短波通信抗干扰技术研究

何力舟

（山西机电职业技术学院，山西 长治 046299）

0 引 言

在信息化时代，短波通信方式在现代通信中占据着重要的地位，主要因为其具有技术成熟、设备占地面积少、体积较小、不宜损毁等优点[1-3]。但与此同时，短波通信也存在不可避免的缺点，如存在大量的抗干扰因素等。短波通信通过电离层的反射经接收器接收来获得信号的传递，但由于电离层的情况比较复杂，气候、环境等因素对短波通信均存在影响，因此合理选择抗干扰方式对短波通信技术的发展有着极大的意义[4-6]。当前，研究人员对短波通信抗干扰手段进行了大量的研究。李利等人针对跳频通信系统抗干扰技术进行了探讨，分析了提高舰载短波通信系统抗干扰能力的方法[7]；王慧对同步跳频关键技术进行了研究，得出同步跳频技术是目前短波最佳抗干扰技术的结论[8]；贺伟分析了电磁环境的复杂程度，并提出恰当的抗干扰手段[9]。本文基于现有研究，分析了正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技术的工作原理，借助OFDM短波通信系统提出一种新的抗干扰算法，具有较强的实践意义。

1 短波宽带OFDM通信系统

OFDM因其自身的特点而适用于短波通信抗干扰技术的研发。众所周知，信号在频带上的传播具有一定的选择性衰落，从而导致信号稳定性降低。而OFDM技术可将频带划分为多个不同的信道和子载波，同时每一个子载波都具有一定的信号传播能力，且频谱较为平坦。信号传播过程中可克服短波通信中的频率衰落问题，具有较强的抗干扰特性。经过此系统传播的信号具有均匀的功率，可以保证信号的稳定性。同时OFDM的时域波形在技术手段上非常类似于高斯统计，可使其信号传播过程中具有较强隐蔽性。基于这些特点，可以看到OFDM技术在短波信号抗干扰能力提升中具有独特的优势，不需要额外提高信号传播功率或增加带宽便可以提高短波通信的效率，防止选择性衰落并提升其抗干扰能力。

在日常的短波通信过程中，通常存在窄带干扰，这种干扰对于传播的信号而言，是一种带宽较窄而功率性较强的干扰信号，相较于其他干扰具有更强的干扰性。窄带干扰在目前的短波通信过程中比较常见，干扰性较强，在信号传播的过程中会对多个信道的信号产生干扰。由于OFDM技术具有多频波的特点，在每个信道中的平台利用率较高，因此可以借助该技术关闭部分受窄带干扰影响的子载波段，从而提高系统抗干扰能力。

2 窄带干扰抑制效果

在短波通信过程中，同一频带内信号多且复杂，而且在频带内通常有不同短波电台相互干扰，会使短波通信系统信噪比严重降低，从而影响短波通信接收器接收信号的性能。根据现有研究查阅参考文献，不同的抗干扰算法对窄带干扰抑制的效果均有差异，一般分为频域窄带干扰抑制方法和时域窄带干扰抑制方法[10,11]。由于窄带干扰在频带内呈现出尖峰的特点，因此频域窄带干扰滤波方案可有效计算出频带内干扰的中心频点。但频域的快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）与快速傅里叶逆变换（Inverse Fast Fourier Transform，IFFT）对硬件要求较高，严重增加其造价负担，这也是频域窄带干扰抑制方法的突出缺点之一。时域窄带干扰抑制方法可很好地计算频带内干扰的信号频率，虽然存在一定误差，但不影响使用。缺点在于信号干扰较弱时的使用效果不理想，导致陷波器计算失准，影响系统抗干扰性能。

3 干扰抑制算法

对于短波通信过程中OFDM技术的应用，参考相关文献，对OFDM符号的长度进行了限制，一般选择为10 ms，通常间隔的长度为5 ms。考虑到接收端对信号接收的特点和OFDM系统的参数设计原则，提出在短波通信系统中的帧结构设计如图1所示。

图1 信号的帧结构

为了更有效地提出抗干扰性能的方法，在理解了时域和频域干扰抑制方法工作原理的基础上，将两者的优点进行整合，从而提出一种行之有效的窄带抗干扰方法。二级无线响应脉冲滤波器（Infinite Impulse Response Filter，IIR）的传输函数为：

此函数的关键点在于计算出频带干扰存在的中心频点，其中a是陷波器的参数，主要用于控制陷波器的带宽，a的大小直接决定了陷波带宽的大小。依此建立一种时域陷波器，当频带内存在多组信号干扰时，借助建立的多级陷波器移除干扰电台信号，从而达到抗干扰的效果。

根据IIR滤波器的工作原理，建立抗干扰算法的核心在于取长度为N的接收信号（OFDM信号+窄带干扰+背景噪声），对其进行离散傅里叶变换（Discrete Fourier Transform，DFT）。由于窄带干扰在频域会出现极大的峰值，根据DFT的原理，每两个相邻数据之间的间隔为2π/N，找到1～2/N中信号频域数据较大峰值的位置k，那么窄带干扰频率的估计值则为0=(k-1)(2π/N)，从而自适应IIR陷波器中对应陷波频率的参数应为β=-cos0，实现框图如图2所示。

图2 滤波器工作原理

由于目前的短波通信系统中，3 kHz的频带比较常见，因此在320 kHz的短波通信过程中极易受到3 kHz的带内信号干扰。根据建立的抗干扰算法，在同一频域识别高峰值信号，当识别到多组3 kHz上下波动的信号时，可直接认定其为干扰信号，采用级联陷波器对其移除，以达到抗干扰效果。

在短波通信过程中，窄带干扰不是一直存在的，而且窄带干扰的过程随时间推移也存在差别。在本文设计的算法中，首先参照信号干扰的频域特性计算陷波频率，以此频率建立级联时域陷波器，对接收到的信号停止FFT频点估计，可借助时域陷波器去除干扰信号；其次对下一个信号进行同样的操作，建立时域陷波器；最后以此类推，从而构建一种良好循环的抗干扰系统。本算法抗干扰原理如图3所示。

图3 抗干扰原理

在这一算法中，连续准确的计算出干扰信号的中心频点至关重要，也是本算法最大的优点。借助建立的连续陷波器对干扰信号进行排除，从而达到短波通信抗干扰的效果。具体算法如下文所述。

（1）一个OFDM符号长度为1 100，通过FFT后长度扩展为2 048，系统采用4倍过采样，取N=8 192加窗进行FFT变换。计算Wi(0)=Xi(0)/max[Xi(0)]，Xi(0)表示i点的信号功率谱密度。

（2）计算∑[Wi(0)]N=a。在高斯白噪声背景下，当a是一个0.5左右的数时，一般直接认为接收的信号中无干扰存在，不需要采取干扰抑制手段，对信号直接处理并传输即可；若a是一个接近于0的数时，一般认为信号存在强窄带干扰。

（3）带内信号干扰频率强弱不一，对不同窄带干扰的算法略有差异。对待强窄带干扰时，如果Wi(0)＞b（b是在0附近的常数），标记此干扰存在的位置。其中，a=0.98时抗干扰效果较好，一般情况可去除5个峰值电台信号的干扰。此外，频带内干扰信号的个数和频带特性直接影响级联陷波器的数量。

（4）干扰信号通过级联陷波器移除系统后，算法自动对下一个信号进行上述3个步骤的操作。

4 结 论

为有效提高短波通信抗干扰性能，在分析时域和频域干扰抑制方法工作原理的基础上，基于OFDM技术多频波和信道高利用率的特点提出了一种行之有效的窄带抗干扰方法。本算法可连续准确地计算出干扰信号的中心频点，借助级联陷波器将干扰信号移除系统，从而达到短波通信抗干扰的效果。