CN101945064A

CN101945064A - 基于能量扩展的迭代抗多音干扰通信方法

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Publication number: CN101945064A
Application number: CN2010102571413A
Authority: CN
Inventors: 林时顷; 雷霞
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2010-08-19
Filing date: 2010-08-19
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2030-08-19
Also published as: CN101945064B

Abstract

本发明涉及一种基于能量扩展的迭代抗多音干扰通信方法。所述通信方法包括发射过程(1)、多音干扰及背景噪声产生过程(2)和接收过程(3)，所述接收过程(3)包括步骤：(31).串并转换；(32).提取多音干扰信号；(33).重构多音干扰信号；(34).消除多音干扰信号；(35).能量扩展反变换；(36).并串转换；(37).解调；(38).调制；(39).串并转换；(310).能量扩展变换；(311).输出。本发明的有益效果：首先本发明引入了步骤(38)、(39)和(310)组成的迭代过程，即在没有编码的情况下，就利用步骤(310)的能量扩展变换原理，获得了反馈增益，因此降低了计算复杂度，同时消除了有用信号对多音干扰信号参数估计的影响，提高了抗多音干扰性能。

Description

基于能量扩展的迭代抗多音干扰通信方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤其涉及到抗多音干扰方法

背景技术

在很多应用中，通信系统会经历来自其他系统的背景干扰和人为干扰。当干扰较强时，通信系统性能会迅速下降，背景干扰和人为干扰中以多音干扰最为严重。

多音干扰，又称多频干扰，是指干扰机连续发出在频域内对应不同中心频率的正弦波形，此波形在频域分开(中心频率不同)，时域叠加，假设多音干扰音的数量为p，p为大于等于1的自然数，i∈[1，p]。

在对现有的多音干扰消除技术进行介绍前，有必要对以下概念作出详细的解释：(1)信噪比(Signal-to-noise ratio，SNR)：接收信号与背景噪声的功率比；(2)干信比(Jamming-to-signal ratio，JSR)：多音干扰信号和接收信号的功率比；(3)能量扩展维数：能量扩展变换(Energy Spreading Transform，EST)中扩展矩阵的阶数。维数越大，扩展性能越好，但同时系统的计算复杂度也越高。

现有的多音干扰消除技术主要有：

(1)时域消除法。利用多音估计算法估计出多音干扰参数(包括频率、幅度和相位)，利用这些参数重构出多音干扰信号，并在接收信号中消去该重构的多音干扰信号，以达到抑制干扰的目的。具体内容参考J.Bingham发表的文章“RFI suppression in multicarrier transmission systems，IEEE Global Telecommun.Conf.，Nov.1996，2：1026-1030”。该方法比较简单，但对多音干扰参数的估计精度较为敏感，当多音干扰参数估计值与真实值有误差时，通过消除重构的多音干扰信号得到发送符号的估计值中，存在残留的多音干扰。另一方面，在实际系统中，发送符号对多音干扰参数估计也构成干扰，它对参数的估计性能会有较大的影响，时域消除法对这种情况未加以考虑。所以，该方法的抗干扰性能不好。

(2)时域迭代估计消除法。在时域消除法的基础上，利用多音估计算法对多音干扰参数进行初估计，重构出多音干扰信号；从接收信号中消除重构的多音干扰信号后得到发送符号的估计值，对发送符号估计值进行解调得到发送符号的数据信息，对发送符号数据信息进行译码后得到信源的估计值；将信源估计值重新进行编码、调制，得到重构的发送符号，并从接收信号中消除该重构的发送符号，再进行多音干扰参数的估计；据此，迭代地进行干扰的估计和消除，达到提高干扰估计准确度的效果。该方法虽然比较有效地抑制了多音干扰，但也使系统的复杂度大为增加。

(3)基于时频二维扩频技术的干扰抑制法。借鉴扩频的基本思路，对二进制信息比特进行调制后得到调制符号，将调制符号进行时域和频域的二维扩展后组成发送符号，经扩展后每个发送符号中包括了所有被扩展的调制符号信息，增加了发送符号间的相关性。该方法的具体内容可参考唐友喜、李少谦发表的文章“广义时频二维扩频在加性白高斯噪声信道中的性能，电子与信息学报，2004年2月，26(2)：248-253”和Gerakoulis D.，Salmi P.发表的文章“An interference suppressing OFDM system for ultra wide bandwidth radio channels.IEEE Conf.on Ultra Wideband Systems and Technologies，2002：259-264”。该方法在干信比(Jamming-to-signal ratio，JSR)较低时具有较好的抗干扰性能，但当JSR较高时，该方法不但不能有效消除多音干扰对有用信号的影响，反而会加剧多音干扰对有用信号的影响。同时，该类系统以牺牲数据速率为代价来达到抗干扰的能力，经扩频后，数据速率是扩频前数据速率的1/MP，其中M、P分别时域、频域扩频增益。所以，该方法的抗多音干扰性能也不好。

综上所述，现有的多音干扰消除技术都不能很好地在抗多音干扰性能和计算复杂度之间取得平衡。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有的有的多音干扰消除技术都不能很好地在抗多音干扰性能和计算复杂度之间取得平衡这一不足，提出了一种基于能量扩展的迭代抗多音干扰通信方法。

本发明实现发明目的的具体方案是：一种基于能量扩展的迭代抗多音干扰通信方法，所述通信方法包括发射过程(1)、多音干扰及背景噪声产生过程(2)和接收过程(3)，其特征在于，所述接收过程(3)包括步骤：

(31).串并转换：将接收信号进行串并转换，得到由N路并行的接收信号组成的接收信号向量Y，接收信号向量Y分为两路，一路转入步骤(32)，另一路转入步骤(34)，其中N为能量扩展维数；

(32).提取多音干扰信号：从接收信号向量Y中消除由步骤(310)得到的发送符号估计值

得到多音干扰信号向量对于第一次多音干扰抑制，由于没有任何有关发送符号的先验信息，置发送符号估计值

为零向量；

(33).重构多音干扰信号：利用多音参数估计算法估计出多音干扰信号向量

中的各个参数

利用这些估计值重构出第n时刻的多音干扰信号

公式(1)，

公式(1)中，i∈[1，p]，n∈[0，N-1]，f表示多音参数估计算法，

分别表示第i个干扰的频率、幅度和相位估计值；

(34).消除多音干扰信号：从步骤(31)得到的接收信号向量Y中减去从步骤(33)重构的多音干扰信号向量

得到发送符号估计值向量

(35).能量扩展反变换：对发送符号估计值向量

进行能量扩展反变换，得到解扩符号向量

其中上标H表示共轭转置；E表示能量扩展变换矩阵；

(36).并串转换：将解扩符号向量

进行并串转换，得到串行的解扩符号；

(37).解调：对串行的解扩符号进行解调，得到解调符号，该解调符号分为两路，一路转入步骤(38)，另一路转入步骤(311)；

(38).调制：对步骤(37)过来的解调符号进行调制，得到重构的调制符号；

(39).串并转换：将重构的调制符号进行串并转换，得到由N路并行的重构的调制符号组成的重构的调制符号向量；

(310).能量扩展变换：将重构的调制符号向量与能量扩展变换矩阵E相乘，得到由N个经能量扩展后的重构的发送符号组成的发送符号向量

(311).输出：重复步骤(31)到步骤(310)，当步骤(38)、(39)和(310)组成的迭代过程结束时，将步骤(37)得到的解调符号送入步骤(311)输出，并将输出结果作为信源的估计值。

本发明的有益效果：首先本发明引入了步骤(38)、(39)和(310)组成的迭代过程，即在没有编码的情况下，就利用步骤(310)的能量扩展变换原理，获得了反馈增益，因此降低了计算复杂度，同时消除了有用信号对多音干扰信号参数估计的影响，提高了抗多音干扰性能。其次，引入步骤(35)的能量扩展反变换，较好地解决了传统时域消除法对估计误差敏感的缺陷。再次，同时引入步骤(33)和步骤(35)，克服了基于时频二维扩频技术的干扰抑制法的两个缺点，即在干信比(JSR)较高时该方法的失效和扩频后数据速率的损失。因此，本发明较好地在抗多音干扰性能和计算复杂度之间取得平衡。

附图说明

图1是本发明的通信方法的原理过程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种基于能量扩展的迭代抗多音干扰通信方法，包括发射过程(1)、多音干扰及背景噪声的产生过程(2)和接收过程(3)，

所述发射过程(1)包含步骤：

(11).产生信源：将通信信号以二进制信息比特表示；

(12).调制：对二进制信息比特进行调制，得到调制符号；本实施例中选择QPSK调制；

(13).串并转换(S/P)：对调制符号进行串并转换，得到由N路并行的调制符号组成的调制符号向量X，其中N为能量扩展维数，它的取值范围为自然数，本实施例中取N等于128；

(14).能量扩展变换(EST)：将调制符号向量X与能量扩展变换矩阵E相乘，得到由N个经能量扩展后的发送符号组成的发送符号向量

\tilde{X} = E \cdot X

公式(2)

本实施例中，能量扩展变换矩阵E取大小为128阶的方阵E＝F^HPF^H，其中F为128阶傅利叶(Fourier)矩阵，P为128阶伪随机置换方阵，上标H为共轭(Hermitian)转置，此时对应的通信系统为正交频分复用(OFDM)系统，则公式(2)改写为，

\tilde{X} = F^{H} {PF}^{H} \cdot X

公式(3)

本步骤的能量扩展变换矩阵E还可以取大小为128阶的方阵E＝PT，其中T为128阶哈达玛(Hadamard)矩阵，P为128阶伪随机置换矩阵，此时对应的通信系统为单载波系统，公式(2)可改写为，

\tilde{X} = PT \cdot X

公式(4)

由于傅利叶(Fourier)矩阵、伪随机置换方阵、共轭转置和哈达玛矩阵均为本领域常用的公知的数学常识，因此不再详细描述。

(15).并串转换(简称为P/S)：将发送符号向量

经过并串转换，得到串行的发送符号，并将该发送符号以电磁波的方式发射出去；

需要说明的是：步骤(14)中的EST矩阵E可以用如下方法构造：

E＝(P_μ)U_μP_μ-1U_μ-1…P₁U₁ 公式(5)

其中U₁是归一化正交矩阵，P_l是伪随机置换矩阵，1≤l≤μ，μ是归一化正交矩阵的个数。

本发明发射端部分的原理：将调制后的调制符号向量进行能量扩展变换，经发端发射。能量扩展变换是一种归一化的正交线性变换，公式(2)中，经能量扩展后的发送符号向量中的第k个符号

可进一步表示为

其中e(k，i)表示能量扩展变换矩阵E的第k行第i列元素，x(i)表示调制符号向量X的第i个元素，1≤k≤N，1≤i≤N。从上式可知，

包含了X中任何一个符号x(i)的部分能量，即经能量扩展变换后，增加了符号向量

之间的相关性。当其中一个符号受到干扰时，它可以从其他符号中恢复出来。

多音干扰及背景噪声的产生过程(2)包含：

(21).背景噪声的产生：背景噪声包括无线传输过程引入的噪声和接收器件的热噪声，可用加性高斯白噪声表示；在本实施例中，令接收端的信噪比等于12dB；

(22).多音干扰信号的产生：发送符号以电磁波的形式进行传输时，在某些时候会伴随着来自其他系统的干扰或人为干扰，这些干扰信号可建模为多音干扰信号，第n时刻多音干扰信号的数学表示为，

公式(6)

其中，n∈[0，N-1]，

分别表示第i个正弦信号的归一化数字角频率、幅度和相位值，i∈[1，p]，其中p为多音干扰的干扰个数。

在具体实施实例1中，p＝3，归一化数字角频率[ω₁，ω₂，ω₃]＝2π[79.36，74.24，12.8]/128，幅度[a₁，a₂，a₃]＝[8，6，4]，相位干信比JSR＝20dB。

接收过程(3)包括以下步骤：

(31).串并转换(简称为S/P)：将接收信号进行串并转换，得到由N路并行的接收信号组成的接收信号向量Y，接收信号向量Y分为两路，一路转入步骤(32)，另一路转入步骤(34)；

(32).提取多音干扰信号：从接收信号中消除由步骤(310)得到的发送符号估计值

得到多音干扰信号向量

对于第1次多音干扰抑制，由于没有任何有关发送符号的先验信息，置发送符号估计值

为零向量；

中的各个参数

其中f表示多音参数估计算法，

分别表示第i个干扰的频率、幅度和相位估计值，i∈[1，p]，利用这些估计值重构出第n时刻的多音干扰信号

公式(7)

需要说明的是，f可以是任何一种现有的、能较为准确地估计出干扰参数的多音参数估计算法。在具体实施实例1中，选用基于交替陷波周期图(Alternating notch peridogram，ANP)的多音参数估计算法，该算法的具体内容可参考Macleod M.D.发表的文章“A fast frequency domain notch periodogram algorithm，Signal Processing，Feb.2001，81(2001)：1449-1463”。

(34).消除多音干扰信号：从步骤(31)得到的接收信号向量Y中减去从步骤(33)重构的多音干扰信号向量得到发送符号估计值向量

(35).能量扩展反变换(Inverse Engery Spreading Transform，IEST)：对发送符号估计值向量

进行能量扩展反变换，得到解扩符号向量，

\hat{X} = E^{H} \cdot \hat{\tilde{X}}

公式(8)

公式(8)中，上标H表示共轭转置；

对应与步骤(14)，当能量扩展变换矩阵E取大小为128阶的方阵E＝F^HPF^H，此时对应的通信系统为正交频分复用(OFDM)系统，则公式(8)改写为：

\hat{X} = {FP}^{H} F \cdot \hat{\tilde{X}}

公式(9)

当能量扩展变换矩阵E还可以取大小为128阶的方阵E＝PT，此时对应的通信系统为单载波系统，则公式(8)改写为：

\hat{X} = T^{H} P^{H} \cdot \hat{\tilde{X}}

公式(10)

(36).并串转换：将解扩符号向量

进行并串转换，得到串行的解扩符号；

(37).解调：对串行的解扩符号进行解调，得到解调符号，该解调符号分为两路，一路转入步骤(38)，另一路转入步骤(311)；在本实施例中，采用QPSK 解调；

本发明接收过程的原理：在步骤(35)中将发送符号估计值向量

进行能量扩展反变换(IEST)，是由于步骤(33)中的多音干扰参数估计误差使得发送符号估计值向量

中存在部分残余干扰，该部分残余干扰的能量经IEST后同时扩展到各个子载波上，这样每个子载波上只承担了所有干扰能量的1/N，提高了各个子载波的信干噪比，使得该方法有更强的抗干扰能力。同时，将解调符号反馈回接收端，利用EST原理，将解调引入的错误判决能量均匀地扩展到N个待扩展的解调符号中去，从而获得反馈增益。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。