扩频通信系统的抗干扰特性分析

2011-12-26赵红梅王胜平

河北科技大学学报 2011年2期

关键词：扩频通信抗干扰性窄带

赵红梅，王胜平

（1.中国电波传播研究所，山东青岛 266107；2.总参通信部军代局驻济南地区军代室，山东济南 250013）

扩频通信系统的抗干扰特性分析

赵红梅1，王胜平2

（1.中国电波传播研究所，山东青岛 266107；2.总参通信部军代局驻济南地区军代室，山东济南 250013）

从直扩和跳频通信系统工作原理出发，定量分析了直扩和跳频通信系统的接收机灵敏度、系统电平余量和干扰电平余量。分析发现：在保持接收灵敏度和系统电平余量保持不变的情况下，直扩和跳频通信系统通过分别采用“隐蔽”和“躲避”均降低了干扰电平余量，与抗干扰的系统设计目的相符。

直扩；跳频；灵敏度；系统电平余量；干扰电平余量

目前，通信用频设备激增，造成电磁环境恶化，电磁干扰严重，各种通信设备难以发挥其正常效能，由此，通信设备抗干扰技术应运产生。扩频通信技术由于具有抗干扰性强、隐蔽性好、截获率低等显著优点，在军用系统和民用系统得到广泛应用［1－3］，其中直扩和跳频是最基本的工作方式。对于扩频系统的抗干扰性，很多文献从处理增益［4－5］、误码率［6－10］等方面给出了详细阐述，但公式推导复杂，难于理解，难以在工程中应用。与普通的通信系统相比，扩频通信系统的抗干扰性究竟如何定量，本文以接收机灵敏度为基础，从系统电平余量和干扰电平余量两方面出发，对这一问题给出了表示详尽的、系统的分析。

1 系统主要性能指标

1.1 接收机灵敏度

接收机灵敏度是指在满足接收机解调器输入信噪比门限的条件下，接收机天线上所需的最小输入信号功率（见图1）。图1中P R是接收机灵敏度，N i是接收机热噪声，S0／N0是解调器输入信噪比门限（主要由误码率及解调方式决定）。在此，以混频的噪声系数N F为出发点，在保证解调器输入信噪比门限S0／N0不变的前提下，进行相关分析。由图1可知，噪声系数

式中，K为玻尔兹曼常数；T为室温（K）；B为射频信号带宽（Hz）。综合式（1）和式（2），可得接收机灵敏度

1.2 系统电平余量

系统的电平余量（Fd）是指信号经空间信道传输到达接收机后，接收机输入功率（PS）与接收机灵敏度（PR）的比值［11］。

图1 大扩频接收机示意图

到达接收机后进行解调前的系统电平干扰余量为

式中，P T为发射机发射功率（W）；GA为收发单端的天线增益；L f为单端的馈线损耗；LC为单端附加损耗；LS为自由空间损耗。

1.3 干扰电平余量

干扰电平余量（Id）是指干扰信号经空间信道传输到达接收机后，接收机的有效输入功率P I与接收机灵敏度P R的比值。

式中，P F为干扰机发射功率（W）。

2 直扩系统性能分析

2.1 工作原理

直扩通信系统的工作原理框图如图2所示。由图2可知，假定发送的是一个窄带信息，用一个高码率的随机码序列与窄带信号的信息码相乘，即将信息码扩展到很宽的频带上，对这一扩展了频谱的信号再进行射频调制，最后由天线辐射出去。

图2 直扩通信系统的工作原理框图

信号在射频信道传输过程中必然受到各种外来信号的干扰。因此，在接收端，进入接收机的除有用信号外还存在干扰信号。宽带有用信号与干扰信号同时经变频至中心频率为中频输出。对中频宽带信号须进行解扩处理才能进行解调。解扩过程是把扩频信号恢复成相移键控前的原始信号。从频谱上看则表现为宽带信号被解扩压缩还原成窄带信号。这一窄带信号经中频窄带滤波器后至解调器再恢复成原始信息。

对于进入接收机的窄带干扰信号，在收端调制器中同样也受到伪随机码的双相相移键控调制，它反而使窄带干扰变成宽度干扰信号。由于干扰信号频谱的扩展，经过中频窄带通滤波作用，只允许通带内的干扰通过，使干扰功率大为减少。

由此可见，接收机输入端的有用信号和干扰信号经过解扩处理，使被扩展了的信号功率集中起来通过滤波器，同时使干扰功率扩散后被滤波器大量滤除，结果便大大提高了输出端的信号噪声功率比。

2.2 性能指标分析

2.2.1 灵敏度

由于解扩对噪声有抑制作用，相对于非扩频系统，在相同的接收机解调器信噪比门限要求下，接收机输入信噪比降低了一个扩频增益（如图3所示），即

图3 直扩接收机示意图

由式（8）可见，接收机灵敏度不变。

2.2.2 系统电平余量

由图2可知，由于采用了直扩技术，在信息带宽范围内其发射功率降低了Gp倍，在接收机端经过扩频相关检测，功率电平又提高了Gp倍，因此系统电平余量不变，即

2.2.3 干扰电平余量

由图2可知，在扩频接收机相关解扩的作用下，窄带干扰变成宽带干扰信号，由于干扰信号频谱的扩展，经过中频窄带通滤波作用，只允许通带内的干扰通过，使干扰功率大为减少。因此，干扰电平余量降低了Gp，即

3 跳频系统性能分析

3.1 工作原理

跳频系统的发射接收工作原理框图如图4所示。在发射端先用原始数据调制副载波，生成初始调制信号；同时，频率合成器在伪随机码的控制下产生一个频率不断跳变的载波，这个载波与已调信号进行混频，得到载频不断跳变的调制射频信号；接收端，在同步指令的控制下，用与发射端完全相同的伪随机码控制频率合成器产生一个跳变规律与发射端频率合成器一样的载波，这个载波与接收到的射频信号进行混频，就得到了一个频率固定的中频已调信号，再经过解调，就得到了原始数据。

图4 跳频系统的发射接收工作原理框图

3.2 性能指标分析

3.2.1 灵敏度

跳频系统是一个瞬时窄带系统，但长时间来看，它又是一个宽带系统。与直扩系统相比，跳频系统中的伪随机码并非直接传输，而是用来选择信道。跳频的扩频增益为跳频系统的频道数N。可以看出，跳频系统和非扩频系统相比，在接收机灵敏度上没有提高（见表1），这也与跳频系统是一个瞬时窄带系统这一事实相对应。跳频系统接收机灵敏度可表示为

3.2.2 系统电平余量

跳频系统的载波是不断跳变的，有用信号在发射和接收的频率同步跳变过程中保持正常通信。因此，跟普通通信系统相比，系统电平余量不变（见表1），即

3.2.3 干扰电平余量

外来的窄带定频干扰信号到达跳频接收机前端时，只有在与快速跳变的跳频点“碰撞”的那段驻留时间内，才能通过混频器变换到接收机中频，从而对系统产生干扰，而在其他时间内本振频率在不停的跳变，窄带定频干扰信号不能与其他频率产生“碰撞”，也就不会对系统产生干扰。而被碰撞的跳频点在整个跳频频率集中以非常小的概率存在，所以与普通接收机相比，跳频接收机所受到的干扰将大大减少（见表1）。因此，干扰电平余量可按概率进行归一化处理。

假定跳频频率集中总共含有N个跳频点，假设有M个跳频点受到干扰，其中第k个频点上的受扰功率为P Ik，受扰概率为p k。那么接收机收到的总的干扰功率可以归一化为