CN102307055A - Dsss频域干扰检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种DSSS频域干扰检测方法，它是涉及直接序列扩频通信领域中干扰检测识别的算法。它通过对直扩通信系统中的接收信号进行FFT频域变换，得到其频域信息，在不需要干扰先验知识的情况下对通信中出现的各种干扰根据类型的不同采用不同的方法进行分析检测和识别，可以使通信双方针对不同的干扰选择正确的抗干扰措施。本发明具有不需要干扰先验知识、提取干扰的特征参数鲁棒性强、对干扰的正确识别率高等特点。特别适用于在不同干信比和信噪比下存在干扰的直扩通信系统。

Description

DSSS频域干扰检测方法

技术领域

本发明涉及直接序列扩频(DSSS)频域干扰检测方法，特别适用于噪声和干扰环境下直扩通信系统中的应用。

背景技术

现代通信技术中，干扰既有客观的电磁环境造成的，也有人为有意产生的。直接序列扩频DSSS通信因具有抗干扰、抗多径、信号隐蔽性、保密性好、具有多址能力等优点而在军事和商业通信中得到广泛的应用，它对多种类型的干扰都具有较好的抑制性能。然而在实际系统中，往往受到发送机和接收机的复杂性以及可供利用的带宽限制，在遭受超出干扰容限的强干扰时，系统性能会严重恶化。因此必须采用相应的抗干扰措施对干扰进行抑制。然而干扰类型是未知的，要实现有效的干扰抑制，首先需要对干扰进行检测和类型识别，然后根据不同的干扰形式使用不同的方法进行抑制，从而提高直扩系统的性能。可见正确地检测干扰是进行干扰抑制的关键。目前研究较多的是从时域和频域或者时频混合域对干扰信号的特征进行识别分析，其特征参数的数量较多，每一个特征对应于某一种或几种特定的干扰样式，其运算复杂度较高。或者有的干扰检测方法针对某特定干扰进行识别，识别种类少，算法适用范围有限，不能同时实现多种干扰样式的自动分类检测和识别。

发明内容

本发明的目的在于针对上述背景技术中的不足之处，根据DSSS通信系统中的常用干扰方式，分别采用不同的方法进行窄带干扰和宽带干扰的检测和识别，对于窄带干扰采用前后比较法，对于宽带干扰，提出了一组无需干扰先验知识并且对信噪比、信干比和干扰参数不敏感的分类特征参数，利用上述参数对其进行检测和识别。本发明具体阐述了该方案的分类步骤和原理，具有算法简单、适用范围广、对干扰正确识别率高等特点。

本发明所要解决的技术问题由以下技术方案实现，它包括如下步骤：

(1)将接收到的时域扩频信号经过傅里叶变换到频域，得到频域信息；

(2)对频域信息进行预处理，把多个周期的频谱用累加求和取平均的方法进行平滑，使频域信息更准确；

(3)计算频域信息的归一化频谱之3dB带宽B_W，根据此值的大小判决时域扩频信号中是否存在窄带或宽度干扰；如果存在窄带干扰，则转入步骤(4)；如果存在宽带干扰，则转入步骤(5)；

(4)将频域信息等分为多份，分别对每一份进行信号能量的累加，用前后比较的方法检测通带和过渡带，根据通带和过渡带特性的不同，设置门限值，如果检测到某一份的能量高于相邻能量此门限值，则判定此频段处存在窄带干扰，从而得到窄带干扰的准确位置和能量大小；之后，转入步骤(6)；

(5)通过计算提取频域信息的特征参数归一化频谱平坦度和归一化频谱相似度，利用信号谱包络的相似性和平坦性联合判定是否存在宽带干扰以及干扰的具体类型；之后，转入步骤(6)；

(6)将步骤(4)或步骤(5)检测到的干扰特征进行信息综合，得出干扰检测结果，完成检测。

本发明相比背景技术具有如下优点：

1.本发明将干扰信号分为两大种类，针对其不同的特征分别采用最适用简捷的方法进行干扰的检测，算法简单，性能稳健，正确识别率高。且适用范围广泛，无论窄带干扰还是宽带干扰都能有效地检测识别出来。

2.本发明将时域信号通过FFT变换到频域后，不是直接进行频谱的检测，而是首先对多个周期的频谱进行累加求平均，将频谱平滑，这样干扰检测更准确，避免了临时出现的虚干扰对判决结果的影响。

3.本发明无需干扰先验知识，并且对信噪比、信干比不敏感，针对干扰信号的多样性、时变性和非平稳性，都能通过联合提取其特征参数，以保证对干扰的正确检测和识别。

附图说明

图1是本发明实施例的原理方框图。

图2是本发明窄带干扰检测模块3的原理方框图。

图1中接收到的时域DSSS信号为A、FFT变换模块为1、频谱平滑模块为2、窄宽带干扰识别模块为3、窄带干扰检测模块为4、宽带干扰检测模块为5、信息综合模块为6、干扰的信息参数为B。

图2中频谱分段模块为41、上升过渡带检测模块为42、通带检测模块为43、下降过渡带检测模块为44、判决器为45。

具体实施方式

参照图1，图1是本发明的原理方框图，实施例按图1连接。在干扰环境下接收到的直接序列扩频(DSSS)信号是通信信号、干扰信号和噪声的叠加：

r(t)＝s(t)+j(t)+n(t)        (1)

式中：r(t)为干扰环境下的直接序列扩频信号，s(t)为扩频后的数字信号，在DSSS系统中，发送数据与伪随机序列相乘，使得信号的功率谱密度类似于白噪声；j(t)为信道中存在的干扰；n(t)为高斯白噪声。

1.首先把接收信号通过FFT变换模块1进行N点FFT变换，把时域信号变换到频域，得到其频谱信息。

$r\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}r\left(n\right)e^{-j2\mathrm{\πkn}/N},0\≤k\≤N-1---\left(2\right)$

其中N为FFT的个数。

2.然后将其送入频谱平滑模块2，把N₁个周期的频谱信号对应相应频率点进行累加求和，然后取平均，这时得到的频谱更加平滑，包含的信息量更加准确，有效降低了虚干扰率。

3.然后将此信息送入窄宽带干扰识别模块3，对干扰信号从形式上进行分类，来判别此干扰是窄带干扰还是宽带干扰，步骤3中的判别式如下：

计算归一化频谱之3dB带宽B_W

为得到B_W，首先计算基带信号的归一化频谱

$S_u\left(n\right)=\frac{S\left(n\right)}{\max \left(S\left(n\right)\right)},n=\mathrm{0,1},...,n-1---\left(3\right)$

式中，S(n)＝|r(k)|为接收基带信号的频谱模值，N为数据长度。带宽为：

$B_W=\frac{m_R+m_L+1}{N}---\left(4\right)$

$m_L=\underset{S_u\left(n\right)>T_{S_u}}{\min \left(n\right)},$ $m_R=\underset{S_u\left(n\right)>T_{S_u}}{\max },$

为设定的阈值，取为0.707。

通过B_W可区分窄带干扰和宽带干扰，如果B_W很小，则判定信号中存在窄带干扰，送至窄带干扰检测模块4进行检测，如果B_W接近1，则信号中可能无干扰，或者存在宽带干扰，送至宽带干扰检测模块5进行检测。

4.将判定存在窄带干扰的信号送入窄带干扰检测模块4。

a.首先送入频谱分段模块41，在频域平均分成N₂段，每段有N₃个频点，N₂、N₃均根据具体周期点数合理分配选择，每段N₃个频点的能量值进行累加求和取平均，得到的频谱是N₂段阶梯状的。

b.然后将此频谱分成3部分，分别是上升过渡带，通带，下降过渡带，分别送入上升过渡带检测模块42、通带检测模块43、下降过渡带检测模块44分别进行干扰检测。

c.在上升过渡带，依次比较相邻各段能量值，如果某段能量值大于通带能量值，或者相邻两段前者比后者能量大，或者虽然前者比后者能量小，但是差值小于某门限值g₁，则判定此处存在干扰。

d.在通带，首先得到通带内最小能量值M_min，然后比较各段的能量值，如果某段能量值高于M_min门限值g₂，则判定此处存在干扰。

e.在下降过渡带，依次比较相邻各段能量值，如果某段能量值大于通带能量值，或者相邻两段前者比后者能量小，或者虽然前者比后者能量大，但是差值小于某门限值g₃，则判定此处存在干扰。

f.最后将判决结果送至判决器45，将窄带干扰的信息参数输出至信息综合模块6。

其中g₁、g₂、g₃均根据接收到的无干扰的理想状态信号设定。

5.进入宽带干扰检测模块5的频谱信号，需要计算以下几个参数变量以综合判断是否存在宽带干扰。步骤5中的判别式如下：

1)计算平均频谱相似系数C_SS

计算接收基带信号的离散化谱图，SPEC(m，n)＝|STFT(m，n)|²利用谱图均值作归一化处理得到其归一化谱图，其中m为时间轴采样点，n为频率轴采样点

${\mathrm{SPEC}}_u(m,n)=\frac{\mathrm{SPEC}(m,n)}{\stackrel{\‾}{\mathrm{SPEC}}(m,n)}---\left(5\right)$

对归一化谱图沿时间轴求平均，得到平均频谱为

$P\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{M-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{SPEC}}_u(m,n)---\left(6\right)$

式中：M为谱图时间轴上的点数，M＝N/N_s，平均频谱相似系数为

$C_{\mathrm{SS}}=\frac{\underset{n=0}{\overset{N_s-1}{\mathrm{\Σ}}}{P}_0\left(n\right)P\left(n\right)}{\sqrt{\underset{n=0}{\overset{N_s-1}{\mathrm{\Σ}}}{P}_0\left(n\right)\underset{n=0}{\overset{N_s-1}{\mathrm{\Σ}}}P\left(n\right)}}---\left(7\right)$

式中：P₀(n)为根据PN码预先得到的无干扰和噪声时的DSSS基带信号的平均频谱；N_s为计算谱图时用到的窗口宽度。

由(7)式可知C_SS≤1，其值越大表示接收基带信号的频谱包络与DSSS信号的频谱包络越相似。而随着干扰强度的增加，有干扰情况下的C_SS取值变小，因此，由C_SS的取值可以区分宽带干扰和无干扰的情况。

2)计算平均频谱平坦系数F_se

$F_{\mathrm{se}}=\sqrt{\frac{1}{N_s}\underset{n=0}{\overset{N_s-1}{\mathrm{\Σ}}}{(P_i\left(n\right)-\stackrel{\‾}{P_i\left(n\right)})}^2}---\left(8\right)$

式中 $P_i\left(n\right)=P\left(n\right)-\frac{1}{2L+1}\underset{i=-L}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}P(n+i)---\left(9\right)$

为P_i(n)的均值，P(n)为(6)式定义的平均频谱。等式右边的第二项为一个中值滤波器，多个值求平均，它对P(n)起到了平滑的作用，从而可以得到平均频谱的平坦部分，经仿真，滑动平均窗口的宽度L一般取0.03N_s。F_se参数主要是为了提取出平均频谱中的明显的冲激部分，从而判断出是否存在宽带梳状谱干扰。此方法就是对P(n)经过简单滑动平均处理得到平均频谱的平坦部分，再用P(n)减去平均频谱的平坦部分，从而提取出冲激部分P_i(n)来区分具有明显冲激频率成分的干扰信号。

根据计算频谱相似系数C_SS和平均频谱平坦系数F_se可以检测出信号中是否存在宽带干扰，如果存在干扰，则将宽带干扰的信息参数送至信息综合模块6。

6.将步骤4和步骤5检测到的干扰特征送至信息综合模块6进行综合，得出干扰检测结果，完成检测，可以针对不同的干扰类型采取相应的抗干扰措施。

Claims (1)

1.DSSS频域干扰检测方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将接收到的时域扩频信号经过傅里叶变换到频域，得到频域信息；

(2)对频域信息进行预处理，把多个周期的频谱用累加求和取平均的方法进行平滑，使频域信息更准确；

(3)计算频域信息的归一化频谱之3dB带宽BW，根据此值的大小判决时域扩频信号中是否存在窄带或宽度干扰；如果存在窄带干扰，则转入步骤(4)；如果存在宽带干扰，则转入步骤(5)；

(4)将频域信息按频谱等分为多份，分别对每一份进行信号能量的累加，用前后比较的方法检测通带和过渡带，根据通带和过渡带特性的不同，设置门限值，如果检测到某一份的能量高于相邻能量此门限值，则判定此频段处存在窄带干扰，从而得到窄带干扰的准确位置和能量大小；之后，转入步骤(6)；

(5)通过计算提取频域信息的特征参数归一化频谱平坦度和归一化频谱相似度，利用信号谱包络的相似性和平坦性联合判定是否存在宽带干扰以及干扰的具体类型；之后，转入步骤(6)；

(6)将步骤(4)或步骤(5)检测到的干扰特征进行信息综合，得出干扰检测结果，完成检测。

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