复杂环境下的DSSS 信号抗均匀频谱干扰研究

刘 芳，李成旺，贡胜男

(沈阳理工大学通信与网络工程中心，沈阳 110159)

相位键控(PSK)调制[1-2]信号作为通信信号的典型代表，已应用到卫星导航[3]、移动通信、电子对抗[4]等系统中，尤其是直接序列扩频系统(DSSS)。 PSK 调制机理是将待传输的信息通过射频调制处理后发射，接收端通过相应的逆处理手段恢复原始信息。 信号在传输过程中，由于受到自然环境及人为因素等复杂环境的扰乱，会对同步环路[5-7]造成一定影响。 为实现数据的正确接收，接收端通常以判断两个信号相似性的运算，即基于快速傅里叶变换(FFT)的相关运算为核心，建立同步处理以解决未知条件下的干扰及噪声影响问题。

由于PSK 调制信号频谱呈现包络形式，其信号带宽与基带信号参数存在紧密关系，且其信号能量较集中，对于信号接收机的同步环而言，复杂环境下信号的抗干扰能力不强。 信号频谱具有均匀特性的信号，对其同步环路的影响更为显著。 因此，本文从频谱分布、中心频点偏移等多角度，分析均匀频谱信号对PSK 信号的同步环路影响，为通信系统接收机的抗干扰研究[8-9]提供技术基础。

1 均匀频谱信号

锯齿波[10-12]调频属于线性调频[13]，在调频指数远大于1 的条件下，已调制信号的功率谱密度与调制信号的概率密度之间存在线性关系。 锯齿波信号VS(t)数学表达式为

式中:AS为锯齿波的斜率；u(t)为单位阶跃函数；TS为锯齿波的周期。

锯齿波调频信号SS(t)的数学表达式为

式中:A为信号幅度；ϕ为相位；ω0为频率。锯齿波信号的概率密度函数P(VS)为

由此可见，锯齿波调频信号的功率谱是均匀的。

图1为PSK 通信信号的频谱包络图，图中信号1、信号2、信号3 为均匀频谱信号。

图1 频谱包络图

由图1 可知，PSK 调制信号的频谱为包络形式，信号1、信号2、信号3 所对应的均匀频谱信号带宽、频点、能量有所不同，对PSK 信号的影响也不同。

2 同步环路模型

通信信号接收机接收环节为同步环路，且通常采用以FFT 为核心的相关运算提高处理效率。因此，以同步处理为核心，研究复杂环境下PSK调制信号的抗均匀频谱，通过同步处理的门限判决分析抗干扰的能力，典型的有效同步环路流程如图2 所示。

图2 同步环路处理流程

图3 不同B 条件下的测试结果(1)(Δf ＝0 MHz)

步骤1通过参数配置对同步环路降频、采样、滤波等参数进行设置。

步骤2接收PSK 信号及可能进入天线的均匀频谱信号。

步骤3对混合信号进行前端数据处理，包括降频处理、滤波处理等。

步骤4利用同向及正交的载波相位参数，对混合信号进行I、Q 分路，分为I 支路和Q 支路。

步骤5产生本地基带信号，并依据相应参数进行截短处理，使其与接收信号的数据处理量相同。

步骤6截短后的本地数据进行FFT 运算。

步骤7I 支路和Q 支路的接收信号分别进行FFT 运算，并进行共轭处理。

步骤8步骤4 和步骤5 的运算结果分别进行复数乘法运算，然后进行快速傅里叶逆变换(IFFT)运算及绝对值运算。

步骤9分别计算I 支路和Q 之路的比例峰值，即最大峰值与平均峰值的比例，并通过峰值比较得到最大的比例峰值。

步骤10利用最大比例峰值进行相关门限判决，如果成功则进入下一步，否则重新接收信号。

步骤11利用最大比例峰值进行同步门限判决，如果成功则输出结果，否则重新接收信号。如图4 所示。

图4 不同Δf 条件下的测试结果(B ＝5 MHz)

3 影响测试及结果分析

基于仿真平台，通过不同带宽、不同频偏参数，配置均匀频谱信号，并对PSK 信号的同步环路进行影响测试。

1)测试一

输入参数:PSK 信号带宽为10 MHz，测试均匀频谱信号的带宽B分别为3 MHz、4 MHz、5 MHz、6 MHz、7 MHz、8 MHz、9 MHz、10 MHz，即均匀频谱信号占PSK 信号带宽比分别为30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%，且与PSK 信号的中心频偏Δf分别为0 MHz、1 MHz、2 MHz、3 MHz、4 MHz、5 MHz、6 MHz、7 MHz。在Δf＝0 MHz、不同B条件下的测试结果如图3所示。 在B＝5 MHz、不同Δf条件下的测试结果

不同Δf，且不同B条件下的测试结果如表1所示。

表1 不同条件下的测试结果(1)dB

由表1 可见，在Δf小于3 MHz 时，随着B的增大，所需的干信比增大；而在Δf大于3 MHz时，随着B的增大，所需的干信比减小。 表明均匀频谱信号的带宽、能量随着Δf的变化而动态变化。

2)测试二

输入参数:PSK 信号带宽为10 MHz，测试均匀频谱信号的带宽B分别为6 MHz、10 MHz、13 MHz、16 MHz、19 MHz、22 MHz、26 MHz、30 MHz，且与PSK 信号的中心频偏Δf分别为0 MHz、2 MHz、4 MHz、6 MHz、8 MHz、10 MHz、12 MHz、14 MHz、16 MHz。 在Δf＝0 MHz、不同B条件下的测试结果如图5 所示。

图5 不同B 条件下的测试结果(2)(Δf ＝0 MHz)

在B＝15 MHz、不同Δf条件下的测试结果如图6 所示。

图6 不同Δf 条件下的测试结果(B ＝15 MHz)

不同Δf、不同B条件下的测试结果如表2所示。

表2 不同条件下的测试结果(2)dB

由表2 可见，在Δf小于8 MHz 时，随着B的增大，所需的干信比增大；在Δf大于8 MHz 时，随着B的增大，所需的干信比减小。 表明均匀频谱信号的带宽、能量随着Δf的变化而动态变化。

通过上述的统计分析表明，当Δf与PSK 信号带宽的比值小于30%条件下，随着B的增大，所需的均匀频谱信号能量增大；而当Δf与PSK 信号带宽的比值大于30%条件下，随着B的增大，所需的均匀频谱信号能量减小。 因此，不同条件下，可按需配置满足用户需要的参数，从而达到最佳抗干扰的目的。

4 结论

考虑到具有均匀频谱特性信号对PSK 调制信号的同步环路影响较为显著，从频谱分布、中心频点偏移等多角度出发，分析均匀频谱信号对PSK 信号的同步环路影响。 通过统计分析表明，当Δf与PSK 信号带宽的比值小于30%条件下，随着B的增大，所需的均匀频谱信号能量增大；而当Δf与PSK 信号带宽的比值大于30%条件下，随着B的增大，所需的均匀频谱信号能量减小。