CN102664658A - 一种基于扩频系统的跳频gsm干扰抑制方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及跳频GSM干扰抑制方法，包括：a)设定好自适应滤波器中基础滤波系数；b)对接收到的时域信号y(n)进行时域转频域变换，得到每段序列yⁱ(n)上对应的频域Yⁱ(K)序列，根据所述每一段频域序列Yⁱ(K)得到对应的GSM干扰的每个中心频点f；c)根据GSM干扰的中心频点f，逐点调整对应的的自适应滤波器的滤波系数；d)滤波系数对该相应的时域序列yⁱ(n)逐点进行自适应滤波操作，得到干扰抑制后的逐点输出序列eⁱ(n)；e)由扰抑制后逐点输出序列eⁱ(n)和中心频点f修正跳频时刻前后若干个样点的信号滤波输出。本发明中自适应波器及其系统可以迅速地对新频点的干扰进行预测并且进行抑制，并且在GSM干扰跳频之后能及时、准确地对滤波器系数进行更新，迅速完成跳频之后的滤波器系数变换过程。

Description

一种基于扩频系统的跳频GSM干扰抑制方法及其系统

技术领域

本发明属于数字通信领域，具体涉及一种用于扩频通信系统中跳频GSM干扰的抑制方法。

背景技术

众所周知，扩频系统具有天然的抵抗窄带干扰的能力，但扩频系统受限于系统带宽，扩频增益有限，扩频系统抵抗窄带干扰的能力是有限的。因此，当干扰能量足够强时，为了保证系统的性能，需要在扩频系统接收机前进行干扰抑制。扩频系统中的窄带干扰抑制技术按照处理域的不同，可以分为变换域抑制技术和时域抑制技术。变换域抑制技术通常采用一定的变换方法，使得扩频信号和窄带干扰信号在变换域中尽可能的分离。变换方法有很多种，比如傅里叶变换、小波变换、希尔伯特黄变换、子带变换等，其中最为常用的变换为傅里叶变换。时域抑制技术通常采用自适应滤波器的方法对干扰信号进行预测或估计，并从接收信号减去。常用的自适应滤波算法有LMS、ACM、DDK等算法。其中LMS算法为线性滤波算法，在实际中应用最为广泛。

在传统的研究中，窄带干扰通常被建模为中心频点固定不变的静态干扰。而类似于GSM的窄带通信系统，由于采用了跳频技术，每4.615ms GSM信号发生一次跳频，跳频频点最小间隔为200KHz，是一种动态干扰。在这样的跳频GSM干扰场景中，传统的变换域技术由于在干扰发生跳频时干扰检测的漏检概率增大，会导致算法系统性能的严重下降。而传统的时域抑制技术在跳频时刻之后的一段较长的时间内，由于滤波器系数重新的训练，不能立刻预测出新频点的干扰值，导致输出信号中仍含有强的干扰分量，性能也会受到严重影响。

发明内容

本发明的目的是提出一种适用于扩频通信系统的跳频GSM干扰抑制方法，该方法基于时域自适应滤波器结构，利用反馈检测干扰跳频，然后在跳频时刻进行快速的系数更新，进而得到较好的跳频GSM干扰抑制性能。

一种基于扩频系统的跳频GSM干扰抑制方法，其步骤包括：

a)设定好自适应滤波器中基础滤波系数，接收机对接收到的时域信号y(n)进行时域转频域变换，得到每段序列yⁱ(n)上对应的频域Yⁱ(K)序列，根据所述每一段频域序列Yⁱ(K)得到对应的GSM干扰的每个中心频点f；

b)根据所述GSM干扰的中心频点f，逐个频点调整对应的的自适应滤波器的滤波系数；

c)根据所述的滤波系数对该相应的时域序列yⁱ(n)逐点进行自适应滤波操作，得到干扰抑制后的逐点输出序列eⁱ(n)；

d)根据所述的干扰抑制后的逐点输出序列eⁱ(n)，逐点检测GSM干扰是否发生跳频，若发生跳频，则逐个频点调整对应的的自适应滤波器的滤波系数，并结合步骤b)中心频点f修正跳频时刻前后若干个样点的信号滤波输出；若未发生跳频，则回到步骤c)继续检测。

所述步骤a)基础滤波系数是在GSM干扰下中心频点为0MHz的滤波器的最优滤波向量

其中，SNR为信号噪声功率比，INR为干扰噪声功率比，I为单位矩阵，

P＝[φ_jj(1)，φ_jj(2)，...，φ_jj(M)]^T，

φ_jj(k)是中心频点为0MHz的GSM干扰信号的自相关函数，自适应滤波器滤波系数阶数为M，α₀＝[α_0，1，α_0，2，...，α_0，M]^T是最优滤波系数向量，j是系统中为了与别的信号的自相关函数做区分的一个字母，专指窄带干扰信号的自相关函数，是个标记，不是一个变量。

所述步骤b)中若时域跳频检测信息表明在序列yⁱ(n)内未发生跳频，自适应滤波器滤波系数调整方法为：

滤波系数与当前序列利用快速傅里叶变换(FFT)检测到的GSM干扰中心频点f1相对应，此时滤波系数向量为：

α_f1＝[α_f1，1，α_f1，2，...，α_f1，M]^T，α_f1，k＝α_0，k*e^j*2π*k*f1，

其中，α_0，k为基础滤波系数向量中第k个系数，α_f1，k是在α_0，k的基础上发生2π*k*f1的相位变化；

所述步骤b)中若时域跳频检测信息表明在序列yⁱ(n)内发生了跳频，自适应滤波器滤波系数调整方法为：

在跳频时刻后的滤波系数与下一段序列yⁱ⁺¹(n)的GSM干扰的中心频点f2相对应，在跳频时刻后的滤波系数向量为：

α_f2＝[α_f2，1，α_f2，2，...，α_f2，M]w ，α_f2，k＝α_0，k*e^j*2π*k*f2，

其中，α_0，k为基础滤波系数向量中第k个系数，α_f1，k是在α_0，k的基础上发生2π*k*f1的相位变化。

所述步骤c)中自适应滤波对时域序列逐点进行自应滤波操作方法为：利用历史时刻的样点值预测当前时刻的GSM干扰的信号值，再利用相应的接收信号减去预测出来的当前时刻的GSM干扰信号。

更进一步，所述当前时刻的GSM干扰的信号值可用以下公式表示：

$v^i\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{f,i}*y^i(n-i)$

其中，α_f，i为与GSM中心频点为f所对应的滤波器系数，yⁱ(n)为接收信号，vⁱ(n)为预测滤波得到的GSM干扰信号，M为滤波器阶数。

更进一步，所述当前时刻的GSM干扰信号为：

eⁱ(n)＝yⁱ(n)-vⁱ(n)

其中，yⁱ(n)为接收信号，vⁱ(n)为预测滤波得到的GSM干扰信号，eⁱ(n)为GSM干扰抑制后的信号。

更进一步，所述步骤d)中，检测跳频是否发生可通过对干扰抑制后的输出序列进行检测，来判断是否发生跳频，具体检测公式为：

$X\left(n\right)=\frac{1}{L}\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|e^i(n-i)\right|}^2>\mathrm{Thres}$

其中Thres为检测门限，L为平滑长度，即通过多点平均的方式提高判决的可靠度。

更进一步，所述步骤d)中，对所述滤波输出做相应的修正方法可对跳频之后的若干个错误样点进行置零操作。

一种基于扩频系统的跳频GSM干扰抑制系统，包括基础滤波系数模块、频域干扰检测模块、滤波系数调整模块、时域滤波模块、时域跳频检测模块和滤波输出修正模块，

其中：

基础滤波系数模块，信号接收机预处理在GSM干扰下中心频点为0MHz时自适应滤波器最优滤波系数向量α₀，所述滤波系数向量α₀为自适应滤波器调整过程中的基础滤波系数；

频域干扰检测模块，接收机对接收到的时域信号y(n)进行时域转频域变换，得到每段序列yⁱ(n)上对应的频域Yⁱ(K)序列，根据所述每一段频域序列Yⁱ(K)得到对应的GSM干扰的每个中心频点f；

滤波系数调整模块，根据所述GSM干扰的中心频点f，逐个频点调整对应的的自适应滤波器的滤波系数；

时域滤波模块，根据所述的滤波系数对该相应的时域序列yⁱ(n)逐点进行自适应滤波操作，得到干扰抑制后的逐点输出序列eⁱ(n)；

时域跳频检测模块，对所述的干扰抑制后的逐点输出序列eⁱ(n)，逐点检测GSM干扰是否发生跳频，若发生跳频，则逐个频点调整对应的的自适应滤波器的滤波系数，并结合频域干扰检测模块的中心频点f修正跳频时刻前后若干个样点的信号滤波输出；若未发生跳频，则返回时域滤波模块；

滤波输出修正模块，用于根据时域跳频检测模块的信息，对跳频时刻附近的滤波输出做相应的修正。

本发明的有益效果在于：

1、本发明中自适应波器可以迅速地对新频点的干扰进行预测并且进行抑制，有效地解决了传统时域算法的缺陷。因为跳频可能发生在任何一点上，本发明的方法所以通过逐点的时域跳频检测，逐个频点的检测是必需的，才能准确、及时的检测到跳频。

2、在GSM干扰跳频之后能及时、准确地对滤波器系数进行更新，迅速完成跳频之后的滤波器系数变换过程。现有技术中的自适应滤波器如果遇到跳频发生，就必须要重新来训练滤波系数，这需要一定的训练时间，因此无法保证能在跳频时刻准确、及时的更新滤波系数，很可能对系统性能带来较大的损失。而本方法能够在跳频发生的时刻，立即更新滤波系数，系统性能就基本没有损失。

3、通过相应系统仿真证明，本发明在跳频GSM干扰场景中的干扰抑制性能与固定频点GSM干扰场景中的干扰抑制性能相比，损失极低。

附图说明

图1本发明基于扩频系统的跳频GSM干扰的抑制方法的流程图；

图2本发明基于扩频系统提出的跳频GSM干扰的抑制方法输入输出波形图；

图3本发明基于扩频系统中跳频时刻修正示意图；

图4本发明基于扩频系统的跳频GSM干扰的抑制方法的性能仿真图。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明所述的适用于扩频通信系统的跳频GSM干扰的抑制方法，但不构成对本发明的限制。

图1给出了本发明提出的跳频GSM干扰抑制方法的流程图，包括基础滤波系数模块、频域干扰检测模块、滤波系数调整模块、时域滤波模块、时域跳频检测模块和滤波输出修正模块，系统框图上可以看出，系数调整模块有两个输入，一个是频域频点检测，另一个是时域跳频检测，系数调整时结合这两个模块的信息来逐点的调整滤波系数的具体描述如下：

基础滤波系数模块：接收机首先计算在中心频点为0MHz的GSM干扰场景下，自适应滤波器的最优滤波系数向量α₀，并以这个系数作为自适应滤波器调整过程中的基础滤波系数。

频域干扰检测模块：对接收到的时域序列y(n)以FFT(Fast Fourier Transformation，快速傅里叶变换)区间大小为单位分段进行FFT操作，得到每段序列yⁱ(n)相应的频域序列Yⁱ(K)，i是将y(n)分段以后，其中的第i段，然后再计算每一段频域序列Yⁱ(K)对应的GSM干扰的中心频点f。

滤波系数调整模块：利用频域干扰检测模块中每一段频域序列Yⁱ(K)对应的GSM干扰的中心频点f和时域跳频检测模块中的时域跳频检测信息，逐点调整对应的的自适应滤波器的滤波系数。

时域滤波模块：利用滤波系数调整模块提供的滤波系数，对相应的时域序列yⁱ(n)逐点进行自适应滤波操作，利用接收的时域序列yⁱ(n)逐点减去自适应滤波器的输出vⁱ(n)就得到干扰抑制后的逐点输出序列eⁱ(n)。

时域跳频检测模块：利用干扰抑制后的逐点输出序列eⁱ(n)，逐点检测GSM干扰是否发生跳频，如果发生跳频，就立刻反馈跳频信息给滤波系数调整模块，使滤波系数做相应的调整，并计算跳频发生的位置；若没有发生跳频，则不反馈信息。

滤波输出修正模块：根据跳频检测模块的信息，对滤波输出做相应的修正。图2给出了对GSM干扰跳频点出的滤波输出进行修正的示意图。

本发明提出的跳频GSM干扰的抑制方法改进了滤波器系数的更新过程，避免了干扰跳频之后系数的重新训练过程。如图3所示，本发明所提出的跳频GSM干扰的抑制方法能够准确、及时的预测跳频GSM干扰信号，对跳频GSM干扰的抑制效果很好。如图4所示，在扩频通信系统性能仿真中，本发明所提出的跳频GSM干扰的抑制方法在跳频GSM干扰场景下，有很好的干扰抑制性能，与固定频点GSM干扰的场景下的系统性能相比，损失极低。

下面列举个具体的实例来说明本发明提出的跳频GSM干扰的抑制方法。

假设接收机接收到长度为1024个样点时域序列y(n)，在y(n)中既有扩频信号，也有GSM干扰信号和噪声信号。假设GSM干扰信号在第450个样点出发生跳频，跳频前后的中心频率分别为f1和f2。如图4中，利用反馈检测干扰跳频，然后在跳频时刻进行快速的系数更新，进而得到较好的跳频GSM干扰抑制性能。

如果系统每256个样点做一次频域干扰检测，那么时域序列y(n)共分成了4段，分别为y¹(n)，y²(n)，y³(n)，y⁴(n)。系统首先计算在中心频点为0MHz的GSM干扰场景下，自适应滤波器的最优滤波系数向量α₀，并以这个系数作为自适应滤波器调整过程中的基础滤波系数。然后接收机将y(n)分成对y¹(n)，y²(n)，y³(n)，y⁴(n)进行频域干扰检测，得到每段序列中GSM干扰的中心频点依次为f1，f1，f2，f2。在yi(n)输入的过程中，因为在y¹(n)内GSM干扰没有发生跳频，所以时域跳频检测模块对干扰抑制后的输出序列e¹(n)的检测结果表明没有跳频发生，滤波系数α也始终与f1相对应。接下来在y²(n)输入的过程中，由于整个y²(n)内的GSM干扰依然以频点为f1的居多，所以接收机对y²(n)进行频域干扰检测的过程中，得到GSM干扰的中心频点依然为f1，自适应滤波器的系数α始终与f1相对应，直到滤波输出到第450个样点附近时，由于GSM干扰已经发生了跳频，其中心频点变为f2，此时的滤波系数α由于依然与f1对应，GSM干扰并不能滤除干净，时域跳频检测模块对干扰抑制后的输出序列e²(n)检测后会发现GSM干扰发生了跳频，并计算出跳频发生的具体位置。滤波系数调整模块在接收到跳频检测模块的信息后，会及时将滤波系数α更新为与f2相对应，滤波输出修正模块也会将跳频点附近的点做置零操作。系统利用时域跳频检测的反馈信息，可以在跳频时刻进行快速的系数更新，进而得到较好的跳频GSM干扰抑制性能。而y³(n)和y⁴(n)内由于没有发生跳频，所以其过程与y¹(n)类似。

Claims (10)

1.一种基于扩频系统的跳频GSM干扰抑制方法，其步骤包括：

a)设定自适应滤波器中的基础滤波系数，接收机对接收到的时域信号y(n)进行时域转频域变换，得到每段序列yⁱ(n)上对应的频域Yⁱ(K)序列，根据所述每一段频域序列Yⁱ(K)得到对应的GSM干扰的每个中心频点f；

b)根据所述GSM干扰的中心频点f，逐个频点调整对应的的自适应滤波器的滤波系数；

c)根据所述的滤波系数对该相应的时域序列yⁱ(n)逐点进行自适应滤波操作，得到干扰抑制后的逐点输出序列eⁱ(n)；

d)根据所述干扰抑制后的逐点输出序列eⁱ(n)，逐点检测GSM干扰是否发生跳频，若发生跳频，则逐个频点调整对应的的自适应滤波器的滤波系数，并结合步骤b)中心频点f修正跳频时刻前后若干个样点的信号滤波输出；若未发生跳频，则回到步骤c)继续检测。

2.如权利要求1所述的跳频GSM干扰抑制方法，其特征在于，所述步骤a)中基础滤波系数用最优滤波向量α₀表示，则基础滤波系数为其中，最优滤波向量α₀是在GSM干扰下中心频点为0MHz的滤波器基础滤波系数，SNR为信号噪声功率比，INR为干扰噪声功率比，I为单位矩阵，

P＝[φ_jj(1)，φ_jj(2)，...，φ_jj(M)]^T，

φ_jj(k)是中心频点为0MHz的GSM干扰信号的自相关函数，自适应滤波器滤波系数阶数为M，α₀＝[α_0，1，α_0，2，...，α_0，M]^T  是最优滤波系数向量，T是矩阵的转置。

3.如权利要求1所述的跳频GSM干扰抑制方法，其特征在于，所述步骤b)中若时域跳频检测信息表明在序列yⁱ(n)内未发生跳频，自适应滤波器滤波系数调整方法为：

滤波系数与当前序列利用快速傅里叶变换(FFT)检测到的GSM干扰中心频点f1相对应，此时滤波系数向量为：α_f1＝[α_f1，1，α_f1，2，...，α_f1，M]^T，α_f1，k＝α_0，k*e^j*2π*k*f1，

其中，α_0，k为基础滤波系数向量中第k个系数，α_f1，k是在α_0，k的基础上发生2π*k*f1的相位变化。

4.权利要求1所述的跳频GSM干扰抑制方法，其特征在于，所述步骤b)中若时域跳频检测信息表明在序列yⁱ(n)内发生了跳频，自适应滤波器滤波系数调整方法为：

在跳频时刻后的滤波系数与利用快速傅里叶变换(FFT)变换得到的下一段序列yⁱ⁺¹(n)的GSM干扰的中心频点f2相对应，在跳频时刻后的滤波系数向量为：

α_f2＝[α_f2，1，α_f2，2，...，α_f2，M]^T，α_f2，k＝α_0，k*e^j*2π*k*f2，

 其中，α_0，k为基础滤波系数向量中第k个系数，α_f1，k是在α_0，k的基础上发生2π*k*f1的相位变化。

5.如权利要求1所述的跳频GSM干扰抑制方法，其特征在于，所述步骤c)中自适应滤波对时域序列逐点进行自应滤波操作方法为：利用历史时刻的样点值预测当前时刻的GSM干扰的信号值，再利用相应的接收信号减去预测出来的当前时刻的GSM干扰信号。

6.如权利要求5的跳频GSM干扰抑制方法，其特征在于，所述当前时刻的GSM干扰的信号值可用以下公式表示：

$v^i\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_{f,i}*y^i(n-i)$

其中，α_f，i为与GSM中心频点为f所对应的滤波器系数，yⁱ(n)为接收信号，vⁱ(n)为预测滤波得到的GSM干扰信号，M为滤波器阶数。

7.如权利要求5的跳频GSM干扰抑制方法，其特征在于，所述当前时刻的GSM干扰信号为：

eⁱ(n)＝yⁱ(n)-vⁱ(n)

其中，yⁱ(n)为接收信号，vⁱ(n)为预测滤波得到的GSM干扰信号，eⁱ(n)为GSM干扰抑制后的信号。

8.如权利要求1所述的跳频GSM干扰抑制方法，其特征在于，所述步骤d)中，检测跳频是否发生可通过对干扰抑制后的输出序列进行检测，来判断是否发生跳频，具体检测公式为：

$X\left(n\right)=\frac{1}{L}\underset{i=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\left|e^i(n-i)\right|}^2>\mathrm{Thres}$

其中Thres为检测门限，L为平滑长度，若X(n)大于设定的门限值，则发生跳频；若不大于设定门限值，则未发生跳频。

9.如权利要求1所述的跳频GSM干扰抑制方法，其特征在于，所述步骤d)中，对所述滤波输出做相应的修正方法是：对跳频时刻附近的若干个错误样点进行置零操作。

10.一种基于扩频系统的跳频GSM干扰抑制系统，包括基础滤波系数模块、频域干扰检测模块、滤波系数调整模块、时域滤波模块、时域跳频检测模块和滤波输出修正模块，其中：

基础滤波系数模块，信号接收机预处理在GSM干扰下中心频点为0MHz时自适应滤波器最优滤波系数向量α₀，所述滤波系数向量α₀为自适应滤波器调整过程中的基础滤波系数；

频域干扰检测模块，接收机对接收到的时域信号y(n)进行时域转频域变换，得到每段序列yⁱ(n)上对应的频域Yⁱ(K)序列，根据所述每一段频域序列Yⁱ(K)得到对应的GSM干扰的每个中心频点f；

滤波系数调整模块，根据所述GSM干扰的中心频点f，逐个频点调整对应的的自适应滤波器的滤波系数；

时域滤波模块，根据所述的滤波系数对该相应的时域序列yⁱ(n)逐点进行自适应滤波操作，得到干扰抑制后的逐点输出序列eⁱ(n)；

时域跳频检测模块，对所述的干扰抑制后的逐点输出序列eⁱ(n)，逐点检测GSM干扰是否发生跳频，若发生跳频，则逐个频点调整滤波系数调整模块中的自适应滤波器的滤波系数，并结合频域干扰检测模块的中心频点f修正跳频时刻前后若干个样点的信号滤波输出；若未发生跳频，则返回时域滤波模块；

滤波输出修正模块，用于根据时域跳频检测模块的信息，对跳频时刻附近的滤波输出做相应的修正。

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