崔佩璋，全厚德，张世杰

（军械工程学院，河北 石家庄 050003）

跳频组网同频干扰消除方法研究

崔佩璋，全厚德，张世杰

（军械工程学院，河北 石家庄 050003）

为提高跳频组网效率，提出一种基于碰撞跳频码已知的同频干扰消除方案。在分析跳频组网同频干扰对跳频通信影响的基础上，采用在碰撞跳频码调制空码元的方式，避免频点碰撞，消除同频干扰，并对该方案应用于快跳系统时，进行优化以降低信息传输时延。结果表明：该方案能够有效消除跳频码碰撞引起的同频干扰，降低信息误码率，并通过合理的参数设置，可以较好地平衡快跳系统信息传输的有效性和可靠性。

跳频组网；频率碰撞；同频干扰；快跳系统

0 引 言

跳频组网是以正交的跳频图案作为多址手段的跳频多址通信方式。在跳频通信过程中，由于选取的跳频码非正交和信息时延等因素，多个跳频网可能在同一时间使用相同的频率，产生同频干扰。同频干扰会影响接收机对信号的正确接收，增加信息误码，限制组网用户容量的扩展。传统降低同频干扰的主要方法有：增加跳频频点[1]，设计相关性较好的跳频序列[2-4]降低同频干扰概率；采用频率滤波技术，降低由发射信号中的谐波及杂波引起的同频干扰[5]；采用自适应对消技术抑制共址收发天线间的耦合干扰[6]等，这些措施均有效的降低了同频干扰的影响，但未完全消除。本文在碰撞跳频码已知的情况下，采用在碰撞频点上传输空码元的方式避免频率碰撞，消除多用户同频干扰，确保信息可靠传输。

1 同频干扰对跳频通信的影响

在完成频分组网的基础上，所有跳频网络使用相同的跳频频表，每个跳频网分配有不同的跳频序列，跳频网内部采用时分方式多址通信，即同一时刻只存在一个发射机传输数据信息。各个跳频网使用独立时钟（异步组网）或统一时钟（同步组网）控制跳频序列生成不同的跳频图案，实现码分多址通信，由于各网所使用的跳频序列并非完全正交，在某些跳变频点上将发生频率碰撞。

跳频通信通常采用MFSK数字调制时，发射机产生的二进制数据流完成编码后，码元信息可表示为（0，1，…，M-1）中的一个，且服从离散、无记忆分布。多跳频网同时工作时，由于跳频序列的非正交性，传输过程中将在部分频点上产生同频干扰，相对于参考跳频网而言，干扰码元为M个码元符号中的任意一个或多个。假设接收机接收的各跳频网信号能量相同，当n（n≥2）个跳频网在该频点发生同频干扰时，则接收机在该频点正确解调接收码元信息的概率可近似为

可见，同频干扰将严重影响碰撞频点上码元的正确解调接收，使信息误码率增加。

独立碰撞模型在工程计算中应用较广泛[7]，下面应用该模型描述跳频组网网间同频干扰问题（为方便网络干扰的研究，现不考虑左、右碰撞问题）。设定u个跳频网同时工作，网络使用相同的跳频频率表，频率表有q个跳频频率。参考网络的某个跳频码受到同频干扰的概率为

图1给出了在跳频频率个数一定的情况下，同频干扰概率与共址跳频网数量关系曲线。

图1 不同频率个数时同频干扰概率

由图1可知，跳频频率数一定时，随着网络数量的增加网间同频干扰逐渐增大，误码率也随之增大。当同频干扰概率达到30%时，其干扰效果相当于阻塞干扰了网络近1/3的频点，这将导致网络无法工作。使用高性能电台，增加电台的跳变频率个数，能够较大程度降低网间同频干扰，扩展组网数量，这需要有较宽的频带支持[8]。

2 同频干扰消除策略

2.1 慢跳系统

根据码元传输速率和跳频速率的关系，跳频系统分为慢跳系统和快跳系统[9]。慢跳系统一个跳频周期传输多个码元，快跳系统多个时隙传输一个码元，大部分跳频系统为慢跳系统。这里先以慢跳系统为例，介绍同频干扰消除方法。

假设任意一个跳频网使用的跳频序列对其他跳频网而言是已知的，即某参考跳频网可以确定其他所有跳频网的跳频序列，因此可以依据跳频序列先验知识，预测本地跳频网发生跳频码碰撞的位置。同步组网时，各网具有统一的时间基准，其跳频技术体制、跳频频率表、跳频图案算法及起跳时刻均相同，在已知其他跳频网初始密钥的情况下，可以很容易得到其跳频序列。而异步组网时，各网之间的起跳时刻、跳频频率表、跳频图案、跳频密钥及跳速等要素没有约束关系，需要在明确较多的跳频网技术参数的情况下，才能得到各网跳频序列，进而得到发生碰撞的位置。

在各网跳频序列已知的情况下，同频干扰消除策略为：参考跳频网计算得到该网将要发生碰撞的跳频码的准确位置，并标记为E。参考跳频网在E频点仅有跳频时隙滞留，而不调制数字信息，没有射频信号输出。因此，经过同频干扰消除处理后，采用MFSK数字调制时，发送端码元符号可表示为（0，1，…，M-1，E），其中E代表空码元。发送端信号调制过程如图2所示。

图2 碰撞频点信号调制过程示意图

图2中，二进制数据信息“011100001011”通过4FSK数字调制后，再由跳频码“74157645”控制完成跳频调制。其中，跳频码“5”和“+”为同频干扰碰撞频点，不调制数字码元，造成信息时延。

接收端通过跳频序列先验信息准确判断E频点位置，在解调信号时，剔除该频点接收的同频干扰信息，还原发送端发送的原始信息。由于跳频网络在碰撞频点上不发送有效信息，没有射频信号输出，仅使用有效跳频码调制信息，因此完成同频干扰消除处理后，解决了同频干扰问题，降低了码元的误判概率；同时，参考跳频网不会对其他跳频网的通信质量造成影响。

慢跳系统采用同频干扰消除方法，解决了网络间的同频干扰问题，增加了信息传输的可靠性，同时每产生一个碰撞跳频码，信号将滞留一个跳频周期，即造成一个跳频周期的传输时延。当碰撞概率较大时，可能会引起较大的信息时延，影响信息有效传输。因此，应在信息时延可接受的范围内，采用该同频干扰消除方法，提高信息传输的可靠性。

2.2 快跳系统

快跳频在每个符号上得到频率分集增益，可以有效对抗多径衰落和部分频带干扰，具有较好的应用前景。快跳系统消除同频干扰的原则大致与慢跳系统相同，即参考网络在发生碰撞的频点滞留一个跳频周期Tc，而不进行码片的调制传输，避免网络间的同频干扰。然而，快跳系统具有频率分集增益优势，可以使用多个跳频码传输一个码元信息，因此可以对碰撞跳频码做进一步优化，减小碰撞跳频码引起的信息传输时延。

快跳系统信号调制过程如图3所示。发射机首先通过串并转换将二进制比特数据转换为Lbit（L= log2M）M进制符号序列，符号持续时间为Ts，MFSK调制器的输出是2L个单音频之一。单个音频又被分成K个码片。在每个码片后，MFSK调制器输出扩展频谱跳转到2k个跳频频带之一。同时，快跳系统中单个音频存在K个码片，即使某n个码片因载波频率碰撞无法正常传输，仍有（K-n）个码片能够有效传输。为了降低信息传输时延，规定K个码片中有效传输的码片个数大于门限值N时（图4（a）中，标有单删除线的跳频码），码元不进行时延传输，即仅传输（K-n）个有效码片实现频率分集。为保证信息可靠传输，只有在K-n≤N时（图4（a）中，标有双删除线的跳频码），才进行码元时延处理，传输空码元E，并使用K个连续无碰撞跳变频率调制传输后续码元的K个码片。接收机根据网络通信协议对接收信号解调，判断有效码片传输次序，剔除同频干扰，仅对每个码元的（K-n）个有效码片频率分集接收，经下变频运算后输出如图3（b）所示[10]。

如图3所示，在快跳频系统的通信过程中，虽然存在同频干扰，但是通过接收双方确定的调制-解调协议，仅使用有效码片解调信息，可以达到消除同频干扰，降低信息传输时延的目的。但发生同频干扰的码元无法实现正常的频率分集增益，在一定程度上降低了码元传输的可靠性。为了平衡信息传输的有效性和可靠性，引入有效传输码片门限值N，N设置较大时，码元的平均频率分集增益较大，可有效对抗多径衰落和外界干扰，同时也增加了码元传输时延，牺牲了信息传输的有效性；N设置较小时，则有相反的结果。实际应用中，应综合考虑平衡关系设置有效码片门限值。

3 性能分析

与慢跳系统相比，经同频干扰消除处理后的快跳系统仅在码元的有效码片个数小于或等于门限值时，延时调制输出码元信号，能够有效降低信息传输时延。将造成码元延时的跳频码视为无效跳频码，其余为有效跳频码。在跳频速率和数据速率固定的前提下，有效跳频码所占比例反映了跳频网同频干扰造成信息传输时延的大小。在共址跳频网数量一定时，有效跳频码所占比例主要与有效码片门限值的设定有关。图4为选取不同的有效码片门限值N时，共址跳频网数量与有效跳频码比例的仿真关系曲线。其中，跳频序列选用截短长度为215的m序列，快跳系统模型（K=4）如图3所示。

图3 快跳系统碰撞频点信号调制过程

图4 不同门限值时快跳系统可用跳频码比例

如图4所示，随着共址跳频网数量的增加，引起的频率碰撞必然增多，进而造成可用跳频码比例下降。同时，有效码片门限值N对跳频网的可用跳频码比例也有影响，因为门限值规定了跳频网使用的最小频率分集增益，为获取更大的频率分集增益，需要弃用更多的碰撞跳频码，使可用跳频码比例下降，同时也会造成信息传输时延增加。图4中N=3时，快跳系统的可用跳频码比例与慢跳频系统相同，所有碰撞跳频码均造成码元延时。

可用跳频码门限值固定时，快跳系统的同频干扰消除能力直接取决于单个音频的码片个数K。在部分码片无法正常传输时，较大的码片个数可以提供更多的频率分集增益和较小的信息时延。码片个数与跳频速率Rc和码元速率Rs有关，表达式为

式中：Rb——比特速率；

M——FSK调制进制数。

由式（3）可知，在比特速率固定的情况下，可以通过提高跳频速率和采用多进制的数字调制方式等措施，以增加单个码元的码片个数，提高频率分集增益。

为分析较大的码片个数对信息时延的优化情况，采用图4相同的快跳系统模型和跳频序列进行仿真。图5为不同码片个数K时，共址跳频网数量与有效跳频码比例的仿真关系曲线。不失一般性，有效码片门限值N=2。

图5 不同码片个数时快跳系统可用跳频码比例

如图5所示，随着码片个数的增多，可用跳频码所占比例逐渐增大，意味着信息时延减小，能够较好的弥补由多跳频网通信造成的可用跳频码比例下降这一不足之处。例如K=6，30个跳频网同时通信时，可用跳频码比例仍可达到97.5%，有效减少了信息时延。图4中参数为K=4，N=3的曲线与图5中参数为K=3，N=2的曲线均表示慢跳频系统下的可用跳频码比例，由于慢跳频系统中所有碰撞跳频码均引起码元时延，为无效跳频码，因此两曲线基本相同。

4 结束语

本文基于跳频网络所使用的跳频序列已知的假设，提出了碰撞频点传输空码元的方式，避免多跳频网频点碰撞，消除同频干扰，降低误码率。同时，针对快跳系统具有频率分集增益的优势，对同频干扰消除方案进行优化，在保证信息低误码传输的基础上，降低了信息时延，平衡了信息传输的有效性和可靠性，为实际跳频组网过程中消除同频干扰提供参考。

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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，山西长治市人，讲师，硕士，研究方向为情报指挥系统与通信设备性能测试。