摘 要:通过将得到的窄带干扰信号经过直接序列扩频接收系统的解扩解调模块后的形式,推导出了窄带干扰下直接序列扩频通信系统处理增益的表达式,从理论上分析系统对抗窄带干扰的特性,对影响其抗干扰能力的因素进行了多方面的分析。利用Matlab仿真得出其抗干扰能力不仅与扩频倍数有关,与窄带干扰的形式以及干扰相对载波的位置等因素相关的结论,为进一步研究和提高直接序列扩频系统对抗窄带干扰的能力打下基础。关键词:直接序列扩频系统; 抗窄带干扰能力; BPSK调制; 载波
中图分类号:TN911文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2010)17-0081-04
Analysis of Influence Factors of Narrow-Band Interference on Direct
Sequence Spread Spectrum Communication System
TAN Wei-feng, FENG Li-qiang, WANG Bing
(Department of Satellite Application System, China Academy of Space Technology, Beijing 100086, China)
Abstract: The expression for processing the gain by the direct sequence spread spectrum (DSSS) communication system is derived from the form that the gained narrow band signals pass through the dispreading and demodulation module of DSSS receiving system. The characteristic that the system withstands the narrow-band interference is analyzed theoretically. The factors that affect the antijamming capability of the system are also analyzed. The conclusions that the antijamming capability is not only related to the magnification of DSSS, but also to the form of narrow-band interference and the relative position of the carrier, are abtained.Keywords: direct sequence spread spectrum communication system; immunity to narrowband interference; BPSK modulation; carrier
扩频技术因其本身固有的抗干扰特性得到了迅速的发展,一般的文章和书中普遍认为DSSS系统的抗干扰能力由其扩频处理增益决定[1],但是在实际的系统抗干扰能力测试中发现,其抗干扰能力不仅随着扩频倍数的不同而发生不同,即使对于同一个扩频系统其在整个工作带宽范围内抗干扰能力也有较大的波动[2-3]。为了系统研究直扩系统自身的抗窄带干扰能力,本文采用理论推导和仿真验证相结合的方式,对不同扩频倍数,不同干扰位置,不同干扰形式的情况进行了研究。
1 直接序列扩谱系统的分析模型
DSSS系统的通信模型如图1所示。其中,信号源产生的码元速率为Ra的数据信号a(t)为信息流;伪随机序列产生器产生的速率Rc的伪随机序列为c(t)[4]。
信息调制器的输出为:
S(t)=A•a(t)•c(t)•cos(ω0t+φ1)(1)
式中:A为载波振幅;ω0为中频角频率;φ1为载波初相位。
发射端的输出加上外来的干扰和信道噪声在接收端的信号可表示为[5]:
R(t)=A•a(t)•c(t)•cos(ω0t+φ1)+J(t)+N(t)(2)
图1 DSSS系统模型
这里假设发送端和接收端的中频载波完全同步,且为线性处理,理论分析中可以不考虑载波调制处理,因此只需要对解扩结果进行考虑。
经过解扩解调之后的输出为[6]:
Z(t)=R(t)•c′(t)=Ai•ai(t)•cos(ω0t+φ1′)+
∑nk=1k≠iAk•ak(t)•c(t+τ)•c(t)•cos(ω0t+φ1′)+
J(t)•c′(t)+N(t)c′(t)(3)
式中:第一项为有用信号,经过中频滤波器之后,后三项中的大部分能量都被抑制了,只有中心频率附近的一些分量能通过,构成输入到信息解调器的总噪声[7]。
2 直扩系统对窄带干扰的处理增益
为了方便形成显式表达式,这里仅对干扰形式为单音干扰的情况进行推导。
J(t)=Aj•cos(ω1t+φ)(4)
经过解扩解调后干扰项为J(t)•c′(t)。其单边功率谱可表示为[8-9]:
Nout=π•A2jM2•δ(ω-ω1)+A2j2•M+1M2•
sin(ω-ω1)Tc22(ω-ω1)Tc22•2π•
∑+∞n=-∞n≠ω1δ(ω-ω1)-2nπMTc(5)
式中:1/Tc为信息码元的宽度;M为伪随机码的长度。
从式(5)可以看出,单频干扰经过扩频解扩后频谱大大展宽。设信息码元的宽度为1/Ta,一般的中频滤波器的带宽为2/Ta,而单音干扰经过解扩解调后得到的单边功率谱的谱线间隔为1/Ta,所以最多有两个分量可以通过中频滤波器进而影响后端对信息码元的恢复[10]。这里仅仅考虑有一根谱线进入后端处理中影响信息码元的判决。
当ω1=ω0时:
Nout=A2j/M2(6)
此时,处理增益为:
Gp=A2j/2A2j/M2=M22(7)
当ω1=ω0±2πMΔ时:
Nout≈A2j2•M + 1M2•2(8)
此时处理增益为:
Gp=A2j/2(A2j/2)•(M+1)/M2•2=M22(M+1)(9)
根据Sa函数的函数形式可以知道,随着干扰越来越偏离中心频率其输出的干扰功率越来越小,因此直扩系统的处理增益也会随着干扰位置的不同而有所区别。
一般直扩系统对单音干扰的处理增益随着干扰频率的不同而有所不同,其处理增益在M22(M+1)到无穷之间。因此可以看出,直扩系统自身的处理增益在整个工作频段内并不是一个常数,其取值与扩频倍数以及单音干扰的位置都不同,一般的书中笼统的取其值为Gp≈M。
3 仿真实验
3.1 不同扩频倍数的直接序列扩频系统抗干扰能力
这里主要是对不同扩频倍数的直接序列扩频系统抗窄带干扰的能力进行仿真,其仿真参数见表1。仿真得到的BER曲线如图2所示。
图2 不同扩频倍数对DSSS系统抗干扰能力的影响
表1 不同扩频倍数的仿真参数
调制方式扩频倍数中频载波/MHz采样频率/MHz信息速率/kHzEb/N0/dB干扰频率/MHz干信比
/dB
BPSK156.540333126.8330～50
BPSK636.54079126.5790～50
BPSK2556.54019126.5190～50
BPSK1 0236.5405126.5050～50
可以看出,随着扩频倍数的增加,系统的BER曲线的变化趋势也有相应的调整。在同为20 dB的J/S的情况下,15倍扩频系统的误码率为4.9×10-1,63倍扩频系统的误码率为1.3×10-3,255倍扩频系统的误码率为3×10-4,而1 023倍扩频系统的误码率仅为1×10-5。可以看出,随着扩频倍数的增大,系统抵抗单音干扰的能力逐渐加强。
3.2 不同频率干扰对系统的影响
前面的推导中可以看出,干扰在系统工作频段内的不同位置时对直扩系统的影响是不同的。下面的仿真中固定干扰的幅度,将这个固定好的干扰在工作频段内进行滑动,统计其误码率,不同干扰频率的仿真参数见表2。得到的仿真图形如图3所示。
表2 不同干扰频率的仿真参数
直扩系统调制方式中频频率/MHz采样频率/MHz信息速率/kHzEb/N0/dBJ/S/dB干扰频率/MHz
15倍BPSK6.5403331226.5～12
1 023倍BPSK6.540512106.5～12
图3 不同干扰频率对DSSS系统抗干扰能力的影响
从仿真中可以看出,15倍扩频系统在干扰处于信息速率一倍附近的值时误码率较多,而在载波处误码元数较少,这也与前面的理论推导结果相符。随着扩频倍数的增大,系统对干扰位置的变化敏感度降低,可以看出当扩频倍数为1 023时,随着干扰位置的变化,其误码率范围也会有波动,但是波动的范围较小。
3.3 不同形式窄带干扰对系统的影响
在实际应用中,窄带干扰的形式十分多样,前面仅仅采用了比较常见和易于产生的单音干扰形式。这里将采用单音干扰、多音干扰、500 kHz窄带干扰3种形式来研究在干扰能量一致的情况下,各种不同形式的干扰对系统的影响,仿真参数见表3。
表3 不同干扰形式的仿真参数
直扩系统中频频率/MHz采样频率/MHz信息速率/kHzEb/N0/dB干扰形式J/S/dB
15倍6.54033312
255倍6.5401912单音干扰多音干扰500 kHz窄带干扰
0～50
0～50
图4为15倍直接序列扩频系统和255倍扩频系统在单音干扰、100 kHz窄带干扰、500 kHz窄带干扰存在的情况下的BER曲线图。
图4 不同干扰形式对DSSS系统抗干扰能力的影响
可以看出,对15倍DSSS而言,由于500 kHz的窄带干扰覆盖的频域范围宽,而直扩系统在载波附近的抗干扰能力具有频率选择性,因此,较之于单音干扰和100 kHz的窄带干扰其对直扩系统的影响更为恶劣。在1×10-6的数量级上其自身抗干扰能力仅为5 dB,相应的单音干扰和100 kHz窄带干扰为8 dB。而255倍的扩频系统由于单音干扰频率正对载波,因此其抗干扰能力较强,而由于扩频倍数增大,对干扰的位置敏感度下降,因此100 kHz和500 kHz的窄带干扰对系统的影响减弱。
4 结 语
通过理论推导单音干扰经过直接序列扩谱系统解扩解调后进入系统的形式,得到直接序列扩频系统处理增益的表达形式,根据推导出的表达式得出其抗干扰能力不仅与扩频倍数有关,且与干扰所处的位置相关的结论。通过Matlab仿真得到了不同扩频倍数下,不同干扰频率下,不同窄带干扰形式下多个不同参数的直接序列扩频系统的BER曲线图,充分验证了前面的理论推导,为实际的工程测试提供支撑,为进一步提高直接序列扩频系统抗干扰能力奠定了基础。
参考文献
[1]曾兴雯,刘乃安,孙献璞.扩展频谱通信及其多址技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2004.
[2]MILSTEIN L, DAVIDOVICI S, SCHILING D L. The effect of multiple-tone interfering signals on a direct sequence spread spectrum communication system[J]. IEEE Trans. on Communications, 1982, 30: 436-446.
[3]LUNAYACH R S. Performance of a direct sequence spread-spectrum system with long period and short period code sequence[C]. IEEE Trans. on Communications, 1983, 31: 413-419.
[4]胡波,胡修林,余晓园.不同频率位置的窄带干扰对DSSS通信性能的影响分析[J].信号处理,2005,10(5):548-551.
[5]康丽,邵玉斌.直接序列扩频系统抗干扰性能研究[J].上海应用技术学院学报,2006,6(3):212-216.
[6]胡广书.数字信号处理:理论、算法与实现[M].北京:清华大学出版社,2003.
[7]许靖,谷春燕,易克初.单品干扰在直扩系统中的误码性能分析[J].空间电子技术,2004(4):16-21.
[8]李晓红.扩频通信中的频域抗干扰技术研究[J].现代电子技术,2006,29(24):125-129.
[9]杨巧莲.直扩通信系统中的干扰抑制技术[D].成都:电子科技大学,2002.
[10]普拉特.卫星通信[M].北京:电子工业出版社,2003.
[11]曹志明,张继文.一种基于循环谱的直扩信号参数估计方法[J].现代电子技术,2010,33(7):85-88
[12]赵林军.中频数字化直接序列扩频接收机的实现[J].现代电子技术,2008,31(21):101-103.
相关热词搜索： 窄带 干扰 对抗 因素 能力