变换域通信与扩频通信抗干扰的性能比较

文良浒，祁连年，谷 伟

(中国人民解放军第63612部队，甘肃 敦煌 736200)

变换域通信与扩频通信抗干扰的性能比较

文良浒，祁连年，谷 伟

(中国人民解放军第63612部队，甘肃 敦煌 736200)

随着通信网络的快速发展，来自各方面的干扰严重影响了网络的通信质量和系统的容量，提高通信系统的抗干扰能力是当前通信网络领域的研究热点。现阶段常用的两种通信方式是变换域通信和扩频通信，两者在使用过程中各有优点。文中介绍了通信系统中广泛应用的抗干扰技术，比较了变换域通信和扩频通信的抗干扰能力。

变换域；扩频；通信；抗干扰

随着通信网络的广泛应用，各种电磁信号在无线空间交叉传播，使得通信环境越发恶劣，各种干扰严重影响了通信质量，促使通信系统抗干扰技术快速发展。

1 通信干扰的分类

通信干扰的核心就是干扰对方接收设备，而这种干扰种类繁多，按照干扰信号的来源，可以将通信干扰分为自然干扰和人为干扰。其中，人为干扰又可分为积极干扰和消极干扰两种，积极干扰的原理是通过发射机发射或者转发一些电磁波来达到干扰的目的；消极干扰则是通过通信系统中不发生电磁辐射的干扰物来自主改变电磁波的传播方式。若按照干扰的调制方式来划分，又可分为音频杂音调制干扰、纯噪声干扰、键控干扰和脉冲干扰。另外根据干扰强度来划分，可以分为压制性干扰和欺骗性干扰。

2 通信系统中的干扰技术

2.1 跳频技术

传统上，通常使用一个或固定的几个信号进行通讯，这种方式很容易受到干扰而影响通信质量，跳频技术就很好地避免了这一缺陷，其原理就是通过一定的速度和规律来改变发射音频信号，这种方式使得载波频率不断发生变化，从而达到扩大频谱，提高系统抗干扰能力的效果。在跳频技术中，其抗干扰能力主要由跳速的高低、跳频带宽的大小直接决定。但在实际工作中，跳频带宽无法满足多部电台进行同时跳到一个频率上的要求，需要通过分段跳频来避免不必要的干扰，才能基本满足工作要求。

2.2 扩频技术

扩频技术是一种常用而且有效的抗干扰技术，它是将信号进行扩频处理，使得频率带增大了几十倍甚至几万倍后再进行传递，减少干扰信号带来的不利影响。它通过G函数产生的调频图案来进行数据控制，达到提高调速，提升码速率的效果，而且其调频时间很短，大幅提高了信息传输的能力。

2.3 信源与信道编码技术

信源编码与信道编码技术是先将通信信息进行编码处理，再利用特定的冗余信息来和信息序列产生某种关联，在接收端接收信号时，译码器根据设定好的规则来对接收的信息进行检查，若发现错误信息及时进行可控恢复，这一技术不但提高了信息传递的速度，还改善了通信性能。

2.4 多入多出技术

多入多出技术就是通过多个发射天线设备来发射信息，再通过多个接收天线来接收信息，其优点在于它能大幅提高无线通信系统的性能和容量。在实际应用中常与其他技术配合使用，但与目前常用的智能天线技术和多入多出技术存在较大差别，它通过借助其他工作中的通信设备来达到同智能天线类似的功能。在一定的空间内，同类通信设备天线可以组合成一个虚拟的天线网络，提高天线接收端的接收能力，从而满足通信系统抗干扰能力的要求。

2.5 分集接收技术

分集接收技术的核心就是在接收端对信号进行增强，它将接收到的多个特定信号进行处理，利用这些信号在不同码段的能量来提高接收信号的质量，从而降低通信干扰的影响，分集接收技术由于无需提高发射功率就能改善接收信号的质量而被广泛应用。

2.6 时间反转技术

时间反转技术也是最常用的通信抗干扰技术之一，它是对信道进行充分的分析来达到事先控制信号产生干扰的目的。时间反转技术又可分为有源时间反转和无源时间反转两种方式，有源反转是要在接收到信号后还要发射相应的信号，无源反转则只需接收信号。其基本原理是，通信系统的接收端根据信道冲激现象来分析判断出信道的冲激响应，由于用户的信道冲激响应均不相同，所以时间反转技术在解决多址干扰和共道干扰时效果明显。

3 扩频通信技术

3.1 扩频通信技术的概念

扩频通信技术(Spread Spectrum Communication，SSC)是一种通信方式，在这种方式中，信号本身的带宽远小于传输信号过程中所用射频信号的带宽。扩频通信技术的基本特征为使用伪随机码进行频谱扩展，其中伪随机码的传输速率远超过信息数据的发送速率。最终形成的发送射信号的信道容量满足香农公式

C=Wlog2(1+S/N)

(1)

其中，C表示信息传输速率；W为带宽；S/N为信噪比。在C不变时，W和S/N能够相互转化，即在信息传输速率不变的情况下，可以采用牺牲带宽来提高信噪比[1-3]。

3.2 扩频通信技术的特点

扩频信号是一种伪随机带宽信号，这种信号不可预测。扩频通信的特点如下：(1)抗干扰能力强，由于扩频信号本身的不可预见的特点，干扰者对扩频信号的观察产生较大困难，因此对其造成干扰就相应变得更困难了，而扩频通信技术即使在信噪比比较低时，通信质量仍然可以得到保证；(2)保密性好。由于扩频信号的频带较宽，而有用信号的功率谱在无线信道中较低，这就使得信号即使处在强噪声中也能够进行可靠的通信，并给信号的截获造成困难；(3)可实现CDMA，扩频码间具有良好的相关性来进行解扩，这样不同用户的信号就能被系统分辨出来。

3.3 扩频通信系统的工作原理

一般情况下的扩频通信系统都是针对直接序列扩频而言的，即直接序列扩频通信系统(DS)。典型的扩频通信系统由发射机和接收机两部分组成。发射机的原理为：输入的数据信息经过信息调制变成调制信号，再将调制信号经过扩频调制即借助扩频序列得到的信号进行发送。接收机接收到信号后，通过捕捉伪随机序列相位的方式，得到与发送相位相同的伪随机码用于解扩本地信号，之后在同步电路的控制下进行信息解调，最终得到发送端发送的信息数据。

4 变换域通信系统

4.1 变换域通信系统的概念

变换域通信系统的发展，以变换域处理技术和扩频通信为基础，变换域信号和伪随机序列技术，可以使收发双方都能防止干扰频谱而被使用。这种模式可以在复杂的无线环境中使用干网无线通信进行重要的通信。被调制之后的载波信号频率，不会出现在干扰的频段内，在这种情况下可以有效提高信号的信噪比，不会出现由于干扰信号引起的通信质量下降，进而实现抗干扰，提高通信的可靠性和有效性。

4.2 变换域通信系统的主要特点

4.2.1 较强的多址性能

变换域通信系统主要通过伪随机相位合成，与此同时构成基函数，但由于不同的用户，在相同的序列使用不同的码片，最后形成不同形式的随机相位，所以由此产生的基函数也会不同。此外，变换域通信系统中具备不同的基函数，并拥有一定的正交性，具有一定的正交性，然后变换域通信系统具有较强的多址接入性能。

4.2.2 超宽带通信

变换域通信系统进行的数据调制，原理是利用其自身具有的噪声特性，这个特性中包含的基函数与超宽带通信的某些特性相似，在实现通信的基础上还可以完成准确的跟踪定位功能，系统的应用领域得到了拓宽。宽带通信自身具有的干扰信号有两类，一个是阻塞式干扰，另一个是瞄准式干扰。而阻塞式干扰还包括均匀频谱、扫频、单频等宽带干扰等。在阻塞式干扰的均匀频谱宽带干扰中，对于白噪声类宽带干扰还没有有效的抗干扰措施，还有一些干扰信号包括：非平稳干扰信号、平稳干扰信号。在现代化信息处理和信号处理的发展过程中，基于特性检测、能量检测、匹配滤波这3种检测方法，有关专家对信号估计分析提出了不同的理论，如：小波变换、时频分析等。这些信号估计理论很大程度上拓宽了通信信号的研究领域，尤其是促进了时频分析理论方面的研究，将成为非平稳信号的分析重点。

4.2.3 新颖的抗干扰理念

传统形式下的抗干扰手段，其操作方法是在接收端的位置进行干扰排除，而变换域通信系统采取的抗干扰方法，是通过两端的收发信号设备就可以在相同时间，继而将正常的频率选择以实时的方式运用频谱估计电磁环境找出来，并有效地避免干扰频段[4-7]。

4.2.4 抗干扰能力较强

传统形式下的抗干扰方法是以去除信号频率中的频率为目的，当然去除范围包括其中的干扰部分和非干扰部分。这种抗干扰方式的弊端就是在滤除干扰信号的过程中，将非干扰信号也同时去除，最后逐渐降低了信噪比，也使得误码率也在一定范围上提高。变换域通信系统的抗干扰手段是以不适用两端收发信号设备的被干扰频段为前提，这种方式对于信号的调制基本上不会将干扰频段频谱成分包含在内，信噪比就不会因变换域的信号处理而降低[8-10]。

4.3 变换域通信系统原理

作为一种宽带系统，变换域通信系统接收机和发射机的构成包括多种模块，分别是信道采样、谱估计、随机相位发生器等模块。采样器从系统宽带中提取了本地电磁环境，然后再将采样的结果输入到谱估计器中，通过计算功率谱的密度，判断频率在通信信号和干扰信号中的正确位置。可以通过对谱估计技术的应用，完全实现准确判定频率位置的目的。要想有效避免干扰，就要通过采用门限检测接收的门限值，与检测出的频谱幅值进行对比，进而明确干扰的正确位置，在此基础上再查找未被干扰的部分[11-13]。若干扰频段已经大大超出了门限电平，在幅值的设置上则是“0”，剩余的正常频段就需要把幅值设置成“1”。这样的工作原理就构成了“0”与“1”的谱向量，是一种比较正规的矩形谱[14-16]。

5 抗干扰性能比较

5.1 宽带、窄带噪声干扰下的性能比较

变换域通信和扩频通信在受到与通信系统具有相同带宽的宽带噪声干扰时，两种通信方式的抗宽带干扰能力基本一致，都没有显著地抑制能力。在窄带干扰下，变换域通信的优势就显示出来了。由于变换域通信具有频谱抠除机制，在窄带噪声下误比率比扩频通信提高很多，变换域通信在窄带信号的干扰下，与理想的性能相当接近。由于以上原因，变换域通信被广泛使用在军事通信领域[8-9]。

宽带干扰又称为全频带阻塞式干扰，TDC用与系统同样带宽的白噪声(均匀)频谱产生。窄带干扰的定义，由式(2)给出。干扰和一个通信符号建模是相似的都是由一系列的正弦波组成，每个正弦波都有特定的幅度。然而干扰每次产生的时候，组成窄带干扰的正弦分量的相位改变一次[10-13]

(2)

如果每个正弦分量的幅度BP己知，噪声就可以当作具有随机扩展相位的同步符号来对待。

TDC与DSSC同样采用与系统等带宽的白噪声阻塞干扰时，误比特率曲线如图1所示。这里宽带噪声干扰等价于一个噪声电平很大的AWGN信道，所以可以推测两种通信应该具有相当的抗干扰性能。

图1 宽带阻塞干扰下TDC与DSSC误比特曲线

5.2 多用户干扰下的性能比较

如果变换域通信采用正交码而扩频通信采用Gold序列，变换域通信具有比扩频通信更好的抗干扰能力。在非同步干扰下，仍按照同步干扰下的比较方式：变换域通信采用随机码和扩频通信采用RNG产生随机序列比较，变换域通信采用正交码和扩频通信采用Gold序列比较。结果是，在第一种比较方式下二者的抗干扰能力基本相当，而在第二种比较方式下，扩频通信的抗干扰性能要稍微优于变换域通信。

5.3 多径衰落信道干扰方面的性能比较

在实际的无线通信中，发送信号到达接收端的路径一般不止一条，存在多径效应，不同路径的信号会发生不同程度的衰减，对传送信号产生不可预料的影响，比较这种通信环境下的抗干扰能力具有实际意义[13]。多径衰落信道有4种模型：莱斯平坦、莱斯频率、瑞利平坦和瑞利频率模型。在这几种模型下，变换域通信和扩频通信基本具有相同的抗干扰性能。

6 结束语

随着通信系统的发展，抗干扰技术必将越来越重要，通信抗干扰技术也必将向复杂的电磁环境抗干扰技术发展。高速数据传输的需求不断加剧，迫切需求通信系统抗干扰技术的快速发展。

[1] 刘瑾瑾,李培培,臧俊杉,等.扩频通信技术及应用[J].科学与财富,2015(9):108-109.

[2] 胡晶,白正龙,王伟,等.伪随机序列在直接序列扩频通信中的应用[J].中国科技纵横,2013(13):33-35.

[3] 高文欢.扩频通信技术浅析[J].中国无线电,2015(8):40-41.

[4] 王立夫,饶建国,商西达.电分布式网络及抗干扰分析及仿真研究[J].舰船电子工程,2011,31(2):62-66.

[5] 程卓.认知差分跳频通信网络抗干扰技术研究[D].武汉:华中科技大学,2010.

[6] 戴彤辉,王朕,崔文雄.基于软件无线电的通信抗干扰装置的一种实用结构[J].四川兵工学报,2009,30(4):81-84.

[7] 张笑宇.基于快跳频体制的数据链通信机理与抗干扰效能研究[D].沈阳:沈阳理工大学,2015.

[8] 闫酉声.快速跳频系统同步方法改进及性能分析[D].沈阳:沈阳理工大学,2015.

[9] 王雯婷.扩频通信系统中的抗窄带干扰技术的研究[D].西安:西安邮电大学,2015.

[10] 简永泰.无线通信抗干扰技术性能分析[J].电子制作,2015(1):139-141.

[11] 李和芳.无线通信抗干扰技术性能分析[J].科技展望,2015(17):123-125.

[12] 孙海欣,石要武,于晓辉.基于扩频相位编码的变换域通信系统多址接入能力[J].吉林大学学报:工学版,2013(1):223-228.

[13] 钱瑜.扩频通信及变换域抗干扰理论基础浅析[J].计算机光盘软件与应用,2012(5):150-151.

[14] 史军,迟永钢,张乃通.变换域通信系统:原理、技术与发展趋势[J].南京邮电大学学报:自然科学版,2009(1):87-94.

[15] 郭佳.变换域通信系统抗干扰性能研究[J].信息通信,2014(2):18-20.

[16] 王传丹,张忠培,李少谦.变换域通信系统中干扰信号的逐次消除[J].电子与信息学报,2008(10):2439-2441.

Comparison of Anti Jamming Performance of Transform Domain Communication and Spread Spectrum Communication

WEN Lianghu,QI Liannian,GU Wei

(Unit 63612, PLA, Dunhuang 736200, China)

Rapid developing communication networks impose great interference on the network communication quality and system capacity. Widely used anti-jamming technologies in communication system are briefly introduced. The anti-jamming performance of the transform domain communication and the spread spectrum communication are compared.

transform domain; spread spectrum; communication; anti-jamming

2016- 06- 15

文良浒(1985-)，男，工程师。研究方向：雷达通信。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.05.054

TN914.4

A

1007-7820(2017)05-203-04