OFDM-FH自適應抗干擾技術研究

唐 正，楊 凡，毛海偉，高乙文，張?zhí)锾?/p>

(1.國家電網(wǎng)湖北省隨州供電公司， 湖北 隨州 441300；2.中國航天科工航天發(fā)展重慶金美通信有限責任公司， 重慶 400030；3.重慶大學 通信工程學院， 重慶 400044；4.中國移動通信集團重慶有限公司， 重慶 400044；5.重慶科技學院 化學化工學院， 重慶 400044)

隨著戰(zhàn)術通信對業(yè)務速率的需求越來越高，傳輸帶寬也隨之不斷增加，干擾信號對頻帶的污染變得越來越普遍，因此寬帶通信的抗干擾成為戰(zhàn)術通信中亟需解決的問題[1]。OFDM技術由于其數(shù)據(jù)傳輸速率高、頻譜利用率高、可對抗頻率選擇性衰落和窄帶干擾等特點被廣泛應用于戰(zhàn)術互聯(lián)網(wǎng)中，而跳頻(FH)的突出特點是抗干擾性能優(yōu)異，這兩種技術的結合不但可滿足戰(zhàn)術通信中靈活的多址組網(wǎng)方式和大業(yè)務數(shù)據(jù)的需求，又可極大提高系統(tǒng)的抗干擾能力[2-4]。因此，OFDM-FH是一種適合寬帶無線軍事通信的有效傳輸方式。

本文在OFDM-FH系統(tǒng)的基礎上提出了一種傳輸帶寬內(nèi)的自適應技術，可對干擾頻點做出檢測，在未被干擾的OFDM子帶內(nèi)分配業(yè)務數(shù)據(jù)，提高OFDM-FH系統(tǒng)的抗干擾性能。

1 OFDM-FH的自適應系統(tǒng)結構

OFDM-FH自適應系統(tǒng)由圖1所示的模塊組成： OFDM基帶信號產(chǎn)生模塊、跳頻模塊、信道干擾模塊、解跳模塊、跳頻自適應控制模塊和OFDM基帶信號恢復模塊。

圖1 OFDM-FH自適應系統(tǒng)

1.1 OFDM基帶信號產(chǎn)生模塊

每個OFDM符號是多個經(jīng)過調(diào)制的子載波信號的疊加，用N表示子信道的個數(shù)，d表示一個OFDM子幀的數(shù)據(jù)，si(i=0,1,…,N-1)表示分配給一個子幀的數(shù)據(jù)符號，fi表示載波頻率，則從t=ts開始的OFDM符號的等效基帶信號可表示為[2]：

(1)

1.2 跳頻模塊

OFDM-FH的跳頻是在每一個跳頻頻點傳輸一個OFDM子幀，如圖2所示。其中跳頻序列由跳頻碼發(fā)生器產(chǎn)生，頻率合成器生成跳頻頻點。設在某個發(fā)射頻點的一個周期[0,Ts]內(nèi)，傳輸M個子幀(d0,d1,…,dM-1)，dk=ak+bk,其中ak、bk分別為同向分量和正交分量。第k個子幀dk調(diào)制到第i個跳頻載波，則在跳頻時發(fā)射的OFDM信號可表示為

(2)

式中：g(t)為每個子幀的脈沖成形；fi在跳頻頻率集F中任意取值。

1.3 信道和干擾信號

OFDM的基帶信號在跳頻調(diào)制后經(jīng)過信道、受到干擾后，可以表示為

(3)

其中：h(t,r)為信道的沖擊響應；n(t)為加性高斯白噪聲；J(t)為干擾信號，本文采用的J(t)分為多音干擾和部分頻帶干擾。

1.4 解跳模塊

假設收發(fā)兩端的跳頻圖案已經(jīng)完成同步，解跳模塊產(chǎn)生和跳頻模塊相同的跳頻序列，經(jīng)過信道的OFDM-FH信號在通過混頻器和帶通濾波器后，得到的解跳信號為

(4)

1.5 跳頻自適應控制模塊

對經(jīng)過解調(diào)的OFDM-FH信號進行解跳，還原OFDM信號。為了測試OFDM信號每個子信道的信道質量，在發(fā)送端每個子幀的最后一個符號發(fā)送空子載波，在接收端進行解跳后根據(jù)空載波估算出每個子信道的信噪比[SNR0,SNR1,SNR2,…,SNRN]，并使用該估計值與檢測門限進行比較，超過門限的子信道數(shù)為Nth，γ=Nth/N，γth為信道質量的判決門限。

自適應控制算法流程如圖3所示。

圖3 自適應控制算法流程

1.6 OFDM信號的恢復模塊

經(jīng)過干擾的信號在通過解跳和帶通濾波器后，接收機在[iTs,(i+1)Ts]內(nèi)對接收信號做FFT以及數(shù)字解調(diào)和解碼處理，恢復出OFDM每個子載波上承載的數(shù)據(jù)信息。

2 系統(tǒng)性能與仿真分析

為了測試系統(tǒng)性能，采用Matlab對上述模型進行仿真，仿真的系統(tǒng)參數(shù)配置見表1。

表1 OFDM-FH自適應系統(tǒng)的參數(shù)配置

2.1 單音干擾時的系統(tǒng)性能

單音干擾信號可以表示為

(5)

式中：J為單音干擾的功率；φ為單音干擾的相位。由文獻可得系統(tǒng)的誤碼率為[5]

(6)

OFDM-FH和OFDM-FH自適應系統(tǒng)的單音干擾誤碼率的表達式可以通過仿真得到。

圖4是OFDM信號在跳頻頻點2.4 GHz的帶內(nèi)遭受單音干擾時的頻譜，圖5為帶內(nèi)遭受單頻干擾時3種不同系統(tǒng)的性能曲線。由仿真結果可以看出：無論是OFDM-FH系統(tǒng)還是OFDM-FH自適應系統(tǒng)，對帶內(nèi)單頻點的干擾是有效的，雖然兩者在單音干擾情況下性能差異不大，但相對OFDM系統(tǒng)來說，高斯白噪聲信道下有近1dB的性能提升。

圖4 受到單音干擾的OFDM-FH信號

圖5 3種系統(tǒng)在單音干擾時的性能

2.2 多音干擾時的系統(tǒng)性能

對于多音干擾，干擾機將其總的干擾功率J均勻分布在Nt=Nρ個不同的子載波頻率fi上，其中干擾因子ρ表示干擾音與子載波頻率個數(shù)之比。多音干擾表達式為[3]

(7)

為了對比3種系統(tǒng)對抗多音干擾的性能，本文仿真了N=7時的OFDM信號， OFDM信號在跳頻頻點為2.1 GHz時遭受多音干擾時的頻譜如圖6所示。

圖6 受到多音干擾的OFDM-FH信號

多音干擾可以看作在帶內(nèi)同時遭受多個單音干擾的疊加，由于干擾音的隨機性， OFDM不具備對抗多音干擾的能力。由圖7可以看到：OFDM-FH的系統(tǒng)由于采用了FH技術可以有效地避開干擾，特別是采用OFDM-FH自適應的算法后可以有效檢測出被污染的頻點，并反饋到發(fā)端。結合FH技術，有針對性地從跳頻圖案中剔除干擾頻點，使得盡可能少的頻點遭受干擾。由圖7可以看出：OFDM-FH的自適應性能最好，較OFDM-FH有1 dB的增益，較OFDM有3 dB的增益。

圖7 3種系統(tǒng)在單音干擾時的性能

2.3 部分頻帶干擾時的系統(tǒng)性能

對于部分頻帶干擾，假定工作頻帶為W，干擾機發(fā)送噪聲的額定功率為J，干擾因子為ρ(0≤ρ≤1)，干擾帶寬為WJ，則WJ=ρ*W。當ρ=1時為寬帶干擾，當0<ρ<1時為部分頻帶干擾[7-8]。圖8仿真了ρ=0.2時OFDM信號在跳頻頻點2.1 GHz遭受到部分頻帶干擾時的頻譜。WJ=ρ*W，當ρ=1時為寬帶干擾，當0<ρ<1時為部分頻帶干擾[7-8]。圖8仿真了ρ=0.2時OFDM信號在跳頻頻點2.1 GHz遭受到部分頻帶干擾時的頻譜。

圖8 受到部分頻帶干擾的OFDM-FH信號

部分頻帶干擾直接表現(xiàn)為某些連續(xù)的碼元錯誤。遭受到部分頻帶干擾時，無論怎樣改變跳頻圖案，總有一些頻點會被干擾。經(jīng)過OFDM-FH自適應算法把干擾頻點反饋到發(fā)端，當跳頻模塊遍歷完當前跳頻頻率集中的所有頻點后依然判定為“壞信道”時，可通過子信道質量檢測確定被干擾的子信道并通知發(fā)端不分配業(yè)務數(shù)據(jù)給被干擾的子信道，從而盡可能保證在未被干擾的子信道中傳輸數(shù)據(jù)。由圖9可以看出，OFDM-FH自適應系統(tǒng)對抗部分頻帶干擾較OFDM-FH系統(tǒng)和單純的OFDM系統(tǒng)均有較大的優(yōu)勢。仿真結果表明：OFDM-FH自適應系統(tǒng)比OFDM-FH系統(tǒng)有3 dB的誤碼提升，比單純的OFDM約有7 dB的誤碼提升。

圖9 3種系統(tǒng)在部分頻帶干擾時的性能

3 結束語

本文提出一種OFDM-FH自適應算法，在單音干擾、多音干擾和部分頻帶干擾時，分別對比OFDM系統(tǒng)、OFDM-FH系統(tǒng)和OFDM-FH自適應系統(tǒng)的性能。仿真結果表明：OFDM-FH自適應系統(tǒng)經(jīng)過3種干擾源時均有較好的性能，特別是在部分頻帶干擾情況下抗干擾能力明顯。較OFDM-FH系統(tǒng)有1～3 dB的誤碼性能提升，較OFDM系統(tǒng)有3～7 dB的誤碼性能提升。因此，OFDM、跳頻和自適應技術的結合將有效提高寬帶通信抗干擾的性能。

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