CN108880604B - 一种扩频通信***中多分量调频干扰抑制方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及扩频通信***领域，具体公开了一种扩频通信***中多分量调频干扰抑制方法和装置，装置包括码片匹配滤波模块，采样模块，延迟缓存模块，分解层数确定模块，门限滤波模块，小波包重构模块和解扩判决模块；抑制方法的主要步骤为：先进行码片匹配滤波后进行码片速率采样，对采样信号进行缓存处理，根据能量聚集度确定最优小波包分解的层数，根据小波包分解系数求门限值后进行门限滤波，然后进行小波包重构，对干扰消除后的信号进行解扩判决，得接收数据。本发明具有如下优点：本发明利用小波包变换的多分辨分析能力和良好的时频局部化特性，将多分量非线性调频干扰迅速定位在一定的时频单元内，实现干扰与信号的分离，从而将干扰消除。
Description
技术领域
本发明属于扩频通信***领域，具体涉及一种扩频通信***中多分量调频干扰抑制方法和装置。
背景技术
扩频通信***由于其独特的优势在民用和军用领域都有广泛的应用，在军用领域如何抑制有意干扰，保证通信的畅通，一直以来是一个重要的课题，调频干扰是一种非平稳宽带干扰，可以有效压制扩频通信***的正常通信，是扩频通信***的一种重要威胁。
针对调频干扰的抑制主要有以下几种方法：
(1)Wigner变换
Wigner变换对调频信号具有最好的时频聚集性，非常适合于对调频类信号的处理，对于线性调频干扰，其Wigner变换的幅值集中出现在沿其瞬时频率变化率的直线上，而发射数据和高斯白噪声谱为低于干扰幅值的平坦谱，通过时频域上高能量谱的信息，可估计出干扰信号的瞬时频率等参数。但当调频信号是非线性调频信号或多个调频信号时，Wigner变换将无法对参数进行估计，另外这种变换由于没有快速算法，因此计算量比较大。
(2)短时Fourier变换
短时Fourier变换是将一维时域信号映射到一个时频平面，采用STFT抑制干扰的基本思想是，假定非平稳干扰信号在分析窗函数g(t)的一个短的时间间隔内是平稳(伪平稳)的，并移动分析窗函数，使信号在时频域呈现高能量聚集度，然后修剪或置零最优窗STFT下干扰信号的高功率值，从而去除干扰。但是，由于STFT采用的是固定的窗函数，内在的具有时间分辨率和频率分辨率的矛盾，若选择的g(t)窄(时间分辨率高)，则频率分辨力低；如果为了提高频率分辨率使g(t)变宽，干扰信号的“局部”平稳性很难保证。
(3)分数阶傅里叶变换
分数阶傅里叶变换(FrFT)可以解释为信号在时频平面内坐标轴绕原点逆时针旋转任意角度后构成的分数阶傅立叶域上的表示方法，而傅里叶变换是它的一个特例，即信号逆时针旋转之后的结果。这种算法最适于处理线性调频类的信号，因为在时频平面内具有一定斜率的线性调频信号经一定角度的旋转之后会变成一个冲激，而扩频信号和噪声分数谱是平坦的，这样就可以像消除单音干扰一样对线性调频干扰在分数域进行消除，然后再反变换到时域进行解扩。但当干扰是非线性调频信号时，分数阶傅里叶变换仍然无法对干扰进行有效消除。
多分量非线性调频干扰可以更有效的提高干扰效果，而以上方法对这种干扰，都无法有效抑制，因此有必要研制一种可以抑制多分量非线性调频干扰的方法和装置。
发明内容
本发明要解决的是克服以上技术缺陷，提供一种扩频通信***中多分量非线性调频干扰抑制方法和装置。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种扩频通信***中多分量调频干扰抑制方法，其特征在于，由以下步骤组成：
A：对接收信号进行码片匹配滤波，得到滤波后信号；
B：对滤波后信号进行码片速率采样，得采样后的离散值；
采样模块对匹配滤波后的信号进行码片速率采样，得采样信号
其中
为信号功率，c(k)为扩频序列，
为干扰功率，w(k)为高斯白噪声，x(k)为干扰的采样值，可以表示为
其中βi为归一化的i次方调频速率，当n等于1时，为单频干扰，当n等于2时，为线性调频干扰，当n大于2时为线性调频干扰和非线性调频干扰相组合的多分量调频干扰。
C：对采样信号进行缓存处理，得离散信号向量；
延迟缓存模块，对采样后的码片信号r(k)，每M个组成一个接收信号向量，送r＝[r(1)，r(2)，…r(M)]入分解层数确定模块。
D：根据能量聚集度确定最优小波包分解的层数；
E：根据小波包分解系数求取门限值；
F：对小波包系数进行门限滤波；
G：对小波包分解系数进行小波包重构，得干扰消除后的信号；
H：对干扰消除后的信号进行解扩判决，得接收数据。
其中，所述步骤D中，采用以下方式确定最优小波包分解层数：
D1：分解层数加1，对信号进行小波包分解；
D2：计算小波包分解系数模值；
小波包分解单元，对r进行l层小波包分解得结点上的系数为
其中H0和H1为两组对偶算子，H0H0+H1H1＝I，H0H1＝H1H0＝0，H0和H1分别相当于低通和高通滤波器。
为取整运算，()2为取余运算。分解后的小波包系数为
模值求取单元，对小波包分解系数进行取模运算，得小波包分解系数的实数值序列
D3：求取模值的均值；
并将
送入均值求取单元。
所述均值求取单元，求取实数值序列
的均值
D4：计数模值序列中大于均值的个数；
计数
中大于均值
的个数k
D5：小波包分解系数的总个数除以大于均值的个数，得最优小波包分解层的能量聚集度；
用小波包分解系数的总个数2l，除以大于均值的个数k，得该层的能量聚集度
gl＝2l/k (式4)
D6：若最优小波包分解层的能量聚集度大于上一层的能量聚集度，则重复D1-D6，否则停止分解，得最优小波包分解层数为该层数减1。
所述步骤E中，采样以下方式求取门限值：
E1：计算最优小波包分解层小波包分解系数模值的均值；
E2：用均值乘以一比例系数，得门限值，其中比例系数为一个经验值，它与干信比有关，干信比越大系数越小，干信比越小系数越大。
所述步骤F中，采样以下方式进行门限滤波：
F1：最优小波包分解层小波包分解系数模值序列中的每个值与门限值比较，将大于门限值的位置记录得干扰位置；
F2：将干扰位置上的小波包分解系数置零。
一种扩频通信***中多分量非线性调频干扰抑制装置，包括码片匹配滤波模块，采样模块，延迟缓存
模块，分解层数确定模块，门限滤波模块，小波包重构模块和解扩判决模块；
所述的码片匹配滤波模块，对接收信号进行码片级匹配滤波，抑制信号带外噪声，使信号具有较高的信噪比；
所述的采样模块，对匹配滤波后的信号进行码片级采样，得到离散码片值；
所述的延迟缓存模块，对经过对离散信号进行缓存处理，组成一个离散信号向量；
所述的分解层数确定模块，将每层小波包分解后的能量聚集度相比较，能量聚集度最大的层数为最优分解层数；
所述的门限滤波模块，对小波包分解系数进行取模、求均值并乘以比例系数得到滤波门限值，并对小波包系数进行门限滤波，将大于门限值的小波包分解系数置零；
所述的小波包重构模块，对门限滤波后的小波包系数进行快速小波包重构，得干扰消除后的信号；
所述的解扩判决模块，对干扰消除后的信号进行解扩处理并判决生成接收符号数据。
其中，所述分解层数确定模块包括小波包分解单元、模值求取单元、均值求取单元、能量聚集度求取
单元和能量聚集度比较单元；
所述的小波包分解单元，对离散信号进行小波包分解，得小波包分解系数；
所述的模值求取单元，复制一份小波包分解系数，并求取小波包分解系数的模值；
所述的均值求取单元，求取小波包分解系数模值的均值；
所述的能量聚集度求取单元，求取干扰的能量聚集度；
所述的能量聚集度比较单元，将求取的干扰能量聚集度与上一层的干扰能量聚集度相比较，如果大于上一层则分解层数加一循环这一过程，如果小于或等于上一层，则将上一层作为分解层数输出。
采用以上结构后，本发明具有如下优点：本发明利用小波包变换的多分辨分析能力和良好的时频局部化特性，将多分量非线性调频干扰迅速定位在一定的时频单元内，实现干扰与信号的分离，从而将干扰消除，结果表明，该方法计算复杂度低，可靠性高。
附图说明
图1是本发明一种扩频通信***多分量调频干扰抑制装置的结构图；
图2是本发明一种扩频通信***多分量调频干扰抑制装置的分解层数确定模块结构图；
图3a是本发明一种扩频通信***多分量调频干扰抑制装置的实施例1三层小波包分解色系数图；
图3b是本发明一种扩频通信***多分量调频干扰抑制装置的实施例1四层小波包分解色系数图；
图3c是本发明一种扩频通信***多分量调频干扰抑制装置的实施例1五层小波包分解色系数图；
图3d是本发明一种扩频通信***多分量调频干扰抑制装置的实施例1六层小波包分解色系数图；
图4是本发明一种扩频通信***多分量调频干扰抑制装置的实施例1误码率曲线图；
图5a是本发明一种扩频通信***多分量调频干扰抑制装置的实施例2三层小波包分解色系数图；
图5b是本发明一种扩频通信***多分量调频干扰抑制装置的实施例2四层小波包分解色系数图；
图5c是本发明一种扩频通信***多分量调频干扰抑制装置的实施例2五层小波包分解色系数图；
图5d是本发明一种扩频通信***多分量调频干扰抑制装置的实施例2六层小波包分解色系数图；
图6是本发明一种扩频通信***多分量调频干扰抑制装置的实施例2误码率曲线图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益结果更加清楚、明白，以下结合附图和实例，对本发明进行进一步详细说明。应当指出，此处所描述的具体实施方式仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
图1为根据本发明实施例提出一种扩频通信***多分量调频干扰抑制装置的详细结构图，包括：码片匹配滤波模块，采样模块，延迟缓存模块，小波包分解层数确定模块，门限滤波模块和小波包重构模块。
所述码片匹配滤波模块对基带接收信号进行匹配滤波，并将滤波后的信号送入采样模块。
所述采样模块对匹配滤波后的信号进行码片速率采样，得采样信号
其中
为信号功率，c(k)为扩频序列，
为干扰功率，w(k)为高斯白噪声，x(k)为干扰的采样值，可以表示为
其中βi为归一化的i次方调频速率，当n等于1时，为单频干扰，当n等于2时，为线性调频干扰，当n大于2时为线性调频干扰和非线性调频干扰相组合的多分量调频干扰。
所述延迟缓存模块，对采样后的码片信号r(k)，每M个组成一个接收信号向量，r＝[r(1)，r(2)，…r(M)]送入分解层数确定模块。
所述分解层数确定模块，通过对接收信号向量进行小波包分解并计算能量聚集度，确定小波包的分解层数，如图2所示为本发明实施例的分解层数确定模块结构图，包括小波包分解单元、模值求取单元、均值求取单元、能量聚集度求取单元和能量聚集度比较单元。
所述小波包分解单元，对r进行l层小波包分解得结点上的(l，n)系数为
其中H0和H1为两组对偶算子，H0H0+H1H1＝I，H0H1＝H1H0＝0，H0和H1分别相当于低通和高通滤波器。
为取整运算，()2为取余运算。分解后的小波包系数为
所述模值求取单元，对小波包分解系数进行取模运算，得小波包分解系数的实数值序列
并将
送入均值求取单元。
所述均值求取单元，求取实数值序列
的均值
所述能量聚集度求取单元，计数
中大于均值
的个数k，用小波包分解系数的总个数2l，除以大于均值的个数k，得该层的能量聚集度
gl＝2l/k (式4)
所述能量聚集度比较单元，将该层的能量聚集度gl与上一层的能量聚集度gl-1相比较，如果gl大于gl-1，则l+1后，送入小波包分解单元，重复这一过程；如果gl小于等于gl-1，则将l-1作为合适的分解层数输出。
所述门限滤波模块，首先求取滤波门限值
其中ρ为一个优化参数，它与信干比有关，信干比越大ρ应该越小。然后对小波包系数al-1进行门限滤波得
其中
所述小波包重构模块，对门限滤波后的小波包系数进行快速小波包重构，得干扰消除后的信号
然后对
进行解扩得
其中G为扩频增益，最后对d进行判决得解调值
实施例1
设定***的扩频比为15，扩频码采用m序列，每帧发送200比特数据，发送信号的功率固定为0dB，比特信噪比为10dB。小波函数取具有近似对称特性的紧支撑双正交小波‘sym8’，采用快速小波包变换算法，干扰信号为一个线性调频信号与一个非线性调频信号的组合，线性调频信号的归一化初始频率为0.2，归一化调频速率为＝0.00004，非线性调频信号的归一化初始频率为0.1，采用2.5次方调频，归一化调频速率为0.000001。
图3为小波包色系数图，图3a、图3b、图3c、图3d的分解层数分别为3、4、5、6层，能量聚集度分别为g3＝2.8，g4＝3.8，g5＝4.2，g6＝4.0，从图中可以看出，一开始随着分解层数从3增加到5，时频平面内的干扰越来越明显，对干扰的定位越来越精确，其能量聚集度也在增加，表现出了小波包分解对多分量非线性调频信号良好的时频定位特性，但是受小波函数非理想特性的影响，分解层数的继续增加并不会使干扰能量的聚集度进一步增加，图3d的干扰能量的聚集度反而下降，因此没必要再进一步分解。
图4为不同信干比条件下的***误码率，从图中可以看出，一开始随着分解层数从3增加到5，***误码率一直在降低，但分解层数增加到6层时，误码率反而增加，不如5层时低，这进一步说明小波包分解层数并不是越多越好，它有个最佳值，这个最佳值可由能量聚集度来确定。
实施例2
设定***的扩频比为15，扩频码采用m序列，每帧发送200比特数据，发送信号的功率固定为0dB，比特信噪比为10dB。小波函数取具有近似对称特性的紧支撑双正交小波‘sym8’，采用快速小波包变换算法。干扰信号为两个非线性调频信号的组合，第一个非线性调频信号的归一化初始频率为0.15，采用2.2次方调频，归一化调频速率为0.00001，第二个非线性调频信号的归一化初始频率为0.1，采用3次方调频，归一化调频速率为0.00000001。
图5为小波包色系数图，图5a、图5b、图5c、图5d的分解层数分别为3、4、5、6层，其中g3＝2.5，g4＝3.5，g5＝4.4，g6＝4.4，图6为不同信干比条件下的***误码率，从图5和图6可以看出，一开始随着小波包分解层数的增加，干扰能量聚集度越来越大，误码率也越来越小，当分解层数为5层时，干扰能量的聚集度和误码率特性最佳，分解层数的进一步增加并不会为***带来更大的增益。
两个实施例，都说明小波包分解对多分量非线性调频信号良好的时频定位特性，从而可以把多分量非线性调频干扰进行有效消除，通过计算干扰能量聚集度，可以确定最佳的分解层数，从而使***的性能最佳。
Claims (4)
1.一种扩频通信***中多分量调频干扰抑制方法，其特征在于，由以下步骤组成：
A：对接收信号进行码片匹配滤波，得到滤波后信号；
B：对滤波后信号进行码片速率采样，得采样后的离散值；
采样模块对匹配滤波后的信号进行码片速率采样，得采样信号
其中
为信号功率，c(k)为扩频序列，
为干扰功率，w(k)为高斯白噪声，x(k)为干扰的采样值，可以表示为
其中βi为归一化的i次方调频速率，当n等于1时，为单频干扰，当n等于2时，为线性调频干扰，当n大于2时为线性调频干扰和非线性调频干扰相组合的多分量调频干扰；
C：对采样信号进行缓存处理，得离散信号向量；
延迟缓存模块，对采样后的码片信号r(k)，每M个组成一个接收信号向量，r＝[r(1)，r(2)，…r(M)]送入分解层数确定模块；
D：根据能量聚集度确定最优小波包分解的层数；
E：根据小波包分解系数求取门限值；
F：对小波包系数进行门限滤波；
G：对小波包分解系数进行小波包重构，得干扰消除后的信号；
H：对干扰消除后的信号进行解扩判决，得接收数据；
其中，所述步骤D中，采用以下方式确定最优小波包分解层数：
D1：分解层数加1，对信号进行小波包分解；
D2：计算小波包分解系数模值；
小波包分解单元，对r进行l层小波包分解得结点上的系数为
其中H0和H1为两组对偶算子，H0H0+H1H1＝1，H0H1＝H1H0＝0，H0和H1分别相当于低通和高通滤波器，
为取整运算，()2为取余运算，分解后的小波包系数为
模值求取单元，对小波包分解系数进行取模运算，得小波包分解系数的实数值序列
D3：求取模值的均值；
并将
送入均值求取单元；
所述均值求取单元，求取实数值序列
的均值
D4：计数模值序列中大于均值的个数；
计数
中大于均值
的个数k
D5：小波包分解系数的总个数除以大于均值的个数，得最优小波包分解层的能量聚集度；
用小波包分解系数的总个数2l，除以大于均值的个数k，得该层的能量聚集度
gl＝2l/k (式4)
D6：若最优小波包分解层的能量聚集度大于上一层的能量聚集度，则重复D1-D6，否则停止分解，得最优小波包分解层数为该层数减1。
2.根据权利要求1所述的一种扩频通信***中多分量调频干扰抑制方法，其特征在于：所述步骤E中，采样以下方式求取门限值：
E1：计算最优小波包分解层小波包分解系数模值的均值；
E2：用均值乘以一比例系数，得门限值，其中比例系数为一个经验值，它与干信比有关，干信比越大系数越小，干信比越小系数越大。
3.根据权利要求1所述的一种扩频通信***中多分量调频干扰抑制方法，其特征在于：所述步骤F中，采样以下方式进行门限滤波：
F1：最优小波包分解层小波包分解系数模值序列中的每个值与门限值比较，将大于门限值的位置记录得干扰位置；
F2：将干扰位置上的小波包分解系数置零。
4.根据权利要求1所述的一种扩频通信***中多分量调频干扰抑制方法，其特征在于：实现所述方法的装置包括码片匹配滤波模块，采样模块，延迟缓存模块，分解层数确定模块，门限滤波模块，小波包重构模块和解扩判决模块；
所述的码片匹配滤波模块，对接收信号进行码片级匹配滤波，抑制信号带外噪声；
所述的采样模块，对匹配滤波后的信号进行码片级采样，得到离散码片值；
所述的延迟缓存模块，对经过对离散信号进行缓存处理，组成一个离散信号向量；
所述的分解层数确定模块，将每层小波包分解后的能量聚集度相比较，能量聚集度最大的层数为最优分解层数；
所述的门限滤波模块，对小波包分解系数进行取模、求均值并乘以比例系数得到滤波门限值，并对小波包系数进行门限滤波，将大于门限值的小波包分解系数置零；
所述的小波包重构模块，对门限滤波后的小波包系数进行快速小波包重构，得干扰消除后的信号；
所述的解扩判决模块，对干扰消除后的信号进行解扩处理并判决生成接收符号数据；
其中，所述分解层数确定模块包括小波包分解单元、模值求取单元、均值求取单元、能量聚集度求取单元和能量聚集度比较单元；
所述的小波包分解单元，对离散信号进行小波包分解，得小波包分解系数；
所述的模值求取单元，复制一份小波包分解系数，并求取小波包分解系数的模值；
所述的均值求取单元，求取小波包分解系数模值的均值；
所述的能量聚集度求取单元，求取干扰的能量聚集度；
所述的能量聚集度比较单元，将求取的干扰能量聚集度与上一层的干扰能量聚集度相比较，如果大于上一层则分解层数加一循环这一过程，如果小于或等于上一层，则将上一层作为分解层数输出。
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