CN101388677A - 基于盲信号分离的通信接收机抗干扰方法及其*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于盲信号分离的通信接收机抗干扰方法及其***，利用正负45度双极化天线模块接收到信号，将两路高频信号转换为中频模拟信号；中频模拟信号通过模数转换和正交变换模块后输出中频数字信号，然后进行数字下变频，抽取，滤波等转换为DSP基带复信号，复信号通过线性盲信号分离算法模块后得到了两路分离后的统计独立信号；对盲分离后的两路估计信号进行自适应均衡处理，抵消信道中的串扰；对两路独立信号利用已知的调制解调方法进行解调，并对两路信号进行分析，提取有用信号。本发明无须使用其他任何参考信号，采用线性盲信号分离算法估计出两路独立分离信号，计算复杂度低，可消除在低信噪比条件下对通信接收机的干扰。

Description

基于盲信号分离的通信接收机抗干扰方法及其***

技术领域

本发明涉及通信技术，具体是一种基于盲信号分离的通信接收机抗干扰方法及其***，通过此技术的应用，可以有效消除干扰、提高通信的质量。

背景技术

盲信号处理最早起源是Colin Cherry提出的著名的鸡尾酒会问题(CPP，cocktail partyproblem)，指的是在嘈杂的环境中，人类具有能够注意并且识别出其中一个声源的非凡能力。而随着盲信号分离技术的最新发展，鸡尾酒会问题有了各种比较好的解决方案。近些年，盲信号处理研究已经成为信号处理领域一个引人注目的热点问题。盲信号分离是盲信号处理的一个重要方面，是指在不知源信号和传输通道的参数的情况下，只由观测到的输出信号来辨识***，以达到对多个信号分离的目的，从而恢复原始信号或信号源。无疑，它能对广泛领域的多信号处理与识别提供很大方便。

盲信号分离是当前信号处理领域中热门的新兴研究方向之一，它具有可靠的理论基础和许多方面的应用潜力。近些年来国际上提出了许多的盲信号分离算法，其中比较著名的有Jade算法，FastICA算法，InfoMax算法以及盲解卷积算法等，其应用领域包括语音信号处理，生物领域信号处理，图像信号处理，通信信号处理等。

随着通信技术的发展，无线通信***在军民用通信中得到了广泛的应用，同时，由于通信环境的复杂化，对于抗干扰技术也提出了更高的要求，抗干扰技术的有效性以及稳定性直接影响通信的传输质量和信息的保护。

在数字无线通信中，如何充分利用有限的频带，服务尽可能多的客户，始终是一个重要的课题.而抗干扰是其中长期为理论与工程工作者所高度重视的问题，由此也产生了多种通信抗干扰技术。码分多址(CDMA)技术是通过伪随机信源编码，将窄带信号功率扩展到一个宽频带中，以提高信号噪声比，增强通信***抗干扰能力。另外，还有一些利用快速跳频技术躲避干扰的通信方式，也可以在一定程度上提高通信质量。近期的研究成果提出了采用天线阵接收***和空间滤波，利用接收到的信号的差异，通过盲信号分离算法，实现在同一信道中对多用户的信号的分离，从而实现抗干扰，大大提高通信质量。

现有技术的缺陷：

在理想信道情况下，天线阵接收信号构成的矢量可以近似看成是仅仅由各源信号的线性混合，混合矩阵的各元素均为常数，因此可以通过同信道多用户信号进行线性盲分离的方法实现信号抗干扰。但对于实际的无线通信信道，混合矩阵的各元素不能再看成常数，接收信号有可能是卷积混叠，存在码间干扰，在这种情况下，采用线性盲信号分离方法进行抗干扰的效果将受到影响，但是如果采用盲解卷积技术，无论在算法复杂度和计算量上，在现有技术实现上还不是很现实。

在目前公布的基于盲分离的干扰抑制方法中，由中国民航大学在专利CN101034900A的公开说明书中提到的盲信号提取装置，对于射频接收模块，其中提到利用双天线接收两路甚高频信号，然后进行后续的处理，在这点上需要指出的是利用双天线接收两路甚高频信号，双天线的摆放是需要达到一定要求的，如果双天线位置设计不合理，很有可能导致接收到的是两路相同的混叠信号，使后续盲信号分离成为病态情况。而且，天线摆放位置限制了接收机的灵活应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应对通信过程中存在干扰信号时的基于盲信号分离的通信接收机抗干扰方法，利用基于线性瞬时混叠盲分离模型来实现分离信号，实现对通信信号中未知的任意形式的干扰源或噪声源实现自适应抗干扰，提高通信质量。

本发明的另一个目的在于提供一种基于盲信号分离的通信接收机抗干扰***。

一种基于盲信号分离的通信接收机抗干扰方法，包括以下步骤：

(1)利用双极化天线阵模块接收到信号；

(2)将两路高频信号转换为中频模拟信号；

(3)中频模拟信号通过模数转换和正交变换模块后输出中频数字信号；

(4)进行数字下变频，抽取，滤波后转换为DSP基带复信号；

(5)复信号通过盲信号分离模块后得到两路分离后的统计独立信号；

(6)对经过步骤(5)后的分离出来的统计独立信号通过自适应均衡模块去除信道干扰；

(7)对两路信号进行解调判决，提取其中一路信号。

进一步地，步骤(1)所述双极化天线阵模块为正负45度双极化天线阵模块，从而使接收到的两路信号不完全一致，满足盲分离的基本条件，使混叠矩阵满秩，可以有效避免盲分离中的病态问题。

进一步地，所述盲信号分离模块对复信号进行线性盲信号分离处理，以获得两个互相统计独立信号。线性盲信号分离处理速度快，计算复杂度相对于盲解卷积低，适用于工程实现。

进一步地，步骤(7)首先对两路信号进行解调，然后通过帧头数据和信号特征，判决其中一路信号为通信信号、另一路信号为噪声信号，然后提取其中的通信信号。

所述的对两路信号进行解调是对两路数据同时按照发送方和接受方约定好的已知的调制方式进行匹配解调，然后根据已知通信信号的特征及帧头信息进行判断，确定恢复出来的有用通信源信号，然后做后续的终端处理。

一种基于盲信号分离的通信接收机抗干扰***，依次包括：

双极化天线阵模----用于接收高频模拟信号；

模数转换及正交变换模块----用于将两路中频模拟信号转换为中频数字信号；

数字下变频模块----用于将中频数字信号转换为DSP基带复信号；

盲信号分离模块----用于分离两路混叠信号；

自适用均衡模块----用于去除信道干扰；

调解判决模块----用于对信号进行调解及判决其中的通信信号；

以及数模转换模块和信号输出模块。

所述的模数转换组及正交变换模块在一个芯片AD9862下实现，数字下变频由FPGA的数字下变频IP核单元设计实现。

本发明的通信抗干扰的盲信号分离方法及其***，不仅仅适用于两路信号的盲信号进行分离，还可以通过调整天线阵列，通过多天线接收，实现多路信号的盲信号分离，通过对接收天线以及经过一系列模数转换以及数字下变频等信号处理模块后，在盲信号分离算法上，利用信号的统计独立性，对信号进行盲分离，最终实现对多个干扰信号的抑制，提高通信的质量。

本发明具有如下特点：

(1)本发明利用天线设计技术实现两路信号的多天线接收，得到两路不完全一致的混叠信号，满足盲信号分离中混叠矩阵满秩的基本条件，避免出现盲信号分离中的病态情况。

(2)本发明无须任何参考信号，只需要对已知有用信号的调制方式，在盲分离解调时利用相应的解调方式以及帧头信息等来判断分离后的信号中哪一路为有用信号的估计信号，去除干扰信号。

(3)本发明采用的是线性盲信号分离的技术，在复杂度和计算量上远远小于盲解卷积分离技术，适用于工程实现，同时可以对任意干扰信号进行有效抑制。

(4)由于采用的是线性盲分离技术，所以为了抵抗在传输信道中的卷积码间串扰，在盲分离模块后加入自适应均衡模块，实现信号的恢复。

本发明实用性强，可以用于对通信信号的抗干扰以及分离多路移动信号互相干扰的***中，提高通信质量。

附图说明

图1是本发明的示意图；

图2是基于盲信号分离的通信接收机抗干扰***的基本硬件框架图；

图3是盲信号分离算法流程图；

图4是信号解调判决模块结构示意图；

图5是已知源信号星座图；

图6是随机干扰信号星座图；

图7是仿真接收的一路混叠信号；

图8是仿真接收的另一路混叠信号；

图9是经过盲信号分离算法后的一路独立信号星座图；

图10是经过盲信号分离算法后的另一路独立信号星座图；

图11一路混叠信号未经过盲信号分离直接进行自适应均衡的信号星座图；

图12是另一路一路混叠信号未经过盲信号分离直接进行自适应均衡的信号星座图；

图13是经过盲信号分离和自适应均衡模块的其中一路信号星座图；

图14是经过盲信号分离和自适应均衡模块的另外一路信号星座图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细地说明，本发明中发送机与接收机约定了了双方的调制解调方式。

图1为基于盲信号分离的通信接收机抗干扰***的结构示意图，通过该***对干扰信号源进行有效抑制，提高通信质量。如图1所示，依次包括双天线阵列模块、射频信号接收模块、模数转换及正交变换模块、数字下变频模块、盲信号分离算法模块、自适应均衡模块、解调及判决模块、数模转换模块、信号输出终端模块。

基于盲信号分离的通信接收机的抗干扰方法，具体步骤如下：

第一步：通过天线进行通信信号的接收，得到两路混叠后的信号，由于在盲分离理论里面，对于病态问题还没有得到很好的解决办法，而且在实际上，针对病态问题的算法是难以实现的，所以，本发明利用正负45度双极化天线进行信号接收，使所得到两路混叠信号是有用信号与干扰信号经过线性混叠得到的信号，此两路混叠信号是不完全一致的，符合混叠矩阵满秩的盲分离基本要求，为下面做盲信号分离算法模块提供了保证；

第二步：由于接收到的两路信号是高频的模拟信号，所以要经过模拟下变频得到中频的模拟信号；

第三步：中频的模拟信号在经过模数变换模块以及正交变换模块，得到两路正交数字中频信号，其中，模数变换以及正交变换同时在AD9862芯片中实现，其两路数字信号位宽分别都为12bit，得到的中频数字信号由于频率很高，不适合DSP处理，所以要经过下面的步骤实现到DSP的基带信号处理；

第四步：中频数字信号经过数字下变频，抽取及滤波后，得到低速的基带数字信号。数字下变频器(DDC)将数字化的中频信号变至基带数字信号，得到正交的I、Q数据，以便进行基带信号处理。数字下变频器(DDC)主要由DDS、梳状滤波器CIC、补偿低通滤波器CFIR和低通滤波器PFIR组成。实现信号输入输出采样率的转换利用梳状滤波器CIC进行转换，然后利用DDC中可以自由选择的补偿CFIR滤波器实现对梳状滤波器衰减的补偿，再利用低通PFIR滤波器解决混频当中出现的信号混叠问题，本发明中数字下变频DDC利用FPGA中的IP核进行设计；

第五步：由第四步得到的两个基带数字信号的I，Q两路基带数据，输入到DSP进行盲信号的分离，盲信号的分离根据源信号的统计独立性特征作为判别依据来实现。在通常所描述的通信信号在传输过程中的信号卷积混叠的过程中，由于盲解卷在理论与算法研究中存在着复杂度高、计算量大等问题，在工程实现上对硬件处理器的运算速度和算法的计算量等提出很高的要求，所以，基于工程实现上，本发明对上述模型进行了一些简化，希望通过模型的简化和方法的选择，使通信信号的盲分离得以在工程上实现。下面是描述信号s₁，s₂的传输过程。所得到的基带信号z₁，z₂为：

$z_1\left(t\right)=a_{11}\underset{i=0}{\overset{L_{k1}}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{11i}{s}_1(t-i)+a_{21}\underset{i=0}{\overset{L_{k2}}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{22i}{s}_2(t-i)$

$z_2\left(t\right)=a_{12}\underset{i=0}{\overset{L_{k1}}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{11i}{s}_1(t-i)+a_{22}\underset{i=0}{\overset{L_{k2}}{\mathrm{\Σ}}}{h}_{22i}{s}_2(t-i)$

其中s为源信号，a_ij(i，j＝1，2)为混叠参数，h_11i，h_22i为信道参数，L_k1，L_k2为码间串扰长度，z为混叠后的信号，该简化模型在信道相对简单的情况下适用，可以避免了在工程上实现盲解卷积的数据量大，复杂度高的缺点。

上式可以写成矩阵形式，z＝As，其中s暂时忽略了延时参数，延迟问题在下一步的自适应信道均衡中得到处理，对于式子z＝As，盲信号分离考虑的是寻找一个变换矩阵W，使得y＝Wz＝WAs使y与s相似。

对于z＝As，首先对z进行白化

z＝Qz_old

其中zold为观测到的混叠信号，z为白化后的信号，经过白化阵Q后，得到的白化信号z满足E{zz^H}＝I，白化通过主分量分析实现。

然后利用复数FastICA算法求解分离矩阵W，求解方法利用以下迭代公式推导得到：

w⁺＝E{x(w^Hx)*g(w^Hx)}-E{g(w^Hx)}+|w^Hx|²g′(|w^Hx|²)}w

$w_{\mathrm{new}}=\frac{w^{+}}{\left|\right|w^{+}\left|\right|}$

对于求解得到的W矩阵后，可以通过y＝Wx得到分离后的源信号的估计信号，具体的盲信号分离算法流程图如图3所示。

第六步：由于经过上面盲信号分离得到的仅仅是分离后的信号，正如上一步骤所说，忽略了信号的延时串扰问题，而在宽带高速的无线传输中，由于多径、时延扩展、衰落、符号定时偏差等多种影响，码间干扰(ISI)是不能忽视的严重问题，解决这一问题的一个途径是采用自适应均衡，这是使它与信道级联后的大***具有单位冲激响应来实现的。所以，上面得到的分离信号后，需要经过自适应信道均衡技术来实现信道的均衡。本发明采用判决反馈自适应均衡技术(DFE)，由于RLS算法相对于LMS算法具有较快的收敛速度，所以在本发明中判决反馈均衡技术迭代算法由RLS算法实现。

自适应判决反馈均衡器DFE结构描述如下：

$x\left(k\right)=\underset{i=0}{\overset{\mathrm{Nh}-1}{\mathrm{\Σ}}}h\left(i\right)*s(k-i)+n\left(k\right)$

y(k)＝f^T(k)X(k)

$v\left(k\right)=b^T\left(k\right)\hat{s}\left(k\right)$

$z\left(k\right)=y\left(k\right)-v\left(k\right)=\underset{i=0}{\overset{\mathrm{Nf}-1}{\mathrm{\Σ}}}f\left(k\right)x(k-i)-\underset{i=0}{\overset{\mathrm{Nb}-1}{\mathrm{\Σ}}}b\left(k\right)\hat{s}(k-i)$

其中x(k)为经过信道h(i)的接收信号，f为前馈滤波器，b为反馈滤波器，

为预测信号，z为经过判决反馈均衡器后的输出信号。对于前馈滤波器和后馈滤波器系数，采用RLS算法迭代求解。

第七步：信号的解调以及判断有用信源，本发明需要发送端与接收端约定好的已知的调制方式，接收端经过一系列处理后，得到了两路分离信号，对于两路经过盲信号分离以及自适应均衡后的信号，同时使用约定好的调制方式进行相应解调，为了减少对干扰信号进行过多的处理，需要在有用信号上利用帧头数据实现判别，以确定其中一路信号为有用信号，然后继续对其进行相关处理，如图4所示。

图2为本发明所述的通信抗干扰的盲信号分离方法及其***模型的硬件架构图，图5～14给出了在所述的基于盲信号分离方法的通信接收机抗干扰方法的仿真信号星座图。图5是已知源信号星座图；图6是随机干扰信号星座图；图7是仿真接收的一路混叠信号；图8是仿真接收的另一路混叠信号；图9是经过盲信号分离算法后的一路独立信号星座图；图10是经过盲信号分离算法后的另一路独立信号星座图；图11一路混叠信号未经过盲信号分离直接进行自适应均衡的信号星座图；图12是另一路一路混叠信号未经过盲信号分离直接进行自适应均衡的信号星座图；图13是经过盲信号分离和自适应均衡模块的其中一路信号星座图；图14是经过盲信号分离和自适应均衡模块的另外一路信号星座图。其中混叠过程为源信号与干扰信号的信干比为-10dB，信道有串扰，并含有少量噪声。其中经过盲信号分离和自适应均衡模块的信号已经出现了排序不确定性，需要在解调判决中进行判断。从图5～14可以看出经过盲信号分离模块的处理，接收质量有明显提高。

Claims (5)

1、一种基于盲信号分离的通信接收机抗干扰方法，包括以下步骤：

(1)利用双极化天线阵模块接收到信号；

(2)将两路高频信号转换为中频模拟信号；

(3)中频模拟信号通过模数转换和正交变换模块后输出中频数字信号；

(4)进行数字下变频，抽取，滤波后转换为DSP基带复信号；

(5)复信号通过盲信号分离模块后得到两路分离后的统计独立信号；

(6)对经过步骤(5)后的分离出来的统计独立信号通过自适应均衡模块去除信道干扰；

(7)对两路信号进行解调判决，提取其中一路信号。

2、根据权利要求1所述的基于盲信号分离的通信接收机抗干扰方法，其特征在于：步骤(1)所述双极化天线阵模块为正负45度双极化天线阵模块。

3、根据权利要求1或2所述的基于盲信号分离的通信接收机抗干扰方法，其特征在于：步骤(5)所述盲信号分离模块对复信号进行线性盲信号分离处理，以获得两个互相统计独立信号。

4、根据权利要求3所述的基于盲信号分离的通信接收机抗干扰方法，其特征在于：所述的步骤(7)首先对两路信号进行解调，然后通过帧头数据和信号特征，判决其中一路信号为通信信号、另一路信号为噪声信号，然后提取其中的通信信号。

5、一种基于盲信号分离的通信接收机抗干扰***，其特征在于依次包括：

双极化天线阵模----用于接收高频模拟信号；

模数转换及正交变换模块----用于将两路中频模拟信号转换为中频数字信号；

数字下变频模块----用于将中频数字信号转换为DSP基带复信号；

盲信号分离模块----用于分离两路混叠信号；

自适用均衡模块----用于去除信道干扰；

调解判决模块----用于对信号进行调解及判决其中的通信信号；

以及数模转换模块和信号输出模块。

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