扩频通信抗干扰技术研究综述

张永顺,贾 鑫,朱卫纲

(装备学院 a.研究生管理大队; b.光电装备系，北京 101416)

【信息科学与控制工程】

扩频通信抗干扰技术研究综述

张永顺a,贾 鑫b,朱卫纲b

(装备学院 a.研究生管理大队; b.光电装备系，北京 101416)

对扩频通信抗干扰技术进行了概述，详细总结了直接序列扩频通信常用的预测技术、变换域干扰抑制技术、码辅助技术三种抗干扰技术和跳频通信常用的自适应跳频技术、分集合并技术两种抗干扰技术的研究进展；通过分析现有扩频通信抗干扰技术的优缺点，预测了扩频通信抗干扰技术进一步研究方向，为扩频通信抗干扰技术研究提供了参考。

扩频通信抗干扰；预测技术；变换域干扰抑制技术；码辅助技术；自适应跳频技术；分集合并技术

扩频通信在军用领域和民用领域都发挥着无可替代的作用。但随着技术的发展，扩频通信面临如何在强干扰环境下保证通信可靠性的问题。虽然扩频通信系统本身具有较强的抗干扰能力，但受接收机带宽的限制，系统处理增益不可能无限提高，而恶意干扰功率往往较大，仅依靠系统处理增益，无法满足接收端对信噪比的要求。为进一步提升扩频通信系统抗干扰能力，研究扩频通信抗干扰技术显得尤为必要。Milstein和Poor对20世纪直接序列扩频通信干扰抑制技术进行了较详细的概括[1，2]。对新出现的直接序列扩频通信干扰抑制技术及跳频通信系统抗干扰技术还没有研究者进行较全面的概括，因此，本文在总结前人研究的基础上，对直扩通信和跳频通信中常用抗干扰技术进行进一步总结。

1 扩频通信抗干扰技术

根据提升系统抗干扰能力方式不同，可以将系统抗干扰方法归结为3类：第1类是使用性能更优的扩频序列。扩频系统性能主要由系统的扩频序列决定，通过设计具有良好特性的扩频序列可以在不改变系统基本框架的前提下获得系统抗干扰能力的提升；第2类是组合使用现有扩频技术。充分利用不同扩频技术的优势，将不同扩频技术组合使用，可以在一定程度上提高系统的抗干扰能力。以上两类方法都是通过改善系统自身性能提高系统抗干扰能力。第3类是借助相关抗干扰技术。通过改善系统自身性能可以实现系统抗干扰能力的进一步提高，但系统处理增益有限，在对抗强干扰时需要借助额外的抗干扰技术，本文主要围绕该类抗干扰技术展开综述。

1.1 直接序列扩频通信抗干扰技术

直接序列扩频抗干扰技术主要包括预测技术、变换域干扰抑制技术和码辅助技术。

1.1.1 预测技术

预测技术主要利用干扰信号间的强相关性，通过预测形成干扰“副本”，在接收端抵消干扰，即预测-相消的方法实现抗干扰。根据滤波器对信号特征量估计方法不同，可以将预测技术分为线性预测滤波技术和非线性预测滤波技术。根据使用滤波器结构不同，又可以将线性预测滤波分为线性预测滤波(LPF)和线性插值滤波(LIF)。针对线性预测滤波技术，Milstein等人分析了单音干扰、多音干扰条件下LPF的性能，给出了信噪比改善的表达式[3，4]。Masry分析了一阶AR干扰模型条件下LPF和LIF的性能，给出了信噪比改善的表达式[5]。

由于直扩信号是二值分布的非高斯信号，因此，基于线性预测的干扰预测滤波不是最佳滤波。Vijiayan和Poor在1991年首先提出非线性预测滤波技术[6]。非线性预测滤波首先使用软判决反馈技术从接收信号中分离出扩频信号，使输入预测器信号为高斯白噪声，预测效果相比于线性预测获得了较大提高。Soreason等证明了在假设信号状态矢量密度为一系列高斯随机变量之和的条件下最优滤波是一系列Kalman滤波输出的概率加权和[7]，但随着高斯加权个数的增加，该方法的复杂性也大大增加，在实际中无法应用，Maserliez提出了一种近似算法——近似条件均值(ACM)滤波[8]，降低了算法实现难度，在非线性条件下取得了与线性预测滤波相比拟的效果，得到了实际应用。此外，非线性插值滤波技术也得到发展[9]，Rusch和Poor对非线性预测滤波抽头算法进行改进，并把该技术推广到非线性插值滤波算法中，进一步提高了滤波效果[10]。目前，预测技术大都是基于自适应滤波的自适应预测技术。

1.1.2 变换域干扰抑制技术

变换域干扰抑制技术利用干扰与信号不同的变换域特性，在变换域上选择合适的阈值，通过抑制干扰分量，实现抗干扰。变换域干扰抑制原理如图1所示。

图1 变换域干扰抑制原理框图

变换域干扰抑制技术最早是由Milstein等人提出的[11]，他们利用FFT和声表面波器件实现了扩频接收机中干扰抑制，该思想发展成为基于离散傅里叶变换(DFT)的变换域干扰抑制技术。由于不加窗傅里叶变换存在频谱泄露的问题，因此，必须在进行傅里叶变换之前对信号进行加窗处理，加窗处理虽然有效降低了频谱泄露，但也会造成信号信噪比的损失，文献[12]分析了不同窗函数的加窗损耗，文献[13]证明重叠相加可以补偿部分信噪比的损失，文献[14]提出了一种重叠频域变换抑制窄带干扰方法，有效降低了信号频谱失真和信噪比损失。

1992年，Jones等提出基于多分辨率滤波器组的变换域干扰抑制技术基本理论框架，可以保证无干扰情况下信号无失真，并且降低了计算量[15]。Medley等人提出将重叠变换应用于扩频通信干扰抑制的方法，证明了重叠变换比传统的块变换干扰抑制效果更好[16]。文献[17]提出利用多分辨重叠变换(HLT)进行干扰抑制的方法，提高了对随机脉冲干扰抑制效果。重叠变换实质上是余弦调制滤波器组，文献[18]提出了使用近似理想重构余弦调制滤波器组的变换方法，有效克服滤波器组中存在的旁瓣泄露现象，进一步提高了变换域干扰抑制效果。

随着小波变换技术的发展，有学者提出了使用小波变换以及滤波器组实现变换域干扰抑制的方法[19]，一种抑制噪声的方法是利用正交镜像滤波器组(Quandrature Mirror Filter，QMF)所构成的二进子带分解树形结构实现离散小波变换或离散小波包变换。G.Savlnier等提出将自适应算法应用于小波域干扰抑制，增强了算法的自适应性[20]，但也存在小波域自适应算法分解错误停止的问题，文献[21]提出了一种利用多层分解对干扰进行定位的方法，对该算法进行了改进。

针对时变干扰抑制，Landry等人提出利用小波包分解方法精确定位时变干扰，并利用小波包变换可以保持噪声能量这一特性进行干扰抑制的方法[22]，文献[23]提出一种新的随机抽取小波包变换的窄带干扰抑制技术，对变化较快的干扰抑制效果较好。文献[24]详细总结了经典时频分析方法应用于扫频干扰抑制优缺点。随着分数阶Fourier变换技术的发展，分数阶Fourier变换被逐步应用于直扩通信扫频干扰抑制[25，26]，针对分数阶Fourier变换在干扰抑制过程中存在计算量较大的不足，一些学者从不同方面提出了改进措施[27-30]。

1.1.3 码辅助技术

码辅助技术将窄带干扰和直扩信号看作一个虚拟CDMA系统，在虚拟CDMA系统中利用多用户检测(Multi User Detection，MUD)思想实现窄带干扰的抑制。上世纪90年代初，Rusch和Poor等人首先提出将多用户检测(Multiple User Detection，MUD)思想用于直接序列扩频系统数字NBI抑制[31]。1997年，Poor和Xiao dong Wang等人在文献[32]中首先将多用户检测NBI抑制技术命名为码辅助技术。码辅助技术不仅可以用于抑制数字NBI，还可以抑制音频干扰和熵窄带随机过程。李琳等以最小误码率(MBER)作为优化准则得到了最小误码率准则下的最优接收机，证明了码辅助技术是最优化干扰抑制器的一个特例[33]。殷复莲等人对码辅助技术、自适应码辅助技术、盲自适应码辅助技术进行详细的研究并提出了一系列改进算法[34-37]，进一步提高了码辅助技术干扰抑制性能。码辅助技术是时域干扰抑制技术的一个分支，在扩频序列较长的情况下算法复杂度较大，目前，很少有学者专门研究直扩系统的码辅助技术，而是针对CDMA系统中的MAI和NBI联合抑制码辅助技术进行研究[38]。

1.2 跳频通信抗干扰技术研究

跳频通信技术应用较为广泛，为提高跳频通信系统的性能，对跳频通信抗干扰技术的研究也较为深入，通过总结文献可以将现有跳频通信抗干扰技术归结为两类：第1类是通过增加敌方侦查难度、剔除受干扰频点等方法，实现积极主动地“躲避式”抗干扰技术，该类抗干扰技术主要有增加跳频带宽、提高跳频速率、空闲信道搜索技术、实时功率/频率自适应控制、自适应生成频率表、变间隔跳频等[39-40]，其中，自适应跳频技术是现阶段研究重点。第2类是通过在接收端使用抗干扰技术，实现“被动式”抗干扰，在此主要综述快跳频系统中使用的分集合并技术。

1.2.1 自适应跳频技术

自适应跳频技术(AFH)具有实时功率/频率自适应控制功能，能够剔除跳频频率集中受干扰频点，并以最小的发射功率发射信号，发送信号更加隐蔽，系统抗干扰能力更强。自适应跳频理念首先是由赵荣黎提出的，他经过理论推导推断存在自适应跳频技术[41]。1995年J.Zander博士对自适应跳频系统进行了描述，建立了信道干扰模型，对系统性能进行了理论分析和仿真[42]。自适应跳频技术被提出后，很快就成为研究的热点，文献[43]对自适应跳频涉及关键技术进行了详细的分析研究；文献[44]分析了自适应跳频通信受到干扰时每个受干扰频率的平均处理时间、最多能处理的干扰频率数、抗阻塞干扰能力问题；文献[45]针对短波自适应跳频技术频点易暴露、信道搜索时间较长的不足，提出了利用有源和无源探测技术对通信信道进行探测，以自适应实时选频的方式改进系统性能的方法，提高短波自适应跳频系统的抗干扰性能；文献[46]提出了利用信噪比检测，生成概率分布函数作为反馈信息实现自适应跳频的方法，能够较为明显的改善短波跳频通信系统的通信质量。如今，自适应跳频电台已经投入使用，如法国RP4G战斗网跳频电台、法国SYSREM3000系列自适应跳频电台等。国内首创的“多合一”自适应技术已经成功应用在新一代短波跳频电台之中。随着认知无线电技术的发展，自适应跳频技术有向认知跳频技术发展的趋势[47]。

1.2.2 分集合并技术

分集的基本原理是通过多个通道(时间、频率或是空间)接收到承载相同信息的多个副本，由于多个信道的传输特性不同，信号的多个副本衰落特性不同，接收机通过使用多个包含信息的副本能比较正确的恢复出发送信息。快跳频分集合并接收机的通用模型如图2所示。

图2 快速跳频分集合并接收机模型

自1984年起，LEE、K.C.Teh等人对部分频带噪声干扰及多音干扰下下的线性合并、乘积合并、软判决合并算法、自归一化合并、削波合并、自动增益合并以及最大似然合并等合并算法性能进行了深入的研究[48-49]。国内方面，周志强[50]详细总结了现有合并分集算法工作原理，针对现有算法不足，提出了选择分集合并算法，并进行了理论推导和实验仿真。魏超[51]对多音干扰下FFH系统多种分集合并技术性能进行了详细的分析研究。陈智[52]将分集合并算法引入差分跳频系统，并对系统抗干扰性能进行了分析。文献[53]将Turbo纠错码和分集合并技术联合应用于DS/FH快跳频系统中，获得了理想的干扰抑制效果。总结现有分集合并技术可分为两类：不需要信道边信息；需要信道边信息。不需要信道边信息的分集合并算法较为简单，但算法性能相对较差，主要包括线性分集合并、乘积分集合并、自归一化合并等。需要信道边信息分集合并算法性能较好，但是算法复杂度也较高，主要包括削波合并、最大似然合并算法以及选择合并算法等。

2 进一步研究方向

扩频通信抗干扰技术对于提升扩频通信系统性能意义重大，现有扩频通信抗干扰技术还存在抗干扰技术通用性不强、抗干扰过程中对信号损伤较大等缺点。针对现有抗干扰技术存在的不足，结合新技术的发展，不断改进和提出新的扩频通信抗干扰技术具有一定的实际意义。目前，还存在以下几个方面值得深入研究：

1) 通过设计性能更优的扩频序列提高系统抗干扰能力。改善扩频序列性能虽然不能使扩频系统抗干扰性能获得较大提高，但这种方法不需要对扩频系统进行较大改动，也不需要投入新的硬件成本，实现相对简单，在实际使用中具有较大优势。目前研究较多的如混沌扩频技术[54]、差分跳频技术[55]等。

2) 选择更合适的变换域及设计更好的变换域干扰抑制方法。变换域干扰抑制技术具有算法实现简单，计算量相对较小的优点，是现阶段扩频通信抗干扰技术研究的重点，但也存在实时性不强，对信号损伤较大的缺点，在对抗宽带干扰的过程中尤为明显。变换域干扰抑制技术关键是寻找易于将干扰与信号区分的变换域，在该变换域上，干扰应尽可能具有类似冲击函数特性。在寻找合适变换域的基础上，如何在变换域进行干扰抑制、降低对信号损伤也是需要重点考虑的问题。

3) 将复杂的抗干扰问题转变为信号与干扰分离问题，降低工程实现难度。对于传统的抗干扰技术，主要是在接收端对干扰进行抑制，方法包括抵消和直接置零等，目前有学者将干扰抑制转化为信号与干扰分离问题开展研究，进一步提高了系统抗干扰效果，提出的方法包括使用盲源分离技术、压缩感知技术等[56]，该方面研究还处于起步阶段，具有较高的研究价值。

3 结论

扩频通信性能优异，在可以预见的将来扩频通信技术仍将是通信领域不可或缺的技术。本文对直接序列扩频通信和跳频通信常用抗干扰技术进行了较为详细的总结，指出了扩频通信抗干扰技术进一步研究方向，相信通过本文的研究分析能够对扩频通信抗干扰技术研究提供有意义的借鉴。

[1] Milstein.Interference suppression to aid acquisition in direct-sequence spread-spectrum communication[J].IEEE Transactions on Communication，1988，11(36):1200-1207.

[2] Poor H V.Active interference suppression in CDMA overlay systems[J].Selected Areas in Communications，IEEE Journal on，2001，19(1):4-20.

[3] Loh-Ming L，Milstein L B.Rejection of Narrow-Band Interference in PN Spread-Spectrum Systems Using Transversal Filters[J].Communications，IEEE Transactions on，1982，30(5):925-928.

[4] Wang Y C，Milstein L B.Rejection of multiple narrow-band interference in both BPSK and QPSK DS spread-spectrum systems[J].Communications，IEEE Transactions on，1988，36(2):195-204.

[5] Masry E.Closed-Form Analytical Results for the Rejection of Narrow-Band Interference in PN Spread-Spectrum Systems--Part II:Linear Interpolation Filters[J].Communications，IEEE Transactions on，1985，33(1):10-19.

[6] Rusch L A，Poor H V.Multiuser detection techniques for narrowband interference suppression in spread spectrum communications[J].Communications，IEEE Transactions on，1995，43(2/3/4):1725-1737.

[7] Sorenson H A D.Recursive bayesian estimation using gaussian sums[J].automatica，1971(7):465-479.

[8] C M.Approximate non-Gaussian filtering with linear state and observation relations[Z].1975.

[9] Kun-Jie W，Zu-Cheng Z，Yan Y.Performance analysis of nonlinear interpolation filters in DS spread spectrum systems under narrowband interference condition[J].Electronics Letters，1998，34(15):1464-1465.

[10]Vijayan R，Poor H V.Nonlinear techniques for interference suppression in spread-spectrum systems[J].Communications，IEEE Transactions on，1990，38(7):1060-1065.

[11]Milstein L B，Das P K.An Analysis of a Real-Time Transform Domain Filtering Digital Communication System--Part I:Narrow-Band Interference Rejection[J].Communications，IEEE Transactions on，1980，28(6):816-824.

[12]曾祥华，李峥嵘，王飞雪.扩频系统频域窄带干扰抑制算法加窗损耗研究[J].电子与信息学报，2004，26(8):1276-1281.

[13]Young J A，Lehnert J S.Analysis of DFT-based frequency excision algorithms for direct-sequence spread-spectrum communications[J].Communications，IEEE Transactions on，1998，46(8):1076-1087.

[14]邹宁，徐松涛，刘明园，等.一种重叠加窗频域抑制窄带干扰算法及研究[J].现代防御技术，2010(3):120-125.

[15]Jones W W，Jones K R.Narrowband interference suppression using filter-bank analysis/synthesis techniques[C].1992.

[16]Medley M J，Saulnier G，Das P K.Narrow-band interference excision in spread spectrum systems using lapped transforms[J].Communications，IEEE Transactions on，1997，45(11):1444-1455.

[17]李冲泥，胡光锐.多分辨重叠变换在扩频通信系统抗干扰中的应用[J].电子学报，2000，28(4):17-19.

[18]黎剑.扩频通信中窄带干扰的变换域抑制技术研究[D].成都：西南交通大学，2007.

[19]A L R M J.Wavelet transforms and filter banks in digital communication[M].SPIE proceedings-Wavelet Applications，1996.

[20]Saulnier G.Suppression of narrowband jammers in a spread-spectrum receiver using transform-domain adaptive filtering[J].Selected Areas in Communications，IEEE Journal on，1992，10(4):742-749.

[21]郭文飞，郑建生，张提升，等.直扩系统中窄带干扰抑制技术[J].解放军理工大学学报：自然科学版，2011，12(5):425-430.

[22]R L J.Interference mitigation in spread spectrum systems by wavelet coefficients thresholding[J].European Trans.on Commun，1998，2(9):191-202.

[23]尹艳群.扩频通信系统变换域窄带干扰抑制技术研究[D].长沙：湖南大学，2005.

[24]战艳艳.基于LPTFT对DSSS系统中的线性调频干扰抑制方法研究[D].长春：吉林大学，2011.

[25]齐林，陶然，周思永，等.DSSS系统中基于分数阶傅立叶变换的扫频干扰抑制算法[J].电子学报，2004(5):799-802.

[26]齐林，陶然，周思永，等.直接序列扩频系统中线性调频干扰的抑制[J].兵工学报，2004(4):431-435.

[27]黄克武，陶然，吴葵，等.分数阶傅里叶域与时域联合干扰抑制研究[J].中国科学:技术科学，2011(10):1393-1404.

[28]申丽然，郭黎利，尹清波.基于分数阶傅里叶变换的直扩通信快速线性调频干扰抑制[J].科学技术与工程，2014(1):59-65.

[29]冯冀宁，刁哲军，杨晓波，等.基于假设检验的FRFT域LFM干扰抑制[J].兵工学报，2012(1):7-12.

[30]任孝民，邵高平，钱学锋.直扩通信中时变幅度LFM干扰的抑制[J].信号处理，2009(10):1560-1564.

[31]Rusch L A，Poor H V.Narrowband interference suppression in CDMA spread spectrum communications[J].Communications，IEEE Transactions on，1994，42(234):1969-1979.

[32]Poor H V，Xiaodong W.Code-aided interference suppression for DS/CDMA communications.II.Parallel blind adaptive implementations[J].Communications，IEEE Transactions on，1997，45(9):1112-1122.

[33]李琳，周文辉，谭述森.扩频系统中最小误码率意义下的最优干扰抑制技术[J].电子学报，2005(1):32-37.

[34]殷复莲.DSSS/DS-CDMA系统码辅助NBI抑制技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2008.

[35]殷复莲，郭黎利，卢满宏.基于改进预测码辅助的CDMA系统盲NBI抑制技术研究[J].兵工学报，2009(10):1327-1333.

[36]殷复莲，郭黎利.基于盲子空间法的DS-CDMA系统码辅助NBI抑制技术研究[J].电子学报，2012，40(7):1449-1454.

[37]殷复莲.同步CDMA系统NBI识别及抑制技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.

[38]殷复莲，卢满宏，郭黎利.测控通信干扰抑制技术综述[J].宇航学报，2009(5):1757-1764.

[39]严季，梁涛，祈竹.变跳速、变间隔跳频通信技术研究[J].无线通信技术，2012(4):56-59.

[40]王芳.自适应跳频通信系统干扰技术研究[D].成都：电子科技大学，2012.

[41]赵荣黎.跳频通信抗干扰新技术[J].现代军事通信，1999，7(3):30-31.

[42]J Z，G M.Adaptive frequency hoping in HF communications[Z].IET，1995.

[43]卢斌.自适应跳频系统的关键技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2010.

[44]朱永松，张海勇.自适应跳频通信特性分析[J].航天电子对抗，2005，21(6):49-51.

[45]张豪，胡中豫，张宏珉，等.短波自适应跳频技术应用研究[J].南阳理工学院学报，2010(6):74-77.

[46]殷文龙，陈浩楠，沈良，等.基于概率映射的短波自适应跳频方法[J].通信技术，2012，45(3):1-3.

[47]刘先锋.基于认知无线电的跳频系统研究[D].西安：西安电子科技大学，2009.

[48]Lee J S，Miller M E，Kim Y K.Probability of Error Analyses of a BFSK Frequency-Hopping System with Diversity Under Partial-Band Jamming Interference--Part II:Performance of Square-Law Nonlinear Combining Soft Decision Receivers[J].Communications，IEEE Transactions on，1984，32(12):1243-1250.

[49]Teh K C，Kot A C，Li K H.Performance analysis of an FFH/BFSK product-combining receiver under multitone jamming[J].Vehicular Technology，IEEE Transactions on，1999，48(6):1946-1953.

[50]周志强.跳频通信系统抗干扰关键技术研究[D].成都：电子科技大学，2010.

[51]魏超.多音干扰下的FFH系统分集合并技术研究[D].成都：电子科技大学，2010.

[52]陈智.差分跳频通信系统的性能分析[D].成都：电子科技大学，2006.

[53]杨学亮，支琤，林成浴.DS/FH快跳频系统设计和窄带干扰抑制[J].信息技术，2012(6):71-74.

[54]冯志鹏.新型混沌扩频序列性能分析与仿真[D].秦皇岛：燕山大学，2012.

[55]滕振宇，冯永新.差分跳频通信抗干扰效能分析[J].火力与指挥控制，2012，37(1):11-15.

[56]王曰海.扩谱通信抗干扰的现代信号处理应用研究[D].杭州：浙江大学，2014.

(责任编辑 杨继森)

Study of Anti-Jamming Technologies for Spread Spectrum Communications

ZHANG Yong-shuna, JIA Xinb, ZHU Wei-gangb

(a.Department of Graduate Management; b.Department of Optical and Electronic Equipment, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

The spread spectrum communications anti-jamming technologies were summarized. Three kinds of anti-jamming technologies used in direct spread spectrum communications and two kinds of anti-jamming technologies used in frequency hopping communications were reviewed, including prediction technology, transform domain interference suppression technology, code-aided technology, adaptive frequency hopping technology and diversity combination technology. By analyzing the advantages and disadvantages of the existing anti-jamming technologies for spread spectrum communications, we predicted the research directions of spread spectrum communications anti-jamming technologies and provided reference for spread spectrum communication anti-jamming technologies study.

spread spectrum communications anti-jamming; forecast technology; transform domain anti-jamming technology; code-aided technology; adaptive frequency hopping technology; diversity combination technology

2015-03-17

张永顺(1991—)，男，硕士，主要从事现代信号处理理论及应用研究。

10.11809/scbgxb2015.08.034

张永顺,贾鑫,朱卫纲.扩频通信抗干扰技术研究综述[J].四川兵工学报，2015(8):136-140.

format:ZHANG Yong-shun, JIA Xin, ZHU Wei-gang.Study of Anti-Jamming Technologies for Spread Spectrum Communications[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(8):136-140.

TN97

A

1006-0707(2015)08-0136-05