CN113206714A - 一种基于误码率的接收机脉冲信号干扰评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于误码率的接收机脉冲信号干扰评估方法,包括以下步骤：S1.确定脉冲信号干扰下接收机的误码率计算公式；S2.准备两组工作频率覆盖接收机通带的接收天线，其中一组接收天线连接宽带示波器，另一组接收天线连接频谱分析仪；S3.在受到未知脉冲信号干扰时，通过宽带示波器和频谱分析仪上接收到数据进行处理并获得未知脉冲信号的脉冲周期、脉冲宽度以及接收的信干比；S4.根据步骤S1中得到的误码率计算公式，对接收机受脉冲干扰下误码率数值进行估算；S5.根据预先确定的接收机误码率与工作效能的关系，结合估算得到的误码率，对接收机受扰程度进行评估。本发明客观地对接收机受脉冲信号的干扰程度进行了量化，保证了评估结果的有效性。

Description

一种基于误码率的接收机脉冲信号干扰评估方法

技术领域

本发明涉及接收机干扰评估，特别是涉及一种基于误码率的接收机脉冲信号干扰评估方法。

背景技术

通信技术广泛应用于现代科学技术的各个领域，进入二十一世纪以来，更是在各个场景下发挥着感知和指挥的重要用途，也最容易受到电磁环境的干扰。国内外的研究主要集中于脉冲信号系统之间的互扰问题，例如雷达系统之间的电磁兼容问题，但是对脉冲信号干扰通信系统的研究相对较少。

接收机灵敏度定义了接收机可以接收到的并仍能正常工作的最低信号强度，为保持接收机正常工作的最小可接收信号强度，灵敏度可用功率来表示。也可以用场强表示。简单地讲，如果链路方程式中的接收功率值等于或大于接收机灵敏度，那么接收机就能正常工作，也就是说接收机能够正常的获取包含在发射信号中的信息。反之，如果接收功率低于灵敏度，那么获取信息的质量将远远低于规定的要求。关于同频干扰的评价标准，可以定义同频干扰值高出接收机灵敏度的数值M₁来衡量同频干扰的威胁度，即以6dB、20dB作为衡量同频干扰值高出接收机灵敏度的基本尺度。具体定义为：M₁≤6dB为轻度干扰；6dB＜M₁≤20dB为中度干扰；M₁＞20dB为重度干扰。

目前的干扰量化方法并仅从功率统计平均角度考虑，导致计算规律并不适用脉冲干扰，其中最显著的案例有，当脉冲占空比较低时，无论脉冲峰值功率有多大，都不会对目标通信接收机产生干扰。

总结来说，传统的量化和评估方法，均基于脉冲信号(或脉冲雷达信号)干扰给出了相应的量化方法，仍存在如下局限性：

1)现有研究借鉴噪声干扰的传统方法，运用统计规律处理脉冲信号干扰问题，没有区分脉冲信号干扰与噪声干扰的不同，实验测试中部分脉冲干扰现象无法用现有理论解释；

2)基于脉冲信号功率、干扰链路模型对接收机受扰程度的评估，对于复杂多变的脉冲信号参数和调制方式却没有深入研究。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于误码率的接收机脉冲信号干扰评估方法，基于误码率客观地对接收机受脉冲信号的干扰程度进行了量化，保证了评估结果的有效性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于误码率的接收机脉冲信号干扰评估方法，包括以下步骤：

S1.确定脉冲信号干扰下接收机的误码率计算公式；

S2.准备两组工作频率覆盖接收机通带的接收天线，其中一组接收天线连接宽带示波器，另一组接收天线连接频谱分析仪；

S3.在受到未知脉冲信号干扰时，通过宽带示波器和频谱分析仪上接收到数据进行处理并获得未知脉冲信号的脉冲周期、脉冲宽度以及接收的信干比；

S4.根据步骤S1中得到的误码率计算公式，对接收机受脉冲干扰下误码率数值进行估算；

S5.根据预先确定的接收机误码率与工作效能的关系，结合估算得到的误码率，对接收机受扰程度进行评估。

优选地，所述步骤S1中，对于接收机的符号序列，脉冲干扰信号因为在时域呈现周期性，因此只对部分符号产生干扰，在确定符号受扰的条件下再考虑是否会产生误判，脉冲干扰下接收机误码率的计算步骤为条件概率计算，具体地：所述步骤S1包括以下子步骤：

所述步骤S1包括以下子步骤：

S101.确定接收机符号的受扰概率：

对于脉冲宽度小于接收机符号周期的短脉冲，至少对一个符号产生干扰，至多对两个符号产生干扰；对于脉冲宽度大于符号周期的长脉冲，一定会对多个符号产生干扰；短脉冲和长脉冲下符号的受扰概率均为：

其中，W为脉冲宽度，T_s为接收机符号周期，T_PRP为脉冲周期；

S102.在确定符号受扰的条件下，将此时的干扰信号等效为噪声处理，推导出误判概率：

假设接收机采用QAM或QPSK调制相干解调，在只考虑脉冲信号且确定符号被干扰的情况下，误判概率为：

S103.将误判概率与受扰概率相乘得到误码率公式为：

其中，R_SI表示信干比；erfc(x)表示互补误差函数，erfc(x)＝1-erf(x)；erf(x)为误差函数，表示为：

S104.对误码率公式进行分解得到：

其中，

为占空比，

为接收机符号周期与干扰脉冲周期的比值。

优选地，所述步骤S3中，获得未知脉冲信号脉冲周期的过程包括：

首先对示波器接收的时域数据进行自相关运算，从而提取出信号中的周期性信号成分；

然后对自相关运算得到的信号进行希尔伯特变换取包络，并且去除直流分量，进而最大程度的去除无关信号，达到降噪的目的；

最后对去除直流分量的信号进行快速傅里叶变换；脉冲周期为恒定值时，则经傅里叶变换后为等间隔谱线，相邻谱线间的频率间隔转化为时间即为脉冲周期。

优选地，所述步骤S3中，获得未知脉冲信号脉冲宽度的过程包括：

首先对示波器接收的时域数据进行降噪：

对示波器接收的时域数据进行多尺度小波变换，得到各尺度小波系数；

计算各尺度小波系数模极大值；

运用李氏指数作为判据，剔除噪声的小波系数模极大值，保留有用信号的小波系数模极大值；

基于保留的小波系数模极大值重构信号，得到降噪后的信号。

然后基于检测门限对降噪后的信号进行处理得到脉冲宽度：

检测降噪后的信号均值为μ，方差为σ，则设置检测门限为V_T＝μ+σ；

将降噪后的信号中，高于V_T的值设为1，低于V_T的值设为0；

设起始时刻为降噪后信号中首次检测到连续出现1的时刻；设终止时刻为连续的1之后，首次检测到连续出现0的时刻；起止时刻与终止时刻之差即为脉冲宽度。

优选地，所述步骤S3中，获得接收信干比的过程包括：从频谱分析仪能够分别读出干扰信号和有用信号的功率，从而确定信干比。

本发明的有益效果是：(1)本发明的评估方法对高斯白噪声干扰和脉冲信号干扰的特点做出了明确区分，没有将干扰信号统一视为噪声，从而能够减少实际应用中出现的许多与评估结果不相符的干扰现象；

(2)本发明基于通信效能表征的误码率参数，科学客观地对干扰程度进行了量化，避免了传统的评估参数无法直接和通信效能参数结合的问题；

(3)本发明只需要采用符合频段要求的宽带示波器、频谱分析仪和相应的接收天线，可实现自动评估，评估过程客观快捷，且可信度较高。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为典型通信接收机的原理框图；

图3为脉冲宽度较小时脉冲信号对通信系统干扰的示意图；

图4为评估过程中宽带示波器和频谱分析仪的连接示意图。

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，一种基于误码率的接收机脉冲信号干扰评估方法，包括以下步骤：

S1.确定脉冲信号干扰下接收机的误码率计算公式；

如图2所示为典型接收机——超外差接收机基本组成框图。该框图主要由接收天线、混频电路和解调电路三部分组成。有用信号经接收天线、带通滤波器进入接收机，经过混频后搬移至中频部分(通常为固定值)，再经过下变频搬移至基频，经低通滤波器后即可在时域进行抽样判决。对于干扰信号而言，由于天线和带通滤波器本身具有频选特性，带外信号基本在经过这两次频率选择后被滤除，处于天线或带通滤波器工作频带附近的脉冲信号耦合进入接收机后，通过低噪放大器，由于低噪放大器等器件的非线性特性，使得干扰信号频率变频至接收机的调谐频率，混入有用信号后被解调，最终造成抽样判决器输入波形的抬升或降低，造成抽样判决出错，最终造成解码出错，通信效能收到影响，同时表现为误码率的上升。本申请中，重点研究对象为三种基本脉冲，它们主要由雷达脉冲信号抽象而来，通常具备较高的载频，通常高于接收机的工作频率。因此在本文中，干扰脉冲对目标接收机不会产生谐波干扰，本申请主要考虑同频干扰和邻频干扰；

图3所示为脉冲宽度较小时脉冲信号对通信系统干扰的示意图。图中矩形序列表示接收机符号序列，灰色矩形表示受扰符号，白色矩形表示未受扰符号。经过分析，脉冲信号对符号的影响与高斯白噪声信号显著不同，高斯白噪声信号在时域上具备随机性，对每一个符号均产生干扰，是否产生误码主要取决于判决时刻高斯白噪声幅度高低，从统计学角度看，主要取决于高斯白噪声信号的功率谱密度；而脉冲干扰信号因为在时域呈现周期性，因此只对部分符号产生干扰，在确定符号受扰的条件下再考虑是否会产生误判，因此脉冲干扰下接收机误码率的计算步骤为条件概率计算：首先考虑符号的受扰概率，其次再考虑符号在受扰的条件下产生的误判概率。不同参数的脉冲和接收机会使得脉冲周期与接收机符号周期产生不同的相对大小关系。具体地：所述步骤S1包括以下子步骤：

所述步骤S1包括以下子步骤：

S101.确定接收机符号的受扰概率：

对于脉冲宽度小于接收机符号周期的短脉冲，至少对一个符号产生干扰，至多对两个符号产生干扰；对于脉冲宽度大于符号周期的长脉冲，一定会对多个符号产生干扰；短脉冲和长脉冲下符号的受扰概率均为：

其中，W为脉冲宽度，T_s为接收机符号周期，对于接收机而言是已知值，T_PRP为脉冲周期；

S102.在确定符号受扰的条件下，将此时的干扰信号等效为噪声处理，推导出误判概率：

假设接收机采用QAM或QPSK调制相干解调，在只考虑脉冲信号且确定符号被干扰的情况下，误判概率为：

S103.将误判概率与受扰概率相乘得到误码率公式为：

其中，R_SI表示信干比；erfc(x)表示互补误差函数，erfc(x)＝1-erf(x)；erf(x)为误差函数，表示为：

S104.对误码率公式进行分解得到：

其中，

为占空比，

为接收机符号周期与干扰脉冲周期的比值。

在本申请的实施例中，对公式进行分析，对于误差互补函数有如下性质：

因此，

带入误码率公式

中得到：

其物理意义解释为：当信干比趋于零，即干扰信号无限大时，该条件下的接收机误码率存在仅与

有关。

S2.准备两组工作频率覆盖接收机通带的接收天线，其中一组接收天线连接宽带示波器，另一组接收天线连接频谱分析仪，具体如图4所示；

S3.在受到未知脉冲信号干扰时，通过宽带示波器和频谱分析仪上接收到数据进行处理并获得未知脉冲信号的脉冲周期、脉冲宽度以及接收的信干比；

在本申请的实施例中，在本申请的实施例中，采用自相关滤波方法。

对于周期为T的信号s(t)的做自相关运算：

即周期信号的自相关函数也是周期信号，且周期与元信号周期相同为T，即

r(τ)＝r(τ+nT)

又设接收到的信号为v(n)，由有用信号s(n)和加性噪声信号q(n)组成：

v(n)＝s(n)+q(n),0≤n≤N-1

对其进行自相关运算可得

当序列足够长，即N足够大时，由于有用信号与噪声是相互独立的，互相换函数为零，即r_sq(j)和r_qs(j)等于零，随机噪声的自相关函数r_qq(j)也为零，因此当N足够大时

r_vv(j)＝r_ss(j)

即对淹没在噪声的周期信号做自相关运算，自相关函数的周期即为周期信号的周期，自相关运算得到的图谱即为自相关谱。如果信号具有周期性，其自相关图谱会呈现出等间隔峰值，两两峰值之间的时间间隔即为脉冲重复周期(PRP)。

具体地，所述步骤S3中，在提取脉冲周期时，主要采用的方法步骤为：

首先对示波器接收的时域数据进行自相关运算，从而提取出信号中的周期性信号成分；

然后对自相关运算得到的信号进行希尔伯特变换取包络，并且去除直流分量，进而最大程度的去除无关信号，达到降噪的目的；

最后对去除直流分量的信号进行快速傅里叶变换；脉冲周期为恒定值时，则经傅里叶变换后为等间隔谱线，相邻谱线间的频率间隔转化为时间即为脉冲周期。

在本申请的实施例中，通过判定门限值来确定脉冲信号的上升沿和下降沿，因此提取结果受时域噪声的影响较大。在对脉冲宽度提取的过程中，需要采用合理的降噪方法，而影响提取精度的关键是降噪效果的好坏。考虑到LFM(线性调频)脉冲在工程实践中应用又最为广泛，因此采用的降噪方法必须适用于LFM脉冲，其时变非平稳的特性，使得基于小波变换的降噪方法可以取得较好地降噪效果。基于以上分析，我们采用小波系数模极大值去噪方法对脉冲(LFM脉冲)进行降噪处理；本申请提取的脉冲信号本质是方波调制的高频载波，因此在脉冲上升沿和下降沿处易产生奇异点，也是最影响提取精度的关键点，为此选用了适用于具备较多奇异点的小波模极大值降噪方法。

具体地，所述步骤S3中，获得未知脉冲信号脉冲宽度的过程包括：

首先对示波器接收的时域数据进行降噪：

对示波器接收的时域数据进行多尺度小波变换，得到各尺度小波系数；

计算各尺度小波系数模极大值；

运用李氏指数作为判据，剔除噪声的小波系数模极大值，保留有用信号的小波系数模极大值；

基于保留的小波系数模极大值重构信号，得到降噪后的信号。

然后基于检测门限对降噪后的信号进行处理得到脉冲宽度：

检测降噪后的信号均值为μ，方差为σ，则设置检测门限为V_T＝μ+σ；

将降噪后的信号中，高于V_T的值设为1，低于V_T的值设为0；

设起始时刻为降噪后信号中首次检测到连续出现1的时刻；设终止时刻为连续的1之后，首次检测到连续出现0的时刻；起止时刻与终止时刻之差即为脉冲宽度。

在本申请的实施例中，所述步骤S3中，获得接收信干比的过程包括：从频谱分析仪能够分别读出干扰信号和有用信号的功率，从而确定信干比。

S4.在完成对未知脉冲的脉冲周期和脉冲宽度的提取之后，根据步骤S1中得到的误码率计算公式，对接收机受脉冲干扰下误码率数值进行估算；

S5.根据预先确定的接收机误码率与工作效能的关系，结合估算得到的误码率，对接收机受扰程度进行评估。

在本申请的实施例中，典型接收机误码率与工作效能的对应关系如下表所示：

例如，推导出某导航卫星的接收机受脉冲干扰时误码率公式为

并且根据提取的脉冲宽度和脉冲周期，以及读取并计算的接收机前干信比，可以计算出某时刻接收机误码率为1.35*10^-3，根据上述表格可以判断此时的接收机受扰至停止工作，因此评估结果为“严重干扰，停止工作”，而实验中导航卫星上位机数据归零的实验现象也验证了该方法的有效性。

上述说明示出并描述了本发明的一个优选实施例，但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，并能够在本文所述发明构想范围内，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 (8)

1.一种基于误码率的接收机脉冲信号干扰评估方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.确定脉冲信号干扰下接收机的误码率计算公式；

S2.准备两组工作频率覆盖接收机通带的接收天线，其中一组接收天线连接宽带示波器，另一组接收天线连接频谱分析仪；

S3.在受到未知脉冲信号干扰时，通过宽带示波器和频谱分析仪上接收到数据进行处理并获得未知脉冲信号的脉冲周期、脉冲宽度以及接收的信干比；

S4.根据步骤S1中得到的误码率计算公式，对接收机受脉冲干扰下误码率数值进行估算；

S5.根据预先确定的接收机误码率与工作效能的关系，结合估算得到的误码率，对接收机受扰程度进行评估。

2.根据权利要求1所述的一种基于误码率的接收机脉冲信号干扰评估方法，其特征在于：所述步骤S1中，对于接收机的符号序列，脉冲干扰信号因为在时域呈现周期性，因此只对部分符号产生干扰，在确定符号受扰的条件下再考虑是否会产生误判。

3.根据权利要求2所述的一种基于误码率的接收机脉冲信号干扰评估方法，其特征在于：所述步骤S1包括以下子步骤：

S101.确定接收机符号的受扰概率：

对于脉冲宽度小于接收机符号周期的短脉冲，至少对一个符号产生干扰，至多对两个符号产生干扰；对于脉冲宽度大于符号周期的长脉冲，一定会对多个符号产生干扰；短脉冲和长脉冲下符号的受扰概率均为：

其中，W为脉冲宽度，T_s为接收机符号周期，T_PRP为脉冲周期；

S102.在确定符号受扰的条件下，将此时的干扰信号等效为噪声处理，推导出误判概率：

假设接收机采用QAM或QPSK调制相干解调，在只考虑脉冲信号且确定符号被干扰的情况下，误判概率为：

S103.将误判概率与受扰概率相乘得到误码率公式为：

其中，R_SI表示信干比；erfc(x)表示互补误差函数，erfc(x)＝1-erf(x)；erf(x)为误差函数，表示为：

S104.对误码率公式进行分解得到：

其中，

为占空比，

为接收机符号周期与干扰脉冲周期的比值。

4.根据权利要求1所述的一种基于误码率的接收机脉冲信号干扰评估方法，其特征在于：所述步骤S3中，获得未知脉冲信号脉冲周期的过程包括：

首先对示波器接收的时域数据进行自相关运算，从而提取出信号中的周期性信号成分；

然后对自相关运算得到的信号进行希尔伯特变换取包络，并且去除直流分量，进而最大程度的去除无关信号，达到降噪的目的；

最后对去除直流分量的信号进行快速傅里叶变换；脉冲周期为恒定值时，则经傅里叶变换后为等间隔谱线，相邻谱线间的频率间隔转化为时间即为脉冲周期。

5.根据权利要求1所述的一种基于误码率的接收机脉冲信号干扰评估方法，其特征在于：所述步骤S3中，获得未知脉冲信号脉冲宽度的过程包括：

首先对示波器接收的时域数据进行降噪；

然后基于检测门限对降噪后的信号进行处理得到脉冲宽度。

6.根据权利要求5所述的一种基于误码率的接收机脉冲信号干扰评估方法，其特征在于：所述对示波器接收的时域数据进行降噪的过程包括：

对示波器接收的时域数据进行多尺度小波变换，得到各尺度小波系数；

计算各尺度小波系数模极大值；

运用李氏指数作为判据，剔除噪声的小波系数模极大值，保留有用信号的小波系数模极大值；

基于保留的小波系数模极大值重构信号，得到降噪后的信号。

7.根据权利要求5所述的一种基于误码率的接收机脉冲信号干扰评估方法，其特征在于：所述基于检测门限对降噪后的信号进行处理得到脉冲宽度的过程包括：

检测降噪后的信号均值为μ，方差为σ，则设置检测门限为V_T＝μ+σ；

将降噪后的信号中，高于V_T的值设为1，低于V_T的值设为0；

设起始时刻为降噪后信号中首次检测到连续出现1的时刻；设终止时刻为连续的1之后，首次检测到连续出现0的时刻；起止时刻与终止时刻之差即为脉冲宽度。

8.根据权利要求1所述的一种基于误码率的接收机脉冲信号干扰评估方法，其特征在于：所述步骤S3中，获得接收信干比的过程包括：从频谱分析仪能够分别读出干扰信号和有用信号的功率，从而确定信干比。

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