2011年第1期 通 信 对 抗 No.1 2011 总第113期 C0MMUNICAT10N C0 Sum.113 多音干扰信号对直扩通信系统伪码 捕获过程的干扰效果分析 吴皓 ,黄知涛 ,王岩。,周一宇 (1.国防科技大学电子科学与工程学院,湖南长沙410073;2.北京信息高技术研究所,北京100085) 摘要:传统的对直扩通信系统干扰样式分析一般认为多音干扰能量分散,干扰效果不如单音干扰 理想。从组成多音干扰的每一个单音干扰分量入手,分析其干扰效果,进而得到多音干扰的总体干扰效 果。仿真结果表明:在有用信号频率无法准确侦察的情况下,多音干扰能够有效提扰范围,干扰效果 较好;在确定多音干扰频率分布时,应该充分考虑有用信号频率的分布,做到在其频率范围内的任意有用 信号都有一个或者多个单音干扰分量能够对其有效干扰;在确定多音干扰的功率分配时,应该充分考虑有 用信号频率的概率分布,对于干扰有用信号频率出现概率较大区域的单音干扰分量,其功率也应该较大。 关键词:多音干扰;二维捕获;捕获概率;干信比 Research on DSSS Receiver PN Code Acquisition Performance under Multiple Tone Interfering Signals wu Hao ,HUANG Zhi—tao ,WANG Yan ,ZHOU Yi—yu (J.College ofElectronic Science andEngineering,National University ofDefeElse Technology,Changsha Hunan 410073,China;2.BeijingInformation Technoloyg Research Institute,Beijing 100085,China) Abstract:It is believed that multiple tone interfering signal to the DSSS PN code acquisition is less effec— tive than single tone interfering signal because the interfering energy is dispersive.This paper firsdy analyses ev— ery single tone interfering signal of multiple tone interfering signal,than get the interfering effect of multiple tone interfering signa1.Simulation results are presented to show that multiple tone interfering signal is more el- fective when the frequency can be scouted exactly.Frequency distribution of the mulitple tone interfering signal depends on the frequency distribution of the target signal,insuring that every target signal in the frequency range Can be interfered by at least one single tone interfering signa1.Power allocation also depends on the fre— quency distribution of the target signa1.Power of single tone component of the mulitple tone interfering signal should be in proportion to the probability of the target signa1. Keywords:multiple tone intefrering singals;planar acquisition;detection probability;JSR 1引言 等优点,直扩通信系统得到了广泛的应用…1。在直扩通 信系统的接收端,扩频码同步分为两部分:捕获和跟踪。 由于抗干扰能力强、保密性好和具有良好的多址性 捕获性能的优劣直接影响到后续的伪码跟踪、解扩和载 收稿El期:2010—11-30 总第113期 吴皓,等:多音干扰信号对直扩通信系统伪码捕获过程的干扰效果分析 ・15・ 波同步等环节,进而影响直扩通信系统的总体性能。 现有的对多音干扰的分析主要存在以下两方面不 足:首先,认为多音干扰能量分散在不同的频点,对直扩 系统干扰效果不好,研究集中在多音干扰对跳频通信系 统的影响上 ,对直扩系统的于扰效果分析较少。第二 为成功捕获。最后,如果捕获成功,则根据最大值所在 的下变频通道确定信号频率,确定频率后,根据最大 相关值在该通道自相关序列中的位置确定伪码的相 位;如果捕获失败,则继续输入下一段接收信号,重复 以上操作。 个不足是,将多音干扰当作噪声信号进行分析 3,仅考 虑多音干扰信号的能量,对其频率分布、能量分配研究 较少。 3多音干扰对捕获过程的干扰效果分析 本节首先分别推导有用信号、多音干扰信号与本地 针对已有方法的不足,本文首先建立高效的伪码捕 获模型,然后结合捕获模型分析多音干扰对于捕获过程 的影响,并进行充分的仿真验证,最后得出结论。 2基于FFT—IFFT的二维搜索伪码捕获方法 常规的捕获方法不适合在大多普勒频移情况下进 行伪码捕获。如果在捕获之前首先进行频率的估计则体 现不出扩频增益对干扰的抑制作用,所以使用频率和码 相位二维同步捕获的方法捕获效果更佳。 假设r(t)=ac(t—t0) 删删+n(£)为系统接收信号,n( )为 加性白噪声,c( 0)为伪随机序列,取值±1,t。为伪随机 序列相位,a为有用信号幅度 为有用信号初始频率 为多普勒频偏, 为有用信号初始相位。 二维相关捕获的原理如下。 垒』r(t)c (t-r)e d = 』[ 0一f0) 蜘砌 +n0)]c (£一r)e42 ̄dt= (1) fap(t—to)C (f一,r)#12#o ̄+-2t ̄dt+』n )c 一 )e d (厂,r)t取最大值时的 ,r即为频率、码相位的捕 获结果。 由于捕获过程不需要精确获知厂,r的值,只需在 (厂, r)的定义域内以一定的间隔Af、Ar搜索最大值, △I厂、△J『满足后续跟踪环节的精度要求即可。 最 大 值 是 否 大 干 门 限 图1基于FFT-IFFT的二维相关捕获买现方法 二维相关捕获原理的一种近似实现方法[ 姗图1 所示。接收信号首先经过不同频率的本地信号下变频 后,再与本地伪码作相关(为了降低计算量,减少捕获时 间,此处采用FFT—IF丌的方法实现相关运算) 然后将 相关输出的最大值与设定门限比较,如果超过门限则认 伪随机码的相关输出,然后比较推导结果,最后得出有 用结论。 3.1有用信号与本地伪随机码的相关输出 设。为有用信号幅度, 为有用信号相位,c(i告I+1) 为长度N的m序列,取值±1, In l表示向下取整,过采 样率为P,当本地信号频率和码相位都与有用信号相同 时,有用信号经过下变频后与本地伪随机码的相关输出 最大,为: 州 )}l=f 喇l ly ̄l= 『1+1) 一i删- 其中acos 为有用信号经过下变频和采样后的结果。 由(2)式可以得到: X,/lylsl2+lyqsl2=laN/ ̄ (3) 3.2多音干扰信号与本地伪随机码的相关输出 令 为多音干扰信号包含单音个数,A 、ws、咖 分别 为多音干扰单音分量的幅度、角频率和相位。则多音干 扰信号可以写成如下形式【6J: ,( = A,cos + (4) I路多音干扰信号与本地伪随机码相关输出如下: Y1]K- ̄-割EI l 萋Ajcos (2 卅 ))】jc(【[ 讣1]+1)}㈦ } (5 其中∑A产。s(21T乒n+如)为多音干扰经过下变频和采 样后的结果 为干扰信号与本地信号的频差 为采样 频率。 多音干扰信号可以分解成若干个单音干扰分量之 和。下面分析多音干扰中单个音频信号与本地伪随机码 的输出,然后综合考虑所有的单音分量与本地伪随机码 的输出,进而分析多音干扰的干扰效果。 ・l6・ 通 信 对 抗 2011年第1期 : (A,c。s(2丌旁n+由)c([ 1+1)} c6 令 =21T4,代入(6)式可得: Jj sin l 。 ‘ , = n= L0 fA ,c。s 肼 c(、[L ]‘ J + )f}』 (7) ., )= ) 由文献[8】可知: 学— s’、in_nma3.f_ ̄r) :ⅣP-n2 ly,Jl= J ×c f ) si 堕\ 』V,』) 知 n4 其中., ),C )分别为cos n+ ,c(n)的/v.P点DFI' —竽 一 ,si。、n /'1"3"/7")J 五: L 一1 P丕 I |j}≤等(9) sin[ )斋】 ¨ e + : c 咖 0 sia/ 』 ff-- 均 乏盘! j e , )+ sin + .』 仃 1 鼬“l 』 1 为信息速率 整数倍的情况 湘 m sin【( )斋J 孵 )+(一 )= 一一将(11)式代人(8)式司以得到: sinIl\ f 一1 1/ V— I J In4 f c(ⅣP_ c㈣l=(12) IA,IRe[e4CJC(L)】 fRefe册 in ) [ C(NP- n ̄+ 只需将咖 奶+ 代替(11)式中的咖,同理可以推 导出Q路的输出为: sin[ ,) … 】) J=IAJIIm[e-J ̄C(L)] (1 3) 只需将咖 =咖+手代蕾(16)式中的 ,同理可以推导 通过(12)式、(13)式可以得到: 、/1 = C(L)I (14) 当 较小时,{sin c( )} l,将(9)式代人(14)式 NP l h ( 仃娃 + 可得: 尸 ) sin 一尚 )斋 (【8) 2j7;为信息速率 非整数倍的情况 设 (n2十 ,其中n 为自然数n3 xn4为互质的 一…NP in 【 + 自然数。此时flO)式可以写成如下形式: 总第113期 吴皓,等:多音干扰信号对直扩通信系统伪码捕获过程的干扰效果分析 .17・ sin 一 )斋】J 1XX/—/ llyyd2zd %+—llyyQ正osJl ̄2<1I — ai nX/N ̄P I(、 28) 下面分析、 的取值情况。 4 ={、 rt2+rⅢt .3 ̄ ,, 且n=0 当n2较小时(不为0),根据(9)式,可以近似得到: 由(3)式、(25)式可以得到: IC(n ̄)l—IC(n2+1)l 、/ P (20) X/—yzsl2—+lya d2<I— 设C(n2)=、/ P ,c(, +1)=、/ 1一尸 ,其中0l, X/—lylf+—lyd2 I A 、/Ⅳ+1 P Il (29) 为卜7r,仃]上的均匀分布。代入(1 9)式可以得到: 从(26)~(29)式可以得到如下结论:当单音干扰分 量频率与有用信号频率相差较接近的非零信息速率整 一= + (21) 数倍时,干扰效果最好。 一多音干扰是由若干个单音干扰分量组成的,多音干 NP In, )Jy 商 丽 碥巍 扰的总体效果并不是单音干扰效果的简单叠加,而是和 令 一 ,则0为【一27r,27r]上的均匀分布,可以推 所采取的判决方法有关。如果采取噪声(含干扰信号)归 一出当堕∈(0,1)时,有: 化的最大值过门限检测,那么多音干扰总体干扰效果 主要是和若干单音干扰分量能量之和有关;如果采取有 mean(N/lyz ̄2+lyQ,J2一)<L4 、/^r+1 P (22) 用信号、噪声(含干扰)与本地伪随机序列最大相关值之 当n2=O,根据(9)式,可以得到: 比过门限检测,多音干扰总体干扰效果主要受单音干扰 IC(nz)l=P,IC(na+1)l=、/ P (23) 能量中干扰效果最理想的一个影响。本文采取后一种判 同理可以推导出: 决方法。 fsirI( (24) 如果有用信号频率侦察准确,多音干扰的效果往往 = 不如单音干扰,因为单音干扰可以选取合适的干扰频 \./[二二[[siI1 (斋)=二——=—二[二—=二二 互二 ] )’ 率,使得最多的干扰能量经过与本地伪码的相关输出。 n 一・)斋1 sin 斋)siII【 一t)斋】 而多音干扰将能量分配到不同的频点上,总干扰能量无 法达到最优输出。这正是多音干扰在直扩系统中采用较 比较(21)式、(24)式容易得到当 ∈(O,1)时,有: 少的原因。 man{ fsirI【 ) 丽 摹 }< 但是如果有用信号频率无法准确侦察,此时如果采 用单音干扰,可能出现如下两种情况:干扰信号与有用 5 信号频差小于一倍信息速率、干扰信号与有用信号频差 一{ 佩 】<较大,此时可以采用合适的多音干扰。对于多音干扰信 lA』、,耵P 号频率的分布应该做到如下原则:把干扰信号与有用信 3.3有用信号、单音干扰分量与本地伪随机码相关输 号频差小于一倍信息速率和干扰信号与有用信号频率 出的关系 频差较大的区域叫作A区,两区之间的区域叫作B区, 那么对于任意频率位置的有用信号,都至少有一个单音 1 为 非零整数倍 干扰分量位于B区。而对于干扰信号能量的分布则应 Eh(3)式、(15)式可以得到: 该结合有用信号频率分布概率,对于干扰有用信号出现 堙X/l— y L ̄%—lyqf I=I A 、/Ⅳ+1 P lI (26)概率较大区域的单音干扰分量,其能量分配也应该较 大。 2)35=0 由(3)式、(15)式可以得到: 4仿真结果比较 焉 aNP (27)二 3 (n2+n3 ̄fb,且n≠0 fo=510kH ,信息速率 :1kH ,采样频率 :8160kH ,伪 由(3)式、(22)式可以得到: 随机码采用255位长度的m序列。多音干扰总能量一 ・l8・ 通 信 对 抗 2011年第1期 定,多音干扰频率个数分别N=2,N=3,N=4,频率在 定频率的有用信号,单音干扰无法达到很好干扰效果的 情况。多音干扰频率分布的选取应该做到,无论有用信 505—515kHz范围内等间隔分布。下面给出不同有用信 号频率下,不同音频个数的仿真结果,并进行理论分析。 号频率位于其频率范围内的任意位置,都有一个或几个 当有用信号频率为510kHz时,仿真结果如图2所示。 图3多音、单音干扰效果比较(有用信号频率为512.5kHz) 从图2可以看出,在能够准确侦察有用信号频率 时,采用单音干扰策略,选取最佳的单音干扰频率,使得 干扰信号能量最大限度地作用到捕获过程,此时干扰效 果较理想。而如果采取多音干扰的方式,无法做到每个 单音干扰分量都最大程度作用到捕获过程,在采取多音 干扰时,干扰效果和每个单音干扰分量的功率和频率位 置有关,在有用信号频率为510kHz,N=2,N=3,N=4时,每 个单音干扰分量的功率较之频率分布的差异对干扰效果 影响更大,单音个数反比于每个单音干扰分量的功率,所 以此时多音干扰中音频个数越多,干扰效果越差。 如果无法准确侦察有用信号频率,假设有用信号频 率变成512.5kHz,而干扰环境与有用信号频率为 510kHz时完全一致,从图3可以看出,此时单音干扰效 果不如多音干扰。多音干扰中音频个数对干扰效果影响 不大,这是由每个单音干扰分量的功率和频率位置共同 作用的结果。 5结束语 多音干扰虽然较之单音干扰能量分散到不同的频 点上,但是在有用信号频率无法准确侦察时,使用多音 的干扰方式可以有效地提扰覆盖范围,避免针对特 单音干扰分量能够有效干扰到有用信号;多音干扰的功 率分配应该充分考虑有用信号频率的概率分布,对于干 扰有用信号频率出现概率较大区域的单音干扰分量,其 干扰信号功率应该适当较大。本文的结论对于如何选取 直扩系统最佳多音干扰样式有一定的借鉴意义。 参考文献 【1] z in Zhao,Zheng Sun,Fei Mei.A Threshold Detection Method of DSSS signal Based on STFT【q//IEEE Inter— nafion ̄Symposium 011 Microwave,Antenna,Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications Proceedings,2005:879—862. 【2】 陈智,李少谦,董彬虹.差分跳频通信系统抗多音干扰的 性能分析Ⅱ】_信号处理,2007,23(2):184—187. 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