直擴通信系統抗窄帶干擾技術研究與仿真

姜恩光，張福洪

(杭州電子科技大學通信工程學院，杭州310018)

直擴通信系統本身有一定的抗干擾能力，但在強干擾條件下，干擾強度容易超出其干擾容限。因此需要通過有效的干擾抑制技術提高系統性能。干擾抑制的基本思想就是采取措施在直擴信號解擴之前把強干擾能量消除。目前常用的干擾抑制技術主要分為基于預測的干擾抑制技術和變換域干擾抑制技術。這兩種技術各有其特點，許多文章對此作了深入研究［1］。FFT(Fast Fourier Transformation)重疊變換干擾抑制算法是一種廣泛應用的變換域干擾抑制技術。它能有效降低因數據截斷引起的頻譜泄漏，減少因加窗引入的信噪比損耗。

1 直接序列擴頻通信系統建模

擴頻通信系統是指將傳輸信息的頻譜用某個特定的擴頻函數擴展后成為寬帶信號，然后送入信道中傳輸，再利用相應的手段將其解擴，從而獲得傳輸信息的系統。直接序列擴頻是應用最為廣泛的一種擴頻體制［2］。圖1 給出了本文所建立的直擴通信系統模型的原理框圖。

圖1 直擴通信系統原理框圖

2 FFT 重疊變換干擾抑制算法分析

FFT 重疊變換干擾抑制算法的原理是窄帶干擾相對于擴頻信號能量集中在很窄的頻帶內，所以可以先將混合信號變換到頻域，檢測出干擾的頻譜位置，將這些譜線去掉或進行衰減，最后反變換還原成時域信號進行解擴［3］。其原理框圖如圖2 所示。

圖2 FFT 重疊變換實現框圖

在各種頻域陷波算法中，都必須在FFT 運算前對時域信號序列進行加窗處理。如果不加窗，進行N 點FFT 運算就相當于對時域信號加1 個N 點矩形窗，矩形窗的第1 旁瓣只比主瓣低13.46 dB，對于比有用信號大幾十分貝的干擾來說，它的旁瓣也比信號大得多，這樣就造成了干擾信號的頻譜泄漏，使整個信號頻域都被干擾污染了。因此，為了減小干擾的頻譜泄漏，必須采用旁瓣比較低的窗函數［4］。表1 給出了幾種主要窗函數的旁瓣特性。

表1 常用窗函數比較 單位:dB

綜上分析，考慮到直擴通信系統工作環境的復雜性，仿真中使用旁瓣衰減較大的布萊克曼窗，以達到抗強干擾的目的。

但同時，在直擴通信系統頻域抗干擾算法中，通常對輸入數據分段進行N 點FFT 變換，分段數據周期延拓后的非連續性導致頻譜泄漏現象，通常可以采用對分段數據進行加窗的方法減小頻譜泄漏。從時域看，加窗實質上是對輸入數據進行加權，窗函數從中心向兩端逐步衰減，保證了數據段兩端的平滑，從而達到減小頻譜泄漏的目的。然而加窗卻會使輸入信號發生畸變，使進行FFT 變換的數據段兩端嚴重衰減，從而帶來額外的信噪比損耗。假設窗函數為［w(n)，n=1，2，…，N］，定義加窗引入的信噪比損耗為式(1)

文獻［5］分析了不同形式的窗函數所帶來的信噪比損耗。當N 取512 時，常用的海明窗所引入的信噪比損耗為1.35 dB，布萊克曼窗引入的信噪比損耗為2.38 dB。為了減小加窗所帶來的信噪比損耗，本文所采用的方法是對數據進行1/4 重疊加窗。其原理框圖如圖3 所示。

圖中x(n)是包含窄帶干擾的幀數據流，y(n)是經過重疊加窗和干擾抑制處理之后的恢復數據。在x(n)連續的碼流中，由于一幀的邊緣部分受到的影響最大，所以對于每個FFT 幀，只取其中間的部分，而丟掉邊緣部分。將一幀分為8 份，任何一幀主要受影響的是前后3/8 幀，中間的1/4 幀受影響最小，也就是說一幀最可靠部分是它中間的1/4 幀。將4 路時延分別差1/4 幀的數據段處理疊加就可以起到互為補充的作用。由圖4 可以看出，4 路延時抗干擾后的信號相加，其幀信號兩端的衰減在對齊合并之后基本消除了，因而極大地克服了由加窗引入的信噪比損耗。

圖3 1/4 重疊加窗和干擾抑制原理框圖

圖4 各支路抗窄帶干擾后的波形及4 路疊加后信號波形

為保證門限確定的自適應性［6］，通常根據當前一次或多次FFT 變換的值來確定門限。門限的確定可以用下式(2)表示

式中，Thmin是最小的門限值，是沒有干擾時信號的幅度值;M 是FFT 變換的次數;NFFT是FFT 變換的長度;η 是衰減系數。ui，m是輸入信號x(n)和窗函數W(n)相乘之后的FFT 變換的值。對于超過門限值的譜線通常認為是含有干擾信號的譜線，對這些譜線置零。

3 系統仿真與分析

為了驗證FFT 重疊變換干擾抑制算法的有效性，通過Matlab/Simulink 搭建完整的直擴通信系統模型［7］，在所建立的直擴通信系統模型的基礎上進行算法仿真。仿真采用BPSK 調制方式，信源碼速率為1 kbit/s，擴頻碼長255，調制載波510 kHz，信道為高斯白噪聲信道。多音干擾由3 個單音干擾相加，信干比均為－30 dB，中心頻率分別為310 kHz、510 kHz 和710 kHz。算法中進行1 024 點的FFT 變換，衰減系數η 取0.3，M 取2。圖5 ～圖6 給出了多音情況下算法的處理效果。從圖中可以看出，窄帶干擾基本消除。

圖5 加多音干擾后的信號頻譜圖

圖6 多音干擾抑制后的信號頻譜圖

通過Monte Carlo 法來估計系統的誤碼率性能［8］。圖7 為系統的誤碼率曲線，為了便于進行性能比較，圖中同時給出了無干擾時的碼率曲線，多音干擾下的誤碼率曲線以及加入抗干擾算法后的誤碼率曲線。從圖中可以看出，加入抗干擾算法后，系統的誤碼率明顯改善。

圖7 系統誤碼率曲線

4 結束語

本文通過構建直擴通信系統模型來研究抗窄帶干擾的方法。給出了加窗和數據截斷對信號產生的影響，研究分析了一種改進型的重疊變換干擾抑制算法。計算機仿真結果表明，該算法有效抑制了窄帶干擾，改善了系統的誤碼率性能，提高了系統的抗干擾能力。

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