（电力电子与电力传动专业论文）直接序列扩频变换域窄带干扰抑制技术研究.pdf

d s s st r a n s f o l r md o m a i nn a r r o w b a n di n t e r f e r e n c e s u p p r e s s i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c h a b s t r a c t d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u mi sar a p i d l yd e v e l o p e dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ； t h e r e f o r e ，i th a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nt h em i l i t a r yf i e l da sw e l la si nt h ec i v i l i t sc a p a b i l i t yo f n a r r o w - b a n di n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o ni so n eo fi t so u t s t a n d i n ga d v a n t a g e s ，i t c a ns u p p r e s s p o w e r f u li n t e n t i o n a lo ru n c o n s c i o u sn a r r o w - b a n di n t e r f e r e n c ef r o mc h a n n e l ，b u tw h e no u t s i d e i n t e r f e r e n c em i g h tb em o r ep o w e r f u lt h a na c c e p t e dt o l e r a n c e ，s y s t e mc a n tw o ko nt h er a i l s t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yt oi n t r o d u c ec o r r e s p o n d i n gi n t e r f e r e n c e s u p p r e s s i n gm e a s u r e sf o r i m p r o v i n gs y s t e mp e r f o r m a n c et om a k es y s t e ma c h i e v ec o m m u n i c a t i o n st a s ke f f i c i e n t l yi nt h e p o w e r 血li n t e r f e r e n c ee n v i r o n m e n t t h i sp a p e rs t u d i e st r a n s f o r md o m a i nn a r r o w b a n di n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o nt e c h n o l o g y , w h i c hc o n s t r u c t se f f i c i e n ti n t e r f e r e n c es u p p r e s s i n gf i l t e rb yu s eo fw i d e b a n dc h a r a c t e ro f s p r e a d i n gs i g n a la n dn a r r o w b a n dc h a r a c t e ro fi n t e r f e r e n c et os e p a r a t es i g n a lf r o mi n t e r f e r e n c e a m o n gm a n yn a r r o w b a n di n t e r f e r e n c es u p p r e s s i n gt e c h n o l o g yi nd s s s t h e r e f o r ei ti sh a s b e c o m eo n eo fr e s e a r c hh o t s p o t so fc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya tp r e s e n t b u tt r a n s f o r m d o m a i nn a r r o w - b a n di n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o nm e a s u r e sh a sm a n yk i n d s ，t h i sp a p e rm o s t l y s t u d i e sf r e q u e n c yi n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o nm e a s u r e ，w h i c hi su s e dm o s te x t e n s i v e l ya n dc a n d e a lw i t hm a n yi n t e r f e r e n c ea n dc a nb eq u i c k l ya d a p t i v e t h i sp a p e re x p a t i a t eo nc h a r a c t e r so fs p r e a d i n gf r e q u e n c yc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，s t u d i e s w o r kp r i n c i p l ea n dn a r r o w - b a n di n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o np r i n c i p l eo fd s s s ，m o s t l ys t u d i e s t r a n s f o r md o m a i nd i s p o s a la l g o r i t h m - - a d a p t i v ef i l t e ra l g o r i t h m ，a n a l y z e sl o c a l i z a t i o no ft i m e d o m a i nl m s t h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e sf i x e ds t e pf r e q u e n c yd o m a i nb l m sa l g o r i t h ma n da n a l y z e s c h a r a c t e r so ft h ea l g o r i t h m t h i sp a p e ra i m sa tt h el o c a l i z a t i o no ff r e q u e n c yd o m a i nb l m s a l g o r i t h m ，i m p r o v e st h ea l g o r i t h m ，a n dp r e s e n t sav a r i a b l es t e p - s i z ea d a p t i v eb l m sa l g o r i t h m i nf r e q u e n c yd o m a i nb yc o m b i n i n gf r e q u e n c yd o m a i nb l m sf a s ta l g o r i t h mw i t 1v a r i a b l e s t e p - s i z et e c h n i q u e ，m a k e sc o m p u t e rs i m u l a t i o n i ti st oj u d g ep e r f o r m a n c eo fa l g o r i t h mb a s e d o nt h ei m p r o v e m e n to fb i te r r o rr a t ea n dp o w e rs p e c t r u ma n dc o n v e r g e n c ei nt h ep r o c e s so f s i m u i a t j o n k e y w o r d s ：d i r e c t s e q u e n c es p r e a d s p e c t r u m ，n a r r o w b a n di n t e r f e r e n c e ，t r a n s f o r md o m a i n i n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o n ，f r e q u e n c yd o m a i nb l m sa a l g o r i t h m ，v a r i a b l es t e ps i z e 大庆石油学院硼十研究生学位论文 1 1 问题的提出与意义 第1 章绪论 直接序列扩频通信系统本身具有很强的抗干扰能力，其抗干扰的能力与扩频增益成 币比。但是，实际应用中受带宽和系统复杂度的限制1 1 1 ，直接序列扩频通信系统的处理增 益和干扰容限不可能做的很高；同时直接序列扩频通信在空1 日j 传输时所占有的带宽相对较 宽，在频谱空问比较拥挤的情况下，容易受到同频带其它用户的干扰，特别是在军事通信 中还会受到敌方有意的干扰。当这些干扰超过接收机的干扰容限时，直接序列扩频通信系 统将不能正常工作。同有用信号相比，这些干扰信号通常是传统通信体制的窄带信号。窄 带干扰对扩频通信系统性能影响最大，一个一l o o d b 的单频干扰足够破坏扩频接收机的正 常工作口l 。因此，在遇到强窄带干扰或多窄带干扰信号的情况下，单纯地用增大系统的扩 频增益的方法来抑制干扰往往是不可行的。为了提高直接序列扩频通信系统抑制窄带干扰 的能力，使系统接收端获得较好的误码性能，借助干扰抑制技术抑制窄带干扰是菲常必要 的。 因为干扰和信道的动态变化特性所以在干扰抑制技术中通常采用自适应技术。经过 多年的研究发展，国内外已经建立直接序列扩频自适应干扰抑制技术的理论基础。在直接 序列扩频通信系统的众多干扰抑制技术中，变换域干扰抑制技术由于具有众多优点而成为 目前通信技术领域的研究热点之一：变换域抗干扰算法可以自动地识别出干扰并采取有 效的抑制手段去除干扰；在时域复杂的滤波过程在频域可以通过简单的相乘来完成，而且 时域无法实现的理想的滤波器传递函数如矩形滤波器也可以很方便地在频域实现。因而被 认为是极具潜力的抗干扰策略。在通信和雷达应用中，特别是在扩频领域，变换域处理可 以有效地抑制干扰并改善系统性能。 目前，直接序列扩频通信系统中的变换域窄带干扰抑制技术研究在我国还处于起步和 发展阶段，而当前国防建设和民用设备都急需含有这种技术的扩频通信产品。因此，研究 基于直接序列扩频系统的窄带干扰抑制技术，并生产出符合需要的设备其有十分重要的意 义。 1 2 国内外研究现状 国外对扩频通信中窄带干扰抑制技术的研究起步甚早，可以追溯至上世纪七十年代， 尤其从上世纪8 0 年代开始至今，对干扰抑制技术的研究更是成了世界各地研究的一个热 点。 在直接序列扩频通信系统中，增加扩频增益可以提高系统抗干扰的能力，但是实际系 统受带宽和技术方面的限制，扩频增益不可能做的很高，因此必须求助于其他方法。研究 表明【3j ，如果在接收端解扩相关处理前，利用信号处理技术对于扰进行抑制滤波处理，误 码率可以进一步降低，系统性能得到进一步改善。现已有的窄带干扰抑制技术可以分为两 类：时域处理技术和变换域处理技术。 早期进行干扰抑制是使用线性滤波的方法1 4 。7 l ，1 9 9 0 年，v i j a y a n 和p o o r j 提出一种 非线性的预测窄带干扰信号的方法，它标志着非线性滤波应用到直接序列扩频通信系统中 抑制干扰的丌端，这种方法相比线性技术在处理信噪比上有了很大的改善。从此以后，用 非线性滤波对窄带干扰进行抑制得到了广泛的研究一“。 第1 亭绪论 变换域自适应滤波的概念是d e n t ir i o 等在t 9 7 9 年首先提出的，n a r a y a n 等对变换域 自适应滤波算法作了全面的总结。经过多年的研究发展，国内外关于直接序列扩频系统变 换域干扰抑制技术的理论基础已经建立起来。最初是由l b m i l s t e i n 等提出了采用快速 傅立叶变换以及声表面波器件的变换域滤波技术来抑制连续直接序列扩频系统中的窄带 干扰7j 。这种思想进一步发展为基于傅立叶变换的变换域抗干扰技术，并在抑制干扰性 能方面取得了很多成果。近年来又有许多学者研究了基于滤波器组和子带变换的变换域 干扰抑制技术。j o n e s 在1 9 9 2 年首先提出了基于多分辨率滤波器组的变换域抗干扰技术 的基本框架。后来，s a n d b e r g 等人用余弦调制的滤波器组代替加权离散傅立叶变换，提 出了谱包含的正交变换的概念。随着小波变换的只益成熟，一些作者提出快速傅立叶变换 ( f f t ) 之外的另一种选择，即采用小波变换以及相应的滤波器组来实现变换域滤波。此 外，l a n d r y 等提出采用小波包分解方法来精确定位时变干扰，并利用小波包分解可以保 持噪声能量这一特性来抑制干扰。除了小波变换，m e d l e y 等提出采用重叠变换来抑制干 扰的思想。 1 3 论文研究内容和结构安排 本文结合有关课题，刺直接序列扩频通信系统中变换域窄带干扰抑制技术进行了讨论 和理论研究，重点研究了频域干扰抑制技术，该技术目前应用最广泛，它可以处理多干扰 的情况，并且能快速的自适应。探讨了运算量较低、收敛速度较快的以及抑制干扰效果较 好的固定步长频域b l m s 算法，分析了该算法的特点：针对固定步长频域b l m s 算法的局限 性对政算法加以改进，将固定步长频域b l m s 算法和变步长技术娟结合，提出变步长频域 b l m s 算法，通过计算机仿真分析，可知该算法在直扩系统中能够更宵效地抑制窄带干扰， 提高系统的抗干扰能力。 本文的章节安排如下： 第一章简要介绍了本课题研究研究现状、目的及意义。 第二章主要研究了直接序列扩频的工作原理、直接序列扩频抗窄带干扰原理以及直接 序列扩频的窄带干扰抑制技术。 第三章主要阐述了扩频码的特性和产生方法，并给出了计算机实现流程。 第四章讨论了变换域干扰抑制技术的一个重要组成部分变换域处理算法，主要介绍 了自适应滤波技术及l m s 自适应算法，分析了l m s 算法在抑制窄带干扰时存在的局限性。 第五章主要研究了固定步长频域b l m s 算法，分析了固定步长频域b l m s 算法的优缺点。 针对固定步长频域算法的局限性，对算法加以改进，将频域b l m s 算法和变步长技术相结 合，提出一种变步长频域b l m s 算法，并对两种频域算法进行计算机仿真分析。 夫庆石油学院钡l 研究生学位论支 第2 章直接序列扩频通信系统 扩频通信( s p r e a ds p e c t r u mc o t i l l l u n jc a t i 0 1 3 s ) 技术最初是在军事抗干扰通信中发展 起来的18 1 ，后来又在移动通信中得到广泛的应用【1 9 j ，因此扩频技术的历史经历了两个发 展阶段，而目前它在这两个领域仍占据重要的地位。 2 1 扩频通信概述 扩频通信系统是指把待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数扩展后成为宽带信号， 送入信道中传输，再利用相应的手段将其压缩，从而获得传输信息的通信系统。也就是在 传输同样信息时所需的射频带宽远比我们熟知的各种调制方式要求的带宽要宽得多。扩频 带宽至少是信息带宽的几十倍甚至十几万倍。信息已经不再是决定调制信号带宽的一个重 要因素，其调制信号的带宽主要由扩频函数来决定。正因为扩展了信号频谱，所以使扩频 通信具有抗干扰能力强、信息信号隐蔽、任意选址和易于组网等独特的优点。基于扩频通 信技术的这些优点，自 个世纪5 0 年代中期美国军方便丌始对之进行研究1 2 ，这一技术 一直广泛应用于军事通信、电子对抗以及导航测量等各个领域。直到二十世纪8 0 年代初 爿被应用于民用通信领域。从此以后为了满足r 益增长的民用通信容量的需求和有效地 利用频谱资源，各国都纷纷提出在数字蜂窝移动通信、卫星移动通信和未来的个人通信中 采用扩频技术，从此，扩频技术得以广泛应用于蜂窝电话、无绳电话、微波通信、无线数 据通信、遥测、测控、报警等系统中。 扩频通信的研究和应用之所以在近年来能够进入一个更广泛的领域，表现出很强的 抗干扰能力，一方面是因为其本身具有独特的工作方式，在抗干扰方面性能显著；另一方 面是因为在这些特有的工作方式基础上，又针对各种具体的应用环境采用先进的干扰抑 制技术，不断解决了实际通信中存在的相应难题。 2 11 扩频通信工作原理 扩频通信的一般工作原理【2 1 l 如图2 - 1 所示。 图2 - 1 扩频通信系统基本框图 f ig 2 - 1t h eb as i co fs p r e a ds p e cl e u msys l e m 在发端输入的信息先经信息调制形成数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频码序 列去调制数字信号以展宽信号的频谱。展宽后的信号再调f j j 碧j 射频发送出去。在接收端收 到的宽带射频信号，变频至中频，然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解 第2 章直接序歹0 扣频通信系统 扩。再经信息解调、恢复成原始信息输出。 由此可见，一般的扩频通信系统都要进行三次调制和相应的解调。一次调制为信息调 制，二次调制为扩频调制，三次调制为射频调制，以及相应的信息解调、解扩和射频解调。 与一般通信系统比较，扩频通信就是多了扩频调制和解扩部分。 2 12 扩频通信主要特点 由于扩频通信能大大扩展信号的频谱，发端用扩频码序列进行扩频调制，以及在收端 用相关解调技术，使其具有许多窄带通信难于替代的优良性能，主要有以下几项特点【22 】： 1 易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率 无线频谱十分宝贵，虽然从长波到微波都得到开发利用，仍然满足不了社会的需求。 在窄带通信中，主要依靠波道划分来防止信道之间发生下扰。扩频通信发送功率极低 ( 16 5 0 m w ) ，采用了相关接收技术，且可工作在信道噪声和热噪声背景中，易于在同地 区重复使用同一频率，也可与现令各种窄带通信共享同一频葺爱资源。 2 抗干扰性强，误码率低 扩频通信在空f 自j 传输时所占有的带宽相对较宽，而收端又采用相关检测的办法束解 扩，使有用宽带信息信号恢复成窄带信号，而把非所需信号扩展成宽带信号，然后通过窄 带滤波技术提取有用的信号。这样，对于各种干扰信号，因其在收端的非相关性，解扩后 窄带信号中只有很微弱的成份，信噪比很高，因此抗干扰性强。 3 隐蔽性好，对各种窄带通信系统的t 扰很小 由于扩频信号在相对较宽的频带t 被扩展了，单位频带内的功率很小，信号湮没在噪 声里，一般不容易被发现，而想进一步检测信号的参数( 如伪随机编码序列) 就更加困难， 因此说其隐蔽性好。 4 可以实现码分多址 扩频通信提高了抗干扰性能，但付出了占用频带宽的代价。如果让许多用户共用这一 宽频带，则可大为提高频带的利用率。由于在扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制，充 分利用各种不同码型的扩频码序列之间优良的自相关特性和互相关特性，在接收端利用相 关检测技术进行解扩，则在分配给不同用户码型的情况下町以区分不同用户的信号提取 出有用信号。这样一来，在同一宽频带上许多对用户可以同时通话而互不干扰。 j 适合数字话音和数据传输，以及开展多种通信业务。 扩频通信般都采用数字通信、码分多址技术，适用于计算机网络和数据传输。 6 安装简便，易于维护 扩频通信设备是高度集成，采用了现代电子科技的尖端技术，因此，十分可靠、小巧， 大量运用后成本低，安装便捷，易于推广应用。 21 3 扩频通信工作方式 扩频通信有三种工作方式1 2 3 i ，分男0 为直接序列扩频、跳频扩频和跳时扩频。 1 直接序列扩频工作方式，简称直扩方式。所谓直接序列扩频，就是直接用具有高 码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。而在收端，用相同的扩频码序列去进行解 扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。 2 跳变频率工作方式，简称跳频方式。所谓跳频，比较确切的意思是用一定码序列 进行选择的多频率频移键控。也就是晓，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率 不断地跳变，所以称为跳频。 3 。跳变时问工作方式，简称跳时方式。跳时是使发射信号在时间轴上跳变。首先把 人庆石油学院顺十研究生学位论文 时间轴分成许多时片，在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。可以把跳时 理解为用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。 2 2 直接序列扩频系统 直接序列扩频技术是当今人们所熟知的扩频技术之一，它是目前应用较广泛的一种扩 展频谱系统。最初的用途是为军事通信提供安全保障，现在直接序列扩频技术被广泛应用 于包括计算机无线网等许多领域。 22 1 直接序列扩频工作原理 直接序列扩频f 2 4 1 是直接利用高码率的扩频码序列在发送端去扩展信号的频谱。而在接 收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。它是一种 数字调制方法，其原理如图2 2 所示。具体说，在发射机端，要传送的信息先转换成二进 制数据或符号，与伪随机码进行模2 和运算后形成复合码，再用该复合码去直接调制载波。 通常为提高发射机的工作效率和发射功率，扩频系统中一般采用平衡调制器。抑制载波的 平衡调制对提高扩频信号的抗侦破能力也十分有利。在接收机端用于发射机端完全同步 的伪随机码对接收信号进行解扩后经解调器还原输出原始数据信息。 ( a ) 发射端系统框图 ( a ) t h ef r a m eo ftr a n s m it t i n gs y s t e m ( b ) 接收端系统框图 ( b ) t h ef 1 7 a f i l eo fr e c e i v i n gs y s t e m 图2 - 2 直扩通信系统框图 f i g 2 - 2t h ef t a m eo fd s s ss y st e m 2 2 2 直接序列扩频抗干扰原理 在直接序列扩频系统中，信号在射频信道传输过程中必然受到各种外来信号的干扰。 因此在接收端，进入接收机的除有用信号外还存在干扰信号。由于直接序列扩频通信在 空间传输时所占有的带宽相对较宽，并且接收端又采用相关检测的办法来解扩，使有用宽 第2 章直接序列护频通信系统 带信息信号恢复成窄带信号，而把窄带干扰信号扩展成宽带信号，然后通过窄带滤波技术 提取有用的信号。这样，对于各种干扰信号，因其在接收端的非相关性，解扩后窄带信号 中只有很微弱的成份，信噪比很高，很大程度上抑制了窄带干扰。 对于宽带干扰和脉冲干扰在直接序列扩频设备中如何被抑制的物理过程吲，可以用 图2 - 3 和图2 4 加以说明。 对于各种形式人为的( 如电子对抗中) 干扰或其他窄带或宽带( 扩频) 系统的丁扰，只要 波形、时间和码元稍有差异，解扩后仍然保持其宽带性，而有用信号将被压缩，见图2 - 3 所示。 ( a ) 接收收入端( b ) 解扩后 图2 3 直扩系统抗宽带干扰能力示意图 f i g 2 - 3t h es k e t c ho fd s s ss u p p r e ss l a gw i d e b a n di n t e r f er e n c e 对于脉冲干扰，带宽将被展宽，而有用信号恢复( 压缩) 后，保证高于干扰，见图2 4 所示。 干扰功率谮 ( a ) 接收收八端 谱 信号功幸谱 率谱 f 图2 - 4 扩频系统抗脉冲干扰能力示意图 f i g 2 - 4t h es k e t c ho fd s s ss u p p r e s si n gn a rr o w b a n di n t e r f e r e n c e 22 3 直接序列扩频抗干扰原理的数学描述 覃奉 i c ( f )b “、i 翮网压习森汁坷葫 图2 - 5 直扩系统抗干扰原理图 f i g 2 - 5t h ep r i n c ip l eo fd s s ss ys t e ms u p p r e s s in gi n t e r f e r e n c e 信源产生的信号口( ，) 为信息流，其码元速率为r 。，码元宽度为咒，l = 1 r 。c ( ，) 为 伪随机序列产生器产生的伪随机序列，速率为r ，切普宽度为f ，t = l r 一扩频过程 实质上是信息流口( ，) 与伪随机序列c ( ，) 的模二加( 对应二进制的0 和1 ) 或相乘( 对 人庆石油学院坝十州究生学位论义 应数字波形“】”和“一l ”) 。伪随机码速率只。比信息码速率r 。人得多一般r 。r 。为整 数，且尺。r 。 l ，所以扩展后的序列的速率仍为伪随机码速率月。扩展后的序列d ( f ) 见 式( 2 一1 ) 。 d ( o = a ( t ) c ( t 、 ( 2 1 ) 用此扩展的序列去调制载波，将信号搬移到载频上去。分析采用p s k 调制则调制后得 到的信号s ( f ) 见式( 2 2 ) 。 s ( t ) = d ( t ) c o s c o 。( ，) = a ( t ) c ( t ) c o s c o 。( ，) ( 2 - 2 ) 式中国为载波频率。 接收机收到的信号经选择放大和混频后，得到以下几部分信号：有用信号j m ) ，信 道噪声_ ( ，) ，干扰信号以( ，) 和其他网的扩频信号s ，( ，) 等，即混频后的信号见式( 2 3 ) ： _ ( t ) = s ，o ) + t 1 ，o ) + i ，o ) + s ，( t ) ( 2 3 ) 接收端的伪随机码产生器产生的伪随机序列与发射端产生的伪随机序列相同，但起始 时间或初始相位可能不同为c ( ，) 。解扩过程和扩频过程相同，用本地的伪随机序列c ( ，) 与接收到的信号相乘，相乘后见式( 2 - 4 ) 。 ( ，) = r a t ) c7 0 ) = s ；( f ) + n j ( f ) + j i ( t ) + s l ( ，) ( 2 4 ) 下面分别对四个分量进行分析。首先看信号分量一j ( ，) ，见式( 2 5 ) 。 s ；( ，) = s i ( f ) c ( f ) = a ( t ) c ( t ) c ( t ) c o s c 0 1 f ( 2 5 ) 当本地产生的为随机序列c ( t ) 与发端的伪随机序列c ( t ) 相同时，有c ( f ) = c ( t ) ，则 c ( ，) c ( f ) = l ，于是信号分量s ：( ，) 为式( 2 6 ) 。 s ；( r ) = a ( t ) c o s c o i t ( 2 6 ) 后面所接滤波器f 好能让信号通过，因此可以进入解调器进行解调，将有用信号解调 出来。 对噪声分量胛) 、干扰分量i ，m ) 和不同网干扰s 力) ，经解扩处理后，被大大消弱。 ( ，) 分量，一般为高斯带限白噪声，因而用c ( ，) 处理后，谱密度基本不变( 略有降低) ， 但相对带宽改变，因而噪声功率降低。l ，) 分量，是人为干扰信号引起的这些干扰由 第2 章直接序列扣频通信系统 于与伪随机码不相关，因此，相乘过程相当于扩展频谱过程，将下扰信号功率分散到一很 宽的频带上，潜密度降低，而滤波器的频带只能让有用信号通过，这样，能够进入解调器 输入端的干扰功率只能是与信号频带相同的那一部分。解扩前后的频带相差甚大，因而解 扩后干扰功率大大降低。提高了解调器输入端的信干比，从而提高了系统抗干扰能力。至 于不同网的信号s ，( t ) ，由于不同网所用的扩频序列不同，这样对于不同网的扩频信号而 言，相当于再次扩展，从而降低了不同网信号的干扰。 2 3 直接序列扩频窄带干扰抑制技术 近年来，扩频技术由于自身具备的许多独特的优点而被广泛应用于很多领域26 1 。直 接序列扩频通信系统的突出优点之一是具有很强的抗窄带干扰能力，可以抗来自信道中的 有意或无意干扰，吲时它的抗窄带干扰能力与扩频增益是成正比的。当扩频增益受限，窄 带于扰的功率超过一定限度时，系统的性能将会下降，甚至造成通信中断。为了在不增加 扩频增益的条件卜进一步抑制窄带干扰，需要在解扩前采用信号处理技术抑制干扰，弥补 扩频增益的不足。现已有的窄带干扰抑制技术可分为两类：时域处理技术和变换域处理技 术【2 “。下面将对主要的窄带干扰抑制技术进行分析介绍。 1 基于预测的时域窄带干扰抑制技术 直接序列扩频通信系统中，接收机的输入信号可以表示为 r ( t ) = s ( t ) + j ( t ) + n ( t ) ( 27 ) 其中j ( f ) 是直扩信号，j ( t ) 是干拢信号，n ( f ) 是热噪声。一般来说，直扩信号和热噪 声信号都是宽带信号，信号的样值之间几乎不相关，因此宽带信号是不能根掘过去样本值 进行预测的，而窄带信号是非高斯的，样值问有很强的相关性，可以从过去样值来估计当 前样值。因此可先预测出干扰信号，然后从输入信号中去掉干扰成分便可得到窄带干扰。 基于时域的窄带干扰抑制技术的基本思想就是利用窄带信号和宽带信号在可预测性上的 差异而达到抑制窄带干扰的目的。当接收信号同时包含宽带有用信号和窄带干扰时，那么 对接收信号进行预测，预测值将主要是窄带信号的预测值。所以在解扩之前从当前信号中 去除预测值，将大大减小接收信号之中的窄带干扰。 根据抑制滤波器系数估计方法的不同，时域窄带干扰抑制技术又主要分为线性预测白 适应滤波和非线性自适应滤波。 a 线性预测滤波器 线性预测滤波器就是利用各种自适应算法调整横向滤波器的系数抑制窄带丁扰。常用 的线性预测算法主要是最小均方误差l m s 算法。该算法最早是由v i j a y a n 和p o o r 等人应用于 窄带干扰抑制的，是最早的窄带干扰技术。它在某些场合下性能不是很好，而且收敛速度 慢，长期稳定性也不好。 b 非线性预测滤波器 在高斯白噪声背景下，线性预测是最优的。而当面临的噪声是非高斯噪声时，为了获 得更好的性能，需要借助于非线性技术。用非线性滤波器可以获得比线性滤波器更好的窄 带干扰抑制效果。非线性自适应滤波的典型算法是近似条件均值( a c m ) 滤波。其原理是 将a c m 滤波的非线性函数用横向自适应滤波器，该算法的收敛速度也很慢。 2 基于变换域的窄带干扰抑制技术 在窄带干扰抑制技术当中，最有用的技术之一是变换域自适应滤波技术。它主要是利 大庆石油学院硕十研究生学位论文 用窄带干扰信号的功率谱集中在很窄的频带中，表现为脉冲形状这一特点，通过合适的变 换，将干扰映射到有限的变换域子带，同时把有用信号尽可能地扩散在整个变换域中，映 射成与干扰正交的，具有平坦谱特性的波形。然后判断干扰的位置和带宽，采用合适的陷 波算法抑制窄带干扰信号。变换域窄带干扰抑制技术的原理框图如图2 - 6 所示： 图2 - 6 变换域窄带干扰抑制框图 变换域的干扰抑制方法有多种，主要区别在于信号的变换方式、干扰检测及陷波算法。 根据域变换的方法不同，变换域干扰抑制可以分为离散傅立叶变换( d f r i ) 、离散余弦变换 ( d c t ) 、重叠变换( l t ) 、带变换( s t ) 、小波包变换( w p t ) 等多种方法。基于离散傅立 叶变换( d i s c r e t ef o u r i e ft r a n sf o r m ，d f t ) 的频域干扰抑制方法1 2 8 - 2 9 1 目前应用最广泛， 它可以处理多干扰的情况，并且能快速的自适应。在d f t 算法中，f j 限的确定是很重要的。 文献 3 0 根据d i p i e t r o 的建议，研究了几种基于d f t 的抑制算法，并对各种算法的干扰 抑制性能进行了对比，但是这些算法都没有提出一个合理可行的计算门限的方案。而自适 应干扰抑制技术可以在不同的干扰环境中自动地识别出扩频信号并去除干扰，因此，本文 重点研究频域自适应干扰抑制技术。 2 4 小结 本章主要介绍了扩频通信系统的特点、直接序列扩频通信系统的工作原理、抗干扰原 理及其抗干扰原理的数学描述。 9 大庆百油学院硕 j 研究生学位论文 第3 章伪随机码及其计算机实现 在直接系列扩频通信系统中，实现扩频和解扩的根本技术就是将信号与伪随机码相 乘，从而得到频谱的扩展和压缩。扩频伪随机码序列应具有如下理想特性：有尖锐的自相 关特性：尽可能小的互相关值：足够多的序列数：序列平衡：工程上易于实现。产生和计 算伪随机码就是系统的关键，这需要深奥的数学理论和复杂的数学推导。利用计算机产生 和计算扩频伪随机码，将大人简化这一过程。 3 1 码序列的相关性 之所以选用随机信号或噪声性能的信号来传输信息，是因为在信息传输中各种信号 之白j 的差别性能越大越好。这样任意两个信号不容易混淆也就是说，相互之间不易发生 干扰，不会发生误判。理想的传输信息的信号形式应是类似噪声的随机信号因为取任何 时间上不同的两段噪声来比较都不会完全相似。用它们代表两种信号，其差别性就最大。 在数学上是用白相关函数来表示信号与它自身相移以后的相似性的。随机信号的自 相关函数的定义为下列积分： 1 ，2 f 0 ，f 0 r ( 7 ) 。熙享i 。( 7 ) 厂( 7 7 ) 击2 常数，f ：0 ( 3 - 1 ) 式中厂( ，) 为信号的时问函数，r 为时间延迟。 这是一种理想的二值相关特性。伪随机码的尖锐的自相关特性，对于扩频通信是极其 重要的，在技术上，一般在接收机端用一个本地伪随机码，测量其与接收信号的相关特性， 一旦信号与其相关，便出现一个相关峰值，也就是找到了这个同步信号并找到了它的起点 ( 相位) ，如果相关值不尖锐，或者还有旁瓣峰值，在噪声的干扰下，便容易造成误判决。 因此，扩频系统中，扩频函数尖锐的白相关特性对于抗噪声干扰，同步提取，码分选址， 克服多径效应等方面都能表现出优良的性能。 扩频码序列除自相关性外，与其他同类码序列的相关性也很重要。例如有许多用户共 用一个信道，要区分不同用户的信号，就得靠相互之间的区别或不相似性来区分。换句 话说，就是要选用互相关性小的信号来表示不同的用户。两个不同信号波形f ( t ) 与g ( t ) 之 间的相似性用互相关函数来表示： e ( r ) = ，l i 。m 。1 ( 。 ，2 ：f ( f ) g ( ，一r ) d t ( 3 - 2 ) 如果两个信号都是完全随机的，在任意延迟时间f 都不相同，则上式为o 。如果有一 定的相似性，则不完全为0 。两个信号的互相关函数为0 ，则称之为是f 交的。通常希望 两个信号的互相关值越小越好，则它们越容易被区分，且相互之间的干扰也小。 3 2m 序列及g o ld 码序列 最大长度线性移位寄存器序列( 简称m 序列) 是一类重要的伪随机序列，最早应用 笙! 至! 塑型型堡 于扩频通信，也是目前研究得最深入的伪随机序列。g o l d 码序列具有优良的互相关特性， 序列数远远多于m 序列，便于扩频多址应用。下而将对m 序列与g o l d 序列加以介绍3 1 - 3 2 1 。 321m 序列 m 序列是最长线性移位寄存器序列的简称。由于m 序列容易产生、规律性强、有许多 优良的性能，在扩频通信中最早获得广泛的应用。 顾名思义，m 序列是由多级移位寄存器或其他延迟元件通过线性反馈产生的最长的码 序列。在二进制移位寄存发生器中，若1 1 为级数，则所能产生的最大长度的码序列为2 ”一1 位。 ( a ) m 序列的产生 m 序列的产生如图3 1 所示。主要由移位寄存器和反馈函数构成。反馈函数的输入端 通过系数与移位寄存器的各级状态相联( c = o ( 断) 或l ( 通) ) 。输出通过反馈线作为d ，的 输入。移位寄存器在时钟的作用f 把反馈函数的输出存入d ，在下一个时钟刷期又把新 的反馈函数的输出存入口。而把原a ，的内容移入a ：，依次循环卜去，d 。不断输出。按照图 中线路关系，a 。可写为 a 。= o n _ 1 口loo n 2 d 2o - 0c l 盘。一1 、 ( 3 - 3 ) 图3 - i 线性反馈移位寄存器 f i g 3 - i 1i f l e arf e e d b a c ks h i f tr e g is t e r c 的取值决定了移位寄存器的反馈结构和序列结构，将其用下列方程表示为式( 3 - 4 ) 他) = + c l x 十c 2 工2 十+ ”= t x = 0 ( 3 4 ) 上式称为特征方程( 或特征多项式) ，式中x 仅指明其系数( 1 或0 ) 代表c 的值，本身 耿值并无实际意义。如( x ) = 1 + x + x 4 ，它仅表示x o ，x 1 和上4 的系数c 。= c = c 。= 1 ，其 余的c ，为零。经严格证明：若反馈移位寄存器的特征多项式为本原多项式，则移位寄存器 能产生m 序列。 卜 + 盼h _ 0 上 一 日曩 大庆石油学院硕士研究生学位论史 对于参数f ，的选取，前人做了大量的研究，并且将其列制成表，只要确定了移位寄存 器的级数n ，就可查表得到反馈系数c ，。如n = 7 ，查表可得，( x ) = x 7 + x3 + 1 于是有 c o = c 3 = c 7 = 1 ， c l = f 2 = c 4 = c 5 = = c 6 = 0 。 ( b ) m 序列的性质 ( 1 ) 周期性。n 级m 序列的周期为p = 2 ”一l ( 2 ) 均衡性。在m 序列的一个周期中，“1 ”的个数比“0 ”的个数多1 ： ( 3 ) 一般来说，在i n 序列中，长度为1 的游程占游程总数的三，长度为2 的游程占游 2 程总数的一1 ；，即长度为k 的游程数目占游程总数的2 一，其中，l 茎k ( 一2 ) 。而 4 且在长度为k ( 1 蔓女s ( n 一2 ) ) 的游程中，连“1 ”和连“0 ”的游程各占一半，n 一1 个连0 和n 个连，“1 ”的游程各一个，总的游程数为2 ”个； ( 4 ) m 序列和其移位后的序列逐位模二相加，所得的序列还是m 序列，只是相移不同 而已； ( 5 ) 尖锐的自相关特性，自相关函数是周期性的，周期是p = 2 ”一1 。m 序列的自相关 函数只有两种取值( 1 和一1 p ) 。有时我们把这类序列称为双值自相关序列。双电平m 序 列归一化的离散自相关函数见式( 3 - 5 ) ，用图形表示见图3 2 。 f 1，= l p ， ，= 0 ，l ，2 ， 魁d 。协岸l 如 目f p o 5 图3 - 2m 序列的自相关函数 f i g 3 2 ms e q u e n c es e l fc o t r e l a t i o i l f u n c t io i l ( 6 ) 同样长度的m 序列个数不多，且序列之间的互相关值并不都好，这是m 序列的最 大的缺点。 在码分多址通信中，不同地址的扩频码互相关值要小，以便互不干扰，使用i l l 序列作 为地址码时，组成互相关值小的序列集很少。例如，经计算机搜索，9 级移位寄存器产生 的f i 序列有4 8 个，但找不到多于3 个序列的组，其中任意两序列之间的互相关最大值不 超过3 3 。若地址数要多，只有降低互相关要求。当互相关值不超过6 5 时，可以从4 8 个 序列挑出几组6 个i l l 序列的集。因此对于多址应用来说，其地址数实在太少了。 3 2 2g o i d 码序列 m 序列虽然性能优良，但同样长度的m 序列个数不多，且序列之问的互相关值并不都 好。r g o l d 提出了一种基于m 序列的码序列，称为g o l d 码序列。这种序列有较优良的 自相关特性和互相关特性，构造简单，产生的序列数多，冈而获得了广泛的应用。 g o l d 码是由2 个码长相等、码时钟速率相同的m 序列优选对模二加和构成，其产生 方法如图3 3 所示。每改变2 个m 序列相对位移就可以得到一个新的g o l d 序列。 l 。控 这罩我们定义r 1 系列优选对：设a 是对应于n 级本原多项式f ( x ) 所产生的m 序列，b 是对应于n 级本原多项式g ( x ) 所产生的r f i 序列，当它们的互相关函数值满足式( 3 - 6 ) 的 条件时，则称这一对1 1 1 序列为优选对。例如，当n = 9 时，自相关值为5 1 1 ，优选对互相关 值为不超过3 3 ，既优选对互相关值大大小于白相关值。 f 型 r 。( f ) ： 2 i ，+ 1 ，”伪奇数 ( 3 6 ) 。 22 + 1 伪偶数 ( b ) g o l d 码序列族 g o l d 序列继承了m 序列优选对的相关特性，也具有三值性。验算一下可知，这些互 相关值，都大大低于自相关值，且约有5 0 。7 5 以上的g o l d 码序列有最低的互相关函数 值( 一l p ) 。这特点说明，g o l d 码系列适用于码分多址。g o l d 码族中任意两序列之间互相 关函数都满足上述之值。由于g o l d 码这一特性，使得码族中任一码序列都可作为地址码， 这样，采用g o l d 码族作地址码，其地址数大大超过了用m 序列作地址码的数量，所以在 多址技术中得到了广泛的应用。 对于2 个n 级线性移位寄存器，当相对位移( 2 “一1 ) 比特时，就可以得到族( 2 ”一1 ) 个g o l d 码序列，再加上两个m 序列，共有( 2 “+ 1 ) 个g o l d 码序列。g o l d 码序列已经不再 是m 序列，也就不满足m 序列在每一个周期内“l ”出现的次数比“o ”多一次的特性，因 此在应用g o l d 码作为扩频序列时，必须研究g o l d 码的平衡性。 ( c