CN1118967C - 抑制扩频信号中干扰的方法与设备 - Google Patents

Abstract

消除扩频信号中干扰的方法，在扩频发射机(10)包括，通过相位调制重复噪声序列(18)扩展信息于预定的谱，以提供扩频信号并发射该扩频信号。该方法还包括一个扩频接收机，用来接收带干扰(41)扩频信号，通过窗函数(44)混频(42)带干扰扩频信号，得到混频扩频信号。通过利用重复噪声序列谱的倒数(50)解扩混频(48)扩频信号，得到带干扰数据谱，然后归一化(52)它得到干净的数据谱。代替地，信息可通过将受损幅度谱替换为预存的PN序列幅度谱(70)被恢复，如接收机(60)所示。

Description

抑制扩频信号中干扰的方法与设备

本发明广泛涉及扩频系统与技术，特别涉及到一种改进信息信号恢复的方法和设备，其通过重构或替换扩频信号来最小化干扰。

扩展频谱的思想最早用于第二次世界大站中，以对抗故意的干扰和安全地交换信息。扩频系统必须满足至少两条判据。首先，发射带宽必须远大于要发送信息的带宽或速率。其次，使用不同于被传送信息的函数来决定最终的被调制射频(RF)的带宽。这样，扩频通信的要素包括扩展信号的带宽，发射被扩展的信号，以及通过重新变换收到的扩频信号为原始信息的带宽来恢复需要的信号，其目的是在有噪声的信号环境中传送无错误的信息。人们已经开发了很多方案来满足这两条要求，但是代表性地过量干扰，包括从窄带干扰源发出的干扰削弱了这类系统的性能。

扩频由两种不同的调制方案组成，直接序列扩频(DSSS)和跳频扩频(FHSS)。DSSS调制使用高速编码器将数据扩展于一个大的带宽中，而FHSS调制则包括快速地改变窄带数据信号的载频。本发明专门用于DSSS系统，但其他应用可以在权利要求书中被考虑。

通过规定处理增益等于扩展比，直接序列扩频调制由于其容忍窄带干扰的能力而引起人们的注意。扩展因子也称处理增益，是系统抗干扰噪声的量度。从窄带干扰源发出的能量被扩展于扩频信号的宽带上，只有在数据带宽以内的噪声才会影响DSSS接收机的灵敏度。但当处理过量窄带干扰时，扩展增益不足以克服这样大的噪声。

减少窄带干扰(NBI)的大部分工作已被L.B.Milstein在一篇题为“扩频通信中的干扰抑制技术”的论文中综述，发表在Proceedings of the IEEE，vol.76，no.6，pp.657-671。简单地说，绝大部分的工作集中于两类基本方法上，时域估计/陷波滤波和频域窄带干扰(NBI)能量抑制。时域方法由估计窄带信号和将其从收到的信号中提取出来组成，这就增强了宽带的成分。抑制窄带干扰的另一方法在频域中完成，其将收到的信号进行傅利叶变换，然后消除频域干扰。消除干扰最常用的技术之一是使用掩模(mask)和衰减局部NBI信号。其他方法建议删除干扰信号，其包括估计最佳删除阈值，高于阈值的所有能量被消除，T.Kohri在一篇题为“在CDMA通信中使用滤波器组的CW与窄带信号的干扰抑制器”的论文中介绍了该方法，发表在Proceedings of IEEE ISSSTA′94，vol.1 pp.61-68 Oulu，Finland。还有方法包含使用滤波器来试图适应干扰。如果窄带干扰是跳频信号，那么接收机无法足够快地适应干扰信号以定位并消去它。以上提到的绝大部分工作仍停留在理论阶段，由于算法的复杂性及在实际中缺乏效率，很多算法尚未在通信产品中实现。

1985年，联邦通信委员(FCC)会将工业、科技、医学波段(ISM，三个未获许可的波段：902-928MHz，2.4-2.4835GHz，5.725-5.870GHz)分配作为一般性通信，只要扩频通信在15部分规则下被使用。FCC的决定给通信界造成了很大的冲击。现在市场上有数以千计的ISM波段设备。由于该波段未获许可，很多其他的无线应用也会使用该波段。这将导致干扰噪声水平的灾难性加大，进而使整个波段崩溃。本发明提出一种在这样的噪声环境中通信的解决途径，进而可作为一种消除干扰的有效方法。

在其他应用中，本发明可被用于码分多址(CDMA)和高级移动电话业务(AMPS)共存的800MHz蜂窝波段中。人们发现，当工作于AMPS基站附近时，CDMA蜂窝式电话变得完全不可靠，AMPS系统发射的窄带信号具有高于常规扩频系统抗干扰能力的能量水平，因此，需要一种有效的且花费不高的方法和装置来抑制扩频信号的干扰。

本发明的一方面是，提出了一种用数据调制重复噪声序列，从而消除被编码和发射的扩频信号中的数据干扰的方法，该方法包括，在接收端收到带干扰的扩频信号；将扩频信号变换到频域，提供的接收信号具有相位信息和幅度信息两部分；通过将预存重复噪声序列的函数应用到幅度信息部分，消除幅度信息部分的干扰；从相位信息部分提取真正的无干扰数据。

本发明的另一方面是，提出一个干扰抑制电路，用于抑制在扩频信号中被编码的受损数据的干扰，它包括，接收扩频信号的接收机；将扩频信号从时域变换到频域的频域变换器，它提供了受损相位信息部分和受损幅度信息部分；用于抑制受损幅度信息部分干扰的干扰抑制电路，以提供改正的幅度信息部分，进而将改正的幅度信息部分与受损的相位信息部分混合，提供抑制干扰后的信息信号；将抑制干扰后的信息信号从频域变换到时域的时域变换器。

图1是根据本发明使用相移键控调制的扩频发射机的框图。

图2是根据本发明另一方面使用脉冲位置调制的扩频发射机的框图。

图3是根据本发明使用重构方法的扩频接收机的框图。

图4是根据本发明使用替换方法的扩频接收机的框图。

图5是根据本发明使用替换方法的扩频接收机的部分框图。

图6是根据本发明另一实施例的其他扩频接收机的框图。

通过在频域中使用数字信号处理的独特方法消除窄带或宽带干扰，本发明提高了扩频接收机的灵敏度。数字信号处理可用数字信号处理器实现，也可用能够实现在此描述的功能的离散元件代替。抑制扩频信号中干扰的方法和设备用于直接序列扩频信号，该直接序列扩频信号最好由图1或图2示出的发射机产生。图1中的扩频发射机10使用相移键控调制。用包含在数据符号17中的重复噪声序列，以时钟发生器9发出的码片时钟信号14的速率，扩展信息于预定的谱。由于码片时钟信号14的速率被扩展比通过分频器13减少，数据符号速率低于码片速率。数据发生器12将数据格式化为数据符号17并以数据符号速率输出。建议存储于存储器18中的噪声序列16(或噪声样本)是二进制序列，但也可以包含复杂的如子波的模拟波形。存储器18中的噪声样本个数等于扩展比。在每个数据符号期间，作为循环缓冲区的地址发生器15将存储器18中的所有噪声样本以码片速率依次输出。乘法器20用噪声样本16乘以数据符号17，即用数据来相位调制噪声样本。相位调制噪声信号21经数-模转换器23转换为模拟信号，以提供一个基带扩展数据信号24。通过将基带扩展数据信号24与本机振荡器28产生的载波在混频器30中混频，得到混频信号31，基带扩展数据信号24被转化到更高的频率。混频信号31被只容许基带信号通过的带通滤波器32滤波。随后，被转化及滤波的扩展数据信号被线性功率放大器33放大，并由天线34发射。

图2的扩频发射机使用了脉冲位置调制。用包含在数据符号142中的重复噪声序列，以时钟发生器139发出的码片时钟信号144的速率，扩展信息于预定的谱。由于码片时钟信号144的速率被扩展比通过分频器145减少，数据符号速率低于码片速率。数据发生器141将数据格式化为数据符号142并以数据符号速率输出。建议存储于存储器146中的噪声序列147(或噪声样本)是二进制序列，但也可以包含复杂的模拟波形或如上所述的子波。存储器146中的噪声样本个数等于扩展比。通过将噪声样本147从由数据符号142决定的不同起始存储器位置循环移出存储器146，数据符号142被脉冲位置调制。将存储器146作为循环缓冲区的地址发生器143被数据符号142预置到不同的起始存储器位置。地址发生器143随后从预置存储器位置输出存储器146中的所有噪声样本147。这相当于脉冲位置调制。时移噪声样本147经数-模转换器150被转换为模拟信号，以提供一个基带扩展数据信号151。通过将基带扩展数据信号151与本机振荡器153产生的载波在混频器152中混频，得到混频信号154，基带扩展数据信号151被转化到更高的频率。混频信号154被只容许基带信号通过的带通滤波器155滤波。随后，基带信号或扩展数据信号被线性功率放大器156放大，并由天线157发射。

抑制扩频信号中干扰的系统和方法最好包括图3所示的扩频接收机40，它使用了“重构”方法，下文将作说明，或图4所示的使用“替换”方法的扩频接收机60。参照图3，接收机40在方框41处收到带有干扰的扩频信号(带数据)。通过将扩频信号与窗函数44相乘(42)，该信号被可选地“加窗”，从而得到扩频接收信号或接收信号。接收的扩频信号43在46处(最好经快速傅利叶变换(FFT))变换到频域，得到频域信号47。然后，频域信号47在48处被解扩或者乘以一个框50处的重复噪声序列谱的倒数(reciprocal)，以得到带有干扰的数据谱或解扩信号49。注意，如果收到的扩频信号或解扩码是加窗的，那么干扰信号的带宽就被减小，其对收到的谱的损害就小。在框52处，解扩信号49最好被硬限幅或归一化以得到归一化的信号51(或干净的数据谱，因为在频域中，真正的数据信息大部分在相位中)。然后，归一化信号51在方框54处经逆FFT变换到时域中，得到恢复信号53。恢复信号在解调器56处被解调制，得到恢复的数据信号57。

作为频域中解扩处理的一部分，输入数据被变换以使它的频谱有一不变的幅值。换句话说，通过将接收信号乘以扩展码(发射端的伪噪声序列)的倒数，将得到具有恒定幅度的谱。用这种方式，干扰作为幅度的变化被显露出来，它可通过执行期望的复归一化被消除。这一操作迫使干扰与数据具有相同的幅度值。现在所有信息均在谱相位中。干扰只损坏了谱的小部分。

解扩信号可以是扩展码的谱的复倒数。由于变换和复倒数运算需要很大的运算量，波形最好被存放在复存储器中，而不是对每个数据符号都产生它。这一实施例中的解扩方法可包括，在方框48处对存储波形与接收信号谱的逐点复数乘法。窗函数的增加会进一步衰减高功率窄带干扰信号。

该处理过程的一个特例为，当扩展信号的频谱有一个平直的幅度时。如果幅值在每一点都一样，则幅值的倒数亦然。如果幅值为1则幅值的倒数也为1。这即表明，倒数运算被简化为一个复共轭运算。由于在解扩过程中，固定幅度的扩展信号不会放大噪声或干扰，因此它们是受欢迎的。

图3示出的实施例用于处理所有带有重复编码序列的DSSS波形的一般情况。

在本发明使用“重构”方法实现接收机40的方面，本发明可被分解为三种算法的串接组合。第一种算法是利用窗函数减少干扰带宽。然后是在频域中解扩，这样数据谱就有了固定的幅度值。最后一种算法是对(包含数据和干扰的信号)谱复归一化，以消除干扰。存储的解扩波形减少了要求的计算量。

参照图4，接收机60收到受到干扰损害的扩频信号63(在此用s(t)表示)。如同对图3的讨论，该信号可被可选地“加窗”(未显示于图中)以减少干扰信号的带宽，从而减少对接收谱的损害。扩频信号63或接收信号随后被送入干扰抑制单元64，该单元与其他函数一起被执行，接收信号在框66处被变换到频域，建议使用快速傅利叶变换(FFT)。FFT提供了受损数据信号67(在此用S(W)表示)，它包括受损幅度谱和受损相位谱。干扰抑制单元64在68处从受损数据信号67中确定相位信息。在方框70处，受损幅度谱被预先存放的重复噪声序列(在此用PN(W)表示)的幅度谱替换。随后，受损相位谱与预先存储的重复噪声谱的幅度谱在64和72处组合，以提供真正去干扰的扩频信号73(在此用S(W)表示)。在单元74处，建议使用逆FFT将基本上去干扰的扩频信号73变为时域信号75(在此用s(t)表示)。对干扰抑制单元64和扩展编码单元78，要求有76处的同步和跟踪，以便同步地对基本上去干扰扩频信号解扩。这样，通过在框80处组合基本上去干扰扩频信号和时域扩展码，在解调器84处，最好在对恢复信号81用窄带滤波器82滤波后，恢复信号81(在此用d(t)表示)容许从接收信号的相位信息部分提取真正的无干扰数据。窄带滤波器82最好能用来消除很少相关内容的带宽。

下面的实施例表示出了一个在DSSS系统及DS/FHS混合系统中抑制干扰的实际、有效的方法。当处理窄带干扰时，该方法性能最好；当处理其他干扰例如同频道干扰、宽带干扰、及相邻信遭干扰时，该方法有很好的性能。通过消除干扰信号对傅利叶变换后的DSSS信号的幅值的影响，该方法揭示了通常的操作。这样的处理在频域中完成。为进一步理解替换方法，将规则和记法重新表示于下：

d(t)：    发射的扩频信号

i(t)：    干扰信号

s(t)：   发射的受到干扰损害的扩频信号

s(t)：    经过去干扰处理的扩频信号

pn(t)：   时域中的伪噪声扩展编码

S(W)：   s(t)的快速傅利叶变换(FFT)

PN(W)：   pn(t)的快速傅利叶变换(FFT)

S(W)：    s(t)的快速傅利叶变换(FFT)

此外，扩频符号被定义为由M进制PSK符号产生的PN序列的乘积。

当DSSS连同M进制相移键控调制(PSK)被使用时，所有M扩频符号的谱幅度是相同的。在每次从一符号到另一符号的过渡中，只有相位的变化。通过强迫任何收到的符号有“已知的”正确幅度，本发明利用了此性能。这样，任何干扰信号只能影响信号的相位部分，幅度部分则保持高可靠性。这样的技术十分有效，特别是当处理高功率窄带干扰时。

图5给出了干扰抑制单元61的硬件实现。当接收机能够解调M进制相移键控(MPSK)调制时，它可代替图4中的干扰抑制单元64。受损数据信号63， s(t)，通过框65处的前向快速傅利叶变换，得到 S(W)信号或频域信号67。 S(W)的幅值为″[sin(x)/x]2″形状的函数，其顶部上有对应着干扰信号频率成分的尖峰。为了从受损幅度谱中完全消除干扰成分，一个存储于存储器70处的完好谱被用来代替此受损谱。此预存储的谱为PN(W)的幅度。

再次参照图4，抑制算法的下一步包括产生“干净的”扩频信号。该过程由在68处得到的 S(W)(受损扩频信号的FFT)的相位与预存储的PN(W)(70)的幅度用框72处混合成复信号组成。此过程得到了信号S(W)(73)，它有正确的幅度值，及轻微受损的相位值。最终，通过对S(W)进行逆FFT恢复出s(t)。注意，通过在每个FFT运算前加窗，可以进一步衰减干扰，从而改善整体性能。为了硬件实现图4的单元64，利用反正切设备(68)，相位信息被完整地提取出来。另一方面，干扰抑制单元64可以被图5中的干扰抑制单元61代替，其中频域的受损扩频信号 S(W)在框69处被归一化，得到有归一化幅值的复信号(77)，该复信号与存储在存储器70处的PN(W)的幅值相乘，就得到真正的无干扰扩频信号73，S(W)。

一个“干净的”扩频信号一旦在时域中被产生，余下的处理仅简单由利用熟悉的DSSS检测技术组成。即，扩频信号被解扩、滤波和由一个用判定设备恢复发射数据。

本算法的实施要求对一些已有的DSSS的传统接收机作小的改动。如图6所示，干扰抑制模块106可被插到RF前端104和解扩/解调电路110之间，位于具有接收DSSS信号天线的DSSS接收机中。如单元112所示，它应具有关于接收机捕获和跟踪状态的准确信息。为了调整S(W)的幅值和相位，此信息在捕获和跟踪模式下均被使用。如前所述，扩频信号被按期望解扩(110处)，滤波(未显示)，在114处判定设备或解调器被用来恢复发射数据。

该算法的实现基于两条重要知识：1〕高功率窄带信号对接收频谱幅度的影响大于对相位的影响；2〕M进制的PSK扩频信号频谱的幅值独立于调制数据。

一旦这两条确定，可以有两种方法代替接收谱的幅度。这两种方法可用软件或专门硬件实现，以提供计算量上的折衷。这些方法或是将谱转化为极坐标数据，替换其中幅度值，然后再变回直角坐标数据，如图4所示；或是将信号归一化到单位幅值，然后换算幅度以匹配模板，如图5所示。

上述方法是自适应的且要求干扰识别。本方法提供了优于已知技术的性能，而不局限于跳频干扰信号的消除、在一快速衰落环境中干扰的消除、以及任意高能干扰的消除，只要干扰带宽不覆盖于绝大部分的谱上。还应注意，该方法主要面向相位调制实现，但熟练的技术人员应理解，“时间”调制也能被等同使用。

本发明连同具体实施例已被详细说明。如上所述，本发明可被实现于CDMA与AMPS共存的蜂窝波段中。进一步，此处描述的接收机和电路可组成反向确认接收机的一部分。然而，这些实施例仅是示例，本发明并不局限于此。熟练的技术人员会理解，在本发明权利要求书定义的范围和宗旨内，可以进行变化和改动。

Claims (7)

1.一种用数据调制重复噪声序列，从而消除被编码和扩展的扩频信号中的数据干扰的方法，包括以下步骤：在接收端：

收到带干扰的扩频信号；

将窗函数与带干扰扩频信号相乘得到相乘的扩频信号；

将相乘的扩频信号变换到频域，得到接收信号；

通过将接收信号与重复噪声序列的谱的倒数相乘，得到带干扰的数据谱；以及

归一化带干扰的数据谱以得到干净的数据谱。

2.一种从扩频信号中消除干扰的方法，包括以下步骤：在发射端：

使用相移键控调制信息；

通过相位调制重复噪声序列将信息扩展于预定的谱，得到扩频信号；以及

发射扩频信号；在接收端：

收到带干扰的扩频信号；

将窗函数与带干扰扩频信号相乘得到相乘的扩频信号；

将扩频信号变换到频域，得到接收信号；

通过将接收信号与重复噪声序列的谱的倒数相乘，得到带干扰的数据谱；以及

限制带干扰的数据谱的幅度以得到干净的数据谱。

3.权利要求2的方法，其中在混频带干扰扩频信号的步骤中，进一步包括将带干扰扩频信号与带宽谱限制窗逐点标量相乘。

4.权利要求2的方法，其中在混频接收信号的步骤中，进一步包括将接收信号与重复噪声序列谱的幅值的倒数逐点复数相乘。

5.一种从扩频信号中消除干扰的方法，包括以下步骤：在发射端：

通过相位调制重复噪声序列将信息扩展于预定的谱，得到扩频信号；

发射扩频信号；在接收端：

收到带干扰的扩频信号；

将带干扰扩频信号乘以窗函数，得到相乘的扩频信号；

使用重复噪声序列谱的倒数解扩相乘的扩频信号，得到带干扰数据谱；以及

复归一化带干扰数据谱，得到干净的数据谱。

6.一个用来接收和解码在直接序列扩频信号中被编码的受损数据的接收机，包括：

接收扩频信号的接收模块；

将带干扰扩频信号与窗函数相乘的乘法器，以得到相乘的扩频信号；

将相乘的扩频信号从时域转换到频域的频域转换器，以得到受损相位信息部分和受损幅度信息部分；

抑制受损幅度信息部分干扰的干扰抑制电路，以得到幅度抑制信息部分，并进而混合受损幅度信息部分和受损相位信息部分以得到干扰抑制信息信号；以及

将干扰抑制信息信号从频域转换到时域的时域转换器。

7.一个用来发射、接收和解码在直接序列扩频信号中被编码的受损数据的扩频系统，包括：

用来发射扩频信号的发射机；

用来接收扩频信号的接收机；

将带干扰扩频信号与窗函数相乘的乘法器，以得到相乘的扩频信号；

将相乘的扩频信号从时域转换到频域的频域转换器，得到受损相位信息部分和受损幅度信息部分；以及

用来抑制受损幅度信息部分干扰的干扰抑制电路，以得到幅度抑制信息部分，并进而混合受损幅度信息部分和受损相位信息部分以得到干扰抑制信息信号。

Images