并行组合扩频通信系统变换域干扰抑制技术研究*

郭黎利，王百川，孙志国，陈 思

（哈尔滨工程大学信息与通信工程学院 哈尔滨 150001）

引 言

并行组合扩频通信是一种由软扩频发展而来的通信系统，其相比于直接序列扩频通信系统拥有较高的通信传输效率，且继承了直接序列扩频系统抗干扰、抗侦破能力强的特点[1]。然而在个别环境下，若干扰强度超出系统的干扰容限将导致系统性能急剧恶化，这就需要采取一些干扰抑制技术来增强系统的抗干扰能力。

变换域干扰抑制技术拥有实现复杂度小、实时性强、可对抗多个干扰等优点，被认为是一种极具潜力的干扰抑制技术[2]，自适应多门限算法和DT-FCME（Double Threshold Forward Consecutive Mean Excision）算法是近年来应用十分广泛的两种频域干扰抑制算法，本文分析研究了这两种干扰抑制算法，并将其应用于并行组合扩频系统中，通过软件仿真对两种变换域干扰抑制方法在并行组合扩频系统中的干扰抑制性能作比较分析，验证了两种算法在并行组合扩频系统中的可行性。

1 并行组合扩频通信系统模型

不同于直接序列扩频系统以单个比特传输数据，并行组合扩频系统将发射端k比特数据送入数据-序列映射器，按照数据映射算法从备选的M条正交扩频序列中选出r条，并按照相应算法对r条序列赋予相应的极性，等幅叠加得到组合序列[3]：

式中，PNi表示从M条备选的正交扩频序列中选择的扩频序列，qi=±1表示所选扩频序列的极性。将生成的组合多值信号进行载波调制，设其信号功率为P，载波频率为fc，初始相位为φ0，即可得到发送信号表达式：

从M条序列中选择r条，共有CrM种组合状态，而每条序列可有正负两种极性，则共有2rCrM种组合状态。因此单次传输相应的总信息量为：

可见其信息传输效率远高于直接序列扩频系统，图1所示为并行组合扩频系统发端结构图。

并行组合扩频系统接收端原理框图如图2所示，信号经过载波解调之后分别与备选的M条扩频序列进行相关处理，相关值最大的r条序列即为发端经过映射算法所选出的扩频序列，将该r路信号送入数据-序列逆映射器，根据序列的标号和极性映射出对应的k位数据信息，得到原始数据[4]。

图1 并行组合扩频系统发端结构图Fig.1 Transmitter of PCSSsystem

图2 并行组合扩频系统接收端结构图Fig.2 Receiver of PCSSsystem

2 并行组合扩频变换域干扰抑制技术

变换域干扰抑制技术其主要思想是利用扩频信号和窄带信号在变换域特征参数的差别，将时域信号转至变换域，在变换域对干扰进行处理，反变换回时域从而达到抑制窄带干扰的效果[2]。现存的变换域干扰抑制技术主要包括频域变换、小波变换、重叠变换等，对干扰的处理方式包括置零法和置数法，确定干扰的方法主要包括 K谱线法、门限检测法、中值滤波法等[5]。

图3 系统接收端干扰抑制原理框图Fig.3 Interference suppression at receiver of the system

并行组合扩频系统的扩频码虽然是组合码，却仍然能够满足不同码元随机分布且正负码元数均分的特性，因此信息经过扩频调制后一样具有频谱平坦的特点，如果信号中混有较强的窄带干扰，能够在频域很容易地将干扰识别，此时只要选择合适的干扰抑制算法，变换域干扰抑制技术同样适用于并行组合扩频系统。

由于窄带信号在频域会存在频谱泄漏现象，对干扰抑制造成较大影响，所以在变换前需要对信号进行加窗处理以达到抑制旁瓣的目的，而窗函数又会对有用信号造成损失，所以需进行重叠复用以减小窗函数对有用信号的损耗[6]。图3所示为并行组合扩频系统接收端干扰抑制原理框图。

自适应多门限算法和DT-FCME算法是近年来应用十分广泛的两种变换域干扰抑制算法，对于窄带干扰具有十分良好的干扰抑制效果且能适应多种信道环境，因此本文选用这两种算法抑制并行组合扩频系统中的窄带干扰。

2.1 DT-FCME算法

DT-FCME算法又称双门限法，其核心思想是引入高低门限，通过反复迭代计算得到高低门限的精确值，使得可能为干扰的信号以“簇”的形式呈现，从而将干扰信号整簇滤除。

目前变换域干扰抑制技术中干扰确定方法应用最多的就是门限检测法，对于门限检测法其关键问题是干扰门限的确定，门限过高将会导致干扰抑制不彻底，门限过低将会导致有用信号被误判为干扰剔除，对系统性能造成较大影响。DT-FCME算法是针对单门限难以满足适应时变信道环境的要求而提出的算法，首先通过低门限进行预判，将不可能为干扰的信号“保护起来”，将剩余谱线分簇，通过高门限判断各簇信号是否为干扰，若判定为干扰则将干扰信号整簇滤除。由于通过低门限将可能为干扰的信号进行了分簇，因此即便高门限的值选择过高也不会造成干扰抑制不完全，而通过高门限与每簇信号的最大幅值进行比较来确定干扰，也在一定程度上避免了低门限值设置过低导致有用信号被误判为干扰的情况[7]。

DT-FCME算法抑制窄带干扰可大体分为如下步骤[8]。

①首先对信号FFT变换后的谱线幅值进行排序，取谱线幅值最小的K根谱线，K的取值需保证所取谱线无干扰存在，计算得到其平均值：

式中，

Ai

为所选谱线的幅值。

②由计算得到的平均值p估算出高低门限的初始值：

式中，

T

CME1

为高门限参数，

T

CME2

为低门限参数。

③将其余谱线幅值与低门限值Tlow进行比较，若其幅值小于低门限值则可认为是非干扰谱线，将其添加到无干扰的谱线集中，重新计算剩余谱线幅值的平均值p，从而得到高低门限的更新值；若其幅值大于低门限值则不做处理。

④重复步骤③，直到满足无干扰谱线集外没有谱线幅值低于低门限值。

⑤所有低于低门限值Tlow的谱线可认为是无干扰信号，暂时不予考虑，而高于Tlow的谱线可分为若干独立的“簇”，将每个“簇”里幅值最高的谱线与高门限值Thigh进行比较，若高于Thigh则认为该“簇”信号为干扰，将整簇信号置零，若低于Thigh则不做处理。如此达到抑制窄带干扰的目的。

2.2 自适应多门限算法

自适应多门限干扰抑制算法其主要思想是利用信号频谱幅值近似服从高斯分布的特性，利用假设检验进行反复迭代，将干扰所在的谱线剔除。设有用信号为x（n），噪声信号为g（n），信号x（n）+g（n）的傅里叶变换X（k）+G（k）可近似认为是窄带高斯信号，根据窄带高斯信号的性质可知，其包络服从瑞利分布，相位服从[0，2π）的均匀分布，包络的平方2服从参数为λ的指数分布[9]。

设变换域干扰检测的门限值为TH，记频谱信号不超过门限TH的概率为：

分别取TH=n/λ（n=1，2，3，4，5），可以得到n取不同值时非干扰信号不超过其对应门限的概率如表1所示。

表1 谱线幅度平方分布表Table1 Distribution table of the spectral amplitude square

因此对于任意一次观测信号，假设接收到的信号仅为有用信号与噪声信号x（n）+g（n），则在对其进行FFT变换之后N根谱线的模平方应服从均值为μ=1/λ、方差为σ2=1/λ2的指数分布，其谱线模平方大于5/λ的概率仅为0.0067，即在显著性水平a=0.0067条件下，无窄带干扰谱线幅度平方大于5/λ的概率极小，可近似认为不存在这样的谱线。

其数学描述可以表述如下：对接收到的信号进行FFT变换后，检测其谱线模平方大于5/λ的根数m，m大于零则判断存在窄带干扰，m等于零则判断无窄带干扰。当FFT变换的点数大到一定程度时，谱线模平方的平均值可以作为统计平均值E（x）=1/λ的无偏估计[10]，即

由此，自适应多门限算法抑制窄带干扰可大体分为如下步骤：

①对FFT变换后的N根谱线进行模平方，并求其平均值μ^，从而得到指数分布参数1/λ=μ^；

②令判决门限TH=5/λ；

③判断N根谱线中是否有谱线模平方值大于5/λ，若没有则算法结束，若有谱线模平方值大于5/λ则继续执行步骤④；

④对模平方值大于5/λ的谱线进行抑制，模平方值不大于5/λ的谱线不做处理，返回步骤①再次进行检验。

3 仿真分析

为验证两种算法在并行组合扩频通信系统中的可行性，分析其干扰抑制性能。本文用Matlab建立了并行组合扩频通信系统仿真平台，分别使用自适应多门限算法和DT-FCME算法对高斯白噪声环境下单音、多音、窄带三种形式的窄带干扰进行干扰抑制，仿真验证其误码率性能，并对比分析了系统在无干扰抑制和不添加干扰时的误码率性能，其中多音干扰为三个单音干扰的叠加，窄带干扰为频带比4%的BPSK调制信号。

仿真中并行组合扩频通信系统为16选3映射方式，扩频序列选择7阶平衡Gold序列，调制方式为QPSK调制，窗函数选择旁瓣抑制度最高的布莱克曼窗，采用1/2重叠加窗，FFT变换长度为1024，仿真中取固定信干比为-5dB。经仿真实验，得到用两种干扰抑制方法对三种形式窄带干扰进行干扰抑制的性能曲线，如图4～图6所示。

图4 单音干扰抑制性能仿真图Fig.4 BER performance of single tone interference suppression

图5 多音干扰抑制性能仿真图Fig.5 BER performance of multi-tone interference suppression

图6 窄带干扰抑制性能仿真图Fig.6 BER performance of narrowband interference suppression

由仿真图可以看出，自适应多门限算法和DT-FCME算法都能在并行组合扩频通信系统中发挥较好的干扰抑制作用。由于音频干扰占用带宽很小，而窄带干扰占用带宽较宽，剔除干扰所在谱线会对有用信号造成较大失真，所以三种干扰中，单音干扰抑制效果最佳，窄带干扰抑制效果最差。对于窄带干扰，DT-FCME算法干扰抑制效果略优于自适应多门限算法，主要原因是DT-FCME算法所引入的“簇”的概念更适合于抑制干扰谱线连续的窄带干扰，而音频干扰中干扰谱线多为独立谱线，此时DT-FCME算法以“簇”的形式抑制干扰容易对有用信号造成损失，自适应多门限算法是通过反复迭代将干扰所在的谱线消除，音频干扰谱线幅度明显高于有用信号，能够很容易地将干扰剔除，因此在对抗单音干扰与多音干扰时，自适应多门限算法性能略佳。

4 结束语

本文研究了并行组合扩频通信系统窄带干扰抑制技术，分析了自适应多门限算法和DT-FCME算法两种变换域干扰抑制算法。经仿真验证，两种算法对并行组合扩频系统中的多种干扰均有较好的干扰抑制效果，自适应多门限算法在对抗音频干扰时效果略优，而 DT-FCME算法则更适于抑制干扰谱线连续的窄带干扰。

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