CN105591990A - 一种脉冲干扰的抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明为通信技术领域，尤其涉及在脉冲干扰环境中的无线通信系统的具有强抗干扰能力的脉冲干扰抑制。本发明提供一种脉冲干扰的抑制方法，该抑制方法基于最小均方误差(Minimum？Mean？Square？Error，MMSE)准则。在相同的干扰环境中，与传统方法相比，本发明方法可以显著改善系统的抗脉冲干扰性能，大幅度降低系统传输误码率，有效提供系统的通信质量和可靠性。

Description

一种脉冲干扰的抑制方法

技术领域

本发明为通信技术领域，尤其涉及在脉冲干扰环境中的无线通信系统的具有强抗干扰能力的脉冲干扰抑制。

背景技术

随着无线通信技术和干扰技术的发展，无线通信系统所处的电磁环境变得日益复杂，电磁环境中的干扰对无线通信系统的性能影响越来越大。按干扰域来划分，可以大致将干扰分为时域干扰、频域干扰和时频干扰。其中脉冲干扰作为一种典型的时域干扰，具有突发性、持续时间短、干扰功率大等特点，会造成通信系统性能明显恶化，因此脉冲干扰抑制技术是抗干扰通信系统中的关键技术之一，脉冲干扰的抑制直接影响了系统的抗脉冲干扰传输性能。

在脉冲干扰抑制过程中，首先要进行时域干扰检测，然后再对脉冲干扰进行抑制。传统的脉冲干扰抑制算法有置零法、限幅法等。置零法直接将干扰样点置为零，和干扰混叠在一起的有用信号样点也会被置零，在干扰功率较大时，具有较好的干扰抑制效果，但在干扰功率较小时，干扰对信号的影响较小，如果采用置零抑制，会损失有用信号的信息，从而损害系统的传输性能；限幅法将干扰限制到某个门限以内，系统性能对限幅门限很敏感，若限幅门限过大，干扰抑制效果不明显，在干扰功率较大时，抑制后的残余干扰对系统性能影响依然较大，系统性能改善很小，若限幅门限过小，抑制效果类似于置零法，在干扰功率较小时因有用信号被抑制造成系统性能损失。

发明内容

为避免现有技术的不足，本发明提供一种脉冲干扰的抑制方法，该抑制方法基于最小均方误差(MinimumMeanSquareError，MMSE)准则。在相同的干扰环境中，与传统方法相比，本发明方法可以显著改善系统的抗脉冲干扰性能，大幅度降低系统传输误码率，有效提供系统的通信质量和可靠性。

为了方便地描述本发明的内容，首先对接收信号进行说明：接收信号包括脉冲干扰、有用信号和高斯白噪声，信道环境为加性高斯白噪声(AdditiveWhiteGaussianNoise，AWGN)信道。

一种脉冲干扰的抑制方法，具体步骤如下：

S1、下变频：对接收到的信号进行下变频处理，得到时域的模拟信号r(t)；

S2、模数(A/D)变换：对S1所述的模拟信号r(t)进行采样，得到时域的采样数据块r＝[r₀,r₁,r₂,…,r_L-1]^T，其中，所述采样数据块长度为L＝Nk，上标“[]^T”表示矩阵的转置，N为不为零的自然数，k为不为零的自然数；

S3、将信号分组：对S2所述r进行分组，连续k个采样点为一组，分为N组数据,即Y＝[y₀,y₁,…,y_m,…,y_N-1]，其中，y_m＝[r_mk,r_mk+1,…,r_mk+(k-1)]^T表示第m组数据，0≤m≤N-1；

S4.脉冲干扰检测，即对S3所述Y进行脉冲干扰检测处理，具体为：

S41、对S3所述Y进行脉冲干扰检测处理，检测出无干扰分组集合S_N、干扰分组集合S_J；

S41、计算每个分组的平均功率P＝[P₀,P₁,…,P_N-1]^T，选择所述P中功率最小的那部分数据构成无扰分组集合S_N，其中，第m个分组y_m的平均功率为

S42、计算无干扰分组平均功率P_sn；

S43、根据系统目标最大虚警概率计算干扰检测门限因子α_Jam，α_Jam乘以S42所述P_sn得到干扰检测门限T_Jam；

S44、更新无干扰分组集合，具体为：将S41所述P＝[P₀,P₁,…,P_N-1]^T中小于S43所述干扰检测门限T_Jam的数据放入无干扰分组集合S_N，得到更新后的无干扰分组集合S_N'；

S45、判断无干扰分组集合是否有变化：判断S44所述S_N'与S41所述S_N中元素是否有增减，若有增减，则转到S42，若无增减，则转到S46；

S46、得到干扰分组集合：将由S41所述P＝[P₀,P₁,…,P_N-1]^T中不含S44所述S_N'元素的其他分组构成干扰分组集合S_J；

S47、计算S46所述S_J的平均功率P_jsn；

S5、基于MMSE的干扰抑制，具体包括：

S51、判断S46所述干扰分组集合S_J是否为空，

若为空，则转入S52，

若不为空，则转入S53；

S52、设置干扰抑制因子β＝1，转入S54；

S53、根据S42所得的无干扰分组平均功率P_sn和S47所得的干扰分组平均功率P_jsn，采用MMSE准则，计算得到干扰抑制因子β＝P_sn/P_jsn，转入S54；

S54、干扰抑制：对S3所得的N组数据Y＝[y₀,y₁,＝,y_m,…,y_N-1]乘以干扰抑制因子β后保存为新的分组数据X＝[x₀,x₁,…,x_m,…,x_N-1]，其中，第m个新分组为x_m＝βy_m；

S6、将分组恢复为数据流：对S54所得的经过干扰抑制后的N组数据X按照时序恢复为数据流r′＝[r′₀,r′₁,r′₂,…,r′_L-1]^T，其中，第m个新分组x_m对应的数据流为[r′_mk,r′_mk+1,…,r′_mk+(k-1)]^T，r′_mk+i＝βr_mk+i,0≤i≤k-1, 表示向上取整；

S7.、信号检测、解调与译码处理：对S6所得的数据流进行信号检测、解调与译码处理，将其还原为发送的信息比特后输出。

进一步地，S43所述干扰检测门限因子α_Jam的计算过程为：

在无干扰的AWGN信道下，接收到有用信号和高斯噪声，设信号平均功率为P_s，噪声平均功率为P_n，无干扰分组的平均功率P_sn是信号和噪声功率之和，每个分组有k个采样点，第m个分组的平均功率P_m的归一化值P_m/(P_s＋P_n)满足自由度为2k的非中心χ²分布，其概率密度函数为：其中，I_k-1(a)为第一类k-1阶修正贝塞尔函数，P_m/(P_s＋P_n)的分布函数为：α＞0，Q_k(u,v)为k阶MarcumQ函数，门限因子α_Jam对应的虚警概率为：因此干扰检测门限因子为

进一步地，干扰抑制因子β的具体计算过程如下：

A1、在有脉冲干扰的环境中，接收到的信号矢量r包括有用信号矢量hs、脉冲干扰矢量J和噪声矢量n，即，r＝hs+J+n，经过干扰抑制后的矢量r′为r′＝βr，其中，h为信道衰落系数，h、s、J和n为相互独立的随机变量，而且J和n均服从零均值复高斯分布；

A2、根据MMSE准则，经过脉冲干扰抑制后，应使r′与hs欧式距离的期望最小，即令E(|r′-hS|²)最小，因此，令

A3、将r′和r的关系式代入得：

A4、无干扰时，得按照无干扰时干扰抑制因子为1，做归一化修正干扰抑制因子β为：

A5、在干扰检测处理中，无干扰分组的平均功率P_sn是E(|h|²)P_s+P_n的估计值，干扰分组的平均功率P_jsn是E(|h|²)P_s+P_j+P_n的估计值，则干扰抑制因子β为：

本发明的有益效果是：

本发明可自动检测脉冲干扰，然后基于MMSE准则，得到最优的干扰抑制因子，该抑制因子可根据干信噪比(干扰功率与信号噪声功率的比值，JammingSignalNoiseRatio，JSNR)的变化而变化：当JSNR较大时，抑制因子小，干扰被明显抑制，当JSNR较小时，抑制因子较大，经过干扰抑制后有用信号损失小，当无干扰时，抑制因子为1，相当于不抑制；与传统的置零法和限幅法的干扰抑制方法相比，这种基于MMSE准则的脉冲干扰抑制具有更好的干扰抑制效果，使系统具有更强的抗干扰性能，而且该方法适用于多种不同的无线通信系统在脉冲干扰环境中的通信，具有很强的鲁棒性，方法简单实用，复杂度低，有利用工程的实际应用。

附图说明

图1是本发明基于MMSE准则的脉冲干扰抑制的无线通信系统接收原理图。

图2是脉冲干扰检测流程图。

图3是基于MMSE准则的脉冲干扰抑制流程图。

图4是采用了本发明具体实施方式的无线通信系统与采用了传统置零法和限幅法的脉冲干扰抑制方法的无线通信系统误码性能对比示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，详细说明本发明的技术方案。

以脉冲占空比ρ＝1/10的脉冲噪声干扰为例，设信道环境为加性高斯白噪声(AdditiveWhiteGaussianNoise，AWGN)信道，进行基于MMSE准则的干扰抑制，每次处理的采样数据块长度为L＝Nk＝30720，其中分组总数为N＝1024，每个分组的采样点数k＝30。

下变频：

对接收信号进行下变频处理，得到时域的模拟信号r(t)；

模数(A/D)变换：

接收向量r(t)经A/D变换得到长度为L的采样数据块：r＝[r₀,r₁,r₂,…,r_L-1]^T；

将信号分组：

对接收时域采样数据块r进行分组，连续k个采样点为一组，分为N组Y＝[y₀,y₁,…,y_m,…,y_N-1]，其中，第m组数据为y_m＝[r_mk,r_mk+1,…,r_mk+(k-1)]^T；

脉冲干扰检测：

对N组数据Y＝[y₀,y₁,…,y_N-1]进行脉冲干扰检测处理，检测出无干扰分组集合S_N、干扰分组集合S_J和各自的平均功率，采用基于恒虚警的干扰检测方法，实现步骤包括：

计算每个分组的平均功率：

对各分组数据Y＝[y₀,y₁,…,y_N-1]，分别计算每个分组的平均功率，得到N个分组功率P＝[P₀,P₁,…,P_N-1]^T，其中，第m个分组y_m的平均功率P_m为

初始化无干扰分组集合：

对分组功率P＝[P₀,P₁,…,P_N-1]^T，由小到大排序，得到矢量P′＝[P′₀,P′₁,…,P′_N-1]^T，其中，P′₀≤P′₁≤…≤P′_N-1，设 表示向下取整，对P₀,P₁,…,P_N-1依次做如下判断：若则将P_m放入无干扰分组集合S_N；

计算无干扰分组的平均功率：

其中，N_n为无干扰集合中的分组数；

计算干扰检测门限：

根据系统目标最大虚警概率P_{fa_max}计算干扰检测门限因子α_Jam，将S43得到的P_sn乘以α_Jam，得到干扰检测门限T_Jam＝α_JamP_sn，其中，干扰检测门限因子α_Jam的计算过程如下：

干扰虚警指的是没有发送干扰，将噪声判为干扰的情况，在无干扰的AWGN信道下，接收到有用信号和高斯噪声，设信号平均功率为P_s，噪声平均功率为P_n，无干扰分组的平均功率P_sn是信号和噪声功率之和，每个分组有k个采样点，第m个分组的平均功率P_m的归一化值P_m/(P_s+P_n)满足自由度为2k的非中心χ²分布，其概率密度函数为：其中，I_k-1(a)为第一类k-1阶修正贝塞尔函数，P_m/(P_s+P_n)的分布函数为：α＞0，其中，Q_k(u,v)为k阶MarcumQ函数，门限因子α_Jam对应的虚警概率为：因此干扰检测门限因子为

更新无干扰分组集合：

根据干扰检测门限T_Jam，对P₀,P₁,…,P_N-1依次做如下判断：若P_m≤T_Jam，则将P_m放入无干扰分组集合S_N，得到更新后的无干扰分组集合S_N'；

判断无干扰分组集合是否有变化：判断S_N'相对S_N中元素是否有增减，若是，则转到计算无干扰分组平均功率P_sn，若否，则转到得到干扰分组集合；

得到干扰分组集合：将{P₀,P₁,…,P_N-1}中不含S_N'元素的其他分组构成干扰分组集合S_J；

计算干扰分组的平均功率

基于MMSE的干扰抑制，包括：

判断干扰分组集合是否为空：若是，则设置干扰抑制因子β＝1，若否，则转入下一步；

根据P_sn和P_jsn，采用MMSE准则，计算得到干扰抑制因子β＝P_sn/P_jsn，，其中，β的推导过程如下：

在有脉冲干扰的环境中，接收到的信号矢量r包括有用信号矢量hs、脉冲干扰矢量J和噪声矢量n，即，r＝hs+J+n，其中，h为信道衰落系数，h、s、J和n为相互独立的随机变量，而且J和n均服从零均值复高斯分布。经过干扰抑制后的矢量r′为：r′＝βr。

其中，β为干扰抑制因子，根据MMSE准则，经过脉冲干扰抑制后，应使r′与hs欧式距离的期望最小，即令E(|r′-hS|²)最小，因此，令将r′和r的关系式代入上式，得：

无干扰时，得按照无干扰时干扰抑制因子为1，做归一化修正干扰抑制因子β为：而在干扰检测处理中，无干扰分组的平均功率P_sn是E(|h|²)P_s+P_n的估计值，干扰分组的平均功率P_jsn是E(|h|²)P_s+P_j+P_n的估计值，因此可得干扰抑制因子β为：

干扰抑制：

对N组数据Y＝[y₀,y₁,…,y_m,…,y_N-1]乘以干扰抑制因子β后保存为新的分组数据X＝[x₀,x₁,…,x_m,…,x_N-1]，其中，第m个新分组为x_m＝βy_m；

将分组恢复为数据流：

对经过干扰抑制后的N组数据X＝[x₀,x₁,…,x_m,…,x_N-1]按照时序恢复为数据流r′＝[r′₀,r′₁,r′₂,…,r′_L-1]^T，其中，L＝Nk，第m个新分组x_m对应的数据流为[r′_mk,r′_mk＋1,…,r′_mk＋(k-1)]^T，其中，r′_mk＋i＝βr_mk＋i,0≤i≤k-1, 表示向上取整；

信号检测、解调与译码处理：

对所得的数据流进行信号检测、解调与译码处理，将其还原为发送的信息比特后输出。

图3为采用了本实施方式的直扩-正交频分复用(DirectSequence-OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，DS-OFDM)系统与采用了传统置零法和限幅法脉冲干扰抑制的DS-OFDM通信系统的误码性能比较。其中，信道为标准的AWGN信道，信噪比为-3.2dB，DS-OFDM系统的编码方式为2/3Turbo码，调制方式为16QAM，扩频长度为15，子载波间隔为15kHz，用户可用子载波数为1200，接收信号的采样频率为30.72MHz，每次处理的采样数据块长度L＝30720，分组长度m＝30，目标最大虚警概率为0.01，脉冲噪声干扰的脉冲周期为1ms，脉冲宽度为0.1ms，限幅法的门限为接收信号平均功率。仿真表明本发明对应的基于MMSE的脉冲干扰抑制因子随着干扰功率的变化而自动调整，当干扰功率较大时，基于MMSE的干扰抑制因子较小，能很好地抑制干扰，性能远优于传统置零法和限幅法；当干扰功率较小时，基于MMSE的干扰抑制因子较大，有用信号损失小，系统误码性能依然最优，而传统置零法由于对有用信号损失较大，此时会出现误码平层，限幅法的性能对门限敏感，这两种方法对干扰功率的适应性也较差。

本发明的基于MMSE的脉冲干扰抑制方法可以根据JSNR的变化，自动调整为最优的干扰抑制因子，具有很好的脉冲干扰抑制效果，大大增强无线通信系统的抗干扰传输性能，而且该方法适用于不同的无线通信系统，具有很强的应用价值。

Claims (3)

1.一种脉冲干扰的抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、下变频：对接收到的信号进行下变频处理，得到时域的模拟信号r(t)；

S2、模数(A/D)变换：对S1所述的模拟信号r(t)进行采样，得到时域的采样数据块r＝[r₀,r₁,r₂,…,r_L-1]^T，其中，所述采样数据块长度为L＝Nk，上标“[]^T”表示矩阵的转置，N为不为零的自然数，k为不为零的自然数；

S3、将信号分组：对S2所述r进行分组，连续k个采样点为一组，分为N组数据,即Y＝[y₀,y₁,…,y_m,…,y_N-1]，其中，y_m＝[r_mk,r_mk+1,…,r_mk+(k-1)]^T表示第m组数据，0≤m≤N-1；

S4.脉冲干扰检测，即对S3所述Y进行脉冲干扰检测处理，具体为：

S41、对S3所述Y进行脉冲干扰检测处理，检测出无干扰分组集合S_N、干扰分组集合S_J；

S41、计算每个分组的平均功率P＝[P₀,P₁,…,P_N-1]^T，选择所述P中功率最小的那部分数据构成无扰分组集合S_N，其中，第m个分组y_m的平均功率为

S42、计算无干扰分组平均功率P_sn；

S43、根据系统目标最大虚警概率计算干扰检测门限因子α_Jam，α_Jam乘以S42所述P_sn得到干扰检测门限T_Jam；

S44、更新无干扰分组集合，具体为：将S41所述P＝[P₀,P₁,…,P_N-1]^T中小于S43所述干扰检测门限T_Jam的数据放入无干扰分组集合S_N，得到更新后的无干扰分组集合S_N'；

S45、判断无干扰分组集合是否有变化：判断S44所述S_N'与S41所述S_N中元素是否有增减，若有增减，则转到S42，若无增减，则转到S46；

S46、得到干扰分组集合：将由S41所述P＝[P₀,P₁,…,P_N-1]^T中不含S44所述S_N'元素的其他分组构成干扰分组集合S_J；

S47、计算S46所述S_J的平均功率P_jsn；

S5、基于MMSE的干扰抑制，具体包括：

S51、判断S46所述干扰分组集合S_J是否为空，

若为空，则转入S52，

若不为空，则转入S53；

S52、设置干扰抑制因子β＝1，转入S54；

S53、根据S42所得的无干扰分组平均功率P_sn和S47所得的干扰分组平均功率P_jsn，采用MMSE准则，计算得到干扰抑制因子β＝P_sn/P_jsn，转入S54；

S54、干扰抑制：对S3所得的N组数据Y＝[y₀,y₁,…,y_m,…,y_N-1]乘以干扰抑制因子β后保存为新的分组数据X＝[x₀,x₁,…,x_m,…,x_N-1]，其中，第m个新分组为x_m＝βy_m；

S6、将分组恢复为数据流：对S54所得的经过干扰抑制后的N组数据X按照时序恢复为数据流r′＝[r′₀,r′₁,r′₂，…,r′_L-1]^T，其中，第m个新分组x_m对应的数据流为[r′_mk,r′_mk+1,…,r′_mk+(k-1)]^T，r′_mk+i＝βr_mk+i,0≤i≤k-1, 表示向上取整；

S7.、信号检测、解调与译码处理：对S6所得的数据流进行信号检测、解调与译码处理，将其还原为发送的信息比特后输出。

2.根据权利要求1所述的一种脉冲干扰的抑制方法，其特征在于：S43所述干扰检测门限因子α_Jam的计算过程为：

在无干扰的AWGN信道下，接收到有用信号和高斯噪声，设信号平均功率为P_s，噪声平均功率为P_n，无干扰分组的平均功率P_sn是信号和噪声功率之和，每个分组有k个采样点，第m个分组的平均功率P_m的归一化值P_m/(P_s+P_n)满足自由度为2k的非中心χ²分布，其概率密度函数为：其中，I_k-1(a)为第一类k-1阶修正贝塞尔函数，P_m/(P_s+P_n)的分布函数为：α＞0，Q_k(u,v)为k阶MarcumQ函数，门限因子α_Jam对应的虚警概率为：因此干扰检测门限因子为

3.根据权利要求1所述的一种脉冲干扰的抑制方法，其特征在于：干扰抑制因子β的具体计算过程如下：

A1、在有脉冲干扰的环境中，接收到的信号矢量r包括有用信号矢量hs、脉冲干扰矢量J和噪声矢量n，即，r＝hs+J+n，经过干扰抑制后的矢量r′为r′＝βr，其中，h为信道衰落系数，h、s、J和n为相互独立的随机变量，而且J和n均服从零均值复高斯分布；

A2、根据MMSE准则，经过脉冲干扰抑制后，应使r′与hs欧式距离的期望最小，即令E(|r′^-hS|²)最小，因此，令

A3、将r′和r的关系式代入得：

A4、无干扰时，得按照无干扰时干扰抑制因子为1，做归一化修正干扰抑制因子β为：

A5、在干扰检测处理中，无干扰分组的平均功率P_sn是E(|h|²)P_s+P_n的估计值，干扰分组的平均功率P_jsn是E(|h|²)P_s+P_j+P_n的估计值，则干扰抑制因子β为：