CN103078816A - 一种2400MHz频段抗干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种2400MHz频段抗干扰方法；所述方法利用信号的循环平稳特性，采用自适应频移滤波器抑制干扰信号频谱，并提取有用信号频谱，从而降低了信号的误码率。所述方法首先将802.11b、Bluetooth与Zigbee三种通信方式互干扰问题简化为四类，随后将接收端信号通过频移滤波器，最终实现干扰消除过程。本发明具有较好的抗干扰效果，可实现频谱重叠信号的分离，将有用信号从被干扰频谱中恢复出来。

Description

一种2400MHz频段抗干扰方法

技术领域

本发明属于网络通信技术领域，具体指的是一种2400MHz频段抗干扰方法。

背景技术

工作在2.4GHz频段上的主流技术有802.11b，蓝牙和Zigbee。若在同一个室内环境中，存在大量无线通信设备工作在2.4GHz频段，且通信标准各自不同，则此频带上的相互干扰问题就非常复杂。

802.11b是现今最为流行的无线局域网络标准。802.11b的主要技术特性是：工作在2.4GHz频段；采用直接序列扩频(DSSS)技术；采用变速率调制和编码，BPSK或者QPSK调制；传输速率为11/5.5/2/1Mbps；射频输出功率为30mW；最大传输距离为100m。

蓝牙技术,主要用于通信和信息设备的无线连接。它工作在2.4GHz频段；采用跳频扩频（FHSS）方式；提供高达1Mbps的数据速率，使用高斯频移键控（GFSK）调制方式；最大发射功率通常是2.5mW。最大传输距离为10m。

ZigBee(802.15.4)技术是最近发展起来的一种短距离无线通信技术,功耗低。它同样使用2.4GHz波段；采用DSSS扩频技术；调制方式有BPSK或OQPSK；支持最高250kbps的数据速率；最大功耗只有1mW，覆盖范围是30m。

802.11b、Bluetooth与Zigbee三种标准在实际应用中是互补的，因此它们共存的可能性较大。这三种无线通信方式都工作在2.4~2.4835GHz频段，因此各自的频谱不可避免地都会存在重叠。如何采取有效的措施来消除潜在的频谱干扰是一个有意义的课题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足,针对2.4GHz频段802.11b、Bluetooth与Zigbee三种无线通信网络信号互干扰问题，本发明提出了一种2400MHz频段抗干扰方法，所述方法利用自适应频移滤波器消除频谱干扰，通过仿真验证表明该抗干扰方法具有良好效果。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种2400MHz频段抗干扰方法，所述方法包括步骤如下：

步骤A，分析2.4GHz频段无线通信环境的互干扰种类；

互干扰有802.11b与Bluetooth之间的干扰、Bluetooth与Zigbee之间的干扰、802.11b与Zigbee之间的干扰，一共是3个两两之间的频谱干扰情况；考虑两者之间影响的对象不同，则三者之间的互干扰问题分为6种；考虑三种通信方式的发射功率大小，802.11b的最大功率30mW、Bluetooth的最大功率2.5mW、而Zigbee的最大功率为1mW；由于802.11b的功率远远大于另外两者，所以忽略Bluetooth和Zigbee分别对802.11b的干扰；余下4种互干扰情况；

步骤B，选择频移滤波器；

802.11b的无线局域网与Bluetooth及Zigbee构成的无线个域网之间存在着不可避免的频谱干扰，采用的一种基于循环平稳性的抗干扰方法，

循环平稳性用于描述不同信号的二阶循环特性，二阶循环平稳性是指信号的均值和自相关函数是周期变化的；依据非平稳信号处理领域循环平稳理论，循环自相关函数定义为：

$R_x^{\mathrm{\&alpha;}}\left(\mathrm{\&tau;}\right)=<E\left[x(t+\mathrm{\&tau;}/2)x^{*}(t-\mathrm{\&tau;}/2)\right]e^{-j2\mathrm{\&pi;\&alpha;t}}>$

其中，<·>表示无限时间平均，E[·]表示统计平均，τ表示时间延迟，α表示循环频率；循环功率谱密度函为：

$S_x^{\mathrm{\&alpha;}}\left(f\right)={\&Integral;}_{-\&infin;}^{\&infin;}{R}_x^{\mathrm{\&alpha;}}\left(\mathrm{\&tau;}\right)\exp (-j2\mathrm{\&pi;f\&tau;})\mathrm{d\&tau;}$

将调制后的扩频信号认定为循环平稳信号，分析其三维的循环功率谱密度；虽然信号在二维的功率谱密度上是有重叠的，但是在三维的循环功率谱密度上却存在一些未被严重干扰的部分；由循环维纳滤波理论得出一种自适应频移滤波器；接收信号通过此频移滤波器，可以部分恢复出被严重干扰后的频谱；

采用自适应频移滤波器来消除重叠频谱的互干扰，针对输入为复数信号的情况，给出了频移滤波器的输出是：

$s\left(t\right)=\underset{p}{\mathrm{\&Sigma;}}{h_{\mathrm{\&alpha;}}}_p\left(t\right)\&CircleTimes;\left[r\left(t\right)e^{j2\mathrm{\&pi;}{{\mathrm{\&alpha;}}_p}^t}\right]+\underset{q}{\mathrm{\&Sigma;}}{h}_{\mathrm{\&beta;q}}\left(t\right)\&CircleTimes;\left[r^{*}\left(t\right)e^{j2\mathrm{\&pi;}{{\mathrm{\&beta;}}_q}^t}\right]$

式中符号

表示卷积，α_p表示为接收信号r(t)的循环频率参数，β_q表示为共轭接收信号r*(t)的共轭循环频率参数；

将频移滤波器看成是两个并排的分别由r(t)和r*(t)激励的系统，它们分别频移α_p或β_q后，分别送给有限冲激响应FIR滤波器，最后相加得到输出结果；自适应算法采用基于最小均方误差MMSE准则的自适应滤波算法；

步骤C，干扰消除；

接收信号首先通过频移滤波器，利用信号的循环平稳特性将被干扰的频谱部分恢复；恢复后的信号依次通过解调、解扩、积分、抽样判决，最后得到估计的数字信号。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种2400MHz频段抗干扰方法；所述方法利用信号的循环平稳特性，采用自适应频移滤波器抑制干扰信号频谱以及提取有用信号频谱，从而降低了信号的误码率。所述方法首先将802.11b、Bluetooth与Zigbee三种通信方式互干扰问题简化为四类，随后将接收端信号通过频移滤波器，最终实现干扰消除过程。这种新的基于频移滤波器的抗干扰方法具有较好的抗干扰效果，可实现频谱重叠信号的分离，将有用信号从被干扰频谱中恢复出来。

附图说明

图1为802.11b、Bluetooth与Zigbee三种无线通信频谱示意图。

图2为802.11b、Bluetooth与Zigbee三种通信方式互相影响状态图。

图3为本发明中采用循环平稳特性的自适应频谱滤波器结构图。

图4为Zigbee通信中消除802.11b干扰的模型。

图5为Bluetooth通信中消除802.11b干扰的模型。

图6为Bluetooth与Zigbee通信的互干扰消除模型。

图7为三种通信方式互干扰抑制软件仿真实现设计图。

图8为通过仿真采用频移滤波器后的抗干扰效果。

具体实施方式

为了更加详细的描述本发明提出的一种2400MHz频段抗干扰方法，结合附图，说明如下：

本发明提出的一种2400MHz频段抗干扰方法，其具体实施方式如下：

1）802.11b、Bluetooth与Zigbee的频谱互干扰模型

802.11b及其MAC层的特征在相应标准中有详细的规定和说明。802.11b共有13个信道，具有11Mbps的传输速率。此标准的无重叠信道最多只有3个，分别为信道1（2412MHz）、信道7（2442MHz）和信道13（2472MHz）。它的扩频方式为DSSS，调制方式为QPSK或CCK。

蓝牙设备的工作频率为2400~2483.5MHz，使用79个频道，物理层采用跳频扩频。对应于单时隙包，蓝牙的跳频速率为1600跳每秒，每个频点持续625μs。

Zigbee一共是16个信道。扩频方式为DSSS，调制方式为OQPSK。

三种无线通信标准的频谱对比如附图1所示。由附图1，三种通信方式存在严重的频谱重叠和干扰问题，无线传输环境相当恶劣。

要解决抗干扰的问题，首先就需要分析复杂无线通信环境的互干扰种类。本设计分析的互干扰主要有802.11b与Bluetooth之间的干扰、Bluetooth与Zigbee之间的干扰、802.11b与Zigbee之间的干扰，一共是3个两两之间的频谱干扰情况。若是考虑两者之间影响的对象不同，如802.11b与Zigbee之间，分为802.11b对Zigbee的干扰影响与Zigbee对802.11b的干扰影响，则具体讨论的三者之间的互干扰问题分为6种。为了进一步简化问题，考虑三种通信方式的发射功率大小。802.11b的最大功率30mW、Bluetooth的最大功率2.5mW、而Zigbee的最大功率为1mW。由于802.11b的功率远远大于另外两者，所以Bluetooth和Zigbee分别对802.11b的干扰可以忽略。余下4种互干扰情况，如附图2所示，可看出三种通信方式相互影响的状态。

2）基于循环功率谱密度的频移滤波器

802.11b的无线局域网与Bluetooth及Zigbee构成的无线个域网之间存在着不可避免的频谱干扰。本发明通过某种自适应算法找到ISM频段中未被严重干扰的部分，利用这部分将频谱被干扰的部分恢复出来。本发明所采用的一种新的基于循环平稳性的抗干扰技术。

大多数通信中使用的调制信号通常具有某种循环平稳性。循环平稳性用于描述不同信号的二阶循环特性。二阶循环平稳性是指信号的均值和自相关函数是周期变化的。依据非平稳信号处理领域循环平稳理论，循环自相关函数定义为 $R_x^{\mathrm{\&alpha;}}\left(\mathrm{\&tau;}\right)=<E\left[x(t+\mathrm{\&tau;}/2)x^{*}(t-\mathrm{\&tau;}/2)\right]e^{-j2\mathrm{\&pi;\&alpha;t}}>,$ 这里<·>和E[·]分别表示无限时间平均和统计平均，τ表示时间延迟，α表示循环频率。循环功率谱密度函为 $S_x^{\mathrm{\&alpha;}}\left(f\right)={\&Integral;}_{-\&infin;}^{\&infin;}{R}_x^{\mathrm{\&alpha;}}\left(\mathrm{\&tau;}\right)\exp (-j2\mathrm{\&pi;f\&tau;})\mathrm{d\&tau;}.$ 每一种数字调制信号，它有自己的三维循环频谱。

本发明首先将调制后的扩频信号假设为循环平稳信号，然后分析其三维的循环功率谱密度。虽然信号在二维的功率谱密度上是有重叠的，但是在三维的循环功率谱密度上却存在一些未被严重干扰的部分。由循环维纳滤波理论得出一种自适应频移滤波器。接收信号通过此频移滤波器，可以部分恢复出被严重干扰后的频谱。

本设计采用自适应频移滤波器来消除重叠频谱的互干扰。针对输入为复数信号的情况，给出了频移滤波器的输出是：

$s\left(t\right)=\underset{p}{\mathrm{\&Sigma;}}{h_{\mathrm{\&alpha;}}}_p\left(t\right)\&CircleTimes;\left[r\left(t\right)e^{j2\mathrm{\&pi;}{{\mathrm{\&alpha;}}_p}^t}\right]+\underset{q}{\mathrm{\&Sigma;}}{h}_{\mathrm{\&beta;q}}\left(t\right)\&CircleTimes;\left[r^{*}\left(t\right)e^{j2\mathrm{\&pi;}{{\mathrm{\&beta;}}_q}^t}\right]---\left(1\right)$

式中符号

表示卷积，α_p和β_q分别表示为r(t)和r*(t)的循环频率参数以及共轭循环频率参数。

由式（1），可将频移滤波器看成是两个并排的分别由r(t)和r*(t)激励的系统，它们分别频移α_p或β_q后，分别送给有限冲激响应（FIR,Finite Impulse Response）滤波器，最后相加得到输出结果。由此可得频移滤波器的基本结构如附图3所示。本设计实现的自适应算法为基于MMSE（最小均方误差）准则的自适应滤波算法。自适应频移滤波器工作过程

如附图3所示，通信信号通过信道传输到信号接收端。由于通信信号的调制特性，依据循环功率谱密度，可通过自适应频移滤波器实现抑制干扰信号以及提取有用信号的目标。其中，循环频移参数与共轭循环频移参数由通信调制方式、载波频率以及信息速率决定。

在通信系统的接收端，接收信号r(t)通过共轭模块获得共轭接收信号r^*(t)，两路信号分别输入频移部分以及共轭频移部分。

在频移部分，实现输入为循环频移参数和接收信号的循环平稳频移过程。在共轭频移部分，实现输入为共轭循环频移参数和共轭接收信号的循环平稳共轭频移过程。

随后频移部分与共轭频移部分输出的信号分别通过结构一致的FIR滤波器，其多维滤波参数矢量由自适应算法模块自适应迭代获得最优值矢量。最终由附图3所示，得出恢复的有用信号s(t)，实现提取有用信号、抑制干扰的效果。

3）电磁通信环境下互干扰问题模型

自适应频移滤波器用于恢复出被严重干扰的频谱部分，接收信号经过频移滤波器滤波后，干扰信号的频谱功率会大大降低。随后再进行解调、解扩和判决，理论上得到的信号误码率会降低很多。但是该频移滤波器需要输入循环频率和训练序列，若这两种输入出现误差，频移滤波器的滤波效果会很差。但是该问题可以用当前热门的盲信号处理理论解决。

三种2.4GHz频段上的无线通信抗干扰问题可简化为四种情况，如附图2，即Zigbee消除802.11b干扰、Bluetooth消除802.11b干扰、Bluetooth与Zigbee两者间的互干扰消除。如图4、5、6所示，WLAN与WPAN在2.4GHz电磁环境下的抗干扰方案可分为3个具体框图讨论。假设调制后的有用信号与干扰信号都是循环平稳性的。有用信号经过扩频、调制后与干扰信号混合，通过信道后就是接收端的接收信号。接收信号首先通过频移滤波器，利用信号的循环平稳特性将被干扰的频谱部分恢复。然后，恢复后的信号分别通过解调、解扩、积分、抽样判决，最后得到估计出的数字信号。整个过程中，频移滤波器是关键，也是本设计提出抗干扰新颖之处。三个具体框图分别采用了不同的调制和扩频方式。

软件仿真实现设计与验证结果

如附图7所示，设计了软件仿真实现本发明干扰抑制方案的流程图。首先分别产生有用信号与干扰信号，根据干扰模式的选择确定互干扰模式为附图2中802.11b与Bluetooth之间的干扰、Bluetooth与Zigbee之间的干扰、802.11b与Zigbee之间的干扰中的哪一种干扰模式。根据模式选择的结果确定干扰信号与有用信号的扩频与调制方式。

有用信号与干扰信号分别进行了扩频工作与调制工作后，软件仿真实现有用信号与干扰信号的信号发送过程。随后，进行通信信道选择，从AWGN、瑞利信号与莱斯信道模型中选择一种进行仿真分析。在通信系统的接收端，有用信号与干扰信号通过信道模型之后，实现有用信号与干扰信号混叠的信号接收工作。

于是，软件仿真进入核心步骤，即接收机干扰抑制部分。首先进行自适应滤波算法的选择，从LMS、RLS、Kalman滤波中选择一种算法实现频移滤波器功能。根据附图3，采用自适应频移滤波器实现有用信号的提取，滤除干扰信号频谱，实现干扰抑制功能。随后进行有用信号解调与解扩以及有用信号积分与抽样判决功能。最后，分析比较有用信号同步模块输出信号和积分与抽样判决模块输出信号，由通信性能统计模块得出通信性能（如误码率、误比特率）等仿真结果。通信性能参数的选择模块可调整干扰信号、有用信号的发射功率大小以及通信信道参数。

为了验证上述无线通信抗干扰方案对消除干扰信号的效果，选用附图4的模型进行计算机仿真。仿真条件为：有用Zigbee信号速率R_c=250kbps，802.11b干扰信号速率R_i=2Mbps。Zigbee信号为OQPSK调制，选择2.455GHz为中心频率，DSSS扩频方式。802.11b通信干扰信号进行QPSK调制，选择2.442GHz为中心频率，DSSS扩频方式。频移滤波器中每个FIR滤波器的阶数设为L_p=11和M_q=11。AWGN信道的信噪比为15dB。采用LMS自适应算法实现FIR滤波器最优权值的确定。于是，频移滤波器输入前和输入后的信号频谱对比效果如附图8所示。

由附图8，本发明提出的无线通信中的抗干扰方法是有效的。经过频移滤波器后的频谱图表明，它已大致消除了802.11b干扰信号的频谱。于是，加入频移滤波器的通信接收系统可提高无线通信抗干扰的性能。本发明提出的无线通信抗干扰的模型通过仿真验证后，证明在2.4GHz频段具有良好的抗干扰效果,可恢复被严重频带干扰后的频谱。

Claims (1)

1.一种2400MHz频段抗干扰方法，其特征在于，所述方法包括确定2.4GHz频段无线通信环境的互干扰种类、选择频移滤波器和干扰消除三个部分；其步骤如下：

步骤A，确定2.4GHz频段无线通信环境的互干扰种类；

确定4种互干扰情况：802.11b干扰Bluetooth、802.11b干扰Zigbee、Bluetooth干扰Zigbee、Zigbee干扰Bluetooth；

步骤B，选择频移滤波器；

频移滤波器是两个并列的分别由接收信号r(t)及其共轭r^*(t)激励的系统，所述系统对r(t)频移α_p、对r^*(t)频移β_q后，分别送给有限冲激响应FIR滤波器，再对FIR滤波器输出相加得到输出结果；α_p为r(t)的循环频率参数，β_q为r^*(t)的共轭循环频率参数；

步骤C，干扰消除；

接收信号通过频移滤波器，利用信号的循环平稳特性将被干扰的频谱恢复；恢复后的信号通过依次解调、解扩、积分、抽样判决，最后得到估计的数字信号。

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