CN108880605B - 抑制窄带干扰的短波通信方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种抑制窄带干扰的短波通信方法及系统。该方法包括：对原始的模拟信号进行模数变换，转换为数字信号；对所述数字信号进行直序扩频以及调制后，通过信道传输所述数字信号；将接收到的信号从多分量信号分解为N阶单分量信号；确定每个单分量信号的频率特性，利用第二阶至第N阶分量提取干扰信号；滤除所提取的干扰信号，对接收信号进行重构；对重构后的信号进行解扩和解调后，经数模变换得到最终接收数据。根据本发明的抑制窄带干扰的短波通信方法和系统，能够将干扰信号从接收信号中有效地分离出来，并通过窄带锁相环自适应滤波器滤波，提高了短波通信质量。

Description

抑制窄带干扰的短波通信方法及系统
技术领域
本发明属于短波通信领域，更具体地，涉及一种抑制窄波干扰的短波通信方法及系统。
背景技术
扩频技术因其具有很强抗干扰能力而被广泛应用，但这种抗干扰能力对于在短波通信中的窄带干扰来说效果并不十分明显。在短波通信中，若只是通过扩频技术来抑制窄带干扰，那么一个可能会导致无法成功检测出有用信号，另一个可能则是在抑制窄带干扰的同时使有用信号有所损失，从而影响到通信系统的可靠性。因此，有必要开发一种能够有效抑制干扰的短波通信方法及系统。
发明内容
为了实现上述目的，本发明提出了一种抑制窄带干扰的短波通信方法及系统。
根据本发明的一方面，提出一种抑制窄带干扰的短波通信方法，包括：
1)对原始的模拟信号进行模数变换，转换为数字信号；
2)对所述数字信号进行直序扩频以及调制后，通过信道传输所述数字信号；
3)将接收到的信号从多分量信号分解为N阶单分量信号；
4)确定每个单分量信号的频率特性，利用第二阶至第N阶分量提取干扰信号；
5)滤除所提取的干扰信号，对接收信号进行重构；
6)对重构后的信号进行与步骤2)中的直序扩频和调制对应的解扩和解调后，经数模变换得到最终接收数据。
优选地，在步骤3)中，所述单分量信号为固有模态函数IMF信号。
优选地，通过以下方式将接收的信号从多分量信号分解为N阶IMF信号：
3.1)找出接收到的信号s0(t)的所有局部极大值和局部极小值，确定s0(t) 的局部极大值集和局部极小值集；
3.2)获取局部极大值集的上包络曲线以及局部极小值集的下包络曲线；
3.3)基于所述上包络曲线和下包络曲线获取包络平均值曲线m0(t)；
3.4)每当所接收到的信号s0(t)与包络平均值曲线m0(t)的差s'0(t)满足IMF 终止条件，则得到一阶IMF信号，直至得到N阶IMF信号以及一个余量rc。
优选地，所述终止条件包括：
过零点和极值点个数相同或相差为1；且
过零点与极值点的个数在连续循环S次下保持不变。
优选地，S的取值范围为3～8。
优选地，通过对所述N阶单分量信号进行希尔伯特变换，确定对应的每个单分量信号的频率特性。
优选地，在步骤1)中，通过窄带锁相环自适应滤波器滤除所提取的干扰信号。
优选地，在步骤2)之前，通过高速数字FIR滤波器对所述数字信号进行前端滤波。
优选地，在步骤6)中，在进行模数变换前通过数字FIR带通滤波器进行滤波。
根据本发明的另一方面，提出一种抑制窄带干扰的短波通信系统，包括：
模数变换模块，用于对对原始的模拟信号进行模数变换，转换为数字信号；
扩频及调制模块，用于对所述数字信号进行直序扩频以及调制；
分解模块，用于将接收到的信号从多分量信号分解为N阶单分量信号；
干扰提取模块，用于确定每个单分量信号的频率特性，利用第二阶至第N阶分量提取干扰信号；
重构模块，用于滤除所提取的干扰信号，以对接收信号进行重构；
输出模块，用于)对重构后的信号进行与所述扩频及调制模块进行的直序扩频和调制对应的解扩和解调后，经数模变换得到最终接收数据。
根据本发明的抑制窄带干扰的短波通信方法和系统，能够将干扰信号从接收信号中有效地分离出来，并通过窄带锁相环自适应滤波器滤波，提高了短波通信质量。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。
图1示出根据本发明的示例性实施方案的抑制窄带干扰的短波通信的流程图。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。
图1示出了根据本发明的示例性实施方案的抑制窄带干扰的短波通信的流程图。如图1所述，该方法包括步骤S1～步骤S6。
在步骤S1中，对原始的模拟信号进行模数变换，转换为数字信号。
在通信系统中，原始信号通常为模拟信号，但由于数字信号处理具有诸多优势，通信系统中处理的通常是数字信号，故首先对模拟信号作模/数变换(A/D)，将其转换为数字信号再做处理。
通常情况下，短波通信系统传输的数据量较大，对频带宽度要求不高，基于此，在选择A/D转换器时优先考虑能够保证整机系统快速捕获信号以及高保真转换为数字信号的转换器。在本发明中，例如选用分辨率为12位、采样率为30kHZ的A/D转换器，该转换器在分辨精度、采样速率、以及工程实现方面均能达到此环境下的通信要求。
在一个示例中，对从A/D转换器输出的信号进行作前端滤波处理，从而达到进一步优化信号的目的。为保证信号优化的实时性，需采用具有高吞吐率与高处理速度的并行滤波器，综合考虑实时性与实用性，选用4阶并行高速数字FIR滤波器作为前端滤波器，并根据短波通信特点将其带宽设置为3100Hz。
在步骤S2中，对所述数字信号进行直序扩频以及调制后，通过信道传输所述数字信号。
因短波通信系统传输信道是典型的时变色散信道，例如瑞利信道，其中充满大量无线电干扰，在短波通信中常常采用扩频技术来弥补这一缺陷。根据短波通信特点，选用码片速率为2400chip/s、码片间隔为1/2400s、码长为31的PN码序列来实现直序扩频。经直扩处理后的数据传输速率大大降低，为增加频谱利用率，同时也为增强抗干扰能力，采用16QAM调制方式对其进行调制。经过调制以后的信号被发送出去，经信道传输。
在步骤S3中，将接收到的信号从多分量信号分解为N阶单分量信号。
在接收端，首先面对的问题是如何将窄带干扰与有用信号有效分离，并将其提取出来。
根据本发明的抑制窄带干扰的短波通信方法，在接收端首先将接收到的信号从多分量信号分解为N阶单分量信号，该单分量信号可以是固有模态函数IMF信号。
可以通过以下方式实现：
3.1)找出接收到的信号s0(t)的所有局部极大值和局部极小值，确定s0(t) 的局部极大值集和局部极小值集；
可利用本征模态函数找出s0(t)的所有局部极大值和局部极小值，从而确定s0(t)的局部极大值集和局部极小值集。
3.2)获取局部极大值集的上包络曲线upper(t)以及局部极小值集的下包络曲线lower(t)；
可以对局部极大值集作多次样条插值来得到上包络曲线upper(t)，对局部极小值集进行多次样条插值得下包络曲线lower(t)。
3.3)基于所述上包络曲线和下包络曲线获取包络平均值曲线m0(t)。
将两个包络曲线做平均求其均值，则可得到包络平均值曲线m0(t)：
3.4)每当所接收到的信号s0(t)与包络平均值曲线m0(t)的差s'0(t)满足IMF 终止条件，则得到一阶IMF信号，直至得到N阶IMF信号以及一个余量rc。
令输入信号s0(t)减此均值，得二者的差：
s'0(t)＝s0(t)-m0(t) (2)
将s'0(t)与IMF终止条件相比较，若满足IMF终止条件，则取出第一个 IMF，即IMF0。
常用的IMF终止条件为：若s'0(t)穿越零点的个数与极值点的个数最多相差为1，且式(3)满足SD小于某个预先给定的常数，则终止筛选。
这种筛选停止准则存在着两个问题：SD小到什么程度才是合适的，这个准则并不依赖于IMF的定义，即SD很小并不能保证过零点和极值点的个数相同。
本发明提出了一种能够解决这种问题的IMF终止条件，令筛选过程在满足下列两个条件下停止：
(a)过零点和极值点个数相当或相差为1；
(b)过零点与极值点的个数在连续循环S次下保持不变。
通过多次试验，S取值在3到8之间最为适合。
当筛选满足终止条件时，则得到第一个IMF0＝c0(t)。否则需再次做筛选，直至IMF筛选条件满足，得到IMF函数为止。得到第一个IMF函数后，将差值信号作为再一次IMF函数筛选的输入信号，再次做筛选，当满足筛选条件时，得到第二个IMF函数IMF1，如此反复重复做多次，以至得到N阶 IFM函数(IMF0、IMF1、…、IMFN)以及一个余量rc。至此，多分量信号的分解已经全部结束，信号被分解为N个IMF信号和一个余量rc。
在步骤S4中，确定每个单分量信号的频率特性，利用第二阶至第N阶分量提取干扰信号。
对分解后的信号作希尔伯特变换，则可得到对应的每个单分量信号的频率特性。第一阶IMF分量IMF0的信号形式与有用信号形式相近，从第二阶分量开始，每一个IMF分量对应某一准正弦干扰。在短波通信中，窄带干扰信号往往不超过四个，因而，利用第二阶至第N阶IMF分量(N小于五)可将干扰信号准确重构。
至此，窄带干扰信号与有用信号已成功分离，窄带干扰信号被准确提取出来。
在步骤S5中，滤除所提取的干扰信号，对接收信号进行重构。
在一个示例中，采用窄带锁相环自适应滤波器对重构信号进行滤波处理，从而实现对窄带干扰信号的抑制和滤除。
基于重构以后信号的特点，窄带锁相环自适应滤波器应满足以下几个要求：可自动跟踪窄带干扰信号、可自适应抑制和滤除窄带干扰信号、实时性。对经由不同信道传输的信号进行分析、处理时，所需要考虑的信号特性不同，采用的自适应滤波器不完全相同。瑞利信道模型是一种可模拟短波信道特性的模型，若假设经由瑞利衰落信道传输信号，因该信号除幅度衰落以外，还受到相位抖动影响，失真较为严重，故应采用具有强抗相位抖动能力的窄带三阶锁相环自适应滤波器对其作处理。在滤波器带宽参数设定方面，因短波通信中的窄带干扰信号频带较窄，故将此自适应滤波器的频带宽度均设置为4Hz即可满足系统需求，将系统时钟设置为1MHZ， DDS下变频模块拟采用32位DDS。
在步骤S6中，对重构后的信号进行与步骤S2中的直序扩频和调制对应的解扩和解调后，经数模变换得到最终接收数据。
重构信号经过窄带干扰抑制、滤除处理后，为得到可与输入信号相比较的输出信号，还需要对该信号做解扩和解调。根据步骤S2中采用的直扩方式和调制方式，将信号解扩、解调后，经D/A变换得到最终接收数据。
为再次净化信号，在将信号解扩、解调后，可采用带宽为3100Hz的数字FIR带通滤波器对其进行再次滤波处理，从而加强和完善信号的窄带干扰抑制、滤除效果。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (7)

1.一种抑制窄带干扰的短波通信方法，其特征在于，包括：
1)对原始的模拟信号进行模数变换，转换为数字信号；
2)对所述数字信号进行直序扩频以及调制后，通过信道传输所述数字信号；
3)将接收到的信号从多分量信号分解为N阶单分量信号；
4)确定每个单分量信号的频率特性，利用第二阶至第N阶分量提取干扰信号；
5)滤除所提取的干扰信号，对接收信号进行重构；
6)对重构后的信号进行与步骤2)中的直序扩频和调制对应的解扩和解调后，经数模变换得到最终接收数据；
其中，在步骤3)中，所述单分量信号为固有模态函数IMF信号；
通过以下方式将接收的信号从多分量信号分解为N阶IMF信号：
3.1)找出接收到的信号s0(t)的所有局部极大值和局部极小值，确定s0(t)的局部极大值集和局部极小值集；
3.2)获取局部极大值集的上包络曲线以及局部极小值集的下包络曲线；
3.3)基于所述上包络曲线和下包络曲线获取包络平均值曲线m0(t)；
3.4)每当所接收到的信号s0(t)与包络平均值曲线m0(t)的差s'0(t)满足IMF终止条件，则得到一阶IMF信号，直至得到N阶IMF信号以及一个余量rc；
所述终止条件包括：
过零点和极值点个数相同或相差为1；且
过零点与极值点的个数在连续循环S次下保持不变。
2.根据权利要求1所述的抑制窄带干扰的短波通信方法，其特征在于，S的取值范围为3～8。
3.根据权利要求1所述的抑制窄带干扰的短波通信方法，其特征在于，在步骤4)中，通过对所述N阶单分量信号进行希尔伯特变换，确定对应的每个单分量信号的频率特性。
4.根据权利要求1所述的抑制窄带干扰的短波通信方法，其特征在于，在步骤5)中，通过窄带锁相环自适应滤波器滤除所提取的干扰信号。
5.根据权利要求1所述的抑制窄带干扰的短波通信方法，其特征在于，在步骤2)之前，通过高速数字FIR滤波器对所述数字信号进行前端滤波。
6.根据权利要求1所述的抑制窄带干扰的短波通信方法，其特征在于，在步骤6)中，将信号解扩、解调后通过数字FIR带通滤波器进行滤波。
7.一种抑制窄带干扰的短波通信系统，其特征在于，包括：
模数变换模块，用于对原始的模拟信号进行模数变换，转换为数字信号；
扩频及调制模块，用于对所述数字信号进行直序扩频以及调制；
分解模块，用于将接收到的信号从多分量信号分解为N阶单分量信号；
干扰提取模块，用于确定每个单分量信号的频率特性，利用第二阶至第N阶分量提取干扰信号；
重构模块，用于滤除所提取的干扰信号，以对接收信号进行重构；
输出模块，用于对重构后的信号进行与所述扩频及调制模块进行的直序扩频和调制对应的解扩和解调后，经数模变换得到最终接收数据；
其中，所述单分量信号为固有模态函数IMF信号；
通过以下方式将接收的信号从多分量信号分解为N阶IMF信号：
3.1)找出接收到的信号s0(t)的所有局部极大值和局部极小值，确定s0(t)的局部极大值集和局部极小值集；
3.2)获取局部极大值集的上包络曲线以及局部极小值集的下包络曲线；
3.3)基于所述上包络曲线和下包络曲线获取包络平均值曲线m0(t)；
3.4)每当所接收到的信号s0(t)与包络平均值曲线m0(t)的差s'0(t)满足IMF终止条件，则得到一阶IMF信号，直至得到N阶IMF信号以及一个余量rc；
所述终止条件包括：
过零点和极值点个数相同或相差为1；且
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