宽带微波传输设备抗干扰技术研究*

2019-07-08

舰船电子工程 2019年6期

（广东交通职业技术学院广州 510800）

1 引言

微波是频率为300MHz～300GHz的电磁波，微波通信是指用微波频率作为载波携带信息，通过无线电波空间进行中继（接力）通信的方式［1］。

目前国内宽带微波传输设备在功能性能方面取得的突破主要体现在数据传输能力得到大幅度提升，最高速率已经达到80Mbps。速率的提升，网络容量增加，为我军地面、海上、空中提供相对比较宽带的战场综合业务网络，使我军地面、海上、空中各类机动用户均可无缝连接，形成我军数字化战场的公共信息交换平台，多军兵种间协同通信和联合作战的通信保障能力得到了提升［2］。

本文所介绍的微波传输设备采用多波束天线、支持全向宽带高速空分无线组网，可编配于通信节点车、固定指挥所、舰载平台等，用于节点之间固定或动中通快速组网，能够实现机动条件下的组网互联和宽带信息传输。其支持最高不小于64Mbps的传输速率，并且支持自组网和接入网两种通信模式，在自组网模式下，支持不少于16个用户的多跳宽带数据传输；在接入网模式下，支持不少于32个用户的宽带接入，满足全网用户高吞吐量的业务需求。

该微波网络传输设备具有在复杂电磁环境和复杂地形环境下的通信能力，通过该传输设备的网络自组织和自恢复能力实现复杂地形环境下的业务持续通信能力，通过干扰识别和剔除、智能频谱感知和自适应选频等技术实现在复杂电磁环境下的抗干扰通信能力。

本文通过研究干扰识别和干扰规避技术，实现微波传输设备宽带抗干扰。研究宽带微波传输设备对战场态势、周围电磁环境参数的快速感知，实时调整其内部配置，自适应外部复杂多变的战场环境，提高宽带数据传输扰中通，隐蔽通和智能通能力。

2 干扰识别

干扰识别的主要目的是对接收信号中是否存在干扰信号做出判断，如果判定存在干扰信号，测定其位置等特征参数，以进行后续的干扰抑制或消除处理［3］。对于无干扰先验信息的盲识别技术，主要识别方式是能量门限判决的算法及各种改进。

一般而言，相对有用信号的频谱，强窄带干扰频谱幅值较大，可采用门限法区分干扰和有用信号的频谱。门限判决法的基本思想是：对于预设的某一个门限值，幅度高于该门限的谱线认为是干扰，将其置0或设置为与门限值近似的幅度［4］。门限法的缺陷是如果门限设置过高，干扰抑制不完全；如果门限设置过低，会出现误判，导致有用信号损失。

门限检测法由于结构简单，易于工程实现等优点得到广泛的应用，但在门限检测法中，干扰门限的设定是一个关键的问题。目前，门限的设定主要有固定门限法和各类自适应门限。其中，自适应门限干扰检测具有设置简单，自适应性能强，并且抑制性能好的优点［5］。

在大多数情况下，接收的信号和干扰都是时变的，对干扰门限的选择也不应该是固定的，门限设置太高，会有干扰泄露；门限设置太低，又会对期望信号产生失真，所以干扰门限的设计应该以接收信号的统计特性为依据［6］。

在AWGN信道下，经过FFT后信号的离散谱线可以表示为

如果选择门限Th=n/λ，n=1，2，3，…，可以得到不同的错判概率P。

例如如果选择Th=4/λ，则P=0.0183，选择Th=5/λ，则P=0.0067。

所以，后面的问题是如何准确的确定参数λ；一般采用最大似然的估计，得到

综上，干扰识别算法的本质是一个假设检验问题：即假设没有窄带干扰条件下，经过FFT后的谱线的平方是否服从指数分布，通过对单个或多个谱线平方值的假设检验，对窄带干扰的存在进行判断识别；然后将识别为干扰的谱线强制赋值为0，实现干扰抑制的目的。

图1给出在窄带干扰下，进行干扰识别前后的信号频谱的幅度响应。

图1 干扰识别和剔除前后频谱图

如图1所示，经过干扰识别处理后，被判定为干扰的频率上数据被赋值为0，其它频率部分数据保持不变，由于干扰信号被剔除，所以接收性能比不进行干扰识别的性能好；但由于被置0的频点上的有效数据和干扰信号被同时删除，所以会比无干扰条件下的性能有所下降。

3 干扰规避

干扰规避的具体思路是：检测NBI频带位置，关闭受NBI影响的子信道，使OFDM系统的发端和收端都避免使用受NBI影响的子信道。这种方法的优势是不仅可以抑制NBI，而且不损失有用信息，能够明显提高系统可靠性［7］。图2是OFDM系统规避NBI的原理示意图。

首先，在信道环境进行采样，检测出NBI所在的频带，如图2（a）所示。然后，发端根据采样结果，关闭受NBI影响的子信道，使用未受干扰的频带传输信息，如图2（b）所示。最后，收端根据检测结果，在受干扰的频带处进行滤波，滤除NBI，得到干净的信号频谱，如图2（d）所示，最终达到规避OFDM系统中NBI的目的。

图2 OFDM系统规避NBI示意图

基于干扰规避策略的OFDM系统原理框图如图3所示。从图3中可以看出，首先，由发端对信道电磁环境进行采样，检测出NBI所在驻留频带，然后使用门限判决的方法得到一个谱向量函数A′(w)，利用该谱向量函数控制待发送的二进制比特流进行星座点映射［8］，接下来进行正常的OFDM调制和插入CP等操作，最后由发射机发送。

图3 基于干扰规避策略的OFDM系统原理框图

假设收发两端电磁环境相同，因此接收机对信道环境进行采样和门限判决得到的谱向量函数与发端也是相同的。由此谱向量函数控制数字滤波器和星座点逆映射，得到收端比特流，从而完成整个系统的通信。

假设接收机与发射机距离较远，那么它们所处电磁环境是不相同的，所以接收机与发射机的环境谱估计也是不相同的，经门限判决和谱成型得到的谱向量函数也不同，那么则需要通过接收机反馈收方的谱向量函数到发射机；然后发射机根据收方的谱向量函数进行干扰规避［9］。

3.1 干扰规避的数学模型

如图4所示为谱向量函数的形成过程。首先，对电磁环境进行采样，将采样结果与一个事先选定的门限h进行比较，将高于门限的采样值标记为0，表示该频带有干扰，不能供信号使用；低于门限的采样值标记为1，表示该频带可使用。由分析可知谱向量函数元素的个数等于OFDM系统子信道个数［10］。

图4 谱向量函数形成原理

当A′(w)为0时，不进行QPSK映射；为1时进行QPSK映射，可以理解为QPSK映射后再与谱向量函数A′(w)对应项相乘。记Xl(k)为第k个子信道上传输的QPSK符号，所以，相乘后送入IFFT模块进行运算得：

式中：l表示发送的第l个OFDM符号；N为IFFT点数。

在信道传输过程中，存在AWGN和NBI，会对传输信号造成影响。设信道中的AWGN为w(n)，NBI为j(n)，则接收端接收到信号为

理想情况下，谱向量函数控制的滤波器会将NBI滤除干净，则滤波后信号为

进行FFT运算，得到

对上式进行由谱向量函数控制的QPSK逆映射，在判决正确的条件下，恢复出原始比特数据［11］。

3.2 干扰规避方案的性能分析

NBI将干扰能量集中在OFDM系统的部分子信道上，但并不是所有子信道上。设部分频带干扰功率为J，干扰带宽为BJ，OFDM系统带宽为B，则干扰系数为η=BJ/B，因此，NBI的功率谱密度为N′J=J/BJ=J/(η·B)=NJ/η；因为在加性高斯白噪声背景下，OFDM系统的性能与传统串行系统性能相同，所以经QPSK映射的OFDM系统误码率为，其中，Eb为OFDM符号单位二进制码元的能量，N0为AWGN的噪声功率谱密度。

在加性高斯白噪声和NBI的背景下，经QPSK映射的OFDM系统的误码率为

3.3 干扰规避方案的性能仿真

仿真假设：收发端具有相同的电磁频谱，并且系统同步。在AWGN信道中，对方案进行Monte Carlo仿真，对干扰抑制前后系统的误比特率曲线进行比较，衡量系统抑制性能［12］。

OFDM系统仿真参数设置如表1所示。

表1 OFDM系统仿真参数设置

在AWGN和NBI的背景下，三种NBI仿真模型为

1）单音干扰：干扰频率fo=0.625MHz；

2）多音干扰：干扰频率 fo=0.625MHz，f1=1.25MHz，f2=1.875MHz；

3）部分频带干扰：干扰频率从 1.25MHz～1.875MHz之间。

首先，以12.8MHz的采样频率下检测出干扰所在的频带，然后根据采样值设定相应的门限，进行门限判决，得到干扰的谱向量。得到干扰的谱向量后，令谱向量控制星座映射，谱向量值为1所对应的子信道进行映射，谱向量值为0所对应的子信道不进行映射，而使用0进行补充。星座映射后经IFFT运算、加入CP和并串转换后送入信道进行发送［13］。

图5给出在干信比为30dB的条件下，加入单音干扰和多音干扰下，基于干扰规避策略下的干扰抑制性能仿真图。