基于單載波頻域均衡的直接序列擴(kuò)頻自適應(yīng)抗干擾技術(shù)

辜方林，黃育偵，趙鶯，趙海濤，魏急波

（1.國防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410073；2.軍事科學(xué)院，北京 100097；3.北京信息通信技術(shù)研究中心，北京 100036）

0 引言

直接序列擴(kuò)頻（DSSS,direct sequence spread spectrum）通信由于具有很強(qiáng)的抗窄帶干擾能力，并且具有信息隱蔽、多址保密等優(yōu)點[1]，已在通信領(lǐng)域大量應(yīng)用。但是，DSSS 技術(shù)目前局限于低速通信系統(tǒng)或者信道環(huán)境簡單、干凈的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。事實上，高速通信系統(tǒng)或者地面移動通信環(huán)境往往存在大量多徑，使信道呈現(xiàn)頻率選擇性衰落，此時，要使DSSS 技術(shù)發(fā)揮作用，亟須克服多徑帶來的影響[2-3]。

均衡是克服信道多徑影響的核心技術(shù)之一。已有許多學(xué)者提出在DSSS 接收端采用Rake 接收或者時域均衡技術(shù)來克服或者利用多徑的影響提升系統(tǒng)的接收性能。但是Rake 接收或者時域均衡面臨以下2 個問題：一是Rake 接收僅適用于多徑較少的情形，且Rake 接收過程中的多徑分量時延、相位估計存在誤差，其性能難以保證；二是無論是Rake 接收還是時域均衡技術(shù)均面臨實現(xiàn)復(fù)雜度大的難題，工程實現(xiàn)面臨挑戰(zhàn)[4-6]。隨著快速傅里葉變換（FFT,fast Fourier transform）的成熟，頻域均衡技術(shù)得到了快速發(fā)展，以正交頻分復(fù)用（OFDM,orthogonal frequency division multiplexing）和單載波頻域均衡（SCFDE,single carrier frequency domain equalization）技術(shù)最為典型，且在許多標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中得到了推廣應(yīng)用，例如，IEEE802.16a、IEEE 802.11n等。SCFDE 與OFDM 的原理極其相似，兩者都是通過插入循環(huán)前綴（CP,cyclic prefix）來消除碼間干擾，并在頻域完成信道估計與均衡。其主要區(qū)別是在SCFDE 系統(tǒng)中，F(xiàn)FT/IFFT 模塊均位于接收端；而在OFDM 系統(tǒng)中，IFFT 模塊位于發(fā)射端，而FFT 模塊位于接收端。同OFDM 相比，SCFDE 具有以下優(yōu)點：顯著降低了信號峰均比，利于實現(xiàn)小型化、低功耗；對頻偏的敏感性較小，適用于高動態(tài)等復(fù)雜環(huán)境；易于與DSSS 技術(shù)結(jié)合，能獲得大的擴(kuò)頻處理增益。結(jié)合上述分析，本文提出了一種SCFDE 與DSSS 技術(shù)有機(jī)結(jié)合的寬帶擴(kuò)頻通信體制，它利用頻域均衡來克服多徑導(dǎo)致的頻率選擇性衰落帶來的影響，同時充分利用DSSS 獲得大的擴(kuò)頻處理增益，使系統(tǒng)具有優(yōu)良的抗干擾性能，為DSSS 技術(shù)應(yīng)用于多徑信道環(huán)境提供了有效的解決方案[7-9]。

盡管擴(kuò)頻能夠提升系統(tǒng)的抗干擾能力，且擴(kuò)頻倍數(shù)越大，系統(tǒng)的抗干擾能力越強(qiáng)。然而，實際應(yīng)用過程中系統(tǒng)通常是帶寬受限的，在帶寬一定的條件下，擴(kuò)頻倍數(shù)越大，抗干擾能力越強(qiáng)，接收機(jī)靈敏度越高，但傳輸速率越小，能夠支持的業(yè)務(wù)類型和組網(wǎng)應(yīng)用嚴(yán)重受限，反之亦然。注意到，搶險救災(zāi)等任務(wù)所面臨的通信環(huán)境往往是復(fù)雜多樣的，這種多樣性不僅體現(xiàn)為山地、丘陵、沙漠、海洋等地理環(huán)境的多樣性，也體現(xiàn)為電磁環(huán)境的多樣性，例如，不同強(qiáng)度、不同類型的電磁干擾等；另一方面，根據(jù)執(zhí)行的任務(wù)不同，所需要信息交互的速率、距離等也會不同?；谏鲜龇治?，需要通信鏈路具備性能指標(biāo)可重構(gòu)的能力，即條件允許時傳輸圖像、視頻等豐富多樣的業(yè)務(wù)信息，實現(xiàn)高速傳輸；條件惡劣時能夠傳輸生命體征、位置坐標(biāo)等少量關(guān)鍵信息，實現(xiàn)低速的保底通信。綜上所述，為了兼顧信息傳輸速率和可靠性，滿足不同環(huán)境下可靠傳輸?shù)男枨?，本文提出了帶寬自適應(yīng)傳輸模式，這里的帶寬指有效信道帶寬，通過給固定信道帶寬配置不同的擴(kuò)頻因子即可獲得不同的有效信道帶寬，從而實現(xiàn)擴(kuò)頻處理增益、傳輸速率的靈活轉(zhuǎn)換，滿足不同環(huán)境和任務(wù)在信息速率和可靠性方面所面臨的多樣化需求。在此基礎(chǔ)上，本文結(jié)合SCFDE 接收端固有FFT 過程的特點，實現(xiàn)對干擾強(qiáng)度、干擾類型等信息的伴隨式檢測與分析，優(yōu)化選取頻域承載點，提升系統(tǒng)對干擾，特別是阻塞式干擾的適應(yīng)性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 基于SCFDE 的寬帶DSSS 系統(tǒng)

圖1 給出了一種基于SCFDE 的寬帶DSSS 系統(tǒng)框架。在發(fā)射端，信源序列經(jīng)過調(diào)制后進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻。令di表示第i個調(diào)制符號，與擴(kuò)頻序列c=[c1,c2,…,cN]進(jìn)行異或操作實現(xiàn)擴(kuò)頻，xi=dic=[x1,x2,…,xN]表示符號向量，其中，N為擴(kuò)頻因子。利用擴(kuò)頻后的符號向量xi組成數(shù)據(jù)塊，如圖2 所示。保護(hù)間隔CP 被插入每個塊的前面，這樣第k個發(fā)送塊可以表示為xk=[xcp,x k1,xk2,…,xkL]，其中，k=1,2,…，l=1,2,…,L。

圖1 基于SCFDE 的寬帶DSSS 系統(tǒng)框架

圖2 基于SCFDE 的寬帶DSSS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)

假設(shè)信道為塊衰落的準(zhǔn)靜態(tài)信道，在一個符號塊的時間間隔內(nèi)，信道頻率響應(yīng)不變。經(jīng)過碼片間隔的采樣后，離散等效信道可以表示為h=[h1,…,hP]，其中，P是多徑分量的數(shù)目。不失一般性，假設(shè)CP 的長度大于信道的沖激響應(yīng)長度。CP 的添加使塊間干擾消除，同時使接收符號塊和信道的線性卷積變?yōu)檠h(huán)卷積。

在接收端，經(jīng)過匹配濾波和碼片間隔采樣，去除CP 后的接收符號塊可以表示為

其中，?表示循環(huán)卷積，w表示加性白高斯噪聲矢量，噪聲分量均值為0、方差為N0。

第k個接收塊信號經(jīng)過FFT 被變換到頻域，可表示為

接收塊信號被變換到頻域后進(jìn)行頻域均衡，均衡后的信號向量可以表示為

其中，U是長度為NL的頻域均衡系數(shù)向量。

對于迫零（ZF,zero force）均衡，有

對于最小均方誤差（MMSE,minimum mean square error）均衡，有

其中，(·)T表示轉(zhuǎn)置。

1.2 有效帶寬自適應(yīng)

根據(jù)圖1 所示的基于SCFDE 寬帶DSSS 系統(tǒng)框架，其中，L和N是至關(guān)重要的2 個參數(shù)，合理設(shè)置參數(shù)L用于克服信道的頻率選擇性衰落，合理設(shè)置參數(shù)N用于獲取合理的擴(kuò)頻處理增益。本文考慮信道帶寬固定的情形，固定信道帶寬的優(yōu)勢是使射頻前端實現(xiàn)簡單，便于小型化和低成本，且系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠。信道帶寬的確定與實際系統(tǒng)工作的頻譜環(huán)境、傳輸能力需求和硬件平臺能力息息相關(guān)。

以某一測控通信鏈路為例，假設(shè)信道帶寬為12.8 MHz，通過配置不同的L和N，如表1 所示，系統(tǒng)可以獲得具有不同傳輸速率、抗干擾能力和接收機(jī)靈敏度指標(biāo)的傳輸模式。

表1 有效帶寬可配置系統(tǒng)實例

為了實現(xiàn)自適應(yīng)抗干擾傳輸，在圖1 所示的框架基礎(chǔ)上，本文提出了如圖3 所示的有效帶寬自適應(yīng)DSSS 系統(tǒng)框架。在圖3 所示的波形框架中，分別利用控制段和數(shù)據(jù)段傳輸控制信息和數(shù)據(jù)信息，且控制信息主要包括數(shù)據(jù)段解調(diào)所需的調(diào)制方式、編碼效率、擴(kuò)頻倍數(shù)、負(fù)載長度等。

圖3 有效帶寬自適應(yīng)DSSS 系統(tǒng)框架

在此基礎(chǔ)上，針對自適應(yīng)抗干擾需求，設(shè)計如圖4 所示的幀結(jié)構(gòu)。在該幀結(jié)構(gòu)中，時頻同步、控制段按照最小有效帶寬（具有最強(qiáng)的抗干擾能力和接收機(jī)靈敏度等指標(biāo)）對應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，保證在極限情況下能夠準(zhǔn)確獲得數(shù)據(jù)段的傳輸參數(shù)；同時，利用控制段獲得的參數(shù)解調(diào)數(shù)據(jù)段，不同參數(shù)表示數(shù)據(jù)段采用不同傳輸模式，對應(yīng)不同的抗干擾能力和傳輸速率，但是不同模式下FFT/IFFT 點數(shù)固定，因此其控制邏輯十分簡單，便于工程實現(xiàn)。

圖4 有效帶寬自適應(yīng)DSSS 波形幀結(jié)構(gòu)

最后，針對接收端僅依靠估計的信干噪比（SINR,signal to interference plus noise ratio）反映鏈路質(zhì)量存在隨機(jī)波動，導(dǎo)致參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整存在振蕩現(xiàn)象和系統(tǒng)工作不穩(wěn)定的問題，構(gòu)建綜合SINR、控制段循環(huán)冗余校驗（CRC,cyclic redundancy check）、數(shù)據(jù)段CRC 連續(xù)錯誤次數(shù)CRC_Data_Errortimes等信息的指標(biāo)，實時、穩(wěn)定地反饋當(dāng)前地理環(huán)境、干擾環(huán)境下的鏈路質(zhì)量，發(fā)射端在線優(yōu)化數(shù)據(jù)鏈路的系統(tǒng)參數(shù)，實現(xiàn)不同傳輸模式的自適應(yīng)傳輸，其實現(xiàn)流程如圖5 所示。圖5 中，THH和THL表示SINR 門限，α表示CRC_Data_Errortimes門限。

圖5 有效帶寬自適應(yīng)實現(xiàn)流程

2 基于SCFDE 的寬帶DSSS 系統(tǒng)自適應(yīng)抗干擾策略

2.1 頻域陷波抗干擾

直接擴(kuò)頻信號在頻域中會呈現(xiàn)出與白噪聲相似的平坦特性，而窄帶干擾信號在頻域上會出現(xiàn)明顯的頻譜峰值，如圖6 所示。

圖6 擴(kuò)譜系統(tǒng)窄帶干擾

頻域陷波法是目前應(yīng)用很廣泛的干擾抑制方法，適用于干擾帶寬較窄且干擾頻帶較固定的情形。頻域陷波的基本原理是根據(jù)窄帶干擾、噪聲和擴(kuò)頻信號不同的頻域特性來檢測識別干擾，找出干擾頻點并對其進(jìn)行陷波處理。進(jìn)行陷波處理可以降低干擾對接收信號的影響，改善信干比。但頻域陷波也會導(dǎo)致信號總功率下降和信號失真，給接收端帶來一定的性能損失。而且頻譜切除得越多，信號失真就越明顯，帶來的性能損失也越大。因此，在進(jìn)行陷波處理時，不但要考慮切除窄帶干擾導(dǎo)致的信干比改善，還要考慮信號能量損失和信號失真導(dǎo)致的信噪比惡化。

根據(jù)圖3(b)可以看出，接收端本身就需要對接收信號進(jìn)行FFT 和IFFT 以實現(xiàn)頻域均衡，因此，其與頻域陷波有著天然的契合。綜合上述分析，本文提出一種基于SCFDE 的寬帶DSSS 系統(tǒng)頻域陷波抗干擾的實現(xiàn)框架，如圖7 所示。接收端在對接收信號進(jìn)行傅里葉變換之后，首先按照一定的準(zhǔn)則設(shè)置干擾檢測門限，確定干擾在接收信號頻譜中的位置，然后對這些干擾頻點進(jìn)行陷波，最后對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻域均衡與逆傅里葉變換得到干擾抑制后的數(shù)據(jù)，并利用干擾抑制后的數(shù)據(jù)進(jìn)行解擴(kuò)恢復(fù)發(fā)送信息。

2.2 自適應(yīng)門限算法

根據(jù)圖7 所示的頻域陷波抗干擾的實現(xiàn)框架，利用導(dǎo)頻符號進(jìn)行干擾檢測。不失一般性地，本文所提基于SCFDE 的DSSS 系統(tǒng)采用恒包絡(luò)零自相關(guān)（CAZAC,constant amplitude zero auto correlation）序列作為導(dǎo)頻序列用于信道估計，這是因為它能夠顯著減少信道估計所需的計算復(fù)雜性。CAZAC 序列可以表示為

其中，n∈ [0,M-1]，M=NL，ν是與M互質(zhì)的正整數(shù)?？梢宰C明，CAZAC 序列通過傅里葉變換后仍然為CAZAC 序列，且CAZAC 序列具有恒模特性[10]。

為了使干擾檢測算法能夠適應(yīng)不同前端增益、信噪比等因素導(dǎo)致的信號尺度變化，需要干擾檢測的門限值能夠自適應(yīng)調(diào)整以適應(yīng)不同環(huán)境。文獻(xiàn)[11]通過分析接收信號譜線幅度平方的統(tǒng)計特性進(jìn)行干擾檢測，獲得的干擾檢測門限為統(tǒng)計量，因而具有自適應(yīng)特征。結(jié)合圖7 所示的頻域陷波抗干擾的實現(xiàn)框架，本文提出通過分析導(dǎo)頻符號的譜線幅度平方的統(tǒng)計特性進(jìn)行干擾檢測。根據(jù)上述分析，CAZAC 序列導(dǎo)頻符號具有恒模特性，在無窄帶干擾條件下，其頻域觀測數(shù)據(jù)是一個高斯隨機(jī)序列?？梢宰C明，高斯隨機(jī)序列的幅度服從瑞利分布，相位在(0,2π)服從均勻分布，幅度平方服從指數(shù)分布。指數(shù)分布的統(tǒng)計特征為

圖7 基于SCFDE 的寬帶DSSS 系統(tǒng)頻域陷波抗干擾的實現(xiàn)框架

表2 譜線的幅度平方分布

當(dāng)Z>0 時，有窄帶干擾；當(dāng)Z=0 時，無窄帶干擾。

基于指數(shù)分布特征的自適應(yīng)門限干擾檢測算法的實現(xiàn)過程如算法1 所示。

算法1基于指數(shù)分布特征的自適應(yīng)門限干擾檢測算法

初始化根據(jù)定時同步確定導(dǎo)頻符號集合Ω、數(shù)據(jù)符號集合、總符號數(shù)目K，設(shè)置干擾檢測的置信度為99.3%（顯著性水平a= 0.007）

3 仿真分析

3.1 基于SCFDE 的寬帶DSSS 系統(tǒng)性能仿真

為了充分驗證所提方案的有效性，基于MATLAB仿真平臺對所提基于SCFDE 的寬帶DSSS 系統(tǒng)在各種信道環(huán)境下進(jìn)行仿真分析。首先，仿真分析所提基于SCFDE 的寬帶DSSS 系統(tǒng)在高斯白噪聲信道環(huán)境下的誤碼性能，具體的仿真參數(shù)如表3 所示。

表3 系統(tǒng)仿真參數(shù)

圖8 給出了系統(tǒng)誤碼性能隨接收信號信噪比變化的曲線。從圖8 可以看出，隨著擴(kuò)頻倍數(shù)的增加，系統(tǒng)誤碼性能有明顯改善，且擴(kuò)頻倍數(shù)每增加一倍，接收性能約改善2 dB，與理論的3 dB 相差約1 dB，這是因為所提系統(tǒng)中需要進(jìn)行信道均衡，信道均衡會放大噪聲的影響，使性能惡化。此外，本文在仿真中采用最簡單的最小二乘（LS,least square）信道均衡，在實際系統(tǒng)中則可以采用MMSE信道均衡，它能抑制噪聲的放大，在一定程度上改善誤碼性能。

圖8 系統(tǒng)誤碼性能隨接收信號信噪比的變化

其次，仿真分析所提基于 SCFDE 的寬帶DSSS 系統(tǒng)在多徑信道環(huán)境下的誤碼性能，系統(tǒng)仿真參數(shù)不變，IEEE 802.11g 信道模型參數(shù)如表4所示。

表4 IEEE 802.11g 信道模型參數(shù)

圖9 給出了典型DSSS 系統(tǒng)、采用Rake 接收技術(shù)的DSSS 系統(tǒng)（多徑時延參數(shù)準(zhǔn)確）和本文所提基于SCFDE 的寬帶DSSS 系統(tǒng)的誤碼性能隨接收信號信噪比變化的曲線。系統(tǒng)仿真過程中，擴(kuò)頻倍數(shù)為64，仿真次數(shù)為1 000。從圖9 可以看出，典型DSSS 系統(tǒng)由于沒有信道均衡處理過程，在多徑信道環(huán)境下性能急劇惡化，不能適用多徑信道環(huán)境；本文所提基于SCFDE 的寬帶DSSS 系統(tǒng)與采用Rake 接收技術(shù)的DSSS 系統(tǒng)性能基本相當(dāng)，雖然在高信噪比條件下性能略差于Rake 接收機(jī)，但是Rake 接收機(jī)在帶寬較寬、多徑復(fù)雜的情形下難以實現(xiàn)準(zhǔn)確的多徑、時延等參數(shù)估計。綜上所述，本文所提基于SCFDE 的寬帶DSSS 系統(tǒng)誤碼性能受多徑信道環(huán)境影響小，且在多徑信道環(huán)境下呈現(xiàn)了較低的誤碼傳輸性能，具有很好的工程實用價值。

圖9 3 種系統(tǒng)的誤碼性能隨接收信號信噪比的變化

圖10 給出了本文所提基于SCFDE 的寬帶DSSS系統(tǒng)在不同擴(kuò)頻倍數(shù)下誤碼性能隨接收信號信噪比變化的曲線。從圖10 可以看出，隨著擴(kuò)頻倍數(shù)的增加，系統(tǒng)的誤碼性能穩(wěn)步改善，且擴(kuò)頻倍數(shù)每增加一倍，接收性能約改善1.6 dB。特別地，對比分析圖8和圖10 可以發(fā)現(xiàn)，多徑與高斯白噪聲信道環(huán)境下性能差異較小，這在研制的實際系統(tǒng)中也得到驗證，多徑信道環(huán)境下由于擴(kuò)頻帶來的頻率分集效果，相較于有效信道帶寬一樣的不擴(kuò)頻系統(tǒng)，接收機(jī)靈敏度會有一定程度的改善，這對于增強(qiáng)所提基于SCFDE 的寬帶DSSS 系統(tǒng)在城市、郊區(qū)、空地等典型多徑信道環(huán)境下的通信效果具有重大意義。

圖10 本文所提基于SCFDE 的寬帶DSSS 系統(tǒng)在不同擴(kuò)頻倍數(shù)下誤碼性能隨接收信號信噪比的變化

3.2 頻域陷波抗干擾性能分析

為充分說明頻域陷波對干擾抑制的效能，本節(jié)仿真分析了不同干擾類型下采樣頻域陷波時的誤比特率，系統(tǒng)的具體仿真參數(shù)與表3 一致。

首先，仿真分析了頻域陷波用于抑制零中頻接收機(jī)所面臨的本振干擾的效果。由于零中頻接收機(jī)在小型化、低功耗方面具有優(yōu)勢，近年來已發(fā)展成主流，但是其本振干擾抑制是保障系統(tǒng)性能必須要解決的問題。在本文所提基于SCFDE 的寬帶DSSS系統(tǒng)中，由于信道帶寬一般較大，難以利用數(shù)字中頻的方法實現(xiàn)，采用頻域陷波是一種極佳的選擇。仿真過程中，假設(shè)信號與本振干擾的信干比為10 dB。圖11 給出了系統(tǒng)采用16 倍擴(kuò)頻條件下系統(tǒng)誤碼性能隨接收信號信噪比變化的曲線。從圖11可以看出，采用頻域陷波抑制本振干擾的系統(tǒng)與沒有本振干擾不需要本振抑制的系統(tǒng)性能基本一致，所以采用頻域陷波能夠很好地解決本振干擾抑制的問題。

圖11 采用16 倍擴(kuò)頻條件下系統(tǒng)誤碼性能隨接收信號信噪比的變化

在此基礎(chǔ)上，本節(jié)進(jìn)一步仿真分析了干擾分布于帶內(nèi)其他位置的頻點，以及干擾占用不同帶寬下的誤碼性能。系統(tǒng)仿真過程中，假設(shè)信號與窄帶干擾的干信比為0，每次仿真干擾信號的頻帶隨機(jī)分布在信號帶寬內(nèi)，仿真次數(shù)為1 000。圖12給出了干擾信號帶寬占用不同擴(kuò)頻信號帶寬條件下，采用頻域干擾抑制時系統(tǒng)誤碼性能隨接收信號信噪比變化的曲線。從圖12 可以看出，窄帶干擾的頻帶分布對基于頻域陷波的干擾抑制方法基本沒有影響；隨著干擾信號頻帶占用擴(kuò)頻信號頻帶帶寬比例的增加，系統(tǒng)的誤碼性能會逐漸惡化，但在干擾信號帶寬占比小于擴(kuò)頻信號帶寬15%的條件下，其影響有限。因此，頻域陷波具有很好的干擾抑制能力。

圖12 干擾信號帶寬占用不同擴(kuò)頻信號帶寬條件下，采用頻域干擾抑制時系統(tǒng)誤碼性能隨接收信號信噪比的變化

4 結(jié)束語

本文提出了一種SCFDE 與DSSS 技術(shù)有機(jī)結(jié)合的自適應(yīng)抗干擾擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過頻域均衡克服多徑帶來的頻率選擇性衰落，同時支持自適應(yīng)調(diào)整擴(kuò)頻因子，實現(xiàn)系統(tǒng)傳輸速率與抗干擾能力的重構(gòu)。此外，結(jié)合SCFDE 頻域均衡的特點，充分利用其接收端固有的FFT 過程高效實現(xiàn)檢測、分析系統(tǒng)所面臨的干擾強(qiáng)度、干擾類型等信息，優(yōu)化選取頻域承載點，提升系統(tǒng)對干擾，特別是阻塞式干擾的適應(yīng)性。下一步工作是利用機(jī)器學(xué)習(xí)等手段實現(xiàn)頻域承載點的在線優(yōu)化，構(gòu)建完整的自適應(yīng)抗干擾系統(tǒng)。