用于复杂环境的多径电子通信信号抗干扰仿真

2023-03-11董秀娟兰建平梁西银

计算机仿真 2023年1期

董秀娟，兰建平，梁西银

(1. 湖北汽车工业学院电气与信息工程学院，湖北十堰 442002；2. 湖北汽车工业学院汽车工程师学院，湖北十堰 442002；3. 西北师范大学物理与电子工程学院，甘肃兰州 730070)

1 引言

要想高效地保证通信设备的可靠性和通信稳定性，需要提高通信信号的质量。但由于电子设备在通信过程中很容易受到外界复杂环境的干扰，造成信号不稳定或是失真等问题，因此，提升电子通信信号的抗干扰性是十分重要的。

目前针对通信信号的抗干扰方法，李彤[1]等人研究出一种分段卷积干扰抑制法，利用同频全双工多载波信号根据信号传输场景不同，区分不同概念信号，建立自干扰信号分段处理频域，通过抵消和不冲减实现信号的抗干扰处理；石潇竹[2]等人研究了一种直达波抑制法，利用移动通信设备掌握信号传输信道的具体环境状态，针对信号的时频特性，通过重构直达波的方式实现干扰信号重组，实现信号抗干扰抑制；上述两种方法只考虑到对干扰信号的抑制，并未考虑到失效信号对原始通信信号的影响，因此，在信号捕获和稳定性方面并不理想。

为此，本文在研究通信信号抗干扰的过程中，通过建立通信信号模型和信号干扰检测模型，分析通信信号和干扰信号的传输特性和影响因素，去除信号中受到干扰的失效信号，重建干扰信号，降低干扰信号的复杂度和功率，实现信号抗干扰。

2 多径电子通信信号模型构建

首先建立通信信号模型，利用全双工电子通信设备完成信号的收发工作，可以实现在同一时频下的信号多径传输，由于会受到设备本身的强自干扰影响，同一时间频域内接收到的通信信号中可能包含有效信号、自干扰信号和加性噪声[3]等多种信号因素，此时接收到的信号可以表示为

r(n)=hsoi(n)*xtx(n-τsoi)

+hsi(n)×ytx(n-τsi)+w(n)

(1)

式中，xtx(n)和ytx(n)代表两个信号发射器，即全双工电子通信远端和局部信号发射器发送的信号，τsoi代表远程发射机向当地接收器发送通信信号的时延，τsi代表局部信号发射器信号向局部接收器发送的时延，hsoi(n)和hsi(n)分别代表远程和局部发送器发送信号向局部接收器发送的通信信号的响应状况，w(n)代表包括在通信信号中的加性噪声，符号*代表用于通信信号的线性卷积操作[4]。

假设有效信号和自干扰信号的传播主径间存在的相对传输时延为

Δt=τsi-τsoi

(2)

设定一个正交频分复用信号的长度为N，其中包含的有效数据信号长度为Nb，干扰失效信号长度为Ncp，

当满足|Δt|≤Ncp-L1条件时，证明有效信号和自干扰失效信号之间处于同步传输的状态；否则判断二者之间处于异步传输的状态，对通信信号在同步传输和异步传输两种不同状态下的接收情况进行具体分析：

1)当有效信号与自干扰信号之间处于同步传输状态时：

①当有效传输信号在通信过程中超前于自干扰信号的状态，保证信号接收机同步接收有限信号，这时接收到的信号表示为

rs(n)=hsoi(n)*xtx(n)+hsi(n)

*ytx(n-Δt)+w(n)

(3)

n=0，1，…，N-1

(4)

(5)

(6)

式中，xi(n)为去掉干扰失效信号后远端发射信号中存在的第i个正交频分复用信号的第n个有效数据，yi(n-Δt)表示去掉干扰失效信号后，本地发射信号中第i个正交频分复用信号的第n个有效数据，符号⊗表示Nb点的圆周卷积运算符。

在电子通信信号接收信号窗内，有效信号和自干扰信号内包含的有效数据信号部分，都是没有受到符号干扰的状态，通信信号的正交性没有受到干扰破坏，这时对未干扰部分进行快速的傅里叶变换[6]，接收信号的频域表达式为

(7)

式中，Xi(k)和Yi(k)分别表示的是远端发射信号和本地发射信号的频域表达形式，Hsoi(k)和Hsi(k)分别表示远端发射信号和本地发射信号传送到本地信号接收机的实时频域信道响应情况，Wi(k)表示通信信号内包含的加性噪声对应的频域形式。

②当有效传输信号在通信过程中滞后于自干扰信号的状态，保证信号接收机同步接收自干扰信号，去除掉干扰失效信号并进行快速傅里叶变换操作后，此时获得的频域接收信号可表示为

(8)

通过数据计算变换，可以获得重建自干扰信号和频域抵消形态，通信信道经过均衡后有利于信号的恢复。

2)当有效信号与自干扰信号之间处于异步传输状态时：

在该状态下，无论如何放置通信信号的接收窗，都无法完全保证通信过程中，有效信号和自干扰信号的子载波保持正交性，为了能够更好地保持信号接收机和有效通信信号之间同步，此时第i个接收块之内第n个通信采样点为

n=1，2，…，N-1

(9)

(10)

(11)

西洋哲学-心理学。讲师为外山正一。以达尔文(译者注：Charles Robert Darwin)、斯宾塞、弥尔(译者注：John Stuart Mill)等著作为教科书。

3 通信信号干扰模型构建

构建干扰模型时，加入相应比例的梳状谱、扫频和双频带扫频三种干扰模式，每种频率的干扰信号在20个回合后随机切换[8]。

在这种情况下，频率扫描信号干扰器是从一个频率高的信号开始按顺序进行干扰，该干扰信号生成的固定带宽和它所指派的相应干扰功率[9，10]分别用Bk、Pj表示；梳状频段干扰信号是由干扰机在每一轮中，随机选取一定数目mj的干扰频谱组成的梳状频谱，各单梳频段的频带为1MHz，在一定频带范围内可分配的干扰功率为Pj/mj；双波段扫描干扰信号包括两种不同波段的干扰信号，其中，各干扰信号所产生的干扰功率Pj/2为固定的带宽。

设置第二类干扰模型时，设定侦查式干扰信号和随机经验干扰信号两种，在该种模型下这两种干扰信号的随机改变频率保持在100回合一次。

建立信号模拟干扰信号模型后，为了更好地实现多径电子通信信号的抗干扰，需要实现信号干扰因素的检测，本文根据通信信道内现有的频率数量，利用带通滤波器对通信信号进行滤波，可以获得各个不同频率上对应的信号功率pn，构建通信信号的检测模型

(12)

以上为通信过程中的三种信号情况，其中，y[u]表示某个随机频率上对应的通信信号，暂时不考虑周围通信环境噪声，y[u]=0表示无通信信号的情况，y[u]=s[u]表示通信过程中只包含正常的通信信号，y[u]=s[u]+g[u]表示其中包含正常通信信号s[u]和干扰信号g[u]。

此时通过函数计算每个频率上对应的信号能量D(y)

(13)

对信号能量设置频率门限值λ从而实现能量程度的判断，若信号能量值高于λ，则判定所处频率上的信号符合干扰信号检测模型H3，通信信号中存在干扰信号；否则即为H1或H2两种情况其一，实际为不含有干扰信号的情况。

4 通信信号低复杂度抗干扰实现

针对复杂环境下多径电子通信信号传输过程中遇到的信号干扰，本文通过拉格朗日函数[11]计算并降低干扰信号复杂度，在给定多径信号辐射相位θ的基础上，通过注销功率有效对抗通信信号干扰功率，大幅度提高信号对干扰项的容忍限度，该优化问题所对应的解决方法如下

(14)

为了有效降低信号传输过程的复杂度，将式(14)展开优化得到

(15)

利用拉格朗日函数将式(15)转换后得到

(16)

式中，η≥0表示拉格朗日函数运算系数，此时式(14)中是包含对偶问题的

(17)

(18)

5 仿真研究

为了全面验证本文研究的电子通信信号抗干扰方法的性能，对本文方法、分段卷积干扰抑制法和直达波抑制法进行对比分析。

5.1 实验条件设置

设置实验中的通信采样率为15MHz，信号中频为4.427MHz，电子通信信号的多普勒频率为2.2kHz，设定信号循环传输频率捕获估计时长为1ms，使用12dB的强干扰对通信信号进行相应的人工干扰，干扰类型分别为上文提到的梳状谱、扫频和双频带扫频三种干扰模式，表1为具体的实验参数。

表1 实验参数设置

在上述参数设置的条件下，将不同干扰模式下的通信信号输入至MATLAB仿真软件中，通过该软件输出信号抗干扰效果图。

5.2 结果分析

对比三种方法的电子通信信号捕获率，实验结果如图1所示。

从图1中可以看出，相较于分段卷积干扰抑制法和直达波抑制法而言，本文方法抗干扰处理后有效地去除了信号中的强干扰因素，能够大幅度提高信号接收机对处理后信号的捕获概率，当通信信号信噪比小于-22dB的情况下，可以看出通过分段卷积干扰抑制法和直达波抑制法滤波后，信号很难被信号接收机捕获，而经过本文方法实行干扰信号滤波后，通信信号的捕获率达到95%以上。从信号捕获情况方面来看，本文方法优于分段卷积干扰抑制法和直达波抑制法。

图1 三种方法的信号捕获概率

电子通信信号成功被捕获后，随即进入到信号的跟踪阶段，目的是获取信号传输伪距离以及电子通信调节数据。利用分段卷积干扰抑制法、直达波抑制法和本文方法分别对通信信号进行抗干扰处理，对滤波后的通信信号进行对应的码环跟踪，对比三种方法的性能。实验中设置码环早相关器和迟相关器之间的间距均值为0.1码片，对实验得到的码环环路跟踪误差通过幅值相减的方法实行归一化处理，最终实验结果如图2所示。

根据图2可知，当通信信号信噪比处于-13dB时，在对通信信号的跟踪精度方面，直达波抑制法整体的信号跟踪误差相较于分段卷积干扰抑制法和本文方法更大，直达波抑制法对通信信号的跟踪误差RMSE维持在7.5m，经过分段卷积干扰抑制法滤波后的信号跟踪误差RMSE约为6.3m，本文方法对通信信号进行抗干扰训练后，信号的跟踪误差基本维持在2m，对比来看本文方法下的信号跟踪精度相对更高。