直擴系統(tǒng)對抗窄帶干擾能力的影響因素分析

摘 要:通過將得到的窄帶干擾信號經(jīng)過直接序列擴頻接收系統(tǒng)的解擴解調(diào)模塊后的形式，推導出了窄帶干擾下直接序列擴頻通信系統(tǒng)處理增益的表達式，從理論上分析系統(tǒng)對抗窄帶干擾的特性，對影響其抗干擾能力的因素進行了多方面的分析。利用Matlab仿真得出其抗干擾能力不僅與擴頻倍數(shù)有關(guān)，與窄帶干擾的形式以及干擾相對載波的位置等因素相關(guān)的結(jié)論，為進一步研究和提高直接序列擴頻系統(tǒng)對抗窄帶干擾的能力打下基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞:直接序列擴頻系統(tǒng); 抗窄帶干擾能力; BPSK調(diào)制; 載波

中圖分類號:TN911文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)17-0081-04

Analysis of Influence Factors of Narrow-Band Interference on Direct

Sequence Spread Spectrum Communication System

TAN Wei-feng， FENG Li-qiang， WANG Bing

(Department of Satellite Application System， China Academy of Space Technology， Beijing 100086， China)

Abstract: The expression for processing the gain by the direct sequence spread spectrum (DSSS) communication system is derived from the form that the gained narrow band signals pass through the dispreading and demodulation module of DSSS receiving system. The characteristic that the system withstands the narrow-band interference is analyzed theoretically. The factors that affect the antijamming capability of the system are also analyzed. The conclusions that the antijamming capability is not only related to the magnification of DSSS， but also to the form of narrow-band interference and the relative position of the carrier， are abtained.Keywords: direct sequence spread spectrum communication system; immunity to narrowband interference; BPSK modulation; carrier

擴頻技術(shù)因其本身固有的抗干擾特性得到了迅速的發(fā)展，一般的文章和書中普遍認為DSSS系統(tǒng)的抗干擾能力由其擴頻處理增益決定[1]，但是在實際的系統(tǒng)抗干擾能力測試中發(fā)現(xiàn)，其抗干擾能力不僅隨著擴頻倍數(shù)的不同而發(fā)生不同，即使對于同一個擴頻系統(tǒng)其在整個工作帶寬范圍內(nèi)抗干擾能力也有較大的波動[2-3]。為了系統(tǒng)研究直擴系統(tǒng)自身的抗窄帶干擾能力，本文采用理論推導和仿真驗證相結(jié)合的方式，對不同擴頻倍數(shù)，不同干擾位置，不同干擾形式的情況進行了研究。

1 直接序列擴譜系統(tǒng)的分析模型

DSSS系統(tǒng)的通信模型如圖1所示。其中，信號源產(chǎn)生的碼元速率為Ra的數(shù)據(jù)信號a(t)為信息流;偽隨機序列產(chǎn)生器產(chǎn)生的速率Rc的偽隨機序列為c(t)[4]。

信息調(diào)制器的輸出為:

S(t)=A#8226;a(t)#8226;c(t)#8226;cos(ω0t+φ1)(1)

式中:A為載波振幅;ω0為中頻角頻率;φ1為載波初相位。

發(fā)射端的輸出加上外來的干擾和信道噪聲在接收端的信號可表示為[5]:

R(t)=A#8226;a(t)#8226;c(t)#8226;cos(ω0t+φ1)+J(t)+N(t)(2)

圖1 DSSS系統(tǒng)模型

這里假設發(fā)送端和接收端的中頻載波完全同步，且為線性處理，理論分析中可以不考慮載波調(diào)制處理，因此只需要對解擴結(jié)果進行考慮。

經(jīng)過解擴解調(diào)之后的輸出為[6]:



Z(t)=R(t)#8226;c′(t)=Ai#8226;ai(t)#8226;cos(ω0t+φ1′)+

∑nk=1k≠iAk#8226;ak(t)#8226;c(t+τ)#8226;c(t)#8226;cos(ω0t+φ1′)+

J(t)#8226;c′(t)+N(t)c′(t)(3)



式中:第一項為有用信號，經(jīng)過中頻濾波器之后，后三項中的大部分能量都被抑制了，只有中心頻率附近的一些分量能通過，構(gòu)成輸入到信息解調(diào)器的總噪聲[7]。

2 直擴系統(tǒng)對窄帶干擾的處理增益

為了方便形成顯式表達式，這里僅對干擾形式為單音干擾的情況進行推導。

J(t)=Aj#8226;cos(ω1t+φ)(4)

經(jīng)過解擴解調(diào)后干擾項為J(t)#8226;c′(t)。其單邊功率譜可表示為[8-9]:



Nout=π#8226;A2jM2#8226;δ(ω-ω1)+A2j2#8226;M+1M2#8226;

sin(ω-ω1)Tc22(ω-ω1)Tc22#8226;2π#8226;

∑+∞n=-∞n≠ω1δ(ω-ω1)-2nπMTc(5)



式中:1/Tc為信息碼元的寬度;M為偽隨機碼的長度。

從式(5)可以看出，單頻干擾經(jīng)過擴頻解擴后頻譜大大展寬。設信息碼元的寬度為1/Ta，一般的中頻濾波器的帶寬為2/Ta，而單音干擾經(jīng)過解擴解調(diào)后得到的單邊功率譜的譜線間隔為1/Ta，所以最多有兩個分量可以通過中頻濾波器進而影響后端對信息碼元的恢復[10]。這里僅僅考慮有一根譜線進入后端處理中影響信息碼元的判決。

當ω1=ω0時:

Nout=A2j/M2(6)

此時，處理增益為:

Gp=A2j/2A2j/M2=M22(7)

當ω1=ω0±2πMΔ時:

Nout≈A2j2#8226;M + 1M2#8226;2(8)

此時處理增益為:

Gp=A2j/2(A2j/2)#8226;(M+1)/M2#8226;2=M22(M+1)(9)

根據(jù)Sa函數(shù)的函數(shù)形式可以知道，隨著干擾越來越偏離中心頻率其輸出的干擾功率越來越小，因此直擴系統(tǒng)的處理增益也會隨著干擾位置的不同而有所區(qū)別。

一般直擴系統(tǒng)對單音干擾的處理增益隨著干擾頻率的不同而有所不同，其處理增益在M22(M+1)到無窮之間。因此可以看出，直擴系統(tǒng)自身的處理增益在整個工作頻段內(nèi)并不是一個常數(shù)，其取值與擴頻倍數(shù)以及單音干擾的位置都不同，一般的書中籠統(tǒng)的取其值為Gp≈M。

3 仿真實驗

3.1 不同擴頻倍數(shù)的直接序列擴頻系統(tǒng)抗干擾能力

這里主要是對不同擴頻倍數(shù)的直接序列擴頻系統(tǒng)抗窄帶干擾的能力進行仿真，其仿真參數(shù)見表1。仿真得到的BER曲線如圖2所示。

圖2 不同擴頻倍數(shù)對DSSS系統(tǒng)抗干擾能力的影響

表1 不同擴頻倍數(shù)的仿真參數(shù)

調(diào)制方式擴頻倍數(shù)中頻載波/MHz采樣頻率/MHz信息速率/kHzEb/N0/dB干擾頻率/MHz干信比

/dB

BPSK156.540333126.8330～50

BPSK636.54079126.5790～50

BPSK2556.54019126.5190～50

BPSK1 0236.5405126.5050～50

可以看出，隨著擴頻倍數(shù)的增加，系統(tǒng)的BER曲線的變化趨勢也有相應的調(diào)整。在同為20 dB的J/S的情況下，15倍擴頻系統(tǒng)的誤碼率為4.9×10-1，63倍擴頻系統(tǒng)的誤碼率為1.3×10-3，255倍擴頻系統(tǒng)的誤碼率為3×10-4，而1 023倍擴頻系統(tǒng)的誤碼率僅為1×10-5。可以看出，隨著擴頻倍數(shù)的增大，系統(tǒng)抵抗單音干擾的能力逐漸加強。

3.2 不同頻率干擾對系統(tǒng)的影響

前面的推導中可以看出，干擾在系統(tǒng)工作頻段內(nèi)的不同位置時對直擴系統(tǒng)的影響是不同的。下面的仿真中固定干擾的幅度，將這個固定好的干擾在工作頻段內(nèi)進行滑動，統(tǒng)計其誤碼率，不同干擾頻率的仿真參數(shù)見表2。得到的仿真圖形如圖3所示。

表2 不同干擾頻率的仿真參數(shù)

直擴系統(tǒng)調(diào)制方式中頻頻率/MHz采樣頻率/MHz信息速率/kHzEb/N0/dBJ/S/dB干擾頻率/MHz

15倍BPSK6.5403331226.5～12

1 023倍BPSK6.540512106.5～12

圖3 不同干擾頻率對DSSS系統(tǒng)抗干擾能力的影響

從仿真中可以看出，15倍擴頻系統(tǒng)在干擾處于信息速率一倍附近的值時誤碼率較多，而在載波處誤碼元數(shù)較少，這也與前面的理論推導結(jié)果相符。隨著擴頻倍數(shù)的增大，系統(tǒng)對干擾位置的變化敏感度降低，可以看出當擴頻倍數(shù)為1 023時，隨著干擾位置的變化，其誤碼率范圍也會有波動，但是波動的范圍較小。

3.3 不同形式窄帶干擾對系統(tǒng)的影響

在實際應用中，窄帶干擾的形式十分多樣，前面僅僅采用了比較常見和易于產(chǎn)生的單音干擾形式。這里將采用單音干擾、多音干擾、500 kHz窄帶干擾3種形式來研究在干擾能量一致的情況下，各種不同形式的干擾對系統(tǒng)的影響，仿真參數(shù)見表3。

表3 不同干擾形式的仿真參數(shù)

直擴系統(tǒng)中頻頻率/MHz采樣頻率/MHz信息速率/kHzEb/N0/dB干擾形式J/S/dB

15倍6.54033312

255倍6.5401912單音干擾多音干擾500 kHz窄帶干擾

0～50

0～50

圖4為15倍直接序列擴頻系統(tǒng)和255倍擴頻系統(tǒng)在單音干擾、100 kHz窄帶干擾、500 kHz窄帶干擾存在的情況下的BER曲線圖。

圖4 不同干擾形式對DSSS系統(tǒng)抗干擾能力的影響

可以看出，對15倍DSSS而言，由于500 kHz的窄帶干擾覆蓋的頻域范圍寬，而直擴系統(tǒng)在載波附近的抗干擾能力具有頻率選擇性，因此，較之于單音干擾和100 kHz的窄帶干擾其對直擴系統(tǒng)的影響更為惡劣。在1×10-6的數(shù)量級上其自身抗干擾能力僅為5 dB，相應的單音干擾和100 kHz窄帶干擾為8 dB。而255倍的擴頻系統(tǒng)由于單音干擾頻率正對載波，因此其抗干擾能力較強，而由于擴頻倍數(shù)增大，對干擾的位置敏感度下降，因此100 kHz和500 kHz的窄帶干擾對系統(tǒng)的影響減弱。

4 結(jié) 語

通過理論推導單音干擾經(jīng)過直接序列擴譜系統(tǒng)解擴解調(diào)后進入系統(tǒng)的形式，得到直接序列擴頻系統(tǒng)處理增益的表達形式，根據(jù)推導出的表達式得出其抗干擾能力不僅與擴頻倍數(shù)有關(guān)，且與干擾所處的位置相關(guān)的結(jié)論。通過Matlab仿真得到了不同擴頻倍數(shù)下，不同干擾頻率下，不同窄帶干擾形式下多個不同參數(shù)的直接序列擴頻系統(tǒng)的BER曲線圖，充分驗證了前面的理論推導，為實際的工程測試提供支撐，為進一步提高直接序列擴頻系統(tǒng)抗干擾能力奠定了基礎(chǔ)。

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