短波通信抗干擾技術研究

何力舟

（山西機電職業技術學院，山西 長治 046299）

0 引 言

在信息化時代，短波通信方式在現代通信中占據著重要的地位，主要因為其具有技術成熟、設備占地面積少、體積較小、不宜損毀等優點[1-3]。但與此同時，短波通信也存在不可避免的缺點，如存在大量的抗干擾因素等。短波通信通過電離層的反射經接收器接收來獲得信號的傳遞，但由于電離層的情況比較復雜，氣候、環境等因素對短波通信均存在影響，因此合理選擇抗干擾方式對短波通信技術的發展有著極大的意義[4-6]。當前，研究人員對短波通信抗干擾手段進行了大量的研究。李利等人針對跳頻通信系統抗干擾技術進行了探討，分析了提高艦載短波通信系統抗干擾能力的方法[7]；王慧對同步跳頻關鍵技術進行了研究，得出同步跳頻技術是目前短波最佳抗干擾技術的結論[8]；賀偉分析了電磁環境的復雜程度，并提出恰當的抗干擾手段[9]。本文基于現有研究，分析了正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術的工作原理，借助OFDM短波通信系統提出一種新的抗干擾算法，具有較強的實踐意義。

1 短波寬帶OFDM通信系統

OFDM因其自身的特點而適用于短波通信抗干擾技術的研發。眾所周知，信號在頻帶上的傳播具有一定的選擇性衰落，從而導致信號穩定性降低。而OFDM技術可將頻帶劃分為多個不同的信道和子載波，同時每一個子載波都具有一定的信號傳播能力，且頻譜較為平坦。信號傳播過程中可克服短波通信中的頻率衰落問題，具有較強的抗干擾特性。經過此系統傳播的信號具有均勻的功率，可以保證信號的穩定性。同時OFDM的時域波形在技術手段上非常類似于高斯統計，可使其信號傳播過程中具有較強隱蔽性?；谶@些特點，可以看到OFDM技術在短波信號抗干擾能力提升中具有獨特的優勢，不需要額外提高信號傳播功率或增加帶寬便可以提高短波通信的效率，防止選擇性衰落并提升其抗干擾能力。

在日常的短波通信過程中，通常存在窄帶干擾，這種干擾對于傳播的信號而言，是一種帶寬較窄而功率性較強的干擾信號，相較于其他干擾具有更強的干擾性。窄帶干擾在目前的短波通信過程中比較常見，干擾性較強，在信號傳播的過程中會對多個信道的信號產生干擾。由于OFDM技術具有多頻波的特點，在每個信道中的平臺利用率較高，因此可以借助該技術關閉部分受窄帶干擾影響的子載波段，從而提高系統抗干擾能力。

2 窄帶干擾抑制效果

在短波通信過程中，同一頻帶內信號多且復雜，而且在頻帶內通常有不同短波電臺相互干擾，會使短波通信系統信噪比嚴重降低，從而影響短波通信接收器接收信號的性能。根據現有研究查閱參考文獻，不同的抗干擾算法對窄帶干擾抑制的效果均有差異，一般分為頻域窄帶干擾抑制方法和時域窄帶干擾抑制方法[10,11]。由于窄帶干擾在頻帶內呈現出尖峰的特點，因此頻域窄帶干擾濾波方案可有效計算出頻帶內干擾的中心頻點。但頻域的快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，FFT）與快速傅里葉逆變換（Inverse Fast Fourier Transform，IFFT）對硬件要求較高，嚴重增加其造價負擔，這也是頻域窄帶干擾抑制方法的突出缺點之一。時域窄帶干擾抑制方法可很好地計算頻帶內干擾的信號頻率，雖然存在一定誤差，但不影響使用。缺點在于信號干擾較弱時的使用效果不理想，導致陷波器計算失準，影響系統抗干擾性能。

3 干擾抑制算法

對于短波通信過程中OFDM技術的應用，參考相關文獻，對OFDM符號的長度進行了限制，一般選擇為10 ms，通常間隔的長度為5 ms。考慮到接收端對信號接收的特點和OFDM系統的參數設計原則，提出在短波通信系統中的幀結構設計如圖1所示。

圖1 信號的幀結構

為了更有效地提出抗干擾性能的方法，在理解了時域和頻域干擾抑制方法工作原理的基礎上，將兩者的優點進行整合，從而提出一種行之有效的窄帶抗干擾方法。二級無線響應脈沖濾波器（Infinite Impulse Response Filter，IIR）的傳輸函數為：

此函數的關鍵點在于計算出頻帶干擾存在的中心頻點，其中a是陷波器的參數，主要用于控制陷波器的帶寬，a的大小直接決定了陷波帶寬的大小。依此建立一種時域陷波器，當頻帶內存在多組信號干擾時，借助建立的多級陷波器移除干擾電臺信號，從而達到抗干擾的效果。

根據IIR濾波器的工作原理，建立抗干擾算法的核心在于取長度為N的接收信號（OFDM信號+窄帶干擾+背景噪聲），對其進行離散傅里葉變換（Discrete Fourier Transform，DFT）。由于窄帶干擾在頻域會出現極大的峰值，根據DFT的原理，每兩個相鄰數據之間的間隔為2π/N，找到1～2/N中信號頻域數據較大峰值的位置k，那么窄帶干擾頻率的估計值則為0=(k-1)(2π/N)，從而自適應IIR陷波器中對應陷波頻率的參數應為β=-cos0，實現框圖如圖2所示。

圖2 濾波器工作原理

由于目前的短波通信系統中，3 kHz的頻帶比較常見，因此在320 kHz的短波通信過程中極易受到3 kHz的帶內信號干擾。根據建立的抗干擾算法，在同一頻域識別高峰值信號，當識別到多組3 kHz上下波動的信號時，可直接認定其為干擾信號，采用級聯陷波器對其移除，以達到抗干擾效果。

在短波通信過程中，窄帶干擾不是一直存在的，而且窄帶干擾的過程隨時間推移也存在差別。在本文設計的算法中，首先參照信號干擾的頻域特性計算陷波頻率，以此頻率建立級聯時域陷波器，對接收到的信號停止FFT頻點估計，可借助時域陷波器去除干擾信號；其次對下一個信號進行同樣的操作，建立時域陷波器；最后以此類推，從而構建一種良好循環的抗干擾系統。本算法抗干擾原理如圖3所示。

圖3 抗干擾原理

在這一算法中，連續準確的計算出干擾信號的中心頻點至關重要，也是本算法最大的優點。借助建立的連續陷波器對干擾信號進行排除，從而達到短波通信抗干擾的效果。具體算法如下文所述。

（1）一個OFDM符號長度為1 100，通過FFT后長度擴展為2 048，系統采用4倍過采樣，取N=8 192加窗進行FFT變換。計算Wi(0)=Xi(0)/max[Xi(0)]，Xi(0)表示i點的信號功率譜密度。

（2）計算∑[Wi(0)]N=a。在高斯白噪聲背景下，當a是一個0.5左右的數時，一般直接認為接收的信號中無干擾存在，不需要采取干擾抑制手段，對信號直接處理并傳輸即可；若a是一個接近于0的數時，一般認為信號存在強窄帶干擾。

（3）帶內信號干擾頻率強弱不一，對不同窄帶干擾的算法略有差異。對待強窄帶干擾時，如果Wi(0)＞b（b是在0附近的常數），標記此干擾存在的位置。其中，a=0.98時抗干擾效果較好，一般情況可去除5個峰值電臺信號的干擾。此外，頻帶內干擾信號的個數和頻帶特性直接影響級聯陷波器的數量。

（4）干擾信號通過級聯陷波器移除系統后，算法自動對下一個信號進行上述3個步驟的操作。

4 結 論

為有效提高短波通信抗干擾性能，在分析時域和頻域干擾抑制方法工作原理的基礎上，基于OFDM技術多頻波和信道高利用率的特點提出了一種行之有效的窄帶抗干擾方法。本算法可連續準確地計算出干擾信號的中心頻點，借助級聯陷波器將干擾信號移除系統，從而達到短波通信抗干擾的效果。