（电路与系统专业论文）直接序列扩频通信系统中的窄带干扰抑制技术研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 直接序列扩频( d s s s ) 通信系统广泛应用于无线通信中，其抗干扰能力由有限 的处理增益决定。窄带干扰是d s s s 通信系统中最常见的干扰。当干扰强度很大、 干扰统计特性复杂时，处理增益不能达到抗干扰要求，导致系统不能正常工作。 如何在系统中引入窄带干扰抑制技术，提高系统的抗干扰能力，是d s s s 通信系统 的关键技术之一，具有重要的应用前景。 针对上述情况，论文主要有以下工作： 介绍了d s s s 通信系统等效模型，对信号处理过程进行了分析，阐明了处 理增益和抗干扰能力的关系。在此基础上描述了系统最常见的窄带干扰，并对系 统中影响最严重的一种单频干扰进行了推导分析，进一步说明了引入抗干扰技术 的必要性。 结合系统模型，对变换域和时域窄带干扰抑制技术进行了研究，设计了常 用的频域处理技术和时域预测技术。设计的时域l m s 预测技术对信号的损伤很小、 占用资源少且硬件实现简单。针对不同类型的窄带干扰，分别对所设计的各种技 术进行了仿真研究和性能对比。 分析了传统统一抽头间隔滤波器的缺点，并针对其滤波器阶数高、预测不 准确、滤波不彻底等问题，设计了一种采用变抽头间隔的预测滤波器结构，阐述 了相关原理。在不同类型的窄带干扰下，对改进的预测滤波器性能进行了仿真研 究，并与统一抽头间隔滤波器性能进行了对比分析。结果表明，变抽头间隔预测 器降低了滤波器的阶数，对有用信号的损耗很小，占用资源少且硬件实现简单， 能够有效地抑制窄带干扰，适合于实际应用。 对频域处理和改进的时域预测技术进行了性能仿真对比，比较了两种抗干 扰技术的资源占用、算法复杂度以及给系统带来的固有损耗。在此基础上，综合 考虑实际d s s s 通信系统的工作环境、抗干扰要求和硬件可用资源等因素，采用7 阶时域变抽头间隔自适应线性预测滤波的方式，进行了窄带干扰抑制技术的硬件 实现。完成了系统联调与测试，实际抗干扰能力与理论分析结果吻合。 论文研究结果表明，改进的时域线性预测器极大地提高了d s s s 通信系统的 抗窄带干扰能力。该预测滤波器已在实际中得到了有效的应用。 关键词：直接序列扩频，窄带干扰，时域预测，变抽头间隔 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h ed i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ( d s s s ) c o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a sb e e n w i d e l yu s e di nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，i t sa n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t yi sd e c i d e db yt h e l i m i t e dp r o c e s s i n gg a i n n a r r o w b a n di n t e r f e r e n c ei st h em o s tc o m m o ni n t e r f e r e n c ei n d s s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m w h e nt h ei n t e r f e r e n c eh a sag r e a ti n t e n s i t yo rc o m p l e x s t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e p r o c e s s i n gg a i n c a nn o tm e e tt h e r e q u i r e m e n t s o f a n t i - i n t e r f e r e n c e ，t h es y s t e m c a nn o tf u n c t i o n p r o p e r l y h o w t oi n t r o d u c et h e 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 nt e c h n o l o g yi n t ot h es y s t e mt o i m p r o v et h e a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t yi so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e si nd s s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ， i th a sa ni m p o r t a n ta p p l i c a t i o np r o s p e c t i nv i e wo ft h ea b o v es i t u a t i o n ，t h et h e s i sh a st h ef o l l o w i n gt a s k s ： t h ee q u i v a l e n tm o d e lo fd s s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw a si n t r o d u c e d ，t h e s i g n a lp r o c e s s i n gp r o c e s s w a sa n a l y z e d ，a n dt h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t ya n dp r o c e s s i n gg a i nw a sc l a r i f i e d o nt h eb a s i s ，t h em o s t c o m m o nn a r r o w - b a n di n t e r f e r e n c ei nt h es y s t e mw a sd e s c r i b e d ，a n dt h em o s ts e r i o u s s i n g l e f r e q u e n c yi n t e r f e r e n c ea n a l y s i sw a sd e r i v e di no r d e rt o f u r t h e re x p l a i nt h e n e c e s s i t yo fi n t r o d u c i n ga n t i - i n t e r f e r e n c et e c h n i q u e s c o m b i n gs y s t e mm o d e l ，t h et r a n s f o r md o m a i na n dt i m ed o m a i nn a r r o w b a n d i 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 i q u e s w e r es t u d i e d t h ec o m m o n l yu s e df r e q u e n c y d o m a i nt e c h n i q u e sa n dt i m ed o m a i np r e d i c t i o nt e c h n o l o g i e sw e r ed e s i g n e d t h e d e s i g n e dt i m e d o m a i nl m sp r e d i c t i o nh a dl i t t l ed a m a g et ot h es i g n a l ，o c c u p i e df e w e r r e s o u r c e sa n dh a das i m p l eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n o nt h eb a s i so fd i f f e r e n tt y p e so f n a r r o w b a n di n t e r f e r e n c e ，t h es i m u l a t i o nw a sc o m p l e t e d ，a n dt h ep e r f o r m a n c e so f d e s i g n e dt e c h n i q u e sw e r ec o m p a r e d t h ed i s a d v a n t a g e so ft h et r a d i t i o n a lu n i f o r mt a pi n t e r v a lf i l t e rw e r ea n a l y z e d i nv i e wo fh i g h - o r d e r , i n a c c u r a t ef o r e c a s t ，i n c o m p l e t ef i l t e r i n ga n do t h e ri s s u e s ，a v a r i a b l et a pi n t e r v a lp r e d i c t i o nf i l t e rs t r u c t u r ew a sd e s i g n e dw i t ht h er e l e v a n tp r i n c i p l e w i t hd i f f e r e n tt y p e so fn a r r o w b a n di n t e r f e r e n c e ，t h es i m u l a t i o nw a su s e dt oc o m p a r e a n da n a l y z et h ep e r f o r m a n c e so fd i f f e r e n tf i l t e rs t r u c t u r e t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e v a r i a b l et a ps p a c i n gp r e d i c t o rr e d u c e dt h eo r d e ro ft h ef i l t e r ，a n dt h el o s so ft h eu s e f u l s i g n a lw a sv e r yl i t t l e l e s sr e s o u r c ew a so c c u p i e d ，t h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o nw a s 重庆大学硕十学位论文 英文摘要 s i m p l e ，a n dt h en b is u p p r e s s i o nw a s a c c u r a t ea n dc o m p l e t e i t ss u i t a b l ef o rp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s s i m u l a t i o nf o rf r e q u e n c yd o m a i np r o c e s s i n ga n dt h ei m p r o v e dt i m e d o m a i n p r e d i c t o rw a su s e dt oc o m p a r et h ep e r f o r m a n c e ，a n t i - j a m m i n gt e c h n o l o g yr e s o u r c e o c c u p y i n g , a l g o r i t h m sa n dc o m p l e x i t yi n h e r e n tt ot h es y s t e ml o s s o nt h eb a s i s ，t h e t h e s i ss y n t h e t i c a l l yc o n c e r n e da b o u tt h ea c t u a ld s s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw o r k i n g e n v i r o n m e n t ，a n t i i n t e r f e r e n c er e q u i r e m e n t s ，h a r d w a r er e s o u r c e sa v a i l a b l ea n do t h e r f a c t o r s ，t h e na c h i e v e dh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o nb yu s i n g7 - t a pv a r i a b l et a p p e dd e l a y l i n ea d a p t i v ef i l t e r t h es y s t e mt e s t i n gw a sc o m p l e t e d ，a c t u a la n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t y a n dt h e o r e t i c a la n a l y s i sr e s u l t sw e r ec o n s i s t e n t t h er e s u l t so ft h es t u d yi nt h et h e s i ss h o w e dt h a tt h ei m p r o v e dt i m e - d o m a i n l i n e a rp r e d i c t o rs i g n i f i c a n t l yi m p r o v e dt h ec a p a c i t yo fa n t i - n b if o rt h ed s s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h ep r e d i c t i o nf i l t e rh a sb e e ne f f e c t i v e l ya p p l i e di np r a c t i c e k e y w o r d s ： d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ，n a r r o wb a n di n t e r f e r e n c e ，t i m e d o m a i np r e d i c t i o n ，v a r i a b l et a ps p a c e i i i 学位论文独创性声明 本人声 明所呈交的盟 士 学位论文 r 一 丝蚴鱼焦丕盗牢罐蟹麟物锄是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谓 意。 学位论文作者签名：多诞l 导师签名： 旦砂文 签字日期：础步f ) 签字日期：歹哆c 矽 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程狞( 以 下简称t 。章程， ) ，愿意将本人的缒士学位论文堑缢趣蚴缝卑蟛獭燃私犏) 提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数 据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文 数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论 文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内 容。 作者签名：至逛导师签名： 名刁，钟j 1 月7 日 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书”，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一只。 说明：本声明及授权书堂筮装订在提交的学位论文最后一页。 重庆大学硕十学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 引言 随着信息化时代的发展，人类对通信的需求不断增大，与此带来的是通信所 面临的电磁环境更加复杂。当今通信研究所面临的重要课题，就是怎样在恶劣的 环境下保证通信有效的、准确的、快速的进行。扩展频谱通信( s p r e a ds p e c t r u m c o m m u n i c a t i o n ) 1 卜f 8 】简称扩频通信，它是将待传输信息的频谱用某个特定的扩频函 数扩展后成为宽频带信号后进行传输，再利用相应手段将信号压缩，从而获取传 输信息的通信系统。扩频通信传输信息所用的带宽远大于信息本身带宽。 扩频通信系统主要包括四种： 直接序列扩频( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ，d s s s ) ； 跳频( f r e q u e n c yh o p p i n g ，f h ) ； 跳时( t i m eh o p p i n g ，t h ) ； 混合扩频( f h ：o s ，t h d s ，f h t h 等) 。 d s s s 通信系统是本文所进行研究的应用平台，它在无线通信中得到了广泛的 应用。窄带干扰( n a r r o w b a n di n t e r f e r e n c e ，n b i ) 是d s s s 通信系统所面临的最常见 干扰，当干扰功率超过系统的抗干扰容限时，d s s s 通信系统将不能正常工作。 1 2 扩频通信技术的原理和特点 扩频通信技术的理论根据是信息论中的香农( s h a n n o n ) 公式，可以表示为： c 圳( 1 + 熹) ( 1 1 ) 式中： c 一信道容量，b s 。 良一信道带宽，h z 5 仁信号功率，w ； _ 一噪声功率，w 。 香农公式是扩频通信的基本思想。它给出了无差错地传输信息的能力同系统 的信噪比以及用于传输信息的信道带宽之间的关系。它表明了在容量c 一定的情 况下，带宽b 和信噪比s n 可以互换。 令c 是希望具有的信道容量，即期望的最大信息速率，对( 1 1 ) 式进行变换： i c 乩4 4 n ( 1 + 导) ( 1 2 ) 曰ij 、 重庆大学硕士学位论文1 绪论 对于干扰环境中的典型情况，当羔n 彤) 的理想带通滤波器形成的噪声。对于一定的干扰功率来讲，窄带高斯 噪声比单音干扰影响的频率范围要大，但相应的功率谱密度要小一些。设被干扰 的频率范围为口( 百分比) ，干扰功率为彳二，则双边功率谱密度可简单地表示为 彳二2 6 1 4 - ，s s ，其中k 为扩频信号的带宽。窄带高斯噪声的功率谱密度为： m 1 2 = 盖q i i s 0 9 2 ( 2 8 ) 1 0 ， 其它 如下图所示： ! 竺口 频率 图2 4 窄带噪声干扰 f i g 2 4n a r r o w - b a n di n t e r f e r e n c e 实际情况下，也可以用白噪声经窄带滤波来产生窄带高斯噪声。这样它的功 率谱密度就变为 i j c o j ) 1 2 = 等i ( o , ) 1 2 ( 2 9 ) 其中日向) 为滤波器的系统函数。 脉冲干扰 脉冲干扰是在时域很少一部分时间内施放干扰，又称部分时间干扰。它作用 的时间较短，但突发的脉冲幅度大，且周期是随机的【3 。这种干扰具有平坦的频 谱特性，且其频谱覆盖整个信号带宽。脉冲干扰不像窄带干扰是连续的，它的波 形断续，发射概率为口。当干扰没有发射时接收的数据比特可以看作是没有差错 的。但是干扰发射时，如果选择适当的占空比( 在一段连续工作时间内脉冲占用 的时间与总时间的比值) ，可以极大程度地破坏d s s s 通信系统的性能。对于未编 码的扩频系统来说，存在脉冲干扰时的误码率为 ) ；口复，c ( 葩。j o ) 。当 口；j 7 1 0 佃6 毛j 。o 7 1 ( 2 1 0 ) 1 1 ， e b j o o 7 1 7 相应的误码率为 1 0 重庆人学硕士学位论文2 系统模型与干扰 只2 l 1 0 毖0 8 咖3 j o ( 删e b , 万) ， 既e b i j j 。o 。0 7 7 1 1 叫) 上式是在最恶劣情况下误码率的上限，在实际当中口满足式( 2 1 0 ) 的条件时， 未编码系统的性能是很差的，这时可以借助编码来提高接收机性能。 2 3 窄带干扰 2 3 1 处理增益与窄带干扰 直接序列系统的处理增益是伪码速率与信息信号速率的函数。这里所说的增 益是指信号从信息带宽和射频带宽之间的变换而带来的信噪比的改善程度。 通常在衡量扩频通信系统抗干扰能力的优劣时，我们引入“处理增益g 的 概念来描述，并将其定义为接收机解扩器( 相关器) 的输出信噪功率比与接收机 的输入信噪功率比的比值【3 2 l ，即： 铲甏= 潞 ir =一=1一 i i - 输入信噪功率比( s ) h r 7 处理增益表示经过扩频接收端处理后，使信号增强的同时抑制输入到接收机 干扰信号的能力的大小。处理增益g 。越大，则系统的抗干扰能力越强。 d s s s 通信系统中，若信息码的码速率为凰，扩频码的码速率为恐，系统的 扩频处理增益g ，为 g p = 等一惫( 2 1 3 ) 为和信息码的码速率相区别，通常称扩频码的码速率为码片速率或“切 普”( c h i p ) 速率，扩频码的码元称为码片。 在d s s s 通信系统中，码片速率通常是信息码速率的整数倍，取 r c = n r b ( 2 1 4 ) 或 瓦一n t c ( 2 1 5 ) 式中： r 扩频码的码速率，c h i p s s ； r 信息码的码速率，b i t s ； 乏扩频码的码元宽度或码片宽度，s ； 瓦信息码的码元宽度，s ； m 扩频码的长度或周期。 在这种情况下，d s s s 通信系统的处理增益g ，为 g 。= n( 2 1 6 ) 如2 1 节所述的系统模型中，假设两个信号完全相同( 或相关性很好) ，得到 重庆大学硕士学位论文2 系统模型与干扰 最大的相关峰值，经数据检测器恢复出发射端的信号d o ) 。若信道中存在着窄带 干扰，则它们和有用信号s 。o ) 同时进入接收机，如图2 5 ( a ) 所示。图2 5 中，尺。为 伪噪声码速率，厶为载波频率，磊为中频频率。 由于窄带噪声和多径干扰与本地参考扩频信号不相关，所以在进行相关处理 时被削弱。 窄带干扰 白喂声 有用信号 、 、 ；径干扰? 7 与一 ：、!，。扒i l | 以= 2 r by - _ ； | 一 白噪声l i 。 乒! 多径跫，_ ： f b )( c ) 图2 5 扩频接收机中各点信号的频谱示意图 f i g 2 5t h es p e c t r u ms k e t c hm a po ft h es i g n a l si nt h ed s s sr e c e i v e r 实际上千扰信号和本地参考扩频信号进行相关处理后，其频带被扩展，即干 扰信号的频谱被扩展到整个传输频带之内，降低了干扰信号的电平( 单位频率内 的能量或功率) ，如图2 5 ( b ) 所示。由于有用信号和本地参考扩频序列有良好的相 关性，在通过相关处理后有用信号被压缩到带宽为鼠，2 r b 的频带内。由于相关器 后的中频滤波器通频带很窄，通常为玩= 2 r b ，所以中频滤波器只输出未进行 q p s k 解调的中频信号和落在滤波器通频带内的部分干扰信号和噪声，而绝大部分 的干扰信号和噪声能量( 功率) 被中频滤波器滤除，较大程度地改善了系统的输 出信噪比，如图2 5 ( c ) 所示。 2 3 2 单频干扰 如2 2 节所示，音调干扰可以等效为一个或多个正弦波干扰。对单音干扰，干 扰信号在一个频率上发射，因此干扰信号是一个单频连续波音调。单音干扰也称 为单频干扰、点频干扰【1 1 】【3 1 】。 音调干扰对系统中的一个或几个频率点造成干扰，因此单频干扰不能成功干 扰跳频通信系统，但能对d s s s 通信系统造成较大干扰，尤其在单频干扰频率与有 用信号的载波同频、同相( 最恶劣的干扰情况) 时，会严重破坏系统的正常工作。 设进入接收机并通过射频滤波器后的信号为： 1 2 重庆人学硕士学位论文 2 系统模型与干扰 ，o ) = a d ( t 一乃) c o 一乃) c o s 2 p ( f o + 厶y + 纠+ j ， )( 2 1 7 ) 式中： d ( t 一无) 信息码经过编码后的数字信号； c o 一艺) 扩频序列； 彳信号振幅； 五多普勒频移； 驴随机相移； 杰随机时延； j 。o ) 干扰信号。 假设系统是线性的，且接收机对有用信号已经建立了同步，即幺= 乃，亢= 厶 和驴= 驴成立。 设单频正弦干扰信号与进入接收机的有用信号是相互独立的，且与有用信号 的载波同频、同相( 最恶劣的干扰情况) ，可表示为： j l ( f ) = a c o s l 2 p ( f o + 厶) f + 驴j ( 2 1 8 ) 通过射频滤波器的干扰信号经过相关处理后，在基带滤波器输出端的响应为： 吩。o ) 。4 。j ，( 口弦， 一t d ) c o s 2 p ( f o + l ) a + 驴】7 l o 一口) d 口 ( 2 1 9 ) 假设收、发射机之间已经建立了同步条件，亢= 厶，驴= 妒，= 疋，所以： b 。p ) = 0 c o s 2 2 p ( f o + 五) 口+ 驴】c ， 一) j i l p 一口) d a - i f - 。c r 一r d ) h q a ) d a + 4 。c ，( 口一t a ) h ( t a ) c o s 2 石( 2 f o + 2 l ) a + 2 q ， d a ( 2 2 0 ) 滤除二次谐波后，干扰信号在基带滤波器输出端的响应为： b 。o ) 24 。c ，( 口一无o a ) d a ( 2 2 1 ) 为求单频干扰信号的输出功率，先求v ( f ) 的自相关函数，得： e v 以。弘j fo + 百) 】2 j = 。f 。彳2 e c r 陋一l ) c ，( 一t d ) l h q a ) h o + z p ) d 谢p = e 彳2 h ( a ) h + ( 卢) 尺q 一p ) d 磁p ( 2 2 2 ) 式中r 0 一夕) 为本地参考扩频码的自相关函数。假设系统使用理想扩频码( 即 “1 ”和“0 ”出现的概率各为i 2 ，幅度为1 ，周期为无限长) ，本地参考扩频码c ，o 一乃) 的自相关函数r o ) 为： r 。，( t ) = e 【c ，o ) c ，o + f ) j 。雌 乏 ( 2 2 3 ) 1 0 t t 1 3 重庆大学硕+ 学位论文2 系统模型与干扰 式中瓦为伪随机码的码元宽度。对式( 2 2 1 ) 求傅立叶变换可得y ( f ) 的功率谱 为： q 。( 厂) = 彳2 墨( 厂) p ( 厂) 1 2 ( 2 2 4 ) 式中： s 。，( 厂) r ，o ) 的傅立叶变换； h ( 厂) 基带滤波器的传输函数，p ( 厂) 1 2 是功率传输函数。 对足( f ) 求傅立叶变换得： 足一叫等 。 仁2 5 ， 将式( 2 2 5 ) 代e k e ( 2 2 4 ) 得： 屯( ，) 划叫警卜i ) 1 2 由式( 2 2 5 ) 失q l ，扩频码功率谱幅度的最大值在厂a0 处，且为t 。t 的倒数就 是扩频码的码速率r 。当扩频码的码元宽度互减小( 码速率琏提高) 时，扩频码 功率谱幅度的最大值将减小，频谱宽度将增大，功率谱被展宽且趋于平坦。 通过式( 2 2 6 ) ，可以直观的看出，单频正弦干扰信号经过接收机的相关处理， 再经过基带滤波器的滤波，输出的干扰功率随着扩频码码元宽度t 的减小而减小。 对s j l ( 厂) 在频域内求积分可得到单频正弦干扰信号输出的功率： 弓。2 l s ，。( 厂) 万 利纠器l i u ( f ) t 2 够 ( 2 2 7 ) 1 7 i i 为 s i n ( 以) 以 2 的带宽远远大于h ( ，) 的带宽，因此在h ( ，) 的通频带内， 可用来近似代替 s i n ( 以) 以】z ，耳1 1 - 瓦 筹卜吣驰剐 仁2 8 ， 将式( 2 2 8 ) 代入式( 2 2 7 ) 得： b 。a 彳2 j _ 。瓦p ( ，) 1 2a t 丘t ( 击) 够 - a 2 t 玩 ( 2 2 9 ) 式中玩为基带滤波器带宽。因为单频正弦干扰信号的输入功率为彳2 2 ，假设 有用信号的功率为p ，在理想相关器的情况下，此时系统的处理增益为： 1 4 重庆大学硕士学位论文2 系统模型与干扰 岱 n 、) 刚ta 。t c b b ( s n ) 妇上 似2 2 ) 2 面1 2 移1 ( 2 3 0 ) 由式( 2 3 0 ) 可看出，单频正弦干扰对系统的影响是很大的，系统的输出信噪比 下降了一半( 3 d b ) 。 这也正是如前面章节所述，和载波同频、同相的单频正弦波干扰是对直接序 列系统最严重的一种干扰。 单频干扰无需获取d s s s 通信的伪码序列或伪码序列的类型，也无需知道信号 伪码速率等技术参数，而仅需检测对方d s s s 通信的中心频率，因此单频于扰在技 术上较易实现。当存在一个大功率、瞄准d s s s 载波中心频率的单频干扰时，如果 不采取窄带干扰抑制信号处理，系统不能正常工作。 2 4 本章小结 本章分析了d s s s 通信系统等效模型的建立及信号的处理过程，然后对系统 中常见的干扰类型进行了描述，并分类为窄带干扰和宽带干扰。其次，阐明了d s s s 通信系统由于有处理增益而具备一定的抗干扰能力，但对于大功率的窄带干扰， 必须引入抗干扰技术才能保证系统正常工作。 本章最后对d s s s 通信系统中最严重的一种单频干扰进行了推导验证，由此 更进一步说明了引入抗干扰技术的必要性。 重庆大学硕十学位论文3 窄带干扰抑制技术研究 3 窄带干扰抑制技术研究 3 1 引言 从前述章节可以看出，d s s s 通信系统对窄带干扰具有抑制作用，它主要是将 窄带干扰的功率谱扩展到很大的带宽内，从而降低其功率谱密度，通过窄带滤波 器，将干扰功率绝大部分滤除。窄带干扰会引起系统的性能下降，尤其当干扰功 率足够大、干扰特性复杂，或者干扰频率为系统载频的中心频率时，d s s s 通信系 统无法正常工作。d s s s 通信系统的处理增益不能无限地增大，因此必须依靠窄带 干扰抑制技术在接收机解扩前，对窄带干扰进行处理清除。 在本文所研究应用的系统中，接收机进行数字下变频之后，在相关解扩前加入 窄带干扰抑制技术，其原理图如下： 接 l 一 + 一 数字 窄带 捕获 下变 j t 扰 跟踪 解扩 频 抑制 d l l 解调 + 一 n 图3 1 抗窄带干扰接收端原理框图 f i g 3 1b l o c kd i a g r a mo ft h er e c e i v e rw i t hn b is u p p r e s s i o n 号 系统常用的干扰抑制技术包括时域处理和变换域处理两种，变换域处理又包含 离散傅立叶变换、小波变换等各种变换域内的自适应技术。时域处理可分为线性 自适应预测滤波和非线性自适应预测滤波。 3 2 变换域窄带干扰抑制技术 3 2 1 基本思想 由随机过程的相关知识可知，宽带信号和窄带信号由于其统计特性的差异，在 功率谱分布上也存在较大的不同。变换域窄带干扰抑制主要利用窄带干扰( n b i ) 信 号的功率谱集中在很窄的频带中、表现为脉冲形式这一特点，通过适当的变换， 将干扰映射到有限的变换域频带。同时有用信号尽可能地被扩展到整个变换域中， 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 用合适的陷波算法有效抑制干扰信号。变换域窄带干扰抑制技术的原理框图如图 3 2 所示 3 3 1 3 4 1 3 5 1 1 3 6 1 ： 1 6 重庆大学硕士学位论文3 窄带干扰抑制技术研究 已恒亟丑吨多出 图3 2 变换域窄带干扰抑制框图 f i g 3 2b l o c kd i a g r a mo fn b is u p p r e s s i o ni nt r a n s f o r m - d o m a i n 变换域干扰抑制方法有多种，主要区别在于信号变换方式、干扰检测及陷波算 法。根据域变换的不同方法，变换域干扰抑制有离散傅立叶变换( d i s c r e t ef o u r i e r t r a n s f o r m ，d f t ) 、离散余弦变换( d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r i l l ，d c t ) 、子带变换 ( s u b b a n dt r a n s f o r m ，s t ) 、小波包变换( w a v ep a c k e tt r a n s f o g i n ，w p n 等多种方法 l 。实际情况下，通常采用基于f f t 变换和基于小波包变换两种干扰抑制技术。 3 2 2 频域抑制技术 在扩频通信系统中，通常只有少数特别强的窄带干扰严重影响系统性能，而强 窄带干扰所占整个宽带频段的比例很低。如果将受干扰频段的信号进行处理，则 强窄带干扰将得到很好的抑制，而且扩频信号功率损失很小【3 引。频域窄带干扰抑 制陷波器就是基于扩频信号和窄带干扰在频域上的这种特点设计的，它利用了窄 带干扰的谱线远高于扩频信号且分布集中的特性。 频域处理即用f f t 变换将收到的时域信号变换到频域，含有多余信号能量的频 率集被认为受到干扰并进行频谱处理。对频谱处理有两种方式f 1 5 】1 1 7 】【3 6 1 ： 先对接收信号进行频谱估计，然后根据估计的结果进行滤波器设计，即在 干扰频率处形成陷波的滤波器。频域窄带干扰抑制陷波器基本结构如图： 图3 3 基于陷波的频域抗窄带干扰原理图 f i g 3 3e l e m e n t a r yd i a g r a mo ff r e q u e n c y - d o m a i nn b is u p p r e s s i o nb a s e do nt r a p p i n g 出 对于图3 3 所示的陷波处理，如果窄带干扰在频域上体现为非对称或更复杂的 形式，则峰值检测与陷波点生成会造成抑制偏差，且滤波器的设计会很困难。 1 7 重庆大学硕十学位论文 3 窄带干扰抑制技术研究 通常采用的另一种方法是：接收信号进行傅里叶变换后，采用包络检测器 进行包络检测，对超过门限的部分进行谱线切除处理，去掉干扰分量。基本结构 如图： 图3 4 基于限幅的频域抗窄带干扰原理图 号 f i g 3 4e l e m e n t a r yd i a g r a mo ff r e q u e n c y - d o m a i nn b is u p p r e s s i o nb a s e do nr i d g ec u t t i n g 门限抑制算法是比较常用的基于f f t 变换的干扰抑制方法，通常根据当前一次 或几次h 呵变换值来确定门限值。比较常用的确定门限的公式如下【3 6 】： 劢= 砌曲+ 7 7 砀衰i 荟薹曲s 朋) ( 3 1 ) 其中劢。；。是最小的门限值，通常指没有干扰信号时的幅度值，m 是f 兀变换的 次数，肿是f i 丌变换的长度，r 是衰减的系数，u 。是输入信号x d ) 和窗函数w o ) 相乘之后的f f r 变换的值，即： h 。一萝工( n ) w ( n ) e - j 2 n n m 7 m = 1 ，胛 ( 3 2 ) 篇 在信号处理中不可避免地要遇到数据截短问题，如设计滤波器时会遇到对理想 滤波器抽样响应的截短问题，在功率谱估计中要遇到对自相关函数的截短问题。 频域处理的窄带干扰抑制技术也不例外。实际情况下所能处理的离散序列总是有 限长，必须从信号中截取一个时间片段，观察的信号时间片段进行周期严拓处理， 得到虚拟的无限长信号，然后对信号进行f f l 变换等数学处理【3 7 1 。 周期延拓后的信号与真实信号有一定的差别。设有余弦信号x q ) 在时域分布为 无限长( 一，o o ) ，当用矩形窗函数w o ) 与其相乘时，得到截断信号。根据傅里叶变 换关系，余弦信号的频谱x ( ) 是位于处的6 函数，而矩形窗函数w o ) 的谱为 s i n c ( o , ) 函数，按照频域卷积定理，则截断信号x t ( t ) 的谱x r o ) 应为： 1 x r ( ) = x ( ) 水形( ) ( 3 3 ) 以正弦信号为例，图3 5 给出了进行f 兀变换前，引入窗函数在时域所带来的影 响。图3 5 对加窗以后的时域畸变波形和原始信号的波形图进行了对比。可以很明 1 8 重庆大学硕七学位论文 3 窄带干扰抑制技术研究 显的看到，加窗给信号带来了衰减和损耗，相对于原始信号，加窗信号的时域信 息丢失严重。 幅度4 0 图3 5 加窗对正弦信号的影响 f i g 3 5i m p a c to fw i n d o w i n gu p o ns i n ew a v e 时间t 将截断信号的谱x r ) 与原始信号的谱x ( ) 相比较可知，它已不是原来的两 条谱线，而是两段振荡的连续谱。这表明原来的信号被截断以后，其频谱发生了 变化。原来集中在厂n 处的能量被分散到了两个较宽的频带中，这种现象称之为频 谱泄漏( k a k a g e ) 【3 5 1 。 信号截断以后产生的能量泄漏现象是必然的，因为窗函数w o ) 是一个频带无限 的函数，所以即使原信号x o ) 是限带宽信号，在截断以后也必然成为无限带宽的函 数，即信号在频域的能量与分布被扩展了。从采样定理可知，无论采样频率多高， 只要信号一经截断，就不可避免地引起混叠，因此信号截断必然导致一些误差， 且可能引入较大的旁瓣，这是信号分析中不容忽视的问题。 如果增大截断长度丁，即矩形窗口加宽，则窗函数的频谱形( ) 将被压缩变窄。 虽然理论上讲，其频谱范围仍为无限宽，但实际上中心频率以外的频率分量衰减 较快，因而泄漏误差将减小。当窗口宽度r 趋于无穷大时，则谱窗细) 将变为6 ( ) 函数，而6 ( 御) 与x ( ) 的卷积仍为x ( ) ，这说明，如果窗口无限宽，即不截断， 就不存在泄漏误差。然而，窗口无限宽的矩形窗即相当于不加窗，而进行h 丌变换 不可能采用无限长的序列，因此没有具体的意义。 3 2 3 小波变换滤波器 小波包变换( w p t ) 具有多分辨分析能力和较好的时频局部特性【3 8 】，能有效地跟 踪输入信号的频谱变化，迅速把干扰定位在一定的频域范围【3 9 】【删，因此将小波包 变换应用于干扰抑制的研究具有重要意义。 本节给出一种d s s s 通信系统中基于小波包变换的自适应变换域窄带干扰抑制 技术【3 9 】，它利用扩频信号的功率谱密度分布特点和能量聚集度准则，通过小波包 1 9 重庆大学硕士学位论文3 窄带干扰抑制技术研究 分解先将窄带干扰有效地定位在一定的频域范围，然后将定位的受“污染 频段 去除，最后通过小波包合成恢复干扰抑制后的信号。在这种方法中，w p t 主要依 赖于n b i 的带宽、位置以及它的强度。小波包变换的过程就是n b i 的迅速跟踪和准 确定位的过程。 这种方法的实现在数据结构上体现为树( 二叉树) 的生成，因此称之为基于 w p t 的树结构算法( t r e es t r u c t u r ea l g o r i t h m ，t s a ) 1 3 引。此外，自适应w p t 干扰抑 制器对应的正交镜像滤波器( o u a d r a t u r em i r r o rf i l t e r ，q m f ) 具有好的幅频特性，因 此它能更加彻底地去除受干扰频带。通过上面的方法将窄带干扰合理地定位在某 一个或几个频带，尤其是当干扰正好处于q m f 交叠的两频带时，可以将这两频带 继续分解至一定的深度，然后在小波包综合时将对应的相邻两个或多个子频带一 起弃除，这就是小波变换具有的多分辨分析优点。 小波包分解及合成框图如图3 6 所示【3 8 】【3 9 】： 图3 6 小波包分解及合成 f i g 3 6w a v e l e tp a c k e td e c o m p o s i t i o na n ds y n t h e s i s 对于最大频率分辨率为万2 m ( m 是w p t - 叉树的最大深度) ，基于自适应小波 包变换的窄带干扰抑制树结构算法包括三个步骤【3 8 】【3 9 1 。它描述如下： 小波包分解 1 ) 计算输入信号的方差盯抽，这里假设系统以p n 码序列的c h i