非正交跳頻層疊網(wǎng)中JTIDS 波形性能仿真及改善*

陳晉養(yǎng)，楊靖宇，徐任暉，魏星辰，崔曉楠，彭來(lái)獻(xiàn)

（1.中國(guó)人民解放軍陸軍工程大學(xué)，江蘇 南京 210007；2.中國(guó)人民解放軍31006 部隊(duì)，北京 100000）

0 引言

當(dāng)前，美軍提出了新的作戰(zhàn)概念——馬賽克戰(zhàn)，其對(duì)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的應(yīng)用提出了更高的要求[1]。越來(lái)越多的指控系統(tǒng)、傳感器、武器平臺(tái)都裝備了聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分發(fā)系統(tǒng)（Joint Tactical Information Distribution System，JTIDS）或者多功能信息分發(fā)系統(tǒng)（Multifunction Information Distribution System，MIDS）終端[2]，進(jìn)而導(dǎo)致在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)編識(shí)號(hào)可能需多個(gè)終端重用。此外，JTIDS 組網(wǎng)采用層疊網(wǎng)模式，理論上支持127 張（子）網(wǎng)。雖然標(biāo)準(zhǔn)建議限制并發(fā)的層疊網(wǎng)數(shù)不超過(guò)20[3]，且并行鏈路之間的載波間隔大于30 MHz，但在實(shí)際中，飽和狀態(tài)下運(yùn)行的層疊網(wǎng)不得不采用非正交跳頻組網(wǎng)，鄰頻和同頻干擾發(fā)生的概率極大。

JTIDS 將最小頻移鍵控（Minimum Shift Keying，MSK）作為調(diào)制解調(diào)技術(shù)[4]。MSK 調(diào)制具有相位連續(xù)、包絡(luò)恒定等特點(diǎn)[5]。為進(jìn)一步加快帶外頻譜衰減，本文使用高斯最小頻移鍵控（Gaussian MSK，GMSK）[6]來(lái)代替MSK。文獻(xiàn)[7]提出了一種新的基于GMSK 方案的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用收發(fā)器，文獻(xiàn)[8]將GMSK 用于上行異步非正交多址接入。GMSK 在MSK 之前添加高斯低通濾波器，使調(diào)制后的信號(hào)相位在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)不僅連續(xù)而且變化平滑，既保持了MSK 信號(hào)恒包絡(luò)和低副瓣的優(yōu)點(diǎn)，又提高了功率效率和頻帶利用率[9]。

文獻(xiàn)[10]對(duì)JTIDS 在高斯信道、瑞利信道和萊斯信道下的編碼性能及JTIDS 抗寬帶噪聲和抗梳狀干擾的效果進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[11]對(duì)JTIDS 在噪聲調(diào)幅信號(hào)、隨機(jī)二進(jìn)制碼調(diào)制信號(hào)、偽碼MSK 調(diào)制信號(hào)和占空比9%寬帶干擾信號(hào)4 種干擾下的系統(tǒng)性能進(jìn)行了比較。文獻(xiàn)[3]分析了在不同的層疊網(wǎng)數(shù)量下，JTIDS 對(duì)不同時(shí)隙負(fù)載因子下的網(wǎng)絡(luò)容量、丟包率等關(guān)鍵性能指標(biāo)的影響。文獻(xiàn)[12]分析了寬帶/部分頻帶干擾和梳狀干擾對(duì)JTIDS 的報(bào)文內(nèi)容和同步數(shù)據(jù)的影響。文獻(xiàn)[13]分析了Link16在Nakagami-m衰落信道下對(duì)數(shù)據(jù)傳輸性能的影響。大部分現(xiàn)有關(guān)于JTIDS 的研究是針對(duì)單網(wǎng)工作模式下的單條鏈路，干擾源通常為系統(tǒng)外干擾，沒(méi)有關(guān)于系統(tǒng)內(nèi)鏈路間自干擾的研究。

本文針對(duì)非正交跳頻組網(wǎng)中多鏈路并發(fā)導(dǎo)致的鄰頻帶干擾和同頻干擾問(wèn)題，研究不同干擾水平下JTIDS 調(diào)制解調(diào)的性能，同時(shí)對(duì)比利用GMSK 改進(jìn)JTIDS 后的性能，并且對(duì)高斯白噪聲信道條件下JTIDS 系統(tǒng)的性能進(jìn)行仿真分析。

本文內(nèi)容安排如下，首先介紹JTIDS 系統(tǒng)在用的和改進(jìn)后的調(diào)制方式，其次對(duì)發(fā)射信號(hào)的頻譜進(jìn)行分析，最后針對(duì)不同干擾水平下的解調(diào)性能進(jìn)行仿真對(duì)比。

1 連續(xù)相位調(diào)制基本原理

JTIDS 第k個(gè)調(diào)制信號(hào)的表達(dá)式為：

式中：ωc=2πfc為載波角頻率，Ts為碼元寬度，θk(t)為第k個(gè)碼元的附加相位。當(dāng)e(t)為MSK 信號(hào)時(shí)，，ak=±1 表示第k個(gè)碼元，φk為第k個(gè)碼元的初始相位；當(dāng)e(t)為GMSK 信號(hào)時(shí)，，g(t) 為寬度為T(mén)s的矩形脈沖的單個(gè)高斯脈沖響應(yīng)。信號(hào)調(diào)制原理如圖1 所示。

2 發(fā)射信號(hào)的頻譜分析

2.1 MSK 與GMSK 的頻譜特征比較

JTIDS 的碼元寬度Ts=2×10-7s，設(shè)載波頻率為fc=1/TsHz，當(dāng)BTs=0.3 時(shí)，MSK 信號(hào)與GMSK 信號(hào)的功率譜密度如圖2 所示。

圖2 MSK 信號(hào)與GMSK 信號(hào)的功率譜密度

從圖2 可以看出，GMSK 信號(hào)的旁瓣下降明顯快于MSK 信號(hào)，MSK 信號(hào)的旁瓣只比主瓣低20 dB，而GMSK 信號(hào)的旁瓣比主瓣低約35 dB，表明GMSK 信號(hào)比MSK 信號(hào)的功率更集中。

對(duì)于MSK 信號(hào)，包含99%信號(hào)功率的帶寬B≈1.2/Ts=6 MHz。由于MSK 調(diào)制和GMSK 調(diào)制具有較寬的主瓣，第1 個(gè)零點(diǎn)出現(xiàn)在0.75(1/Ts)=3.75 MHz，因此相鄰頻點(diǎn)（相差3 MHz）的信號(hào)之間會(huì)相互干擾，進(jìn)而導(dǎo)致鏈路性能下降。

2.2 JTIDS 三類(lèi)頻點(diǎn)的頻譜特征分析

由于MSK 信號(hào)是一個(gè)正交2FSK 信號(hào)，載波周期與碼元持續(xù)時(shí)間的關(guān)系為：

式（2）表明，MSK 信號(hào)每個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間Ts內(nèi)包含整數(shù)個(gè)1/4 載波周期。

JTIDS 的51 個(gè)跳頻點(diǎn)間隔設(shè)置為3 MHz[12]，其中10 個(gè)跳頻點(diǎn)滿(mǎn)足式（2）的要求，即975 MHz、990 MHz、1 005 MHz 等。將跳頻點(diǎn)和碼元周期的關(guān)系表示為：

式中：Z 表示整數(shù)集合；Δ的取值有3 種可能，分別是Δ=0,0.2,0.4，由此將51 個(gè)頻點(diǎn)分為3 類(lèi)。

取fc=969 MHz（Δ=0.2），972 MHz（Δ=0.4），975 MHz（Δ=0），采樣頻率為4fc，MSK 信號(hào)的功率譜密度如圖3 所示。

圖3 不同跳頻頻點(diǎn)上MSK 信號(hào)的功率譜密度

從圖3可以看出，當(dāng)Δ=0時(shí)，跳頻點(diǎn)fc滿(mǎn)足式（2）的要求，其旁瓣最小，能量最集中；隨著Δ的增大，旁瓣逐漸變大，進(jìn)而對(duì)相鄰頻帶的干擾加重。

3 改進(jìn)JTIDS 端機(jī)的性能分析

3.1 MSK 與GMSK 的誤碼率性能比較

本節(jié)仿真比較兩種調(diào)制解調(diào)方法的性能，其中，MSK信號(hào)為相干解調(diào)，GMSK信號(hào)為維特比（Viterbi）解調(diào)。維特比差分相位法的解調(diào)性能優(yōu)于1 位和2位差分解調(diào)[14]，且維特比算法是基于最大似然序列估計(jì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行譯碼，是GMSK 的最佳解調(diào)算法[15]。仿真時(shí)，載波頻率fc=1/TsHz，采樣頻率fs分別為2fc，4fc，6fc，8fc和10fc。在高斯白噪聲信道下，MSK 調(diào)制和GMSK 調(diào)制的誤碼率如圖4 和圖5所示。

圖4 MSK 調(diào)制的誤碼率

圖5 GMSK 調(diào)制的誤碼率

由圖4 和圖5 誤碼率曲線可知，GMSK調(diào)制解調(diào)誤碼率優(yōu)于MSK 調(diào)制解調(diào)誤碼率。當(dāng)SNR=0 dB時(shí)，GMSK 調(diào)制的誤碼率是MSK 調(diào)制的誤碼率的1/10。當(dāng)SNR<8 dB 時(shí)，GMSK 調(diào)制的誤碼率明顯低于MSK 調(diào)制的誤碼率。此外，當(dāng)采樣頻率均為2fc時(shí)，MSK 調(diào)制不能夠正常解調(diào)，而GMSK 調(diào)制可以解調(diào)，但誤碼率是采樣頻率為4fc時(shí)的5 倍。當(dāng)誤碼率同為10-3時(shí)，GMSK 調(diào)制較MSK 調(diào)制可獲得2 dB 的增益。結(jié)果表明，GMSK 調(diào)制在降低系統(tǒng)誤碼率和抑制高斯白噪聲方面的性能要優(yōu)于MSK調(diào)制。

3.2 相鄰頻帶干擾下的MSK 解調(diào)與GMSK 解調(diào)的誤碼率分析

當(dāng)JTIDS 處于層疊網(wǎng)工作模式且網(wǎng)絡(luò)數(shù)目達(dá)到飽和時(shí)，在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)接收機(jī)所接收到的信號(hào)來(lái)自多個(gè)網(wǎng)絡(luò)的多條鏈路，其中不乏包含相鄰頻點(diǎn)的信號(hào)。

假設(shè)處于不同網(wǎng)絡(luò)的兩對(duì)收發(fā)信機(jī)，在同一個(gè)時(shí)隙內(nèi)分別使用相鄰頻點(diǎn)fa和fv（|fa-fb|=3 MHz）進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，在高斯白噪聲信道和鄰頻帶干擾下，對(duì)信號(hào)進(jìn)行MSK 調(diào)制解調(diào)和GMSK 調(diào)制解調(diào)，采樣頻率為4fc，其誤碼率如圖6 和圖7 所示。

圖6 相鄰頻帶干擾情況下的MSK 調(diào)制

圖7 相鄰頻帶干擾情況下的GMSK 調(diào)制的誤碼率

從圖6 可以看出，在受到間隔為3 MHz 的鄰頻帶的干擾下，MSK 信號(hào)誤碼率不會(huì)隨著信噪比的增大而有明顯的下降。當(dāng)SNR=10 dB 時(shí)，MSK 信號(hào)受鄰頻帶干擾解調(diào)后的誤碼率比無(wú)干擾時(shí)高30 dB，受干擾現(xiàn)象嚴(yán)重。

從圖7 可以看出，在信號(hào)受鄰頻帶干擾的情況下，誤碼率同為10-1時(shí)，GMSK 調(diào)制較MSK 調(diào)制可獲得6 dB 的增益。當(dāng)SNR=10 dB 時(shí)，GMSK 信號(hào)受鄰頻帶干擾解調(diào)后的誤碼率比無(wú)干擾時(shí)的高20 dB。結(jié)果表明，在受到鄰頻帶干擾且信噪比較低時(shí)，GMSK 信號(hào)誤碼率明顯低于MSK 信號(hào)誤碼率。

3.3 同頻帶干擾下的MSK 解調(diào)與GMSK 解調(diào)的誤碼率分析

一個(gè)時(shí)隙內(nèi)接收機(jī)所接收到的信號(hào)來(lái)自多個(gè)網(wǎng)絡(luò)的多條鏈路，其中不乏包含多個(gè)相同頻點(diǎn)的信號(hào)。在高斯白噪聲信道和鄰頻帶干擾下，對(duì)信號(hào)進(jìn)行MSK 調(diào)制解調(diào)和GMSK 調(diào)制解調(diào)，采樣頻率均為4fc，其誤碼率如圖8 和圖9 所示。

圖8 相同頻帶干擾情況下的MSK 調(diào)制

圖9 相同頻帶干擾情況下的GMSK 調(diào)制

從圖8 可以看出，對(duì)于大功率信號(hào)，MSK信號(hào)可以解調(diào)。但當(dāng)SNR=8 dB 時(shí)，MSK 信號(hào)受同頻帶干擾解調(diào)后的誤碼率比無(wú)干擾時(shí)高20 dB。對(duì)于小功率信號(hào)，MSK 信號(hào)無(wú)法解調(diào)，受干擾現(xiàn)象嚴(yán)重。

從圖9 可以看出，對(duì)于大功率信號(hào)，GMSK 信號(hào)可以解調(diào)。當(dāng)SNR=8 dB 時(shí)，大功率信號(hào)受同頻帶干擾解調(diào)后的誤碼率為10-3，誤碼率較小。對(duì)于小功率信號(hào)，GMSK 信號(hào)無(wú)法解調(diào)。結(jié)果表明，在受到同頻帶干擾時(shí)，GMSK 信號(hào)誤碼率明顯低于MSK 信號(hào)誤碼率，大功率信號(hào)可以解調(diào)，但誤碼率較高，小功率信號(hào)無(wú)法解調(diào)。

通過(guò)上述的分析可以得到JTIDS 分別使用MSK調(diào)制與GMSK 調(diào)制時(shí)系統(tǒng)性能的比較，如表1 所示。

表1 MSK 調(diào)制與GMSK 調(diào)制性能對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

一般層疊網(wǎng)狀態(tài)下，JTIDS 系統(tǒng)在高斯白噪聲信道中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，受干擾較小，此時(shí)使用GMSK 調(diào)制優(yōu)于使用MSK 調(diào)制。在飽和層疊網(wǎng)狀態(tài)下，非正交跳頻組網(wǎng)的多條鏈路同時(shí)傳輸以至于受到相鄰頻點(diǎn)干擾，系統(tǒng)性能大幅下降，此時(shí)使用MSK 系統(tǒng)無(wú)法獲取信息，而使用GMSK 調(diào)制時(shí)系統(tǒng)性能較優(yōu)。在受到相同頻點(diǎn)的干擾下，使用MSK調(diào)制所有信號(hào)均無(wú)法正確解調(diào)；使用GMSK 調(diào)制時(shí)小功率信號(hào)無(wú)法正常解調(diào)，大功率信號(hào)可以解調(diào)但性能大幅下降。仿真結(jié)果可為JTIDS 數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和抗干擾設(shè)計(jì)提供參考。