CN107171693A - 基于波形重构的宽带干扰抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波形重构的宽带干扰抑制方法，主要解决现有扩频通信***中对压制式宽带干扰信号抗干扰能力不足的问题。其技术方案是：在扩频通信***接收端的匹配滤波之前加入基于波形重构的干扰抑制模块，即先依次通过干扰信号码元速率估计、定时同步和干扰信号解调得到干扰序列，再根据得到的干扰序列重构干扰信号，然后通过延时抵消实现对干扰信号的抑制；最后将干扰信号抑制之后的剩余信号依次经过原***的匹配滤波、同步捕获、解扩和解调译码获得有用信息。本发明有效地抑制了大功率宽带干扰数字信号，且结构简单，实现复杂度低，可用于提高通信***的抗干扰能力。

Description

基于波形重构的宽带干扰抑制方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及宽带数字干扰信号的抑制方法，用于增强通信***的抗干扰能力，提高信号传输的有效性。

背景技术

现代通信***在实际空间环境中会受到各种干扰影响，使得对接收信号的处理性能受到严重损失，因此，提高通信***的抗干扰能力对于通信质量的保证有着重要的意义。当今主要的抗干扰通信技术有：短猝发通信技术、分集接收技术和扩频通信技术等，其中扩频通信技术因其具有容量大、抗干扰能力强、截获率低等优点，成为了当今主要的通信技术之一，被广泛应用在卫星通信等现代通信***中。如图1所示。原始扩频通信***只依靠自身的抗干扰能力来抑制干扰，没有附加的干扰抑制措施。但是当干扰信号的功率远大于***的干扰容限时，单纯依靠***自身的扩频增益来抑制干扰是行不通的，所以要有其他手段来达到有效抑制干扰的目的。

目前绝大多数对有效干扰抑制方法的研究都是针对窄带类型干扰，一般的方法是在接受端有用信号处理之前加一个陷波器单元，来对强干扰信号进行功率削弱。随着信号传输速率越来越快，信号带宽越来越宽，宽带干扰对通信***的影响变得越来越大，因此在扩频通信***的基础上进行对大功率宽带干扰信号的干扰抑制研究不论在理论研究方面还是实际应用方面都会有着重大意义。而由于陷波器在宽带干扰抑制时会对有用信号产生较大影响，所以利用陷波的思路来进行宽带干扰抑制就不再合适。当前对宽带干扰抑制的研究相对窄带干扰研究要少的多，不足以满足当前通信***对宽带干扰抑制的需求。

现有干扰抑制方法中，主要有采用天线阵列的空域处理法、频域消除法和针对线性调频宽带干扰等一些抑制方法，但是这些方法都有自身的局限性。应用天线阵列来进行干扰抑制的***，主要是依靠干扰信号和有用信号来向不同这样的空间方位信息进行处理，但是这种技术对于宽带干扰信号抑制效果十分有限，要想很好的抑制宽带干扰，必须增加阵列天线数，这样就增加了实现的复杂度；基于频域消除干扰的方法，只适合窄带干扰抑制，由于宽带干扰信号和有用信号在频域上基本混合在一起，从频域无法直接将干扰信号消除；线性调频是一种常用调制方式，针对这类信号，当前应用最为广泛的技术是离散Chirp-Fourier变换方法，它是离散Fourier变换的推广，可有效的抑制线性调频干扰信号，但是对于相位调制信号的抑制效果并不理想。

发明内容

本发明目的在于弥补上述技术的不足，在直接序列扩频通信的基础上，从时域重构的角度出发提出一种基于波形重构的宽带干扰抑制方法，以实现对相位调制干扰信号的有效抑制，提高扩频通信***的抗干扰性能。

本发明的技术思路是:在原始直接序列扩频通信***接收端处理之前嵌入一个干扰抑制模块，通过建立“干扰信号解调—干扰信号重构—干扰抵消”的干扰抑制模型，根据接收端混合信号将干扰信号重构出来，得到近似的干扰信号，然后通过抵消的方式在混合信号中将其抑制掉，其实现方案包括如下：

(1)干扰信号码元速率估计：

(1a)根据干扰信号的载波频率f_d，产生一个对应的频率为-f_d的本地信号，用频率为-f_d的本地信号乘以接收端的基带混合信号，得到干扰移至零频之后的混合信号；

(1b)利用Haar小波对(1a)得到的混合信号进行时频域相关变换，得到干扰信号的码元速率R_b；

(2)干扰信号码元定时同步：

(2a)根据步骤(1)中得到的码元速率R_b，结合采样频率f_s，用采样频率f_s整除码元速率R_b，求得一个码元周期内的采样点个数；

(2b)对(1a)得到的混合信号直接进行小波变换，并从变换得到的信号中搜索到第一个突变点位置，再结合单个码元周期内的采样点个数，得到干扰信号码元的起始位置，实现定时同步；

(3)从干扰信号的起始位置开始，以单个码元周期内采样点个数为间隔，依次对(1a)得到的混合信号进行解调，得到原始的0、1干扰序列；

(4)重构干扰信号波形：

(4a)根据干扰信号带宽B和码元速率R_b，求得成形滤波器的滚降系数α；

(4b)对步骤(3)解调得到的0、1干扰序列进行对应的调制，以滚降系数为α的升余弦滤波器对调制之后的信号进行成形滤波，再乘以频率为f_d的载波，得到重构的干扰信号；

(5)通过延迟抵消，在原基带混合信号中减去重构出的干扰信号，得到干扰抑制之后的剩余信号。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，本发明弥补了当前对宽带干扰抑制方法研究的不足，实现对大功率宽带相位调制干扰信号的有效抑制，从时域重构出发，弥补了频域上干扰信号和有用信号无法分离的弊端。

第二，本发明提出的干扰抑制模型结构简单，便于实现，降低了现有干扰抑制技术的实现复杂度，提升了扩频通信***的抗干扰能力。

附图说明

图1是现有扩频通信***的结构框图；

图2是本发明的实现流程图；

图3是设有本发明的扩频通信***接收端结构框图；

图4是用图3***和图1***分别对有用信号进行译码的误帧率比较图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例和效果进行进一步说明：

参照图1，现有的扩频通信***，其发送端包括编码调制器、扩频模块、成形滤波器、中频发射器以及D/A转换器；其接收端包括下变频接收机、A/D转换器、匹配滤波器以及有用信号处理模块；发送端信源依次经过编码、调制、扩频和成形滤波，再通过D/A转换和上变频处理将信号发送出去，在信道中加入高斯白噪声和干扰信号；接收端通过下变频处理和A/D转换将信号变为基带数字混合信号，然后通过匹配滤波、同步捕获、解扩和解调译码得到有用信息。当干扰信号功率超过该***的干扰容限时，该***的抗干扰能力会严重不足，需要有效的干扰抑制方法来进行相对应的干扰抑制。

本发明在现有的扩频通信***接收端的匹配滤波之前加入干扰抑制，即在下变频之后进行干扰抑制，也就是在基带上进行相关操作，通过对干扰信号进行抑制，削弱或消除掉干扰信号，得到抑制掉干扰之后的信号。

参照图2，本发明对干扰进行抑制的实现步骤如下：

步骤1，估计干扰信号的码元速率。

(1a)根据干扰信号的载波频率f_d，产生一个对应的频率为-f_d的本地信号，用频率为-f_d的本地信号乘以接收端的基带混合信号，得到干扰移至零频之后的混合信号r(n)；

(1b)利用Haar小波变换对(1a)得到的混合信号进行时频域相关变换，估计得到干扰信号的码元速率R_b＝4MHz：

(1b1)通过小波变换定义利用Haar小波对混合信号r(n)进行变换，得到小波变换结果，其中为a尺度因子，τ为平移因子，为Haar小波函数，为r(t)待变换函数；

(1b2)对变换结果依次进行求模、模值取平方和FFT变换；

(1b3)对FFT变换结果求模值，找到模值最大的位置，并用该位置乘以频率分辨率得到码元速率R_b＝4MHz。

步骤2，对干扰信号码元进行定时同步。

(2a)根据步骤1中得到的码元速率R_b，结合采样频率f_s＝80MHz，用采样频率除以码元速率，求得一个码元周期内的采样点个数N＝20；

(2b)对干扰移至零频之后的混合信号r(n)直接进行小波变换，在变换得到的信号中搜索到第一个突变点位置，再结合单个码元周期内的采样点个数，用突变点位置整除单个码元周期内的采样点个数，将余数作为干扰信号码元的有效起始位置，这样就得到了干扰信号码元的起始位置，实现定时同步。

步骤3，干扰信号的解调。

从干扰信号的起始位置开始，以单个码元周期内采样点个数为间隔，依次对干扰移至零频之后的混合信号r(n)进行解调，如果r(n)＞0，则将干扰信号解调为1，否则解调为0，这样，得到了原始0、1干扰序列s_i(n)。

步骤4，重构干扰信号。

(4a)根据设定的干扰信号基带带宽为B＝3MHz和步骤2得到的码元速率R_b＝4MHz，通过如下公式求解成形滤波器的滚降系数：

(4b)根据步骤3解调得到的干扰信号序列s_i(n)，通过BPSK调制，以滚降系数为α＝0.5的升余弦滤波器对其进行成型滤波，再乘以频率为f_d的载波，得到重构的干扰信号。

步骤5，通过延迟抵消获取干扰抑制之后的剩余信号。

(5a)统计干扰信号码元速率估计、干扰信号解调以及干扰信号波形重构这几个操作造成的时延，记为τ_d；

(5b)对原基带混合信号进行时间为τ_d的时延，并将其与重构出的干扰信号进行相减操作，即在原基带混合信号中减去重构出的干扰信号，实现抵消，得到抑制掉干扰的剩余信号。

将本发明加入到扩频通信***的接收端，形成新的扩频通信***，如图3所示。

参照图3，本步骤的具体实现如下：

原扩频通信***接收端通过下变频和A/D转换处理之后得到基带混合信号，再利用本发明的干扰抑制方法，以一个干扰抑制模块的形式加入到原扩频通信***接收端的匹配滤波器之前，通过对基带混合信号进行干扰抑制，得到抑制掉干扰的剩余信号；

对本发明干扰抑制之后的剩余信号在原有扩频通信***接收端上继续进行后续处理，即先对剩余信号进行匹配滤波，再对匹配滤波之后的信号进行同步捕获，然后对捕获成功的信号进行对应的解扩，最后对解扩之后的信号完成解调译码，得到有用信息。

下面通过仿真实验对本发明的效果作进一步说明：

1.仿真条件

使用MATLAB 8.6.0仿真软件，对干扰抑制性能进行仿真，传输信道为加性高斯白噪声信道，干扰信号通过BPSK调制，通过滚降系数为0.5的升余弦成形滤波器对信号成形，干扰信号剩余载频f_d取5MHz，基带带宽取3MHz；采样频率f_s设置为80MHz，信噪比设置为-26dB，信干比设置分别为-42dB～-36dB，以此实现大功率宽带干扰的场景应用。

2.仿真内容

仿真1，将以上设置的干扰信号加入到原扩频通信***，原***不再能够正确得到有用信息。

仿真2，对加入本发明的扩频通信***的干扰抑制性能进行效果仿真，得到有用信号正确译码的误帧率曲线，结果如图4所示。

由图4的仿真结果可以看出，在信噪比为-26dB的前提下，信干比小于-38dB时，有用信号正确解调的误帧率小于10^-2，满足性能要求，而且，信干比越小，有用信号正确解调的误帧率越小，这是因为信干比越小，干扰信号功率相对越大，说明本发明对大功率宽带干扰信号有着很好的抑制效果。

Claims (5)

1.基于波形重构的宽带干扰抑制方法，包括：

(1)干扰信号码元速率估计：

(1a)根据干扰信号的载波频率f_d，产生一个对应的频率为-f_d的本地信号，用频率为-f_d的本地信号乘以接收端的基带混合信号，得到干扰移至零频之后的混合信号；

(1b)利用Haar小波对(1a)得到的混合信号进行时频域相关变换，得到干扰信号的码元速率R_b；

(2)干扰信号码元定时同步：

(2a)根据步骤(1)中得到的码元速率R_b，结合采样频率f_s，用采样频率f_s整除码元速率R_b，求得一个码元周期内的采样点个数；

(2b)对(1a)得到的混合信号直接进行小波变换，并从变换得到的信号中搜索到第一个突变点位置，再结合单个码元周期内的采样点个数，得到干扰信号码元的起始位置，实现定时同步；

(3)从干扰信号的起始位置开始，以单个码元周期内采样点个数为间隔，依次对(1a)得到的混合信号进行解调，得到原始的0、1干扰序列；

(4)重构干扰信号波形：

(4a)根据干扰信号带宽B和码元速率R_b，求得成形滤波器的滚降系数α；

(4b)对步骤(3)解调得到的0、1干扰序列进行对应的调制，以滚降系数为α的升余弦滤波器对调制之后的信号进行成形滤波，再乘以频率为f_d的载波，得到重构的干扰信号；

(5)通过延迟抵消，在原基带混合信号中减去重构出的干扰信号，得到干扰抑制之后的剩余信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其步骤(1b)中利用Haar小波对(1a)得到的混合信号进行时频域变换处理，其步骤如下：

(1b1)通过小波变换定义利用Haar小波对混合信号r(t)进行变换，得到小波变换结果，其中为a尺度因子，τ为平移因子，为Haar小波函数；

(1b2)对变换结果依次进行求模、模值取平方和FFT变换；

(1b3)对FFT变换结果求模值，找到模值最大的位置，并用该位置乘以频率分辨率得到码元速率。

3.根据权利要求1所述的方法，其步骤(2b)中干扰信号码元的起始位置确定，是用突变点位置整除单个码元周期内的采样点个数，将余数作为干扰信号码元的有效起始位置。

4.根据权利要求1所述的方法，其步骤(4a)中的成形滤波器的滚降系数α，通过如下公式求解：

<mrow> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mi>B</mi> </mrow> <msub> <mi>R</mi> <mi>b</mi> </msub> </mfrac> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> </mrow>

其中，B为干扰信号带宽，R_b为干扰信号码元速率。

5.根据权利要求1所述的方法，其步骤(5)中延迟抵消的步骤如下：

(5a)统计干扰信号码元速率估计、干扰信号解调以及干扰信号波形重构这几个操作造成的时延，记为τ_d；

(5b)对原基带混合信号进行时间为τ_d的时延，并将其与重构出的干扰信号进行相减操作，实现抵消。