擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的抗干擾特性分析

趙紅梅，王勝平

（1.中國(guó)電波傳播研究所，山東青島 266107；2.總參通信部軍代局駐濟(jì)南地區(qū)軍代室，山東濟(jì)南 250013）

擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的抗干擾特性分析

趙紅梅1，王勝平2

（1.中國(guó)電波傳播研究所，山東青島 266107；2.總參通信部軍代局駐濟(jì)南地區(qū)軍代室，山東濟(jì)南 250013）

從直擴(kuò)和跳頻通信系統(tǒng)工作原理出發(fā)，定量分析了直擴(kuò)和跳頻通信系統(tǒng)的接收機(jī)靈敏度、系統(tǒng)電平余量和干擾電平余量。分析發(fā)現(xiàn)：在保持接收靈敏度和系統(tǒng)電平余量保持不變的情況下，直擴(kuò)和跳頻通信系統(tǒng)通過(guò)分別采用“隱蔽”和“躲避”均降低了干擾電平余量，與抗干擾的系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的相符。

直擴(kuò)；跳頻；靈敏度；系統(tǒng)電平余量；干擾電平余量

目前，通信用頻設(shè)備激增，造成電磁環(huán)境惡化，電磁干擾嚴(yán)重，各種通信設(shè)備難以發(fā)揮其正常效能，由此，通信設(shè)備抗干擾技術(shù)應(yīng)運(yùn)產(chǎn)生。擴(kuò)頻通信技術(shù)由于具有抗干擾性強(qiáng)、隱蔽性好、截獲率低等顯著優(yōu)點(diǎn)，在軍用系統(tǒng)和民用系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用［1－3］，其中直擴(kuò)和跳頻是最基本的工作方式。對(duì)于擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾性，很多文獻(xiàn)從處理增益［4－5］、誤碼率［6－10］等方面給出了詳細(xì)闡述，但公式推導(dǎo)復(fù)雜，難于理解，難以在工程中應(yīng)用。與普通的通信系統(tǒng)相比，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的抗干擾性究竟如何定量，本文以接收機(jī)靈敏度為基礎(chǔ)，從系統(tǒng)電平余量和干擾電平余量?jī)煞矫娉霭l(fā)，對(duì)這一問(wèn)題給出了表示詳盡的、系統(tǒng)的分析。

1 系統(tǒng)主要性能指標(biāo)

1.1 接收機(jī)靈敏度

接收機(jī)靈敏度是指在滿足接收機(jī)解調(diào)器輸入信噪比門限的條件下，接收機(jī)天線上所需的最小輸入信號(hào)功率（見(jiàn)圖1）。圖1中P R是接收機(jī)靈敏度，N i是接收機(jī)熱噪聲，S0／N0是解調(diào)器輸入信噪比門限（主要由誤碼率及解調(diào)方式?jīng)Q定）。在此，以混頻的噪聲系數(shù)N F為出發(fā)點(diǎn)，在保證解調(diào)器輸入信噪比門限S0／N0不變的前提下，進(jìn)行相關(guān)分析。由圖1可知，噪聲系數(shù)

式中，K為玻爾茲曼常數(shù)；T為室溫（K）；B為射頻信號(hào)帶寬（Hz）。綜合式（1）和式（2），可得接收機(jī)靈敏度

1.2 系統(tǒng)電平余量

系統(tǒng)的電平余量（Fd）是指信號(hào)經(jīng)空間信道傳輸?shù)竭_(dá)接收機(jī)后，接收機(jī)輸入功率（PS）與接收機(jī)靈敏度（PR）的比值［11］。

圖1 大擴(kuò)頻接收機(jī)示意圖

到達(dá)接收機(jī)后進(jìn)行解調(diào)前的系統(tǒng)電平干擾余量為

式中，P T為發(fā)射機(jī)發(fā)射功率（W）；GA為收發(fā)單端的天線增益；L f為單端的饋線損耗；LC為單端附加損耗；LS為自由空間損耗。

1.3 干擾電平余量

干擾電平余量（Id）是指干擾信號(hào)經(jīng)空間信道傳輸?shù)竭_(dá)接收機(jī)后，接收機(jī)的有效輸入功率P I與接收機(jī)靈敏度P R的比值。

式中，P F為干擾機(jī)發(fā)射功率（W）。

2 直擴(kuò)系統(tǒng)性能分析

2.1 工作原理

直擴(kuò)通信系統(tǒng)的工作原理框圖如圖2所示。由圖2可知，假定發(fā)送的是一個(gè)窄帶信息，用一個(gè)高碼率的隨機(jī)碼序列與窄帶信號(hào)的信息碼相乘，即將信息碼擴(kuò)展到很寬的頻帶上，對(duì)這一擴(kuò)展了頻譜的信號(hào)再進(jìn)行射頻調(diào)制，最后由天線輻射出去。

圖2 直擴(kuò)通信系統(tǒng)的工作原理框圖

信號(hào)在射頻信道傳輸過(guò)程中必然受到各種外來(lái)信號(hào)的干擾。因此，在接收端，進(jìn)入接收機(jī)的除有用信號(hào)外還存在干擾信號(hào)。寬帶有用信號(hào)與干擾信號(hào)同時(shí)經(jīng)變頻至中心頻率為中頻輸出。對(duì)中頻寬帶信號(hào)須進(jìn)行解擴(kuò)處理才能進(jìn)行解調(diào)。解擴(kuò)過(guò)程是把擴(kuò)頻信號(hào)恢復(fù)成相移鍵控前的原始信號(hào)。從頻譜上看則表現(xiàn)為寬帶信號(hào)被解擴(kuò)壓縮還原成窄帶信號(hào)。這一窄帶信號(hào)經(jīng)中頻窄帶濾波器后至解調(diào)器再恢復(fù)成原始信息。

對(duì)于進(jìn)入接收機(jī)的窄帶干擾信號(hào)，在收端調(diào)制器中同樣也受到偽隨機(jī)碼的雙相相移鍵控調(diào)制，它反而使窄帶干擾變成寬度干擾信號(hào)。由于干擾信號(hào)頻譜的擴(kuò)展，經(jīng)過(guò)中頻窄帶通濾波作用，只允許通帶內(nèi)的干擾通過(guò)，使干擾功率大為減少。

由此可見(jiàn)，接收機(jī)輸入端的有用信號(hào)和干擾信號(hào)經(jīng)過(guò)解擴(kuò)處理，使被擴(kuò)展了的信號(hào)功率集中起來(lái)通過(guò)濾波器，同時(shí)使干擾功率擴(kuò)散后被濾波器大量濾除，結(jié)果便大大提高了輸出端的信號(hào)噪聲功率比。

2.2 性能指標(biāo)分析

2.2.1 靈敏度

由于解擴(kuò)對(duì)噪聲有抑制作用，相對(duì)于非擴(kuò)頻系統(tǒng)，在相同的接收機(jī)解調(diào)器信噪比門限要求下，接收機(jī)輸入信噪比降低了一個(gè)擴(kuò)頻增益（如圖3所示），即

圖3 直擴(kuò)接收機(jī)示意圖

由式（8）可見(jiàn)，接收機(jī)靈敏度不變。

2.2.2 系統(tǒng)電平余量

由圖2可知，由于采用了直擴(kuò)技術(shù)，在信息帶寬范圍內(nèi)其發(fā)射功率降低了Gp倍，在接收機(jī)端經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻相關(guān)檢測(cè)，功率電平又提高了Gp倍，因此系統(tǒng)電平余量不變，即

2.2.3 干擾電平余量

由圖2可知，在擴(kuò)頻接收機(jī)相關(guān)解擴(kuò)的作用下，窄帶干擾變成寬帶干擾信號(hào)，由于干擾信號(hào)頻譜的擴(kuò)展，經(jīng)過(guò)中頻窄帶通濾波作用，只允許通帶內(nèi)的干擾通過(guò)，使干擾功率大為減少。因此，干擾電平余量降低了Gp，即

3 跳頻系統(tǒng)性能分析

3.1 工作原理

跳頻系統(tǒng)的發(fā)射接收工作原理框圖如圖4所示。在發(fā)射端先用原始數(shù)據(jù)調(diào)制副載波，生成初始調(diào)制信號(hào)；同時(shí)，頻率合成器在偽隨機(jī)碼的控制下產(chǎn)生一個(gè)頻率不斷跳變的載波，這個(gè)載波與已調(diào)信號(hào)進(jìn)行混頻，得到載頻不斷跳變的調(diào)制射頻信號(hào)；接收端，在同步指令的控制下，用與發(fā)射端完全相同的偽隨機(jī)碼控制頻率合成器產(chǎn)生一個(gè)跳變規(guī)律與發(fā)射端頻率合成器一樣的載波，這個(gè)載波與接收到的射頻信號(hào)進(jìn)行混頻，就得到了一個(gè)頻率固定的中頻已調(diào)信號(hào)，再經(jīng)過(guò)解調(diào)，就得到了原始數(shù)據(jù)。

圖4 跳頻系統(tǒng)的發(fā)射接收工作原理框圖

3.2 性能指標(biāo)分析

3.2.1 靈敏度

跳頻系統(tǒng)是一個(gè)瞬時(shí)窄帶系統(tǒng)，但長(zhǎng)時(shí)間來(lái)看，它又是一個(gè)寬帶系統(tǒng)。與直擴(kuò)系統(tǒng)相比，跳頻系統(tǒng)中的偽隨機(jī)碼并非直接傳輸，而是用來(lái)選擇信道。跳頻的擴(kuò)頻增益為跳頻系統(tǒng)的頻道數(shù)N?？梢钥闯?，跳頻系統(tǒng)和非擴(kuò)頻系統(tǒng)相比，在接收機(jī)靈敏度上沒(méi)有提高（見(jiàn)表1），這也與跳頻系統(tǒng)是一個(gè)瞬時(shí)窄帶系統(tǒng)這一事實(shí)相對(duì)應(yīng)。跳頻系統(tǒng)接收機(jī)靈敏度可表示為

3.2.2 系統(tǒng)電平余量

跳頻系統(tǒng)的載波是不斷跳變的，有用信號(hào)在發(fā)射和接收的頻率同步跳變過(guò)程中保持正常通信。因此，跟普通通信系統(tǒng)相比，系統(tǒng)電平余量不變（見(jiàn)表1），即

3.2.3 干擾電平余量

外來(lái)的窄帶定頻干擾信號(hào)到達(dá)跳頻接收機(jī)前端時(shí)，只有在與快速跳變的跳頻點(diǎn)“碰撞”的那段駐留時(shí)間內(nèi)，才能通過(guò)混頻器變換到接收機(jī)中頻，從而對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，而在其他時(shí)間內(nèi)本振頻率在不停的跳變，窄帶定頻干擾信號(hào)不能與其他頻率產(chǎn)生“碰撞”，也就不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。而被碰撞的跳頻點(diǎn)在整個(gè)跳頻頻率集中以非常小的概率存在，所以與普通接收機(jī)相比，跳頻接收機(jī)所受到的干擾將大大減少（見(jiàn)表1）。因此，干擾電平余量可按概率進(jìn)行歸一化處理。

假定跳頻頻率集中總共含有N個(gè)跳頻點(diǎn)，假設(shè)有M個(gè)跳頻點(diǎn)受到干擾，其中第k個(gè)頻點(diǎn)上的受擾功率為P Ik，受擾概率為p k。那么接收機(jī)收到的總的干擾功率可以歸一化為

表1 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)性能指標(biāo)匯總列表

4 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)上述分析，可得如下結(jié)論。

1）對(duì)于非擴(kuò)頻系統(tǒng)，直擴(kuò)通信系統(tǒng)由于采用擴(kuò)頻技術(shù)，有用信號(hào)經(jīng)過(guò)頻譜展寬和頻譜壓縮恢復(fù)“一正一負(fù)”兩次變換，使得接收機(jī)靈敏度不變，系統(tǒng)電平余量不變，而外來(lái)干擾信號(hào)只在接收端經(jīng)過(guò)一次“負(fù)變換”，導(dǎo)致干擾信號(hào)的電平余量降低Gp倍，從而體現(xiàn)了直擴(kuò)系統(tǒng)的抗干擾性。

2）對(duì)于非擴(kuò)頻系統(tǒng)，跳頻通信系統(tǒng)中有用信號(hào)在發(fā)射和接收的頻率同步跳變過(guò)程中保持正常通信，其接收機(jī)靈敏度不變，系統(tǒng)電平余量不變，但是由于瞬時(shí)頻率的不斷跳變使得外來(lái)干擾的截獲概率降低，導(dǎo)致電平余量降低，從而體現(xiàn)了跳頻系統(tǒng)的抗干擾性。

綜上所述，直擴(kuò)和跳頻這兩種擴(kuò)頻方式與普通通信系統(tǒng)相比雖然指標(biāo)變化趨勢(shì)相同，但工作原理和抗干擾機(jī)理不同，直擴(kuò)采用的是“隱蔽”式抗干擾，而跳頻采用的是“躲避”式抗干擾，要根據(jù)設(shè)計(jì)的需要科學(xué)選用。本文為擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的干擾分析提供了基礎(chǔ)，對(duì)電磁干擾預(yù)測(cè)評(píng)估具有一定的指導(dǎo)意義。

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1008-1542（2011）12-0001-04

2011-06-20；責(zé)任編輯：馮 民

趙紅梅（1980-），女，河北滄州人，工程師，碩士，主要從事電磁干擾預(yù)測(cè)分析與工程應(yīng)用方面的研究。