跳頻組網同頻干擾消除方法研究

崔佩璋，全厚德，張世杰

（軍械工程學院，河北 石家莊 050003）

跳頻組網同頻干擾消除方法研究

崔佩璋，全厚德，張世杰

（軍械工程學院，河北 石家莊 050003）

為提高跳頻組網效率，提出一種基于碰撞跳頻碼已知的同頻干擾消除方案。在分析跳頻組網同頻干擾對跳頻通信影響的基礎上，采用在碰撞跳頻碼調制空碼元的方式，避免頻點碰撞，消除同頻干擾，并對該方案應用于快跳系統時，進行優化以降低信息傳輸時延。結果表明：該方案能夠有效消除跳頻碼碰撞引起的同頻干擾，降低信息誤碼率，并通過合理的參數設置，可以較好地平衡快跳系統信息傳輸的有效性和可靠性。

跳頻組網；頻率碰撞；同頻干擾；快跳系統

0 引 言

跳頻組網是以正交的跳頻圖案作為多址手段的跳頻多址通信方式。在跳頻通信過程中，由于選取的跳頻碼非正交和信息時延等因素，多個跳頻網可能在同一時間使用相同的頻率，產生同頻干擾。同頻干擾會影響接收機對信號的正確接收，增加信息誤碼，限制組網用戶容量的擴展。傳統降低同頻干擾的主要方法有：增加跳頻頻點[1]，設計相關性較好的跳頻序列[2-4]降低同頻干擾概率；采用頻率濾波技術，降低由發射信號中的諧波及雜波引起的同頻干擾[5]；采用自適應對消技術抑制共址收發天線間的耦合干擾[6]等，這些措施均有效的降低了同頻干擾的影響，但未完全消除。本文在碰撞跳頻碼已知的情況下，采用在碰撞頻點上傳輸空碼元的方式避免頻率碰撞，消除多用戶同頻干擾，確保信息可靠傳輸。

1 同頻干擾對跳頻通信的影響

在完成頻分組網的基礎上，所有跳頻網絡使用相同的跳頻頻表，每個跳頻網分配有不同的跳頻序列，跳頻網內部采用時分方式多址通信，即同一時刻只存在一個發射機傳輸數據信息。各個跳頻網使用獨立時鐘（異步組網）或統一時鐘（同步組網）控制跳頻序列生成不同的跳頻圖案，實現碼分多址通信，由于各網所使用的跳頻序列并非完全正交，在某些跳變頻點上將發生頻率碰撞。

跳頻通信通常采用MFSK數字調制時，發射機產生的二進制數據流完成編碼后，碼元信息可表示為（0，1，…，M-1）中的一個，且服從離散、無記憶分布。多跳頻網同時工作時，由于跳頻序列的非正交性，傳輸過程中將在部分頻點上產生同頻干擾，相對于參考跳頻網而言，干擾碼元為M個碼元符號中的任意一個或多個。假設接收機接收的各跳頻網信號能量相同，當n（n≥2）個跳頻網在該頻點發生同頻干擾時，則接收機在該頻點正確解調接收碼元信息的概率可近似為

可見，同頻干擾將嚴重影響碰撞頻點上碼元的正確解調接收，使信息誤碼率增加。

獨立碰撞模型在工程計算中應用較廣泛[7]，下面應用該模型描述跳頻組網網間同頻干擾問題（為方便網絡干擾的研究，現不考慮左、右碰撞問題）。設定u個跳頻網同時工作，網絡使用相同的跳頻頻率表，頻率表有q個跳頻頻率。參考網絡的某個跳頻碼受到同頻干擾的概率為

圖1給出了在跳頻頻率個數一定的情況下，同頻干擾概率與共址跳頻網數量關系曲線。

圖1 不同頻率個數時同頻干擾概率

由圖1可知，跳頻頻率數一定時，隨著網絡數量的增加網間同頻干擾逐漸增大，誤碼率也隨之增大。當同頻干擾概率達到30%時，其干擾效果相當于阻塞干擾了網絡近1/3的頻點，這將導致網絡無法工作。使用高性能電臺，增加電臺的跳變頻率個數，能夠較大程度降低網間同頻干擾，擴展組網數量，這需要有較寬的頻帶支持[8]。

2 同頻干擾消除策略

2.1 慢跳系統

根據碼元傳輸速率和跳頻速率的關系，跳頻系統分為慢跳系統和快跳系統[9]。慢跳系統一個跳頻周期傳輸多個碼元，快跳系統多個時隙傳輸一個碼元，大部分跳頻系統為慢跳系統。這里先以慢跳系統為例，介紹同頻干擾消除方法。

假設任意一個跳頻網使用的跳頻序列對其他跳頻網而言是已知的，即某參考跳頻網可以確定其他所有跳頻網的跳頻序列，因此可以依據跳頻序列先驗知識，預測本地跳頻網發生跳頻碼碰撞的位置。同步組網時，各網具有統一的時間基準，其跳頻技術體制、跳頻頻率表、跳頻圖案算法及起跳時刻均相同，在已知其他跳頻網初始密鑰的情況下，可以很容易得到其跳頻序列。而異步組網時，各網之間的起跳時刻、跳頻頻率表、跳頻圖案、跳頻密鑰及跳速等要素沒有約束關系，需要在明確較多的跳頻網技術參數的情況下，才能得到各網跳頻序列，進而得到發生碰撞的位置。

在各網跳頻序列已知的情況下，同頻干擾消除策略為：參考跳頻網計算得到該網將要發生碰撞的跳頻碼的準確位置，并標記為E。參考跳頻網在E頻點僅有跳頻時隙滯留，而不調制數字信息，沒有射頻信號輸出。因此，經過同頻干擾消除處理后，采用MFSK數字調制時，發送端碼元符號可表示為（0，1，…，M-1，E），其中E代表空碼元。發送端信號調制過程如圖2所示。

圖2 碰撞頻點信號調制過程示意圖

圖2中，二進制數據信息“011100001011”通過4FSK數字調制后，再由跳頻碼“74157645”控制完成跳頻調制。其中，跳頻碼“5”和“+”為同頻干擾碰撞頻點，不調制數字碼元，造成信息時延。

接收端通過跳頻序列先驗信息準確判斷E頻點位置，在解調信號時，剔除該頻點接收的同頻干擾信息，還原發送端發送的原始信息。由于跳頻網絡在碰撞頻點上不發送有效信息，沒有射頻信號輸出，僅使用有效跳頻碼調制信息，因此完成同頻干擾消除處理后，解決了同頻干擾問題，降低了碼元的誤判概率；同時，參考跳頻網不會對其他跳頻網的通信質量造成影響。

慢跳系統采用同頻干擾消除方法，解決了網絡間的同頻干擾問題，增加了信息傳輸的可靠性，同時每產生一個碰撞跳頻碼，信號將滯留一個跳頻周期，即造成一個跳頻周期的傳輸時延。當碰撞概率較大時，可能會引起較大的信息時延，影響信息有效傳輸。因此，應在信息時延可接受的范圍內，采用該同頻干擾消除方法，提高信息傳輸的可靠性。

2.2 快跳系統

快跳頻在每個符號上得到頻率分集增益，可以有效對抗多徑衰落和部分頻帶干擾，具有較好的應用前景?？焯到y消除同頻干擾的原則大致與慢跳系統相同，即參考網絡在發生碰撞的頻點滯留一個跳頻周期Tc，而不進行碼片的調制傳輸，避免網絡間的同頻干擾。然而，快跳系統具有頻率分集增益優勢，可以使用多個跳頻碼傳輸一個碼元信息，因此可以對碰撞跳頻碼做進一步優化，減小碰撞跳頻碼引起的信息傳輸時延。

快跳系統信號調制過程如圖3所示。發射機首先通過串并轉換將二進制比特數據轉換為Lbit（L= log2M）M進制符號序列，符號持續時間為Ts，MFSK調制器的輸出是2L個單音頻之一。單個音頻又被分成K個碼片。在每個碼片后，MFSK調制器輸出擴展頻譜跳轉到2k個跳頻頻帶之一。同時，快跳系統中單個音頻存在K個碼片，即使某n個碼片因載波頻率碰撞無法正常傳輸，仍有（K-n）個碼片能夠有效傳輸。為了降低信息傳輸時延，規定K個碼片中有效傳輸的碼片個數大于門限值N時（圖4（a）中，標有單刪除線的跳頻碼），碼元不進行時延傳輸，即僅傳輸（K-n）個有效碼片實現頻率分集。為保證信息可靠傳輸，只有在K-n≤N時（圖4（a）中，標有雙刪除線的跳頻碼），才進行碼元時延處理，傳輸空碼元E，并使用K個連續無碰撞跳變頻率調制傳輸后續碼元的K個碼片。接收機根據網絡通信協議對接收信號解調，判斷有效碼片傳輸次序，剔除同頻干擾，僅對每個碼元的（K-n）個有效碼片頻率分集接收，經下變頻運算后輸出如圖3（b）所示[10]。

如圖3所示，在快跳頻系統的通信過程中，雖然存在同頻干擾，但是通過接收雙方確定的調制-解調協議，僅使用有效碼片解調信息，可以達到消除同頻干擾，降低信息傳輸時延的目的。但發生同頻干擾的碼元無法實現正常的頻率分集增益，在一定程度上降低了碼元傳輸的可靠性。為了平衡信息傳輸的有效性和可靠性，引入有效傳輸碼片門限值N，N設置較大時，碼元的平均頻率分集增益較大，可有效對抗多徑衰落和外界干擾，同時也增加了碼元傳輸時延，犧牲了信息傳輸的有效性；N設置較小時，則有相反的結果。實際應用中，應綜合考慮平衡關系設置有效碼片門限值。

3 性能分析

與慢跳系統相比，經同頻干擾消除處理后的快跳系統僅在碼元的有效碼片個數小于或等于門限值時，延時調制輸出碼元信號，能夠有效降低信息傳輸時延。將造成碼元延時的跳頻碼視為無效跳頻碼，其余為有效跳頻碼。在跳頻速率和數據速率固定的前提下，有效跳頻碼所占比例反映了跳頻網同頻干擾造成信息傳輸時延的大小。在共址跳頻網數量一定時，有效跳頻碼所占比例主要與有效碼片門限值的設定有關。圖4為選取不同的有效碼片門限值N時，共址跳頻網數量與有效跳頻碼比例的仿真關系曲線。其中，跳頻序列選用截短長度為215的m序列，快跳系統模型（K=4）如圖3所示。

圖3 快跳系統碰撞頻點信號調制過程

圖4 不同門限值時快跳系統可用跳頻碼比例

如圖4所示，隨著共址跳頻網數量的增加，引起的頻率碰撞必然增多，進而造成可用跳頻碼比例下降。同時，有效碼片門限值N對跳頻網的可用跳頻碼比例也有影響，因為門限值規定了跳頻網使用的最小頻率分集增益，為獲取更大的頻率分集增益，需要棄用更多的碰撞跳頻碼，使可用跳頻碼比例下降，同時也會造成信息傳輸時延增加。圖4中N=3時，快跳系統的可用跳頻碼比例與慢跳頻系統相同，所有碰撞跳頻碼均造成碼元延時。

可用跳頻碼門限值固定時，快跳系統的同頻干擾消除能力直接取決于單個音頻的碼片個數K。在部分碼片無法正常傳輸時，較大的碼片個數可以提供更多的頻率分集增益和較小的信息時延。碼片個數與跳頻速率Rc和碼元速率Rs有關，表達式為

式中：Rb——比特速率；

M——FSK調制進制數。

由式（3）可知，在比特速率固定的情況下，可以通過提高跳頻速率和采用多進制的數字調制方式等措施，以增加單個碼元的碼片個數，提高頻率分集增益。

為分析較大的碼片個數對信息時延的優化情況，采用圖4相同的快跳系統模型和跳頻序列進行仿真。圖5為不同碼片個數K時，共址跳頻網數量與有效跳頻碼比例的仿真關系曲線。不失一般性，有效碼片門限值N=2。

圖5 不同碼片個數時快跳系統可用跳頻碼比例

如圖5所示，隨著碼片個數的增多，可用跳頻碼所占比例逐漸增大，意味著信息時延減小，能夠較好的彌補由多跳頻網通信造成的可用跳頻碼比例下降這一不足之處。例如K=6，30個跳頻網同時通信時，可用跳頻碼比例仍可達到97.5%，有效減少了信息時延。圖4中參數為K=4，N=3的曲線與圖5中參數為K=3，N=2的曲線均表示慢跳頻系統下的可用跳頻碼比例，由于慢跳頻系統中所有碰撞跳頻碼均引起碼元時延，為無效跳頻碼，因此兩曲線基本相同。

4 結束語

本文基于跳頻網絡所使用的跳頻序列已知的假設，提出了碰撞頻點傳輸空碼元的方式，避免多跳頻網頻點碰撞，消除同頻干擾，降低誤碼率。同時，針對快跳系統具有頻率分集增益的優勢，對同頻干擾消除方案進行優化，在保證信息低誤碼傳輸的基礎上，降低了信息時延，平衡了信息傳輸的有效性和可靠性，為實際跳頻組網過程中消除同頻干擾提供參考。

[1]梅文華，王淑波，邱永紅，等.跳頻通信[M].北京：國防工業出版社，2005:17-19.

[2]汪曉寧，范志平.無碰撞區準同步跳頻通信系統多址干擾性能分析[J].鐵道學報，2008，30（5）：125-128.

[3]張劍，周興建，盧建川.多網跳頻序列設計[J].電訊技術，2012，52（2）：151-154.

[4]陳永軍，吳杰，許華，等.一種新的混沌跳頻序列設計方法[J].電訊技術，2010，50（9）：24-27.

[5]袁小剛，黃國策，郭興陽.航空通信跳頻電臺同址干擾分析與對策[J].船舶電子工程，2009，29（1）：79-82.

[6]Nightingale S J，Sodhi G S，Austin J E，et al.An Eight Channel Interference Cancellation Sys tem[C]∥Proceedings of IEEE Military Communications Conference. CA：IEEE，2006：914-917.

[7]張申如，益曉新，王庭昌.跳頻數字通信網中的用戶干擾性能分析[J].電子與信息學報，2001，23（3）：232-235.

[8]王偉勤.跳頻通信電臺共址干擾及其抑制技術[J].電訊技術，2011，51（7）：178-181.

[9]Chaparro L F.Time-frequency channel modeling and estimation of multi-carrier spread spectrum coummunication systems[J].Journal of The Franklin Institue，2005，342（7）：776-792.

[10]Zhang C，Jiang X Y，Lu J H.Time-frequency hopping sequences with three no hit zones[J].Wireless Networks，2009，15（4）：455-461.

Research on eliminating co-channel interference of frequency-hopping communication network

CUI Pei-zhang，QUAN Hou-de，ZHANG Shi-jie
（Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

To improve the efficiency of frequency-hopping（FH）in the communication network，a scheme for eliminating co-channel interference was proposed based on the known hitting of FH codes.The impact of co-channel interference to FH communication network was analyzed，then frequency hit was avoided and co-channel interference was eliminated by way of modulating empty code on hitting FH codes.The scheme was optimized to reduce transmission delay when it was used in fast FH system.The results show that the scheme can eliminate co-channel interference caused by the hit of FH codes with a lower error rate.Validity and reliability of information transmission are balanced effectively through setting the appropriate parameters in fast FH system.

FH communication networking；frequency hit；co-channel interference；fast FH system

TN914.41；TM930.12；TN973.3；TN911.7

：A

：1674-5124（2014）05-0115-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.05.030

2013-12-04；

：2014-02-25

崔佩璋（1974-），男，山西長治市人，講師，碩士，研究方向為情報指揮系統與通信設備性能測試。