频域陷波对直接序列扩频信号接收性能影响分析

潘申富，陈敬乔

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

扩频通信是现代通信系统常用的一种方式，用扩展频谱的方式降低信号谱密度，从而提高通信系统的隐蔽性和抗干扰能力[1]。目前的通信系统中，除了背景噪声外还存在窄带干扰，当窄带干扰很强时将导致通信系统无法正常运行[2]。因此，在解调之前需要进行窄带干扰抑制，从而保证接收端能够正常工作。

频域陷波法是目前应用很广的干扰抑制方法，适用于干扰带宽较窄而且干扰频带较稳定的射频干扰抑制处理[3]。频域陷波的基本原理是在频域对信号进行分析，利用窄带干扰、噪声和扩频信号不同的频域特性来区分并抑制干扰[4]。与扩频信号和白噪声的频谱相比，窄带干扰的频谱很窄，易于识别，可在频域对干扰信号进行判断、识别，找出干扰频点并对其进行陷波处理。频域陷波处理后，可以降低干扰对接收信号的影响，改善信干比[5-8]。但频域陷波也会带来2个副作用：一是陷波位置的信号会被切除，导致信号总功率下降；二是陷波会导致信号失真，给接收端带来一定的性能损失。而且频谱切除得越多，信号失真越明显，带来的性能损失也越大。因此，在进行陷波处理时，不但要考虑切除窄带干扰导致的信噪比改善，还要考虑信号能量损失和信号失真导致的信噪比恶化。

目前，针对频域陷波的研究多集中在技术实现及改进方面，文献[9-12]介绍了频域陷波的设计及具体实现方法，文献[13-16]介绍了频域陷波的具体应用，而对频域陷波后信号失真进行分析的文献较少。本文针对不同扩频比、不同调制方式、不同陷波位置时，频域陷波后的误码性能进行仿真分析，得出频域陷波后信号失真的计算方法，分析总结减小信号失真的参数选择方法。为直扩系统抗窄带干扰设计提供参考，同时也可为频域陷波策略的设计提供依据。

1 信号模型

扩频通信方式与其他通信方式的区别在于，扩频系统在传送信号的过程中对信号发送端进行了扩展频谱调制，扩频通信运用伪随机序列调制需要传输的数据，把信号频谱扩展到更宽的频带后再进行传输，因而能达到一定的抗干扰目的。发送端信号时域及频域变化过程，如图1所示[17]。

图1 时域扩频前后和频域扩频前后的对比Fig.1 Comparison before and after spreading in time and frequency domain

直接扩频信号在频域中会呈现出与白噪声相似的平坦特性，而窄带干扰信号在频域上会出现明显的频谱峰值，如图2所示。

图2 窄带干扰示意Fig.2 Narrow-band interference schematic diagram

在窄带干扰抑制的众多方法中，频域陷波的应用最为普遍。频域陷波法的原理框图如图 3所示。首先对接收信号进行傅里叶变换，得到其归一化频谱；然后按照一定的准则设置干扰检测门限，确定干扰在接收信号频谱中的位置；接着对这些干扰频点进行陷波，最后对处理后的数据进行逆傅里叶变换得到干扰抑制后的数据[18]。由于实际应用中需要对输入信号截断后进行 FFT 运算，再将干扰位置的频谱置零，这些处理会带来信号失真，从而使解调性能受到影响。

图3 频域陷波原理框图Fig.3 Principle diagram of frequency domain notch

2 频域陷波对接收性能的影响分析

(1)

(2)

陷波切除的信号频谱越宽，信号失真越大，性能损失ξ也越大。在实际应用中，陷波前需要对比ΔlJ和Δls的值，根据增益是否大于损失，决定是否陷波。因此，设计陷波策略时需要综合考虑各参数的影响。由于信号失真为非线性变化，难以建立信号失真与性能损失ξ之间的准确数学关系式，所以采用仿真统计的方式分析二者之间的关系。

3 仿真分析

为充分说明频域陷波对接收性能的影响，从以下4个方面进行对比和仿真：不同陷波位置、不同调制方式、不同扩频比及不同陷波比例，分别给出不同参数时的误码率曲线。通过对比，可以得出各参数对陷波后误码性能的影响大小，为后续陷波方案的设计提供依据。

3.1 不同陷波位置的陷波性能对比

仿真目的：BPSK方式，滚降系数不同，陷波位置对性能的影响是否与滚降系数大小有关系。

仿真条件：滚降系数设为0.1，陷波位置分别在频谱的左、中、右三部分，陷波比例设为5%。

仿真结果：当滚降系数为0.1时，陷波后频谱如图4所示。

图4 频域陷波后的频谱Fig.4 Signal spectrum after frequency domain notch

在不同位置陷波后，分别仿真误码曲线，如图5所示。

图5 陷波位置分别为左、中、右的误码率对比Fig.5 Comparison of BER when notch position is on the left，in the center and on the right

由图5可以看出，滚降系数为0.1，陷波位置分别为左侧、中间、右侧时，三条误码曲线几乎重合，性能基本一致。即滚降系数为0.1时，陷波性能与陷波位置无关。由此可得出：滚降系数很小时，陷波后的性能与陷波位置无关。因此后续分析和仿真中，为了描述方便，可采用较小的滚降系数0.1进行设计。

3.2 不同调制方式的陷波性能对比

对比BPSK，QPSK和8PSK，切除相同比例宽度的频谱后，性能损失情况，如图6所示。

图6 BPSK，QPSK和8PSK陷波后的误码率对比Fig.6 BER performance of BPSK，QPSK and 8PSK after notched

设定切除频谱宽度占总宽度的10%，扩频比512，分别画出3种调制方式的误码曲线。

可以看出，切除相同比例的频谱，调制方式为BPSK时，性能损失最小，QPSK和8PSK调制方式的性能损失均大于BPSK调制方式。因此，采用频域陷波抗窄带干扰措施时，应选择低阶调制方式BPSK。

3.3 不同扩频比的陷波性能对比

调制方式为BPSK方式，扩频比不同时，频域陷波后性能也有所不同。分别仿真扩频比为128，512、频谱切除比例分别为5%，10%，15%，20%的误码性能，误码率曲线如图7所示。

图7 扩频比为128和512，陷波后的误码率对比Fig.7 BPSK BER with spread ratio of 128 and 512 after notched

由图7可以看出，当陷波比例在10%条件下，扩频比为128时，性能损失约为1 dB，扩频比为512时，性能损失约为0.5 dB；陷波比例为20%，扩频比为128时的性能损失约为2 dB，扩频比为512时的性能损失约为1 dB。通过对比，可以看出在相同的陷波比例下，随扩频比增大，陷波损失相应减小。

频域陷波后，除了陷波位置的窄带干扰被切除，陷波位置的信号也会被切除，因此陷波处的信号能量消失为0。由信号功率减小带来的性能损失：

lnotch=10*lg[1/(1-r)] ，

(3)

式中，lnotch为性能损失；r为归一化陷波带宽，r=Bnotch/Bs，Bnotch为陷波带宽，Bs为信号带宽。

在图7的基础上，去掉lnotch的值，即可得信号失真带来的性能损失，如图8所示。图8的性能曲线中，横轴的Eb/N0是去掉了能量损失部分以后的值，可以直接看出失真导致的恶化。

图8 扩频比为128和512，陷波后信号失真带来的性能损失对比Fig.8 Performance loss caused by signal distortion with spread ratio of 128 and 512 after notched

由图8可以看出，扩频比为128时，性能失真还比较明显；扩频比为512时，性能失真变得很小，几乎可以忽略。因此，当调制信号为BPSK扩频信号，且扩频比较大时，信号失真对误码性能的影响可以忽略，这时，可以认为陷波后的性能损失只和陷波带宽有关系。

4 结束语

通过Matlab仿真，详细分析了频域陷波抗干扰措施对接收性能的影响。为提高扩频系统的抗窄带干扰能力，给出了设计及选择信号参数的依据。在同样干扰条件下，应尽量采用低阶调制，以降低陷波后的性能损失。扩频比较小时，应充分考虑信号失真的影响；扩频比较大时，信号失真的影响可以忽略，性能损失仅与陷波比例有关。因此在工程实践中，为了提高抗窄带干扰能力，达到更好的陷波性能，可选择低阶调制BPSK方式及较大的扩频比。