CN109728870B - 一种窄带干扰频域抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种窄带干扰频域抑制方法，属于信号处理领域，旨在抑制通信信号中的窄带干扰，降低通信的误码率，实现步骤为：获取准时支路滤波信号和延时支路滤波信号；获取准时支路滤波信号的频谱及幅度谱和延时支路滤波信号的频谱及幅度谱；估计时域原始采样信号的载波频率；获取准时支路幅度谱阈值和延时支路幅度谱阈值；对准时支路频谱和延时支路频谱进行干扰抑制；计算干扰抑制后的准时支路幅度谱和延时支路幅度谱；判断干扰抑制后的各支路幅度谱与对应阈值的大小；获取干扰抑制后的时域中频信号。

Description

一种窄带干扰频域抑制方法
技术领域
本发明属于无线通信信号处理技术领域，涉及一种通信系统中窄带干扰的频域抑制方法，可用于卫星通信和移动通信等无线通信领域。
背景技术
随着卫星通信、移动通信等无线通信应用的飞速发展，无线通信技术已成为人们日常工作生活不可或缺的实用技术。无线信号在传输过程中容易受到来自其他信号无意或恶意的电磁干扰，对正常通信具有较严重的破坏性。其中窄带干扰属于最常见且破坏性最强的干扰，因此需借助有效的窄带干扰消除技术保证通信的可靠进行。
现有的窄带干扰抑制技术主要分为时域干扰抑制技术和频域干扰抑制技术。其中时域干扰抑制技术主要利用了窄带干扰自相关性远高于通信信号自相关性的特点，通过自适应算法对窄带干扰进行估计，再从接收信号中减去估计的干扰信号，得到干扰抑制后的通信信号，但自适应算法实现复杂度高、收敛速度较慢。频域干扰抑制技术利用了窄带干扰在频域所占带宽窄、辨识度高的特点，通过快速傅里叶变换得到接收信号的频谱，对存在干扰处的频点进行抑制处理，再通过快速傅里叶反变换得到经过干扰抑制的时域通信信号。频域技术实现复杂度低，不存在收敛性问题，因而得到广泛应用。
对于频谱边带关于中心频率对称的通信信号，传统的频域干扰抑制方法中主要利用频谱的对称性将受干扰处频谱用对称处频谱替换。该方法能够一定程度抑制干扰，但当中心频率两边对称处同时存在干扰时，该方法则完全失效。
对于上述方法中存在的问题，申请公布号为CN 108551351 A，名称为“抑制窄带干扰的方法及装置”的专利申请，公开了一种频域窄带干扰抑制方法，首先根据接收信号的频域数据计算干扰谱线功率和底噪功率，进而得到干扰抑制门限值，将高于门限值的谱线幅值乘以衰减系数得到干扰抑制后的信号频谱。该方法能够同时抑制频谱对称处同时存在的干扰，但当干扰带宽较大或同时存在多个干扰时，由于该方法对干扰谱线用相同衰减系数进行抑制，容易损失较多信号功率或使通信信号中残留较多干扰，导致通信信号的误码率较高。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种窄带干扰频域抑制方法，旨在降低通信信号的误码率。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括如下步骤：
(1)获取准时支路滤波信号和延时支路滤波信号：
(1a)对接收端接收的时域模拟信号进行离散采样，总采样点数为N，得到时域原始采样信号，其中N＝2n，n为大于1的正整数；
(1b)将两个长度为N的Blackman-Harris窗函数序列中的一个与时域原始采样信号相乘，得到准时支路滤波信号，将另一个窗函数序列的前N/2个点并接到后N/2个点末尾，得到延时窗函数序列，再将延时窗函数序列与时域原始采样信号相乘，得到延时支路滤波信号；
(2)获取准时支路滤波信号的频谱及幅度谱和延时支路滤波信号的频谱及幅度谱：
对准时支路滤波信号和延时支路滤波信号分别进行N点快速傅里叶变换，得到准时支路频谱R0(f)和延时支路频谱R1(f)，并根据R0(f)计算准时支路幅度谱φ0(f)，根据R1(f)计算延时支路幅度谱φ1(f)，其中f表示R0(f)和R1(f)的信号频率；
(3)估计时域原始采样信号的载波频率fc：
根据R0(f)或R1(f)计算边带相关值序列F(f)，并选取F(f)中最大值所对应的频率作为时域原始采样信号的载波频率fc；
(4)获取准时支路幅度谱阈值和延时支路幅度谱阈值
计算φ0(f)对应的准时支路幅度谱均值和方差以及φ1(f)对应的延时支路幅度谱均值和方差并根据和计算准时支路幅度谱阈值根据和计算延时支路幅度谱阈值
(5)对准时支路频谱R0(f)和延时支路频谱R1(f)进行干扰抑制：
(5a)将φ0(f)中关于fc对称的幅度谱φ0(fc-σ)和φ0(fc+σ)逐对与准时支路阈值进行比较，并根据比较结果对准时支路频谱R0(f)中的对应位置R0(fc-σ)和R0(fc+σ)进行处理：
当且时，采用限幅值rR0(fc-σ)替换R0(fc-σ)，用限幅值rR0(fc-σ)替换R0(fc+σ)；
当且时，保留R0(fc+σ)的原值，并采用限幅值对R0(fc-σ)进行替换；
当且时，保留R0(fc-σ)的原值，并采用限幅值对R0(fc+σ)进行替换；
当且时，保留R0(fc-σ)和R0(fc+σ)的原值；
将经过处理的准时支路频谱R0(f)记为R′0(f)，并将R′0(f)作为干扰抑制后的准时支路频谱，其中σ表示频率间隔，0≤σ≤Rs，Rs为原始采样信号码元速率，r表示限幅因子，0≤r＜1；
(5b)将φ1(f)中关于fc对称的幅度谱φ1(fc-σ)和φ1(fc+σ)逐对与延时支路阈值进行比较，并根据比较结果对延时支路频谱R1(f)中的对应位置R1(fc-σ)和R1(fc+σ)进行处理：
当且时，采用限幅值rR1(fc-σ)替换R1(fc-σ)，用限幅值rR1(fc-σ)替换R1(fc+σ)；
当且时，保留R1(fc+σ)的原值，并采用限幅值对R1(fc-σ)进行替换；
当且时，保留R1(fc-σ)的原值，并采用限幅值对R1(fc+σ)进行替换；
当且时，保留R1(fc-σ)和R1(fc+σ)的原值；
将经过处理的延时支路频谱R1(f)记为R′1(f)，并将R′1(f)作为干扰抑制后的延时支路频谱，其中σ表示频率间隔，0≤σ≤Rs，Rs为原始采样信号码元速率，r表示限幅因子，0≤r＜1；
(6)计算干扰抑制后的准时支路幅度谱φ′0(f)和延时支路幅度谱φ′1(f)：
根据干扰抑制后的准时支路频谱R′0(f)计算干扰抑制后的准时支路幅度谱φ′0(f)，同时根据干扰抑制后的延时支路频谱R′1(f)计算干扰抑制后的延时支路幅度谱φ′1(f)；
(7)判断干扰抑制后的各支路幅度谱与对应阈值的大小：
分别比较干扰抑制后的准时支路幅度谱φ′0(f)与准时支路阈值以及延时支路幅度谱φ′1(f)与延时支路阈值的大小，当φ′0(f)中每一点均小于等于且φ1′(f)中每一点均小于等于执行步骤(8)，否则令φ0(f)＝φ′0(f)，同时令φ1(f)＝φ′1(f)，并执行步骤(4)；
(8)获取干扰抑制后的时域中频信号：
对R′0(f)与R′1(f)的和进行傅里叶反变换，得到干扰抑制后的时域中频信号。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明在比较载波频率两侧对称处的幅度谱值相对于干扰阈值的大小时，针对不同的比较结果，利用信号频谱的对称性，对干扰频谱进行限幅处理，得到经过干扰抑制的频谱和幅度谱，避免了现有技术中使用相同衰减系数抑制干扰，容易损失较多信号功率或使通信信号中残留较多干扰的缺陷，有效降低了通信信号的误码率。
附图说明
图1为本发明的实现流程图；
图2为本发明与现有技术抑制窄带干扰后通信信号的误码率曲线对比图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细描述。
参照图1、一种窄带干扰频域抑制技术，包括如下步骤：
步骤1)获取准时支路滤波信号和延时支路滤波信号：
步骤1a)对接收端接收的时域模拟信号进行离散采样，总采样点数为N，得到时域原始采样信号，其中N＝2n，n为大于1的正整数，本实施例设置N＝2048；
步骤1b)为避免频域处理时的频谱泄漏问题，需对时域信号进行加窗处理，使截取的信号边界变得平滑。而加窗不可避免地造成了时域原始采样信号失真，为了尽可能补偿信号失真，需分两路对原始采样信号进行处理，具体处理方式如下：
将两个长度为N的Blackman-Harris窗函数序列中的一个与时域原始采样信号相乘，得到准时支路滤波信号，将另一个窗函数序列划分为两段，第一段为前N/2个点，第二段为后N/2个点，将第一段的第一点紧邻第二段的最后一点进行并接，得到延时窗函数序列。再将延时窗函数序列与时域原始采样信号相乘，得到延时支路滤波信号，由于对时域原始采样信号加窗其中窗函数序列长度N与时域原始采样信号采样点数相等；
步骤2)获取准时支路滤波信号的频谱及幅度谱和延时支路滤波信号的频谱及幅度谱：
对准时支路滤波信号和延时支路滤波信号分别进行N点快速傅里叶变换，得到准时支路频谱R0(f)和延时支路频谱R1(f)，并根据R0(f)计算准时支路幅度谱φ0(f)，根据R1(f)计算延时支路幅度谱φ1(f)，其中f表示R0(f)和R1(f)的信号频率；
准时支路幅度谱φ0(f)和延时支路幅度谱φ1(f)的计算公式为：
其中，f表示R0(f)和R1(f)的信号频率，φ(f)表示φ0(f)或φ1(f)，R(f)表示准时支路频谱R0(f)或延时支路频谱R1(f)，Re(·)表示选取信号实部，Im(·)表示选取信号虚部。
步骤3)估计时域原始采样信号的载波频率fc：
由于接收的原始采样信号存在频偏，需要估计原始采样信号的载波频率，消除频偏对后续的频域限幅处理的影响，具体计算方式为：
根据R0(f)或R1(f)计算边带相关值序列F(f)，并选取F(f)中最大值所对应的频率作为时域原始采样信号的载波频率fc，若F(f)中的最大值为第Nc点，则对应的频率为
F(f)的计算公式为：
其中，R(·)为准时支路频谱R0(f)或延时支路频谱R1(f)，f表示R0(f)和R1(f)的信号频率，fs为时域原始采样信号的采样频率，M为相关窗口长度，为正整数，且M＜N/2，N为R0(f)和R1(f)长度，其值与时域原始采样信号采样点数相等，x为相关窗口内的采样点，本实施例设置fs＝8000Hz，M＝20。
步骤4)获取准时支路幅度谱阈值和延时支路幅度谱阈值
计算φ0(f)对应的准时支路幅度谱均值和方差以及φ1(f)对应的延时支路幅度谱均值和方差并根据和计算准时支路幅度谱阈值根据和计算延时支路幅度谱阈值
和的计算公式分别为：
其中，表示准时支路幅度谱均值，表示延时支路幅度谱均值，表示准时支路幅度谱方差，表示延时支路幅度谱方差，t表示阈值比例因子，为正实数，φ0(k)和φ1(k)分别为准时支路幅度谱φ0(f)和延时支路幅度谱φ1(f)在k点处的值，N为φ0(f)和φ1(f)的点数，其值与时域原始采样信号采样点数相等，f表示φ0(f)和φ1(f)的信号频率。
步骤5)对准时支路频谱R0(f)和延时支路频谱R1(f)进行干扰抑制：
需要分别对准时支路频谱和延时支路频谱进行干扰抑制，但处理的先后顺序没有强制要求，可以选择仍一路先处理，另一路后处理，也可以两路同时处理。为了尽可能保留原始采样信号中通信信号的功率，在对称的幅度谱逐对与支路阈值进行比较后，需分情况进行处理，当幅度谱小于等于对应阈值时，说明该处频谱不存在干扰，当幅度谱大于阈值时，说明该处频谱存在干扰，需用限幅值对其进行替换，具体实现过程如下：
步骤5a)将φ0(f)中关于fc对称的幅度谱φ0(fc-σ)和φ0(fc+σ)逐对与准时支路阈值进行比较，并根据比较结果对准时支路频谱R0(f)中的对应位置R0(fc-σ)和R0(fc+σ)进行处理：
当且时，采用限幅值rR0(fc-σ)替换R0(fc-σ)，用限幅值rR0(fc-σ)替换R0(fc+σ)，r表示限幅因子，0≤r＜1，通常选取信号噪底功率与干扰谱线功率的比值为该限幅因子；
当且时，保留R0(fc+σ)的原值，并采用限幅值对R0(fc-σ)进行替换，相当于降低R0(fc-σ)处的幅值与R0(fc+σ)处的幅值相同；
当且时，保留R0(fc-σ)的原值，并采用限幅值对R0(fc+σ)进行替换，相当于降低R0(fc+σ)处的幅值与R0(fc-σ)处的幅值相同；
当且时，说明在fc-σ和fc+σ处准时支路频谱均不存在干扰，因此保留R0(fc-σ)和R0(fc+σ)的原值；
将经过处理的准时支路频谱R0(f)记为R′0(f)，并将R′0(f)作为干扰抑制后的准时支路频谱，其中σ表示频率间隔，0≤σ≤Rs，Rs为原始采样信号码元速率,；
步骤5b)将φ1(f)中关于fc对称的幅度谱φ1(fc-σ)和φ1(fc+σ)逐对与延时支路阈值进行比较，并根据比较结果对延时支路频谱R1(f)中的对应位置R1(fc-σ)和R1(fc+σ)进行处理：
当且时，采用限幅值rR1(fc-σ)替换R1(fc-σ)，用限幅值rR1(fc-σ)替换R1(fc+σ)；
当且时，保留R1(fc+σ)的原值，并采用限幅值对R1(fc-σ)进行替换；
当且时，保留R1(fc-σ)的原值，并采用限幅值对R1(fc+σ)进行替换；
当且时，保留R1(fc-σ)和R1(fc+σ)的原值；
将经过处理的延时支路频谱R1(f)记为R′1(f)，并将R′1(f)作为干扰抑制后的延时支路频谱，其中σ表示频率间隔，0≤σ≤Rs，Rs为原始采样信号码元速率，r表示限幅因子，0≤r＜1；
步骤6)计算干扰抑制后的准时支路幅度谱φ′0(f)和延时支路幅度谱φ′1(f)：
根据干扰抑制后的准时支路频谱R′0(f)计算干扰抑制后的准时支路幅度谱φ′0(f)，同时根据干扰抑制后的延时支路频谱R′1(f)计算干扰抑制后的延时支路幅度谱φ′1(f)；
步骤7)判断干扰抑制后的各支路幅度谱与对应阈值的大小：
分别比较干扰抑制后的准时支路幅度谱φ′0(f)与准时支路阈值以及延时支路幅度谱φ′1(f)与延时支路阈值的大小，当φ′0(f)中每一点均小于等于且φ′1(f)中每一点均小于等于执行步骤(8)，否则令φ0(f)＝φ′0(f)，同时令φ1(f)＝φ′1(f)，并执行步骤(4)；
步骤8)获取干扰抑制后的时域中频信号：
对R′0(f)与R′1(f)的和进行快速傅里叶反变换，得到干扰抑制后的时域中频信号，由于最后的时域中频信号是通过R′0(f)与R′1(f)的和得到的，因此可以弥补加窗对原始采样信号造成的失真。
本发明的效果可以通过下面的仿真实例说明：
1.仿真条件和内容：
用Matlab对使用本发明与现有的频域窄带干扰抑制方法抑制窄带干扰后通信信号的误码率进行对比仿真，仿真参数设置如下：通信信号扩频通信，BPSK调制，扩频码长度为15，采样频率为8000Hz，载波频率为1000Hz，码元速率为200c/s，2个窄带干扰亦为BPSK信号，载波频率分别为1000Hz、1180Hz，带宽均为10Hz，蒙特卡罗仿真次数为500次。
2.仿真结果分析：
参照图2，横轴表示信噪比，纵轴为通信信号误码率，可以看出，随着信噪比逐渐增加，本发明与现有技术得到的通信误码率均在逐渐下降，且本发明的误码率曲线一直处于现有技术误码率曲线的下方，即本发明得到的误码率低于现有技术得到的误码率，可以明显看出本发明的误码率性能明显优于现有技术的误码率性能，随着信噪比的增加，性能优势逐渐扩大。

Claims (4)

1.一种窄带干扰频域抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)获取准时支路滤波信号和延时支路滤波信号：
(1a)对接收端接收的时域模拟信号进行离散采样，总采样点数为N，得到时域原始采样信号，其中N＝2n，n为大于1的正整数；
(1b)将两个长度为N的Blackman-Harris窗函数序列中的一个与时域原始采样信号相乘，得到准时支路滤波信号，将另一个窗函数序列的前N/2个点并接到后N/2个点末尾，得到延时窗函数序列，再将延时窗函数序列与时域原始采样信号相乘，得到延时支路滤波信号；
(2)获取准时支路滤波信号的频谱及幅度谱和延时支路滤波信号的频谱及幅度谱：
对准时支路滤波信号和延时支路滤波信号分别进行N点快速傅里叶变换，得到准时支路频谱R0(f)和延时支路频谱R1(f)，并根据R0(f)计算准时支路幅度谱φ0(f)，根据R1(f)计算延时支路幅度谱φ1(f)，其中f表示R0(f)和R1(f)的信号频率；
(3)估计时域原始采样信号的载波频率fc：
根据R0(f)或R1(f)计算边带相关值序列F(f)，并选取F(f)中最大值所对应的频率作为时域原始采样信号的载波频率fc；
(4)获取准时支路幅度谱阈值和延时支路幅度谱阈值
计算φ0(f)对应的准时支路幅度谱均值和方差以及φ1(f)对应的延时支路幅度谱均值和方差并根据和计算准时支路幅度谱阈值根据和计算延时支路幅度谱阈值
(5)对准时支路频谱R0(f)和延时支路频谱R1(f)进行干扰抑制：
(5a)将φ0(f)中关于fc对称的幅度谱φ0(fc-σ)和φ0(fc+σ)逐对与准时支路幅度谱阈值进行比较，并根据比较结果对准时支路频谱R0(f)中的对应位置R0(fc-σ)和R0(fc+σ)进行处理：
当且时，采用限幅值rR0(fc-σ)替换R0(fc-σ)，用限幅值rR0(fc+σ)替换R0(fc+σ)；
当且时，保留R0(fc+σ)的原值，并采用限幅值对R0(fc-σ)进行替换；
当且时，保留R0(fc-σ)的原值，并采用限幅值对R0(fc+σ)进行替换；
当且时，保留R0(fc-σ)和R0(fc+σ)的原值；
将经过处理的准时支路频谱R0(f)记为R′0(f)，并将R′0(f)作为干扰抑制后的准时支路频谱，其中σ表示频率间隔，0≤σ≤Rs，Rs为原始采样信号码元速率，r表示限幅因子，0≤r＜1；
(5b)将φ1(f)中关于fc对称的幅度谱φ1(fc-σ)和φ1(fc+σ)逐对与延时支路幅度谱阈值进行比较，并根据比较结果对延时支路频谱R1(f)中的对应位置R1(fc-σ)和R1(fc+σ)进行处理：
当且时，采用限幅值rR1(fc-σ)替换R1(fc-σ)，用限幅值rR1(fc+σ)替换R1(fc+σ)；
当且时，保留R1(fc+σ)的原值，并采用限幅值对R1(fc-σ)进行替换；
当且时，保留R1(fc-σ)的原值，并采用限幅值对R1(fc+σ)进行替换；
当且时，保留R1(fc-σ)和R1(fc+σ)的原值；
将经过处理的延时支路频谱R1(f)记为R′1(f)，并将R′1(f)作为干扰抑制后的延时支路频谱，其中σ表示频率间隔，0≤σ≤Rs，Rs为原始采样信号码元速率，r表示限幅因子，0≤r＜1；
(6)计算干扰抑制后的准时支路幅度谱φ′0(f)和延时支路幅度谱φ′1(f)：
根据干扰抑制后的准时支路频谱R′0(f)计算干扰抑制后的准时支路幅度谱φ′0(f)，同时根据干扰抑制后的延时支路频谱R′1(f)计算干扰抑制后的延时支路幅度谱φ′1(f)；
(7)判断干扰抑制后的各支路幅度谱与对应阈值的大小：
分别比较干扰抑制后的准时支路幅度谱φ′0(f)与准时支路幅度谱阈值以及延时支路幅度谱φ′1(f)与延时支路幅度谱阈值的大小，当φ′0(f)中每一点均小于等于且φ′1(f)中每一点均小于等于执行步骤(8)，否则令φ0(f)＝φ′0(f)，同时令φ1(f)＝φ′1(f)，并执行步骤(4)；
(8)获取干扰抑制后的时域中频信号：
对R′0(f)与R′1(f)的和进行傅里叶反变换，得到干扰抑制后的时域中频信号。
2.根据权利要求1所述的窄带干扰频域抑制方法，其特征在于，步骤(2)中所述的准时支路幅度谱φ0(f)和延时支路幅度谱φ1(f)，计算公式为：
其中，f表示R0(f)和R1(f)的信号频率，φ(f)表示φ0(f)或φ1(f)，R(f)表示准时支路频谱R0(f)或延时支路频谱R1(f)，Re(·)表示选取信号实部，Im(·)表示选取信号虚部。
3.根据权利要求1所述的一种窄带干扰频域抑制方法，其特征在于，步骤(3)中所述的边带相关值序列F(f)，计算公式为：
其中，R(·)为准时支路频谱R0(f)或延时支路频谱R1(f)，f表示R0(f)和R1(f)的信号频率，fs为时域原始采样信号的采样频率，M为相关窗口长度，为正整数，且M＜N/2，N为R0(f)和R1(f)长度，与时域采样信号的总采样点数相等，x为相关窗口内的采样点。
4.根据权利要求1所述的窄带干扰频域抑制方法，其特征在于，步骤(4)中所述的准时支路幅度谱阈值和延时支路幅度谱阈值计算公式分别为：
其中，表示准时支路幅度谱均值，表示延时支路幅度谱均值，表示准时支路幅度谱方差，表示延时支路幅度谱方差，t表示阈值比例因子，为正实数，φ0(k)和φ1(k)分别为准时支路幅度谱φ0(f)和延时支路幅度谱φ1(f)在k点处的值，N为φ0(f)和φ1(f)的点数，与时域采样信号的总采样点数相等，f表示φ0(f)和φ1(f)的信号频率。
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