短波寬帶波形干擾抑制技術*

宋 滔，胡 飛

(西南通信研究所,四川 成都 610041)

短波寬帶波形干擾抑制技術*

宋 滔，胡 飛

(西南通信研究所,四川 成都 610041)

短波寬帶波形是現代短波通信的最新研究成果，采用帶寬擴展方式實現短波高速通信。短波信道存在的各種各樣強干擾信號使得干擾抑制成為現代短波寬帶通信急待解決關鍵問題之一。針對這種現象，提出了一種基于變換域選擇的雙門限干擾抑制方法，該算法可以有效地選擇最佳變換域去抑制干擾。仿真結果表明這種干擾抑制方法能夠抑制不同類型干擾信號，在干擾環境下短波寬帶波形具有較好傳輸性能。

短波寬帶波形 干擾抑制 變換域選擇

0 引 言

短波通信是實現遠距離、超視距軍事通信和遠洋運輸通信的重要手段之一。短波通信的典型代表是美國短波通信軍事標準MIL-STD-188-110B[1]，美軍標110B采用相位調制(PSK)和最高64階的幅度相位調制(64QAM)等線性調制技術，以及卷積編碼技術在3 kHz信號帶寬內實現了傳輸速率9 600 bit/s(編碼)和12 800 bit/s(無編碼)的短波通信，但110B波形對信道質量要求很高[1]，在實際應用中難以達到2 400 bit/s穩定傳輸，其典型傳輸速率一般為600 bit/s。傳統短波通信已不能滿足現代社會信息化的發展需求。21世紀以來，短波通信現代化發展進入一個新時期，其典型表現是現代短波通信信道帶寬從3 kHz擴展到24 kHz，最高傳輸速率從傳統的9 600 bit/s提高到了120 000 bit/s。現代短波通信的發展標志是美國在2011年提出了最大信號帶寬為24 kHz的短波寬帶波形標準規范110C[2]。我國對現代短波寬帶波形技術做了相關研究[3]。

短波頻段擁擠，短波信道存在各種各樣的強干擾信號，這些強干擾噪聲可被建模為脈沖干擾、單音干擾、多音干擾、疏狀干擾和窄帶干擾等各種模式[4-5]。短波信道中的各種強干擾信號將嚴重影響通信效果。目前，國內外已經有眾多的干擾信號檢測和抑制的研究成果：對擴頻通信系統中窄帶干擾信號，現有的抑制方法有時域估計與抵消[6]、變換域抑制[7]、和碼輔助抑制[8]等。文獻[9]提出了基于變換選擇干擾抑制算法，該算法采用一種百分比度量選擇算法選擇在時域或者頻域進行抑制干擾，這種度量選擇算法有一個缺點就是復雜度相對較高，因為它首先要對各個樣點的能量進行排序。文獻[10]采用壓縮增益度量選擇算法，研究了時域、FFT域和分數階傅里葉變換域的域選擇方法，通過設計合適度量選擇算法能正確選擇最佳干擾抑制域。文獻[11]則在變換選擇干擾抑制算法基礎上，分析對比了四種度量選擇算法的性能，包括百分比度量，方差系數度量，最大值度量和壓縮增益度量，并比較了各種度量算法的復雜度。需要指出的是：這些干擾信號檢測和抑制研究成果僅僅是干擾檢測技術算法描述，未與實際通信系統結合起來。

由于不同類型強干擾信號在時域和頻域等多維域上具有不同信號特征，本文針對短波信道存在各種樣式的強干擾信號的實際情況，提出了一種短波寬帶波形的干擾信號檢測和抑制方法。該方法采用連續均值消除算法和前向連續均值消除算法進行干擾檢測，并采用雙門限機制來提高檢測準確性。計算機仿真分析和性能測試對比結論表明：本文算法可有效檢測并抑制短波寬帶信道中各種干擾，有效提高短波寬帶波形在干擾環境下的傳輸性能。

1 系統信號模型

系統信號建模如數學公式(1)所示

(1)

調制信號為短波寬帶波形，波形采用單載波調制解調傳輸體制[3]，其糾錯編碼為LDPC碼。

如表1所示，波形的信號帶寬為12 kHz，其基帶載波頻率為6.3 kHz。波形采用PSK調制和帶內擴頻技術，其傳輸速率為600～9 600 bit/s。

表1 波形編碼和調制參數

常見的強干擾信號模式有：脈沖干擾，單音(STJ,Single-Tone Jamming)和多音干擾(MTJ,Multiple-Tone Jamming)，窄帶干擾(NBI,Narrowband Interference)等。

脈沖干擾：脈沖干擾又稱部分時間干擾，是指在時域很少一部分時間內施放的干擾。其作用時間較短，但突發的脈沖幅度很大。這種干擾具有平坦的頻譜特性，且其頻譜覆蓋整個信號帶寬。脈沖干擾不是連續干擾，它是有一定概率的，當出現脈沖干擾時，如果選擇適當占空比(在一段工作時間內脈沖出現時間與總傳輸時間比)，將對通信系統造成嚴重的破壞。脈沖干擾一般包括兩種形式，一種是零均值高斯隨機變量，另外一種是恒定幅度沖激信號。脈沖干擾可建模為時域上隨機間斷出現的帶限白高斯噪聲信號。

單音和多音干擾：單音和多音干擾都屬于音頻干擾，可建模為L個復單音信號疊加組成，可表示成下列數學公式

(2)

窄帶干擾：窄帶干擾通常有3種基本模型，即音頻信號、自回歸信號模型和窄帶數字通信信號。窄帶干擾一般可以建模為多個單音信號的疊加或者窄帶高斯噪聲[11]，窄帶高斯噪聲可以將高斯噪聲通過帶寬為W的理想帶通濾波器濾波得到。

梳狀譜干擾是一系列頻率點上產生按某種方式調制的一組窄帶干擾信號。當頻點上的干擾信號帶寬大于或等于頻率間隔時，則梳狀譜干擾成為類似于寬帶噪聲干擾的壓制性干擾。各頻點上窄帶干擾信號的產生可以選擇調制干擾或者鍵控干擾。

2 波形干擾抑制技術

2.1 波形干擾抑制方法

短波信道存在各種各樣的強干擾信號。由于脈沖干擾具有典型時域特征，而單音、多音干擾和窄帶干擾的頻域特征明顯。因此，一種實用的短波寬帶波形干擾抑制方案可能是：在時域/頻域等多個域上對干擾信號進行檢測，然后在相應域上實現干擾抑制，如圖1所示。

圖1 短波寬帶波形干擾抑制原理框

波形接收機根據不同變換域統計其度量值的大小，然后再選擇最優的域去抑制干擾。度量值可以是參考文獻[10]中的百分比度量，方差系數度量，最大值度量和壓縮增益度量等。圖1中列出了3種域，包括時域，傅里葉域和分數階傅里葉域。域的選擇也不僅限于這幾種，還可以包括小波變換域等，這里暫不考慮。

2.2 干擾檢測算法

圖1給出了短板寬帶波形干擾檢測和抑制框架結構，其中的干擾檢測算法可根據算法性能和運算量進行折中選擇。本文重點分析了連續均值消除(CME,Consecutive Mean Excision)算法[12]和前向連續均值消除算法[11]。

(3)

干擾檢測門限可以通過式(3)來確定，并且假定發送信號也是零均值的，因此有

(4)

CME算法步驟如下所述：

1)由式(5)計算z

(5)

2)抑制那些值大于T*z的樣點，并保留其余的。

3)對保留下來的樣點迭代進行步驟1)和2)，直到沒有干擾可以抑制，或者達到最大迭代次數停止。

FCME算法步驟如下所述：

1)由式(6)計算zM；

(6)

2)如果yM+1≤TzM，M自加1，轉到步驟1)，否則結束。

CME和FCME算法均適用于時域和頻域。根據文獻[12]中的結論，在高干擾概率情況下，FCME算法比CME算法有更好檢測性能，在通信系統平臺允許的情況下使用FCME算法。

2.3 雙門限機制

針對窄帶干擾，FCME算法存在著一些局限。圖2是一個BPSK調制信號加噪聲和窄帶干擾后的頻域圖，基于單門限判定的檢測方法無法準確檢測出該窄帶干擾，如果門限過高，只能篩選出窄帶干擾中幅值最高的部分信號分量，如果門限過低，又會把正常有用信號誤判為窄帶干擾。

圖2 不同單門限下的窄帶干擾檢測

因此，在進行干擾檢測時引入雙門限干擾檢測方案。如圖3所示，先檢測高于低門限的頻率信號分量，然后在這些分量中再判斷有沒有高于高門限的。如果有，那么這一簇高于低門限的信號即為窄帶干擾信號；如果沒有，為正常有用信號。

圖3 雙門限窄帶干擾檢測

3 仿真性能

采用干擾環境下波形傳輸誤碼性能仿真方式來驗證本文提出的短波寬帶波形干擾抑制效果，其中的干擾信號樣式包括：脈沖干擾、多音干擾(結果適用于單音干擾)、窄帶干擾以及2個窄帶干擾；干擾檢測在時域和頻域采用了FCME算法。波形傳輸速率有600 b/s，2 400 b/s，4 800 b/s，9 600 b/s，以下是抗干擾性能結果與分析。

圖4～6分別是傳輸速率為9 600 b/s，脈沖干擾占空比為0.01、0.03和0.05的干擾抑制性能結果，從圖中可以看出對于不同占空比的脈沖干擾，在沒有脈沖干擾抑制算法時，系統誤碼率都很高，而加上干擾抑制算法后系統誤碼率迅速降低。從圖中還可以看出本算法對于脈沖干擾抑制門限，比如占空比為0.01，干信比在28 dB以下時，脈沖干擾抑制效果非常明顯，系統誤碼基本都為0。

圖4 占空比為0.01脈沖干擾下抗干擾性能

圖5 占空比為0.03脈沖干擾下抗干擾性能

圖6 占空比為0.05脈沖干擾下抗干擾性能

圖7所示是傳輸速率為4 800 b/s的三音干擾抑制性能結果，其中單音干擾頻率為6 kHz，7 kHz和8 kHz，從結果中可以看出對于三音干擾，干信比為18 dB以下抑制效果非常明顯，對于干信比為18 dB以上的干擾系統性能損失也逐漸增加。

圖8所示是傳輸速率為2 400 b/s的窄帶干擾抑制性能結果，其中窄帶干擾帶寬為300 Hz，頻率為6 000～6 300 Hz，從結果中可以看出在傳輸速率為2 400 b/s時，對于干信比為18 dB以下的300 Hz帶寬窄帶干擾能夠有效抑制，隨著干信比增加，干擾抑制效果逐漸降低。

圖8 單窄帶干擾抑制性能

圖9所示是傳輸速率為600 b/s的2個窄帶干擾抑制性能結果，其中2個窄帶干擾信號帶寬為300 Hz，頻率為6 000～6 300 Hz和9 000～9 300 Hz。從結果中可以看出在傳輸速率為600 b/s時，對于干信比為18 dB以下的兩個300 Hz帶寬窄帶干擾能夠有效抑制，隨著干信比增加，干擾抑制效果逐漸降低。

圖9 雙窄帶干擾抑制性能

以上仿真結果可以看出：干擾環境下短波寬帶波形必須采用干擾抑制方法對混合在波形接收信號的強干擾信號。本文提出采用變換域選擇的雙門限干擾抑制算法，能夠有效抑制一定強度下(有門限效果)的干擾信號。

4 結 語

短波寬帶波形采用帶寬擴展方式實現現代短波高速通信。由于短波信道存在各樣特性的強干擾信號。短波寬帶波形的帶寬擴展使得波形信號更容易受干擾信號影響。同時，由于各種各樣的強干擾信號具有不同的時頻特性。因此，在時域/頻域等多維域上進行干擾檢測，在相應域上進行干擾抑制是波形實現抗干擾通信的一種有效手段。基于這個思想本文提出了一種基于變換域選擇雙門限干擾抑制方法，計算機仿真結果表明：該算法有效解決了短波寬帶波形在干擾環境下可通性問題，提高了波形抗干擾性能。

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SONG Tao,(1973-)，male, M.Sci., senior engineer, mainly engaged in HF communication，wireless mobile communication, cognitive radio, network protocol architecture etc.

胡 飛(1970—)，男，博士，高級工程師，主要研究方向為糾錯編碼、通信信號處理、短波通信。

HU Fei,(1970-)，male, Ph.D., senior engineer, mainly engaged in error-correction coding, communication signal processing and high-frequency communication system.

Key Laboratory of National Defense Science and Technology Project Fund(No. 9140C020108140C02006)

Interference Suppression Technology for Wideband HF Waveforms

SONG Tao, HU Fei

(Southwest China Institute of Communications, Chengdu Sichuan 610041, China)

WBHF (Wideband High-Frequency Waveform) is the latest research achievement of modern HF communications, and it can implement high speed transmission by extending bandwidths. Due to various strong interference existed in HF channel, interference suppression of WBHF now becomes, one of the key problems demanding prompt solution. In light of this, an interference suppression algorithm based on transform domain selection is proposed, and this algorithm can effectively select the optimal transform domain and suppress the interference signals. Simulation results show that the proposed algorithm could suppress different interference signals and WBHF enjoys good transmission performance in jamming environment.

WBHF; interference suppression; transform domain selection

date:2014-10-21；Revised date：2015-01-30

國防科技重點實驗室基金項目(No.9140C020108140C02006)

TN926

A

1002-0802(2015)03-0283-06

宋 滔(1973—)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向為短波通信、移動通信、認知無線電、網絡協議體系結構等；

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.03.008

2014-10-21；

2015-01-30