原理圖

TDCS一般使用雙極性調制(Antipodal Modulation)或循環移位鍵控調制CSK(Cyclic Shift Keying)。雙極性調制即用基函數和基函數的負數代表不同的二進制碼元，即:



[JB({]s1(t)=b(t)

s2(t)=-b(t)[JB)][JY](1)



雙極性調制在加性高斯白噪聲信道(AWGN)信道下的傳輸誤碼率Pb為：



Pb=Q(2EbN0)[JY](2)



和其他通信系統一樣，TDCS接收機在進行解調處理之前要先進行同步檢測^[3]。

在接收機端，用同樣的方法產生本地基函數(只是增加了取共軛一項)與接收信號進行相關，然后經過判決檢測出數據信息。

3 抗干擾性能分析

擴頻通信具有抗干擾、保密性好、抗多徑衰落、低功率譜密度下工作等優點，是目前已在使用和正在研制中的一種技術。本節對AWGN信道下的基于小波變換的TDCS和直接序列擴頻(DSSS)系統的抗干擾性能作了仿真比較，所采用的仿真參數見表1。DSSS在窄帶干擾下，各種干擾產生的干擾效果變化不大，本文中采用對各種干擾下求平均的方法得出DSSS的誤碼率圖。

圖3給出了DSSS和單音、多音、線性調頻干擾下的TDCS誤碼率曲線及理論的誤碼率曲線，從圖中可以看出基于小波變換的TDCS能成功地抑制掉單音和多音干擾，其誤碼率曲線與不存在干擾時的理論值相當接近。線性調頻干擾的誤碼率曲線在J/E為7 dB前緩慢增加，7~8 dB之間減小到最小值，然后又呈增加趨勢。線性調頻干擾誤碼率曲線出現這種變化的原因與Db8小波變換及選取門限剔除子帶的過程有關。當J/E在7~8 dB之間時，干擾的功率達到了設定的門限值，剔除了干擾所在的子帶，減小了干擾的影響，改善了誤碼率，才使誤碼率在7~8 dB之間減小。相比于DSSS系統，單音、多音干擾下的基于小波變換的TDCS誤碼率性能改進約11 dB，線性調頻干擾下的基于小波變換的TDCS誤碼率性能平均改進約10 dB。

表1 仿真參數表

參數名稱方法或取值

圖3 DSSS和單音、多音、線性調頻干擾下的

基于小波變換的TDCS誤碼率及理論的誤碼率

圖4給出了DSSS和10%、70%部分帶寬干擾下的基于小波變換的TDCS誤碼率曲線及理論的誤碼率曲線。從圖中可以看出基于小波變換的TDCS對10%部分帶寬干擾有較好的抑制能力，除了J/E在0~2 dB之間誤碼率高出理論值接近1 dB，在J/E大于2 dB之后誤碼率增加緩慢。對于70%部分帶寬干擾的誤碼率曲線變化也是如此，在J/E為3 dB時誤碼率出現一個小的峰值，然后迅速下降，在J/E大于3.6 dB以后誤碼率曲線保持上升趨勢。分析其原因也與Db8小波變換及選取門限剔除子帶的過程有關，在10%部分帶寬干擾J/E小于1.8 dB、70%部分帶寬干擾J/E小于3 dB時干擾的功率還不足以使干擾所在子帶的功率譜超過門限值，干擾對基于小波變換的TDCS系統的影響較大。

另外，對于70%部分帶寬干擾系統由于干擾的能量在工作頻率上分布較寬，相應的基函數的多個頻帶被置為零，這使得基函數的頻率構成變得簡單，從而導致基函數自相關序列的旁瓣變大，在相關接收時出現錯誤判決的可能大大提高。同樣當干擾能量增加時，干擾頻段的能量會擴散到鄰近的頻段，使基函數的多個子載波受到干擾的影響，這也是導致誤碼率隨干擾能量提高的原因之一。相比于DSSS系統，10%部分帶寬干擾下的基于小波變換的TDCS誤碼率性能改進約10 dB，70%部分帶寬干擾下的基于小波變換的TDCS誤碼率性能平均改進約5 dB。

圖4 DSSS和10%、70%部分帶寬干擾下的

基于小波變換的TDCS誤碼率及理論的誤碼率

4 門限選取分析

從以上結論可知，基于小波變換的TDCS相比于DSSS有較好的抗干擾性能，為了進一步提高基于小波變換的TDCS的抗干擾能力，本節對AWGN信道下采用不同門限的TDCS抗干擾性能進行了仿真分析，仿真參數見表1。

圖5、圖6分別對基于小波變換的TDCS系統在線性調頻干擾、10%部分帶寬干擾下選取不同門限值時的誤碼率進行了仿真分析。

圖5 TDCS抗線性調頻干擾誤碼率曲線

從這兩個圖可以看出，在J/E較低(當存在線性調頻

干擾時J/E低于9 dB、當存在10%部分干擾時J/E低于4.5 dB)時，門限值取為1.1倍的噪聲功率譜密度時系統的誤碼率較小。存在線性調頻干擾時，J/E大于9 dB以后門限值取為1.3倍的噪聲功率譜密度時的誤碼率性能最好；存在10%部分帶寬干擾時，J/E大于4.5 dB后，取不同門限值時的誤碼率相差不大。在J/E比較大時，如果門限值取得過小，相應的基函數的多個頻帶被置為零，這使得基函數的頻率構成變得簡單，會降低系統的LPI/LPD。綜合以上的分析結果，當J/E小于10 dB時，門限值取為1.1倍的噪聲功率譜密度值；當J/E大于10 dB后門限值取為1.3倍的噪聲功率譜密度值時的TDCS系統性能較佳。

圖6 TDCS抗10%部分帶寬干擾誤碼率曲線

5 結 語

TDCS系統對窄帶干擾有較好的抑制能力并且有較高的低檢測/截獲概率(LPI/LPD)，特別適用于軍用通信，對TDCS的深入研究有很強的現實意義。由本文的分析結果可知，可以通過針對不同類型的干擾采用自適應門限的方法或使用小波包對電磁環境中干擾進行精確定位的方法進一步提高TDCS的抗干擾性能。

參 考 文 獻

［1］Swackhammer J.Performance Simulation of a Transform Domain Communication System for Multiple Access Application［A］.MILCOM′99，1999.

［2］Vasu Chakravarthy，Abel S Nunez，James P Stephens.TDCS，OFDM，and MC-CDMA:A Brief Tutorial［J］.IEEE Radio Communications，2005:511-516.

［3］Roberts M L.Initial Acquisition Performance of a Transform Domain Communication System:Modeling and Simulation Result［A］.Milcom，2000(2):22-25.

［4］何智青.變換域通信系統設計、建模與仿真研究［D］.西安:西北工業大學，2003.

［5］芮國勝，康健.小波與傅里葉分析基礎\\[M\\].北京:電子工業出版社，2004.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。