CN104022794A - 直接序列扩频系统脉冲干扰抑制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直接序列扩频系统脉冲干扰抑制装置，包括顺次连接的预处理模块、组帧模块、自相关矩阵估计模块、功率归一化模块和采样恢复模块；预处理模块用于将幅度变化大的接收信号转换为包络相对恒定的信号；组帧模块用于对接收信号进行缓存处理；自相关矩阵估计模块用于通过迭代估计得到输入信号向量的自相关矩阵，送入到乘法器与接收向量进行相乘处理，得到干扰抑制后的信号；功率归一化模块用于对干扰抑制后的信号进行功率归一化处理；采样恢复模块用于将经过干扰抑制处理后的接收信号向量恢复为正常的接收信号。本发明在高干信比下干扰抑制能力明显，具有复杂度低和不受扰码约束等特点，在现实系统中更具有实用性。

Description

直接序列扩频系统脉冲干扰抑制装置及方法

技术领域

本发明涉及直接序列扩频通信系统，特别是涉及一种直接序列扩频系统脉冲干扰抑制装置及方法。

背景技术

直接序列扩频系统是现阶段应用最为广泛的数字通信系统之一，具有抗多径能力强、发射功率低、低截获率、保密性良好等多种优势，在军事通信、卫星通信和移动通信中得到广泛应用。脉冲干扰是目前直接序列扩频系统中存在的主要干扰之一，过去20多年中，大量的研究工作主要集中于采用干扰预测抵消和变换域滤波等干扰抑制方法。

目前，常见的直接序列扩频通信系统干扰抑制技术可分为以下三类：

(1)时域预测技术：将接收信号中的直接扩频信号看作时间上不相关的随机信号，是不可预测的。而其中的干扰由于时间上具有较强相关性，因而是可预测的，由此设计自适应滤波器，由系统过去时刻的输入预测系统当前的输入，而将系统当前实际输入值当做自适应滤波器的期望输出，得到的预测误差即为直接扩频信号。

(2)变换域抑制技术：从频域上来看，直接扩频信号的功率分布在较宽的一段频谱上，而干扰信号的功率分布则相对集中，由此可通过DFT(离散傅里叶变换)将接收信号变换到频域，对其中幅度过大的谱线做删除或裁减处理，再通过IDFT(反离散傅里叶变换)将其反变换到时域，由此达到干扰抑制的目的。

(3)码辅助干扰抑制技术：将干扰视作多个直接扩频用户信号的叠加，由此可利用多用户检测的方法对其进行抑制。码辅助技术利用如MMSE这样的多用户检测技术进行脉冲干扰抑制。码辅助技术分为固定码辅助技术和自适应码辅助技术，前者适用于干扰信号统计特性已知的情况，后者适用于干扰信号未知的情况。

分析上述三种传统干扰抑制技术，分别有如下缺点：

(1)时域预测技术：时域预测技术是基于干扰可预测的假设进行设计的，在干扰为随机脉冲信号时，这种假设常常是不满足的，所以时域预测技术对随机脉冲干扰抑制的性能较差。而且直接扩频信号并不是随机的，所以为了达到较好的抑制性能，预测技术必须引入非线性的修正函数，这将加大系统开销。

(2)变换域技术：变换域技术存在的问题是频谱泄露及有用信号丢失。通过加窗的方法可以一定程度来抑制频谱泄露，但加窗的同时又造成了有用信号的失真。由于变换域方法是通过删除和裁减过大谱线的方法来抑制干扰，因此有用信号不可避免的在抑制过程中受到损失，在脉冲干扰为单音干扰或线性调频信号时，这种损失可以忽略，但是当干扰为带宽相对较大的随机脉冲干扰时，谱线处理造成的有用信号损失会对系统性能造成很大影响。

(3)码辅助技术：固定码辅助技术需要干扰信号的先验信息，在实际系统中不便实现。而自适应码辅助技术的性能并不理想，且在对维数为扩频因子的自相关矩阵做处理时运算量过大。另外码辅助技术都需要在接收信号已同步的情况下进行，在脉冲强度大的情况下系统常常无法顺利同步。并且，在工程实现中，由于采用定点处理，在有大强度脉冲干扰到来的时候可能会造成系统溢出，系统稳定性较差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种新型的直接序列扩频系统脉冲干扰抑制装置及方法，有效抑制脉冲干扰，具有复杂度低、鲁棒性强等优点。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：直接序列扩频系统脉冲干扰抑制装置，它包括顺次连接的预处理模块、组帧模块、自相关矩阵估计模块、功率归一化模块和采样恢复模块；预处理模块用于对接收信号进行幅度处理，将幅度变化大的接收信号转换为包络相对恒定的信号；组帧模块用于对接收信号进行缓存处理，组成一个接收信号向量；自相关矩阵估计模块用于通过迭代估计得到输入信号向量的自相关矩阵，送入到乘法器与接收向量进行相乘处理，得到干扰抑制后的信号；功率归一化模块用于对干扰抑制后的信号进行功率归一化处理；采样恢复模块用于将经过干扰抑制处理后的接收信号向量恢复为正常的接收信号。

所述的预处理模块包括均方根计算子模块和幅度控制子模块；均方根计算子模块用于计算接收信号向量的均方根值；幅度控制子模块用于将接收信号向量除以均方根值并修正幅度。

所述的自相关矩阵估计模块包括向量更新子模块、矩阵更新子模块、遗忘因子子模块和延时子模块；向量更新子模块用于在迭代过程中，存储新的接收信号向量；矩阵更新子模块用于在迭代过程中，对估计得到的自相关矩阵P进行更新处理；遗忘因子子模块用于存储迭代算法所需的遗忘因子参数；延时子模块用于对矩阵更新子模块输出的自相关矩阵P进行延时处理。

直接序列扩频系统脉冲干扰抑制方法，它包括以下步骤：

S1：预处理：对接收信号进行预处理，对幅度变化大的接收信号进行幅度处理，得到包络相对恒定的信号；

S2：组帧处理：对接收信号进行分组缓存处理，得到接收信号向量；

S3：估计自相关矩阵：通过迭代得到接收信号向量的自相关矩阵P，自相关矩阵P为接收信号向量自相关矩阵的逆估计值；

当脉冲干扰的先验信息已知时，取P[k]＝R^-1[k]或P[k]＝(R_j[k]+βI)^-1，其中，R[k]表示M维接收向量的自相关矩阵；R_j[k]表示M维干扰向量的自相关矩阵；I表示M维单位矩阵；β≥0，典型取值为0或σ²，σ²表示白噪声功率；(·)^-1表示矩阵的逆；

当脉冲干扰的先验信息未知时，P[k]为R^-1[k]的一个估计值，可采用多种算法对R^-1[k]进行估计，包括最小二乘算法、递归最小二乘算法等；

S4：线性变换：采用自相关矩阵P对接收信号向量做线性变换，得到干扰抑制后的接收信号向量；

S5：功率归一化：对脉冲干扰抑制后的接收信号向量做功率归一化处理，得到功率调整后的接收信号向量；

S6：采样恢复：将功率调整后的接收信号向量恢复为正常接收码片信号。

所述的步骤S1包括以下子步骤：

S101：计算接收信号的均方根值；

S102：将接收信号向量除以其均方根值，并修正幅度。

所述的步骤S2包括以下子步骤：

S201：向量更新，随着迭代进行，对接收信号向量进行更新处理，丢掉原始的接收信号向量，存储新的接收信号向量用于下次迭代；

S202：自相关矩阵更新，随着迭代进行，通过误差和收敛因子对矩阵进行更新处理，丢掉原始的自相关矩阵值，存储新的自相关矩阵值；

S203：采用自适应的方法调整收敛因子，加快迭代收敛速度；

S204：对一次迭代后的自相关矩阵进行延时处理，并反馈到矩阵更新子模块的输入端。

本发明的有益效果是：

1)解决了码辅助技术在接收信号统计特性未知情况下，采用盲检测技术精度有限，造成干扰抑制效果较差的问题；降低了在频率选择性衰落信道情况下码辅助技术基于每个期望用户生成检测向量的复杂度；并采用长码的扩频方案，使本发明能够应用于第三代移动通信中的TD-SCDMA，WCDMA系统等。

2)固定信噪比后可以看出，本发明在高干信比下干扰抑制能力明显；本发明还具有复杂度低和不受扰码约束等特点，在现实系统中更具有实用性，在不影响现有接收机结构的前提下，单纯的增加一个干扰抑制模块，即可对脉冲干扰起到良好的抑制作用。

附图说明

图1为典型的直接序列扩频系统基带接收机结构图；

图2为本发明干扰抑制装置结构图；

图3为本发明预处理模块结构图；

图4为本发明自相关矩阵估计模块结构图；

图5为本发明干扰抑制方法流程图；

图6为本发明在不同干信比下性能对比图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，典型的直接序列扩频系统基带接收机包括：扩频码发生模块、扰码发生模块、匹配滤波模块、干扰抑制装置、解调模块、信宿模块。其中：

所述的扩频码发生模块，用于产生解扩所需的码片，码片级数据经过解扩处理得到符号级数据。

所述的扰码发生模块，用于产生解扰所需的伪码，码片级数据经过解扰处理后送入到解调模块。

所述的匹配滤波模块，用于对接收信号做匹配滤波处理，消除带外干扰和噪声，得到滤波器处理后的接收信号r(n)＝s(n)+j(n)+n(n)；其中，r(n)为接收信号；s(n)为期望的直接扩频用户信号；j(n)为脉冲干扰，例如：单音干扰，调频干扰，数字脉冲干扰等；n(n)为高斯白噪声。

所述的解调模块，用于对基带码片级的数据进行解扩和逆映射处理，得到比特级数据；

所述的信宿模块，用于将接收的比特数据与发射的比特级数据进行比较，计算误码率。

如图2所示，直接序列扩频系统脉冲干扰抑制装置，它包括顺次连接的预处理模块、组帧模块、自相关矩阵估计模块、功率归一化模块和采样恢复模块；

预处理模块用于对接收信号进行幅度处理，将幅度变化大的接收信号转换为包络相对恒定的信号。

组帧模块用于对接收信号进行缓存处理，组成一个接收信号向量；将接收信号r(n)按照每M个码片一组组合为成M维的接收向量序列，第k个接收向量可以表示为如下形式：

r[k]＝[r(kM)r(kM-1)…r(kM-M+2)r(kM-M+1)]^T；

其中，k≥1，(·)^T表示向量或矩阵转置，r[k]的组成如下所示：

r(k)＝s(k)+j(k)+n(k)；

其中，r[k]表示M维的接收向量；s(k)表示M维的直接扩频信号向量；j(k)表示M维的脉冲干扰向量；n(k)表示M维的高斯白噪声向量。

如图3所示，预处理模块包括均方根计算子模块和幅度控制子模块；均方根计算子模块用于计算接收信号向量的均方根值；幅度控制子模块用于将接收信号向量除以均方根值并修正幅度。

自相关矩阵P更新及线性变换详细结构图如图4所示，自相关矩阵估计模块用于通过迭代估计得到输入信号向量的自相关矩阵，送入到乘法器与接收向量进行相乘处理，得到干扰抑制后的信号；所述的自相关矩阵估计模块包括向量更新子模块、矩阵更新子模块、遗忘因子子模块和延时子模块：

向量更新子模块用于在迭代过程中，对接收信号向量进行更新处理，丢掉原始的接收信号向量，存储新的接收信号向量r[k]用于下次迭代；

矩阵更新子模块用于在迭代过程中，对估计得到的自相关矩阵P进行更新处理；

自相关矩阵更新，随着迭代进行，需要通过误差和收敛因子对矩阵进行更新处理，丢掉原始的自相关矩阵值，存储新的自相关矩阵值。下面以基于递归最小二乘的自适应抑制方案为例说明自相关矩阵更新方式：

步骤41，初始化自相关矩阵P，即设定P[0]，设置收敛因子λ值，对于P[0]，设定P[0]＝I_M，其中I_M为M阶单位阵，其中λ取值为0＜λ＜1；

步骤42，更新中间向量k[k]：

$k\left[k\right]=\frac{P[k-1]r\left[k\right]}{\mathrm{\λ}+r^H\left[k\right]P[k-1]r\left[k\right]};$

步骤43，更新自相关矩阵P[k]：

$P\left[k\right]=\frac{1}{\mathrm{\λ}}\left\{P\right[k-1]-k[k\left]r^H\right[k\left]P\right[k-1\left]\right\};$

遗忘因子子模块用于存储迭代算法所需的遗忘因子参数；

延时子模块用于对矩阵更新子模块输出的自相关矩阵P进行延时处理，将所得矩阵P[k]延时以便在下一时刻得到P[k-1]。

通过迭代得到输入信号向量的自相关矩阵P[k]，送入到乘法器与接收向量r[k]进行相乘处理，得到干扰抑制后的信号

$\tilde{r}\left[k\right]=P\left[k\right]r\left[k\right];$

功率归一化模块用于对干扰抑制后的信号进行功率归一化处理：

$\tilde{r}\left[k\right]=\tilde{r}\left[k\right]/(1-\mathrm{\λ});$

采样恢复模块用于将经过干扰抑制处理后的接收信号向量恢复为正常的接收码片信号；

其中，表示对标量向下取整，r_i表示向量r的第i个元素。

如图5所示，直接序列扩频系统脉冲干扰抑制方法，它包括以下步骤：

S1：预处理：对接收信号(频谱交叠信号)进行预处理，对幅度变化大的接收信号进行幅度处理，得到包络相对恒定的信号；

S2：组帧处理：对接收信号进行分组缓存处理，得到接收信号向量；

S3：估计自相关矩阵：通过迭代得到接收信号向量的自相关矩阵P，自相关矩阵P为接收信号向量自相关矩阵的逆估计值；

当脉冲干扰的先验信息已知时，取P[k]＝R^-1[k]或P[k]＝(R_j[k]+βI)^-1，其中，R[k]表示M维接收向量的自相关矩阵；R_j[k]表示M维干扰向量的自相关矩阵；I表示M维单位矩阵；β≥0，典型取值为0或σ²，σ²表示白噪声功率；(·)^-1表示矩阵的逆；

当脉冲干扰的先验信息未知时，P[k]为R^-1[k]的一个估计值，可采用多种算法对R^-1[k]进行估计，包括最小二乘算法、递归最小二乘算法等；

S4：线性变换：采用自相关矩阵P对接收信号向量做线性变换，得到干扰抑制后的接收信号向量；

S5：功率归一化：对脉冲干扰抑制后的接收信号向量做功率归一化处理，得到功率调整后的接收信号向量；

S6：采样恢复：将功率调整后的接收信号向量恢复为正常接收码片信号，得到抑制后信号。

所述的步骤S1包括以下子步骤：

S101：计算接收信号的均方根值；

S102：将接收信号向量除以其均方根值，并修正幅度。

所述的步骤S2包括以下子步骤：

S201：向量更新，随着迭代进行，对接收信号向量进行更新处理，丢掉原始的接收信号向量，存储新的接收信号向量用于下次迭代；

S202：自相关矩阵更新，随着迭代进行，通过误差和收敛因子对矩阵进行更新处理，丢掉原始的自相关矩阵值，存储新的自相关矩阵值；

S203：采用自适应的方法调整收敛因子，加快迭代收敛速度；

S204：对一次迭代后的自相关矩阵进行延时处理，并反馈到矩阵更新子模块的输入端。

图6为不同干信比下无干扰、有干扰和有干扰抑制情况下接收误码率的曲线对比图，固定信噪比后可以看出，本发明在高干信比下干扰抑制能力明显。同时，本发明还具有复杂度低和不受扰码约束等特点，在现实系统中更具有实用性，在不影响现有接收机结构的前提下，单纯的增加一个干扰抑制模块，即可对脉冲干扰起到良好的抑制作用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.直接序列扩频系统脉冲干扰抑制装置，其特征在于：它包括顺次连接的预处理模块、组帧模块、自相关矩阵估计模块、功率归一化模块和采样恢复模块；

所述的预处理模块用于对接收信号进行幅度处理，将幅度变化大的接收信号转换为包络相对恒定的信号；

所述的组帧模块用于对接收信号进行缓存处理，组成一个接收信号向量；

所述的自相关矩阵估计模块用于通过迭代估计得到输入信号向量的自相关矩阵，送入到乘法器与接收向量进行相乘处理，得到干扰抑制后的信号；

所述的功率归一化模块用于对干扰抑制后的信号进行功率归一化处理；

所述的采样恢复模块用于将经过干扰抑制处理后的接收信号向量恢复为正常的接收信号。

2.根据权利要求1所述的直接序列扩频系统脉冲干扰抑制装置，其特征在于：所述的预处理模块包括均方根计算子模块和幅度控制子模块；

所述的均方根计算子模块用于计算接收信号向量的均方根值；

所述的幅度控制子模块用于将接收信号向量除以均方根值并修正幅度。

3.根据权利要求1所述的直接序列扩频系统脉冲干扰抑制装置，其特征在于：所述的自相关矩阵估计模块包括向量更新子模块、矩阵更新子模块、遗忘因子子模块和延时子模块；

所述的向量更新子模块用于在迭代过程中，存储新的接收信号向量；

所述的矩阵更新子模块用于在迭代过程中，对估计得到的自相关矩阵P进行更新处理；

所述的遗忘因子子模块用于存储迭代算法所需的遗忘因子参数；

所述的延时子模块用于对矩阵更新子模块输出的自相关矩阵P进行延时处理。

4.直接序列扩频系统脉冲干扰抑制方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1：预处理：对接收信号进行预处理，对幅度变化大的接收信号进行幅度处理，得到包络相对恒定的信号；

S2：组帧处理：对接收信号进行分组缓存处理，得到接收信号向量；

S3：估计自相关矩阵：通过迭代得到接收信号向量的自相关矩阵P，自相关矩阵P为接收信号向量自相关矩阵的逆估计值；

S4：线性变换：采用自相关矩阵P对接收信号向量做线性变换，得到干扰抑制后的接收信号向量；

S5：功率归一化：对脉冲干扰抑制后的接收信号向量做功率归一化处理，得到功率调整后的接收信号向量；

S6：采样恢复：将功率调整后的接收信号向量恢复为正常接收码片信号。

5.根据权利要求4所述的直接序列扩频系统脉冲干扰抑制方法，其特征在于：所述的步骤S1包括以下子步骤：

S101：计算接收信号的均方根值；

S102：将接收信号向量除以其均方根值，并修正幅度。

6.根据权利要求4所述的直接序列扩频系统脉冲干扰抑制方法，其特征在于：所述的步骤S2包括以下子步骤：

S201：向量更新，随着迭代进行，对接收信号向量进行更新处理，丢掉原始的接收信号向量，存储新的接收信号向量用于下次迭代；

S202：自相关矩阵更新，随着迭代进行，通过误差和收敛因子对矩阵进行更新处理，丢掉原始的自相关矩阵值，存储新的自相关矩阵值；

S203：采用自适应的方法调整收敛因子，加快迭代收敛速度；

S204：对一次迭代后的自相关矩阵进行延时处理，并反馈到矩阵更新子模块的输入端。