擴頻通信抗干擾技術研究綜述

張永順,賈 鑫,朱衛綱

(裝備學院 a.研究生管理大隊; b.光電裝備系，北京 101416)

【信息科學與控制工程】

擴頻通信抗干擾技術研究綜述

張永順a,賈 鑫b,朱衛綱b

(裝備學院 a.研究生管理大隊; b.光電裝備系，北京 101416)

對擴頻通信抗干擾技術進行了概述，詳細總結了直接序列擴頻通信常用的預測技術、變換域干擾抑制技術、碼輔助技術三種抗干擾技術和跳頻通信常用的自適應跳頻技術、分集合并技術兩種抗干擾技術的研究進展；通過分析現有擴頻通信抗干擾技術的優缺點，預測了擴頻通信抗干擾技術進一步研究方向，為擴頻通信抗干擾技術研究提供了參考。

擴頻通信抗干擾；預測技術；變換域干擾抑制技術；碼輔助技術；自適應跳頻技術；分集合并技術

擴頻通信在軍用領域和民用領域都發揮著無可替代的作用。但隨著技術的發展，擴頻通信面臨如何在強干擾環境下保證通信可靠性的問題。雖然擴頻通信系統本身具有較強的抗干擾能力，但受接收機帶寬的限制，系統處理增益不可能無限提高，而惡意干擾功率往往較大，僅依靠系統處理增益，無法滿足接收端對信噪比的要求。為進一步提升擴頻通信系統抗干擾能力，研究擴頻通信抗干擾技術顯得尤為必要。Milstein和Poor對20世紀直接序列擴頻通信干擾抑制技術進行了較詳細的概括[1，2]。對新出現的直接序列擴頻通信干擾抑制技術及跳頻通信系統抗干擾技術還沒有研究者進行較全面的概括，因此，本文在總結前人研究的基礎上，對直擴通信和跳頻通信中常用抗干擾技術進行進一步總結。

1 擴頻通信抗干擾技術

根據提升系統抗干擾能力方式不同，可以將系統抗干擾方法歸結為3類：第1類是使用性能更優的擴頻序列。擴頻系統性能主要由系統的擴頻序列決定，通過設計具有良好特性的擴頻序列可以在不改變系統基本框架的前提下獲得系統抗干擾能力的提升；第2類是組合使用現有擴頻技術。充分利用不同擴頻技術的優勢，將不同擴頻技術組合使用，可以在一定程度上提高系統的抗干擾能力。以上兩類方法都是通過改善系統自身性能提高系統抗干擾能力。第3類是借助相關抗干擾技術。通過改善系統自身性能可以實現系統抗干擾能力的進一步提高，但系統處理增益有限，在對抗強干擾時需要借助額外的抗干擾技術，本文主要圍繞該類抗干擾技術展開綜述。

1.1 直接序列擴頻通信抗干擾技術

直接序列擴頻抗干擾技術主要包括預測技術、變換域干擾抑制技術和碼輔助技術。

1.1.1 預測技術

預測技術主要利用干擾信號間的強相關性，通過預測形成干擾“副本”，在接收端抵消干擾，即預測-相消的方法實現抗干擾。根據濾波器對信號特征量估計方法不同，可以將預測技術分為線性預測濾波技術和非線性預測濾波技術。根據使用濾波器結構不同，又可以將線性預測濾波分為線性預測濾波(LPF)和線性插值濾波(LIF)。針對線性預測濾波技術，Milstein等人分析了單音干擾、多音干擾條件下LPF的性能，給出了信噪比改善的表達式[3，4]。Masry分析了一階AR干擾模型條件下LPF和LIF的性能，給出了信噪比改善的表達式[5]。

由于直擴信號是二值分布的非高斯信號，因此，基于線性預測的干擾預測濾波不是最佳濾波。Vijiayan和Poor在1991年首先提出非線性預測濾波技術[6]。非線性預測濾波首先使用軟判決反饋技術從接收信號中分離出擴頻信號，使輸入預測器信號為高斯白噪聲，預測效果相比于線性預測獲得了較大提高。Soreason等證明了在假設信號狀態矢量密度為一系列高斯隨機變量之和的條件下最優濾波是一系列Kalman濾波輸出的概率加權和[7]，但隨著高斯加權個數的增加，該方法的復雜性也大大增加，在實際中無法應用，Maserliez提出了一種近似算法——近似條件均值(ACM)濾波[8]，降低了算法實現難度，在非線性條件下取得了與線性預測濾波相比擬的效果，得到了實際應用。此外，非線性插值濾波技術也得到發展[9]，Rusch和Poor對非線性預測濾波抽頭算法進行改進，并把該技術推廣到非線性插值濾波算法中，進一步提高了濾波效果[10]。目前，預測技術大都是基于自適應濾波的自適應預測技術。

1.1.2 變換域干擾抑制技術

變換域干擾抑制技術利用干擾與信號不同的變換域特性，在變換域上選擇合適的閾值，通過抑制干擾分量，實現抗干擾。變換域干擾抑制原理如圖1所示。

圖1 變換域干擾抑制原理框圖

變換域干擾抑制技術最早是由Milstein等人提出的[11]，他們利用FFT和聲表面波器件實現了擴頻接收機中干擾抑制，該思想發展成為基于離散傅里葉變換(DFT)的變換域干擾抑制技術。由于不加窗傅里葉變換存在頻譜泄露的問題，因此，必須在進行傅里葉變換之前對信號進行加窗處理，加窗處理雖然有效降低了頻譜泄露，但也會造成信號信噪比的損失，文獻[12]分析了不同窗函數的加窗損耗，文獻[13]證明重疊相加可以補償部分信噪比的損失，文獻[14]提出了一種重疊頻域變換抑制窄帶干擾方法，有效降低了信號頻譜失真和信噪比損失。

1992年，Jones等提出基于多分辨率濾波器組的變換域干擾抑制技術基本理論框架，可以保證無干擾情況下信號無失真，并且降低了計算量[15]。Medley等人提出將重疊變換應用于擴頻通信干擾抑制的方法，證明了重疊變換比傳統的塊變換干擾抑制效果更好[16]。文獻[17]提出利用多分辨重疊變換(HLT)進行干擾抑制的方法，提高了對隨機脈沖干擾抑制效果。重疊變換實質上是余弦調制濾波器組，文獻[18]提出了使用近似理想重構余弦調制濾波器組的變換方法，有效克服濾波器組中存在的旁瓣泄露現象，進一步提高了變換域干擾抑制效果。

隨著小波變換技術的發展，有學者提出了使用小波變換以及濾波器組實現變換域干擾抑制的方法[19]，一種抑制噪聲的方法是利用正交鏡像濾波器組(Quandrature Mirror Filter，QMF)所構成的二進子帶分解樹形結構實現離散小波變換或離散小波包變換。G.Savlnier等提出將自適應算法應用于小波域干擾抑制，增強了算法的自適應性[20]，但也存在小波域自適應算法分解錯誤停止的問題，文獻[21]提出了一種利用多層分解對干擾進行定位的方法，對該算法進行了改進。

針對時變干擾抑制，Landry等人提出利用小波包分解方法精確定位時變干擾，并利用小波包變換可以保持噪聲能量這一特性進行干擾抑制的方法[22]，文獻[23]提出一種新的隨機抽取小波包變換的窄帶干擾抑制技術，對變化較快的干擾抑制效果較好。文獻[24]詳細總結了經典時頻分析方法應用于掃頻干擾抑制優缺點。隨著分數階Fourier變換技術的發展，分數階Fourier變換被逐步應用于直擴通信掃頻干擾抑制[25，26]，針對分數階Fourier變換在干擾抑制過程中存在計算量較大的不足，一些學者從不同方面提出了改進措施[27-30]。

1.1.3 碼輔助技術

碼輔助技術將窄帶干擾和直擴信號看作一個虛擬CDMA系統，在虛擬CDMA系統中利用多用戶檢測(Multi User Detection，MUD)思想實現窄帶干擾的抑制。上世紀90年代初，Rusch和Poor等人首先提出將多用戶檢測(Multiple User Detection，MUD)思想用于直接序列擴頻系統數字NBI抑制[31]。1997年，Poor和Xiao dong Wang等人在文獻[32]中首先將多用戶檢測NBI抑制技術命名為碼輔助技術。碼輔助技術不僅可以用于抑制數字NBI，還可以抑制音頻干擾和熵窄帶隨機過程。李琳等以最小誤碼率(MBER)作為優化準則得到了最小誤碼率準則下的最優接收機，證明了碼輔助技術是最優化干擾抑制器的一個特例[33]。殷復蓮等人對碼輔助技術、自適應碼輔助技術、盲自適應碼輔助技術進行詳細的研究并提出了一系列改進算法[34-37]，進一步提高了碼輔助技術干擾抑制性能。碼輔助技術是時域干擾抑制技術的一個分支，在擴頻序列較長的情況下算法復雜度較大，目前，很少有學者專門研究直擴系統的碼輔助技術，而是針對CDMA系統中的MAI和NBI聯合抑制碼輔助技術進行研究[38]。

1.2 跳頻通信抗干擾技術研究

跳頻通信技術應用較為廣泛，為提高跳頻通信系統的性能，對跳頻通信抗干擾技術的研究也較為深入，通過總結文獻可以將現有跳頻通信抗干擾技術歸結為兩類：第1類是通過增加敵方偵查難度、剔除受干擾頻點等方法，實現積極主動地“躲避式”抗干擾技術，該類抗干擾技術主要有增加跳頻帶寬、提高跳頻速率、空閑信道搜索技術、實時功率/頻率自適應控制、自適應生成頻率表、變間隔跳頻等[39-40]，其中，自適應跳頻技術是現階段研究重點。第2類是通過在接收端使用抗干擾技術，實現“被動式”抗干擾，在此主要綜述快跳頻系統中使用的分集合并技術。

1.2.1 自適應跳頻技術

自適應跳頻技術(AFH)具有實時功率/頻率自適應控制功能，能夠剔除跳頻頻率集中受干擾頻點，并以最小的發射功率發射信號，發送信號更加隱蔽，系統抗干擾能力更強。自適應跳頻理念首先是由趙榮黎提出的，他經過理論推導推斷存在自適應跳頻技術[41]。1995年J.Zander博士對自適應跳頻系統進行了描述，建立了信道干擾模型，對系統性能進行了理論分析和仿真[42]。自適應跳頻技術被提出后，很快就成為研究的熱點，文獻[43]對自適應跳頻涉及關鍵技術進行了詳細的分析研究；文獻[44]分析了自適應跳頻通信受到干擾時每個受干擾頻率的平均處理時間、最多能處理的干擾頻率數、抗阻塞干擾能力問題；文獻[45]針對短波自適應跳頻技術頻點易暴露、信道搜索時間較長的不足，提出了利用有源和無源探測技術對通信信道進行探測，以自適應實時選頻的方式改進系統性能的方法，提高短波自適應跳頻系統的抗干擾性能；文獻[46]提出了利用信噪比檢測，生成概率分布函數作為反饋信息實現自適應跳頻的方法，能夠較為明顯的改善短波跳頻通信系統的通信質量。如今，自適應跳頻電臺已經投入使用，如法國RP4G戰斗網跳頻電臺、法國SYSREM3000系列自適應跳頻電臺等。國內首創的“多合一”自適應技術已經成功應用在新一代短波跳頻電臺之中。隨著認知無線電技術的發展，自適應跳頻技術有向認知跳頻技術發展的趨勢[47]。

1.2.2 分集合并技術

分集的基本原理是通過多個通道(時間、頻率或是空間)接收到承載相同信息的多個副本，由于多個信道的傳輸特性不同，信號的多個副本衰落特性不同，接收機通過使用多個包含信息的副本能比較正確的恢復出發送信息。快跳頻分集合并接收機的通用模型如圖2所示。

圖2 快速跳頻分集合并接收機模型

自1984年起，LEE、K.C.Teh等人對部分頻帶噪聲干擾及多音干擾下下的線性合并、乘積合并、軟判決合并算法、自歸一化合并、削波合并、自動增益合并以及最大似然合并等合并算法性能進行了深入的研究[48-49]。國內方面，周志強[50]詳細總結了現有合并分集算法工作原理，針對現有算法不足，提出了選擇分集合并算法，并進行了理論推導和實驗仿真。魏超[51]對多音干擾下FFH系統多種分集合并技術性能進行了詳細的分析研究。陳智[52]將分集合并算法引入差分跳頻系統，并對系統抗干擾性能進行了分析。文獻[53]將Turbo糾錯碼和分集合并技術聯合應用于DS/FH快跳頻系統中，獲得了理想的干擾抑制效果。總結現有分集合并技術可分為兩類：不需要信道邊信息；需要信道邊信息。不需要信道邊信息的分集合并算法較為簡單，但算法性能相對較差，主要包括線性分集合并、乘積分集合并、自歸一化合并等。需要信道邊信息分集合并算法性能較好，但是算法復雜度也較高，主要包括削波合并、最大似然合并算法以及選擇合并算法等。

2 進一步研究方向

擴頻通信抗干擾技術對于提升擴頻通信系統性能意義重大，現有擴頻通信抗干擾技術還存在抗干擾技術通用性不強、抗干擾過程中對信號損傷較大等缺點。針對現有抗干擾技術存在的不足，結合新技術的發展，不斷改進和提出新的擴頻通信抗干擾技術具有一定的實際意義。目前，還存在以下幾個方面值得深入研究：

1) 通過設計性能更優的擴頻序列提高系統抗干擾能力。改善擴頻序列性能雖然不能使擴頻系統抗干擾性能獲得較大提高，但這種方法不需要對擴頻系統進行較大改動，也不需要投入新的硬件成本，實現相對簡單，在實際使用中具有較大優勢。目前研究較多的如混沌擴頻技術[54]、差分跳頻技術[55]等。

2) 選擇更合適的變換域及設計更好的變換域干擾抑制方法。變換域干擾抑制技術具有算法實現簡單，計算量相對較小的優點，是現階段擴頻通信抗干擾技術研究的重點，但也存在實時性不強，對信號損傷較大的缺點，在對抗寬帶干擾的過程中尤為明顯。變換域干擾抑制技術關鍵是尋找易于將干擾與信號區分的變換域，在該變換域上，干擾應盡可能具有類似沖擊函數特性。在尋找合適變換域的基礎上，如何在變換域進行干擾抑制、降低對信號損傷也是需要重點考慮的問題。

3) 將復雜的抗干擾問題轉變為信號與干擾分離問題，降低工程實現難度。對于傳統的抗干擾技術，主要是在接收端對干擾進行抑制，方法包括抵消和直接置零等，目前有學者將干擾抑制轉化為信號與干擾分離問題開展研究，進一步提高了系統抗干擾效果，提出的方法包括使用盲源分離技術、壓縮感知技術等[56]，該方面研究還處于起步階段，具有較高的研究價值。

3 結論

擴頻通信性能優異，在可以預見的將來擴頻通信技術仍將是通信領域不可或缺的技術。本文對直接序列擴頻通信和跳頻通信常用抗干擾技術進行了較為詳細的總結，指出了擴頻通信抗干擾技術進一步研究方向，相信通過本文的研究分析能夠對擴頻通信抗干擾技術研究提供有意義的借鑒。

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(責任編輯 楊繼森)

Study of Anti-Jamming Technologies for Spread Spectrum Communications

ZHANG Yong-shuna, JIA Xinb, ZHU Wei-gangb

(a.Department of Graduate Management; b.Department of Optical and Electronic Equipment, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

The spread spectrum communications anti-jamming technologies were summarized. Three kinds of anti-jamming technologies used in direct spread spectrum communications and two kinds of anti-jamming technologies used in frequency hopping communications were reviewed, including prediction technology, transform domain interference suppression technology, code-aided technology, adaptive frequency hopping technology and diversity combination technology. By analyzing the advantages and disadvantages of the existing anti-jamming technologies for spread spectrum communications, we predicted the research directions of spread spectrum communications anti-jamming technologies and provided reference for spread spectrum communication anti-jamming technologies study.

spread spectrum communications anti-jamming; forecast technology; transform domain anti-jamming technology; code-aided technology; adaptive frequency hopping technology; diversity combination technology

2015-03-17

張永順(1991—)，男，碩士，主要從事現代信號處理理論及應用研究。

10.11809/scbgxb2015.08.034

張永順,賈鑫,朱衛綱.擴頻通信抗干擾技術研究綜述[J].四川兵工學報，2015(8):136-140.

format:ZHANG Yong-shun, JIA Xin, ZHU Wei-gang.Study of Anti-Jamming Technologies for Spread Spectrum Communications[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(8):136-140.

TN97

A

1006-0707(2015)08-0136-05