短波宽带波形干扰抑制技术*

2015-06-23宋滔，胡飞

通信技术 2015年3期

关键词：窄带短波门限

宋滔，胡飞

(西南通信研究所,四川成都 610041)

短波宽带波形干扰抑制技术*

宋滔，胡飞

(西南通信研究所,四川成都 610041)

短波宽带波形是现代短波通信的最新研究成果，采用带宽扩展方式实现短波高速通信。短波信道存在的各种各样强干扰信号使得干扰抑制成为现代短波宽带通信急待解决关键问题之一。针对这种现象，提出了一种基于变换域选择的双门限干扰抑制方法，该算法可以有效地选择最佳变换域去抑制干扰。仿真结果表明这种干扰抑制方法能够抑制不同类型干扰信号，在干扰环境下短波宽带波形具有较好传输性能。

短波宽带波形干扰抑制变换域选择

0 引言

短波通信是实现远距离、超视距军事通信和远洋运输通信的重要手段之一。短波通信的典型代表是美国短波通信军事标准MIL-STD-188-110B[1]，美军标110B采用相位调制(PSK)和最高64阶的幅度相位调制(64QAM)等线性调制技术，以及卷积编码技术在3 kHz信号带宽内实现了传输速率9 600 bit/s(编码)和12 800 bit/s(无编码)的短波通信，但110B波形对信道质量要求很高[1]，在实际应用中难以达到2 400 bit/s稳定传输，其典型传输速率一般为600 bit/s。传统短波通信已不能满足现代社会信息化的发展需求。21世纪以来，短波通信现代化发展进入一个新时期，其典型表现是现代短波通信信道带宽从3 kHz扩展到24 kHz，最高传输速率从传统的9 600 bit/s提高到了120 000 bit/s。现代短波通信的发展标志是美国在2011年提出了最大信号带宽为24 kHz的短波宽带波形标准规范110C[2]。我国对现代短波宽带波形技术做了相关研究[3]。

短波频段拥挤，短波信道存在各种各样的强干扰信号，这些强干扰噪声可被建模为脉冲干扰、单音干扰、多音干扰、疏状干扰和窄带干扰等各种模式[4-5]。短波信道中的各种强干扰信号将严重影响通信效果。目前，国内外已经有众多的干扰信号检测和抑制的研究成果：对扩频通信系统中窄带干扰信号，现有的抑制方法有时域估计与抵消[6]、变换域抑制[7]、和码辅助抑制[8]等。文献[9]提出了基于变换选择干扰抑制算法，该算法采用一种百分比度量选择算法选择在时域或者频域进行抑制干扰，这种度量选择算法有一个缺点就是复杂度相对较高，因为它首先要对各个样点的能量进行排序。文献[10]采用压缩增益度量选择算法，研究了时域、FFT域和分数阶傅里叶变换域的域选择方法，通过设计合适度量选择算法能正确选择最佳干扰抑制域。文献[11]则在变换选择干扰抑制算法基础上，分析对比了四种度量选择算法的性能，包括百分比度量，方差系数度量，最大值度量和压缩增益度量，并比较了各种度量算法的复杂度。需要指出的是：这些干扰信号检测和抑制研究成果仅仅是干扰检测技术算法描述，未与实际通信系统结合起来。

由于不同类型强干扰信号在时域和频域等多维域上具有不同信号特征，本文针对短波信道存在各种样式的强干扰信号的实际情况，提出了一种短波宽带波形的干扰信号检测和抑制方法。该方法采用连续均值消除算法和前向连续均值消除算法进行干扰检测，并采用双门限机制来提高检测准确性。计算机仿真分析和性能测试对比结论表明：本文算法可有效检测并抑制短波宽带信道中各种干扰，有效提高短波宽带波形在干扰环境下的传输性能。

1 系统信号模型

系统信号建模如数学公式(1)所示

(1)

调制信号为短波宽带波形，波形采用单载波调制解调传输体制[3]，其纠错编码为LDPC码。

如表1所示，波形的信号带宽为12 kHz，其基带载波频率为6.3 kHz。波形采用PSK调制和带内扩频技术，其传输速率为600～9 600 bit/s。

表1 波形编码和调制参数

常见的强干扰信号模式有：脉冲干扰，单音(STJ,Single-Tone Jamming)和多音干扰(MTJ,Multiple-Tone Jamming)，窄带干扰(NBI,Narrowband Interference)等。

脉冲干扰：脉冲干扰又称部分时间干扰，是指在时域很少一部分时间内施放的干扰。其作用时间较短，但突发的脉冲幅度很大。这种干扰具有平坦的频谱特性，且其频谱覆盖整个信号带宽。脉冲干扰不是连续干扰，它是有一定概率的，当出现脉冲干扰时，如果选择适当占空比(在一段工作时间内脉冲出现时间与总传输时间比)，将对通信系统造成严重的破坏。脉冲干扰一般包括两种形式，一种是零均值高斯随机变量，另外一种是恒定幅度冲激信号。脉冲干扰可建模为时域上随机间断出现的带限白高斯噪声信号。

单音和多音干扰：单音和多音干扰都属于音频干扰，可建模为L个复单音信号叠加组成，可表示成下列数学公式

(2)

窄带干扰：窄带干扰通常有3种基本模型，即音频信号、自回归信号模型和窄带数字通信信号。窄带干扰一般可以建模为多个单音信号的叠加或者窄带高斯噪声[11]，窄带高斯噪声可以将高斯噪声通过带宽为W的理想带通滤波器滤波得到。

梳状谱干扰是一系列频率点上产生按某种方式调制的一组窄带干扰信号。当频点上的干扰信号带宽大于或等于频率间隔时，则梳状谱干扰成为类似于宽带噪声干扰的压制性干扰。各频点上窄带干扰信号的产生可以选择调制干扰或者键控干扰。

2 波形干扰抑制技术

2.1 波形干扰抑制方法

短波信道存在各种各样的强干扰信号。由于脉冲干扰具有典型时域特征，而单音、多音干扰和窄带干扰的频域特征明显。因此，一种实用的短波宽带波形干扰抑制方案可能是：在时域/频域等多个域上对干扰信号进行检测，然后在相应域上实现干扰抑制，如图1所示。

图1 短波宽带波形干扰抑制原理框

波形接收机根据不同变换域统计其度量值的大小，然后再选择最优的域去抑制干扰。度量值可以是参考文献[10]中的百分比度量，方差系数度量，最大值度量和压缩增益度量等。图1中列出了3种域，包括时域，傅里叶域和分数阶傅里叶域。域的选择也不仅限于这几种，还可以包括小波变换域等，这里暂不考虑。

2.2 干扰检测算法

图1给出了短板宽带波形干扰检测和抑制框架结构，其中的干扰检测算法可根据算法性能和运算量进行折中选择。本文重点分析了连续均值消除(CME,Consecutive Mean Excision)算法[12]和前向连续均值消除算法[11]。

(3)

干扰检测门限可以通过式(3)来确定，并且假定发送信号也是零均值的，因此有

(4)

CME算法步骤如下所述：

1)由式(5)计算z

(5)

2)抑制那些值大于T*z的样点，并保留其余的。

3)对保留下来的样点迭代进行步骤1)和2)，直到没有干扰可以抑制，或者达到最大迭代次数停止。

FCME算法步骤如下所述：

1)由式(6)计算zM；

(6)

2)如果yM+1≤TzM，M自加1，转到步骤1)，否则结束。

CME和FCME算法均适用于时域和频域。根据文献[12]中的结论，在高干扰概率情况下，FCME算法比CME算法有更好检测性能，在通信系统平台允许的情况下使用FCME算法。

2.3 双门限机制

针对窄带干扰，FCME算法存在着一些局限。图2是一个BPSK调制信号加噪声和窄带干扰后的频域图，基于单门限判定的检测方法无法准确检测出该窄带干扰，如果门限过高，只能筛选出窄带干扰中幅值最高的部分信号分量，如果门限过低，又会把正常有用信号误判为窄带干扰。

图2 不同单门限下的窄带干扰检测

因此，在进行干扰检测时引入双门限干扰检测方案。如图3所示，先检测高于低门限的频率信号分量，然后在这些分量中再判断有没有高于高门限的。如果有，那么这一簇高于低门限的信号即为窄带干扰信号；如果没有，为正常有用信号。

图3 双门限窄带干扰检测

3 仿真性能

采用干扰环境下波形传输误码性能仿真方式来验证本文提出的短波宽带波形干扰抑制效果，其中的干扰信号样式包括：脉冲干扰、多音干扰(结果适用于单音干扰)、窄带干扰以及2个窄带干扰；干扰检测在时域和频域采用了FCME算法。波形传输速率有600 b/s，2 400 b/s，4 800 b/s，9 600 b/s，以下是抗干扰性能结果与分析。

图4～6分别是传输速率为9 600 b/s，脉冲干扰占空比为0.01、0.03和0.05的干扰抑制性能结果，从图中可以看出对于不同占空比的脉冲干扰，在没有脉冲干扰抑制算法时，系统误码率都很高，而加上干扰抑制算法后系统误码率迅速降低。从图中还可以看出本算法对于脉冲干扰抑制门限，比如占空比为0.01，干信比在28 dB以下时，脉冲干扰抑制效果非常明显，系统误码基本都为0。

图4 占空比为0.01脉冲干扰下抗干扰性能

图5 占空比为0.03脉冲干扰下抗干扰性能

图6 占空比为0.05脉冲干扰下抗干扰性能

图7所示是传输速率为4 800 b/s的三音干扰抑制性能结果，其中单音干扰频率为6 kHz，7 kHz和8 kHz，从结果中可以看出对于三音干扰，干信比为18 dB以下抑制效果非常明显，对于干信比为18 dB以上的干扰系统性能损失也逐渐增加。

图8所示是传输速率为2 400 b/s的窄带干扰抑制性能结果，其中窄带干扰带宽为300 Hz，频率为6 000～6 300 Hz，从结果中可以看出在传输速率为2 400 b/s时，对于干信比为18 dB以下的300 Hz带宽窄带干扰能够有效抑制，随着干信比增加，干扰抑制效果逐渐降低。

图8 单窄带干扰抑制性能

图9所示是传输速率为600 b/s的2个窄带干扰抑制性能结果，其中2个窄带干扰信号带宽为300 Hz，频率为6 000～6 300 Hz和9 000～9 300 Hz。从结果中可以看出在传输速率为600 b/s时，对于干信比为18 dB以下的两个300 Hz带宽窄带干扰能够有效抑制，随着干信比增加，干扰抑制效果逐渐降低。

图9 双窄带干扰抑制性能

以上仿真结果可以看出：干扰环境下短波宽带波形必须采用干扰抑制方法对混合在波形接收信号的强干扰信号。本文提出采用变换域选择的双门限干扰抑制算法，能够有效抑制一定强度下(有门限效果)的干扰信号。

4 结语

短波宽带波形采用带宽扩展方式实现现代短波高速通信。由于短波信道存在各样特性的强干扰信号。短波宽带波形的带宽扩展使得波形信号更容易受干扰信号影响。同时，由于各种各样的强干扰信号具有不同的时频特性。因此，在时域/频域等多维域上进行干扰检测，在相应域上进行干扰抑制是波形实现抗干扰通信的一种有效手段。基于这个思想本文提出了一种基于变换域选择双门限干扰抑制方法，计算机仿真结果表明：该算法有效解决了短波宽带波形在干扰环境下可通性问题，提高了波形抗干扰性能。

[1] MIL-STD-188-110B, Interoperability and Perfor- mance Standards for Data Modems[S], 2000.

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SONG Tao,(1973-)，male, M.Sci., senior engineer, mainly engaged in HF communication，wireless mobile communication, cognitive radio, network protocol architecture etc.

胡飞(1970—)，男，博士，高级工程师，主要研究方向为纠错编码、通信信号处理、短波通信。

HU Fei,(1970-)，male, Ph.D., senior engineer, mainly engaged in error-correction coding, communication signal processing and high-frequency communication system.

Key Laboratory of National Defense Science and Technology Project Fund(No. 9140C020108140C02006)

Interference Suppression Technology for Wideband HF Waveforms

SONG Tao, HU Fei

(Southwest China Institute of Communications, Chengdu Sichuan 610041, China)

WBHF (Wideband High-Frequency Waveform) is the latest research achievement of modern HF communications, and it can implement high speed transmission by extending bandwidths. Due to various strong interference existed in HF channel, interference suppression of WBHF now becomes, one of the key problems demanding prompt solution. In light of this, an interference suppression algorithm based on transform domain selection is proposed, and this algorithm can effectively select the optimal transform domain and suppress the interference signals. Simulation results show that the proposed algorithm could suppress different interference signals and WBHF enjoys good transmission performance in jamming environment.

WBHF; interference suppression; transform domain selection

date:2014-10-21；Revised date：2015-01-30

国防科技重点实验室基金项目(No.9140C020108140C02006)

TN926

1002-0802(2015)03-0283-06