CN113452407A

CN113452407A - 多载波扩频信号干扰抑制系统、方法及电子设备

Info

Publication number: CN113452407A
Application number: CN202111000513.9A
Authority: CN
Inventors: 杜佳衡; 潘高峰; 虎啸; 王帅; 安建平; 闫伟豪
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2021-08-30
Filing date: 2021-08-30
Publication date: 2021-09-28
Anticipated expiration: 2041-08-30
Also published as: CN113452407B

Abstract

本发明公开了多载波扩频信号干扰抑制系统、方法及电子设备，包括：多个子载波信号处理模块以及子带分集合并模块；多个子载波信号处理模块用于分别采用第一自适应算法对接收到的多个子载波信号进行基带信号处理，得到多个第一解调信号；子带分集合并模块用于采用第二自适应算法更新多个第一解调信号的加权系数并根据加权系数对多个第一解调信号加权求和，得到第二解调信号。本发明通过自适应算法对子载波信号分集合并，提高了各个子载波上荷载的信息利用率，使得解调结果更准确，提升了干扰抑制容限，改善了通信链路的性能。

Description

多载波扩频信号干扰抑制系统、方法及电子设备

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及多载波扩频信号干扰抑制系统、方法及电子设备。

背景技术

低轨卫星通信系统与高轨卫星通信系统相比，具有更低的传输时延、更好的全球覆盖性，为解决个人移动通信、地面小型化终端的高速可靠传输等提供了有效途径。低轨卫星通信系统具有低信噪比、高动态等特点，可通过直接序列码分多址技术进行可靠、高速通信。多载波直接序列码分多址技术作为单载波直接序列码分多址技术和多载波技术的有机结合，在性能上既保持了直接序列扩频信号在抗窄带干扰、低截获概率等方面的优势，又兼备了多载波技术在频谱利用率、抗频率选择性衰落和强干扰躲避方面的优良特性，可以适用于低轨卫星通信系统。

由于低轨卫星受到在国际公开轨道上运行这一自身条件的限制，会面临着电磁干扰的严重威胁。以L频段为例，如果选用该频段进行通信，则可能面临的电磁干扰数量和种类繁多，且不同干扰功率和带宽差异很大。除了不可避免的电磁环境随机干扰外，还可能存在一定的人为干扰，包括瞄准式干扰、欺骗式干扰等，会对低轨卫星通信造成一定程度的影响。为了保障可靠链路传输，现有的直接序列扩频技术通过增加扩频比的方法增强对干扰的抑制效果，但信号同步时间会成倍增加，从而导致通信时延增加，用户的实时通信效果大打折扣。同时，扩频比增大会导致星上硬件资源消耗、功率消耗大幅提高，星上载荷将难以承受大量的资源消耗与功耗。现有的多载波扩频技术虽具有较高的抗干扰容限，但由于各个子载波所在频点的电磁环境不同，各个子载波上干扰类型、干扰功率的大小以及被干扰带宽可能不尽相同，都可能导致子载波合并性能受损。

综上，目前亟需一种多载波扩频信号干扰抑制系统，用于解决上述现有技术存在的问题。

发明内容

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1为本发明提供的多载波扩频信号干扰抑制系统的示意图；

图2为本发明提供的多载波扩频信号干扰抑制系统的示意图；

图3为本发明提供的干扰抑制子模块的示意图；

图4为本发明提供的滤波器的示意图；

图5为本发明提供的多载波扩频信号干扰抑制的方法的流程示意图；

图6为本发明提供的多载波扩频信号干扰抑制的方法的流程示意图；

图7为本发明提供的短帧突发信号帧的结构图；

图8为本发明提供的电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1为本发明实施例提供的一种多载波扩频信号干扰抑制系统的示意图，该系统包括子载波信号处理模块100以及子带分集合并模块200。

具体的，子载波信号处理模块100用于采用第一自适应算法对接收到的子载波信号进行基带信号处理，得到第一解调信号。

需要说明的是，多个子载波信号中每个子载波信号的载波频率不同。

进一步地，子带分集合并模块200用于采用第二自适应算法更新多个第一解调信号的加权系数并根据加权系数对多个第一解调信号加权求和，得到第二解调信号。

在一种可能的实施方式中，第一自适应算法为最小二乘算法，第二自适应算法为最小均方算法。

需要说明的是，自适应算法还可以为变换域自适应滤波算法、仿射投影算法、共轭梯度算法、基于子带分解的自适应滤波算法、基于QR分解的最小二乘格型自适应滤波算法等，本发明实施例对此不做具体限定。

上述方案，在实际的星地信号传输的过程中，单个子载波信号的信噪比过低，通过子载波合并以获得更高的信噪比。通过自适应算法对子载波信号分集合并，提高了各个子载波上荷载的信息利用率，使得解调结果更准确，提升了干扰抑制容限，改善了通信链路的性能。

本发明实施例中，子载波信号处理模块包括下变频子模块1、低通滤波子模块2、干扰抑制子模块3、匹配滤波子模块4以及解调子模块5；

下变频子模块1用于对子载波信号的载波频率降频，得到基带信号；

低通滤波子模块2用于对基带信号进行低通滤波；

干扰抑制子模块3用于抑制基带信号的干扰；

匹配滤波子模块4用于提高基带信号的信噪比；

解调子模块5用于对基带信号解调。

具体的，本发明实施例将接收到的不同子载波信号分配到对应的子载波信号处理模块中进行基带信号处理。

进一步地，在每个子载波信号处理模块内部，依次通过下变频子模块、低通滤波子模块、干扰抑制子模块、匹配滤波子模块以及解调子模块，得到该子载波信号的解调信号。

进一步地，在子带分集合并模块中，将每个子载波信号处理模块得到的解调信号进行加权求和，得到最终的解调信号。

上述方案，通过在子载波信号处理模块中加入干扰抑制子模块，使得解调结果更准确。

在一种可能的实施方式中，如图2所示，子载波信号处理模块还包括捕获子模块6、跟踪子模块7以及解扩子模块8。

具体的，捕获子模块6用于捕获子载波信号；

跟踪子模块7用于跟踪子载波信号；

解扩子模块8用于对子载波信号进行解扩。

进一步地，解调子模块5包括载波同步子模块9以及频偏补偿相偏补偿子模块10。

具体的，载波同步子模块9用于对子载波信号进行载波同步；

频偏补偿相偏补偿子模块10用于对子载波信号进行频偏补偿相偏补偿。

进一步地，干扰抑制子模块包括滤波器以及控制器；

滤波器用于获取滤波器系数以及基带信号，根据滤波器系数以及基带信号确定输出信号；

控制器用于获取输出信号以及期望响应，根据输出信号以及期望响应确定误差，根据误差采用第一自适应算法更新滤波器系数。

本发明实施例中，干扰抑制子模块采用基于时域抵消的自适应干扰抑制技术。

具体的，时域抵消技术主要基于扩频信号与窄带干扰信号在相关性的差异，通过估计实时干扰，然后在解扩之前从当前样值中减去预测值，从而消除干扰的影响，提高系统的性能。

进一步地，图3为本发明实施例提供的干扰抑制子模块的示意图。其中，x为滤波器的输入，y为滤波器的输出，d是期望响应，e=d-y为误差，w为控制器采用第一自适应算法进行迭代更新的滤波器系数。

在一种可能的实施方式中，时域抵消技术采用线性预测滤波器。

需要说明的是，线性预测滤波器由序列的一些已知值去估计序列的未知值，结构为横向滤波器。

如图4所示，其中

为输入滤波器的采样数据，

为滤波器系数，

为奈奎斯特采样间隔，

为输入信号

经过滤波后的输出。滤波器系数通过第一自适应算法更新。

在一种可能的实施方式中，第一自适应算法为最小二乘算法。

具体的，本发明实施例中，以加权误差平方和的代价函数最小为最优化目标，通过滤波器的输出信号与期望响应进行比对，通过最小二乘算法对滤波器系数进行更新。

进一步地，最小二乘算法考虑的是指数加权的优化问题，优化目标函数如下所示：

其中，

为代价函数，

为滤波器系数向量，

为遗忘因子，

，

为误差向量，

为滤波器输出向量，

为滤波器输入向量。

本发明实施例中，最小二乘算法的具体步骤如下：

S11：初始化滤波器系数向量

，矩阵

,其中，

。

S12：迭代更新，计算增益向量

，其中

为输入向量，

为

的共轭转置，

为遗忘因子，有

。

S13：计算自相关矩阵的逆矩阵如下：

S14：计算误差向量

，其中

为滤波器输出向量，

为上一次迭代的滤波器系数的共轭转置。

S15：更新滤波器系数向量

。

基于上述步骤，重复步骤2到步骤5即可迭代更新滤波器系数。

上述方案，针对各个子载波上受干扰情况，改善各个子载波输出干信比，降低了硬件资源消耗，实现了在载荷受限的硬件资源上减小干扰对通信性能带来的影响。

基于上述多载波扩频信号干扰抑制系统，图5示例性的示出了本发明实施例提供的一种多载波扩频信号干扰抑制的方法的流程。该流程可以由上述多载波扩频信号干扰抑制系统执行。

如图5所示，该流程具体包括：

步骤501，获取多个子载波信号。

步骤502，采用第一自适应算法对多个子载波信号进行基带信号处理，得到多个第一解调信号。

具体的，针对每个子载波信号，通过下变频子模块对子载波信号的载波频率降频，得到基带信号；

通过低通滤波子模块对基带信号进行低通滤波；

通过干扰抑制子模块抑制基带信号的干扰；

通过匹配滤波子模块提高基带信号的信噪比；

通过解调子模块对基带信号解调，得到第一解调信号。

步骤503，采用第二自适应算法更新多个第一解调信号的加权系数。

步骤504，根据加权系数对多个第一解调信号加权求和，得到第二解调信号。

本发明实施例在步骤502中，具体的流程如图6所示，如下：

步骤601，获取干扰抑制子模块的滤波器系数以及期望响应。

步骤602，根据滤波器系数以及基带信号确定输出信号。

步骤603，根据输出信号以及期望响应确定误差。

步骤604，根据误差采用第一自适应算法更新滤波器系数。

上述方案，采用自适应算法对滤波器系数进行更新，从而在干扰存在的情况下改善各个子载波的输出干信比。

在一种可能的实施方式中，第二自适应算法为最小均方算法。

具体的，合并方式是调整各个子载波信号的权值，使信号估计均方误差最小，步骤如下：

S21：初始化权值系数向量

。

S22：迭代更新，计算输出向量

，其中

为子载波解调信号向量。

S23：计算误差

。

S24：更新权重系数

，其中

为迭代步长，有

。

本发明实施例中，各个子载波所在频点受到干扰的类型、功率和带宽不同，为了有效利用各个子载波上的解调结果来增强接收的可靠性，本发明实施例利用已知内容的帧字段对分集合并的权值系数进行估计，以使子载波解调结果按照最大信噪比准则进行分集合并。

进一步地，本发明实施例在步骤503中，获取各个第一解调信号的信噪比；

采用第二自适应算法根据各个第一解调信号的信噪比更新多个第一解调信号的加权系数。

具体的，短帧突发信号的帧结构包括三部分：码捕获导频头、帧同步字段和业务数据字段，帧结构如图7所示。对于二进制相移键控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）信号，码捕获导频头发送全“1”信号，用来信号的捕获，其长度为Nacq。帧同步字段一般采用伪随机序列，交替发送“0”和“1”信号用作帧同步，其长度为N₀。业务数据字段用来传输数据，其长度为N。

进一步地，基于帧同步字段和业务数据字段的统计特性，得出各个子载波信号处理模块输出信号的信噪比，调整分集合并过程中各子载波信号的权重，令解调输出信噪比较高的子载波信号获得较大的加权系数，从而使合并结果总体的均方误差最小。

上述方案，采用突发帧中已知的帧结构字段作为训练序列，通过短帧突发信号帧结构对子载波干信比进行估计得到加权系数，按照最大信噪比准则得到子带分集合并权向量，各个子载波间根据加权系数进行分集合并，提高了各个子载波上荷载的参量信息的利用率，提高了星地链路通信的可靠性。

基于相同的发明构思，本发明又一实施例提供了一种电子设备，参见图8，所述电子设备具体包括如下内容：处理器801、存储器802、通信接口803和通信总线804；

其中，所述处理器801、存储器802、通信接口803通过所述通信总线804完成相互间的通信；所述通信接口803用于实现各设备之间的信息传输；

所述处理器801用于调用所述存储器802中的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述多载波扩频信号干扰抑制的方法的全部步骤，例如，所述处理器执行所述计算机程序时实现下述步骤：获取多个子载波信号；所述多个子载波信号中每个子载波信号的载波频率不同；采用所述第一自适应算法对所述多个子载波信号进行基带信号处理，得到多个第一解调信号；采用所述第二自适应算法更新所述多个第一解调信号的加权系数；根据所述加权系数对所述多个第一解调信号加权求和，得到第二解调信号。

基于相同的发明构思，本发明又一实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述多载波扩频信号干扰抑制的方法的全部步骤，例如，所述处理器执行所述计算机程序时实现下述步骤：获取多个子载波信号；所述多个子载波信号中每个子载波信号的载波频率不同；采用所述第一自适应算法对所述多个子载波信号进行基带信号处理，得到多个第一解调信号；采用所述第二自适应算法更新所述多个第一解调信号的加权系数；根据所述加权系数对所述多个第一解调信号加权求和，得到第二解调信号。

此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，多载波扩频信号干扰抑制系统，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，多载波扩频信号干扰抑制系统，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的多载波扩频信号干扰抑制的方法。

此外，在本发明中，诸如“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

此外，在本发明中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

此外，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种多载波扩频信号干扰抑制系统，其特征在于，包括：多个子载波信号处理模块以及子带分集合并模块；

所述多个子载波信号处理模块用于分别采用第一自适应算法对接收到的多个子载波信号进行基带信号处理，得到多个第一解调信号；所述多个子载波信号中每个子载波信号的载波频率不同；

所述子带分集合并模块用于采用第二自适应算法更新所述多个第一解调信号的加权系数并根据所述加权系数对所述多个第一解调信号加权求和，得到第二解调信号。

2.根据权利要求1所述的多载波扩频信号干扰抑制系统，其特征在于，所述子载波信号处理模块包括下变频子模块、低通滤波子模块、干扰抑制子模块、匹配滤波子模块以及解调子模块；

所述下变频子模块用于对所述子载波信号的载波频率降频，得到基带信号；

所述低通滤波子模块用于对所述基带信号进行低通滤波；

所述干扰抑制子模块用于抑制所述基带信号的干扰；

所述匹配滤波子模块用于提高所述基带信号的信噪比；

所述解调子模块用于对所述基带信号解调。

3.根据权利要求2所述的多载波扩频信号干扰抑制系统，其特征在于，所述干扰抑制子模块包括滤波器以及控制器；

所述滤波器用于获取滤波器系数以及所述基带信号，根据所述滤波器系数以及所述基带信号确定输出信号；

所述控制器用于获取所述输出信号以及期望响应，根据所述输出信号以及所述期望响应确定误差，根据所述误差采用所述第一自适应算法更新所述滤波器系数。

4.一种基于权利要求1至3任一项所述多载波扩频信号干扰抑制系统的多载波扩频信号干扰抑制的方法，其特征在于，包括：

获取多个子载波信号；所述多个子载波信号中每个子载波信号的载波频率不同；

采用所述第一自适应算法对所述多个子载波信号进行基带信号处理，得到多个第一解调信号；

采用所述第二自适应算法更新所述多个第一解调信号的加权系数；

根据所述加权系数对所述多个第一解调信号加权求和，得到第二解调信号。

5.根据权利要求4所述的多载波扩频信号干扰抑制的方法，其特征在于，所述采用所述第一自适应算法对所述多个子载波信号进行基带信号处理，得到多个第一解调信号，包括：

针对每个子载波信号，通过下变频子模块对所述子载波信号的载波频率降频，得到基带信号；

通过低通滤波子模块对所述基带信号进行低通滤波；

通过干扰抑制子模块抑制所述基带信号的干扰；

通过匹配滤波子模块提高所述基带信号的信噪比；

通过解调子模块对所述基带信号解调，得到所述第一解调信号。

6.根据权利要求5所述的多载波扩频信号干扰抑制的方法，其特征在于，所述通过干扰抑制子模块抑制所述基带信号的干扰，包括：

获取所述干扰抑制子模块的滤波器系数以及期望响应；

根据所述滤波器系数以及所述基带信号确定输出信号；

根据所述输出信号以及所述期望响应确定误差；

根据所述误差采用所述第一自适应算法更新所述滤波器系数。

7.根据权利要求4所述的多载波扩频信号干扰抑制的方法，其特征在于，所述第一自适应算法为最小二乘算法；所述第二自适应算法为最小均方算法。

8.根据权利要求4所述的多载波扩频信号干扰抑制的方法，其特征在于，所述采用所述第二自适应算法更新所述多个第一解调信号的加权系数，包括：

获取各个第一解调信号的信噪比；

采用所述第二自适应算法根据所述各个第一解调信号的信噪比更新所述多个第一解调信号的加权系数。

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求4至8任一项所述方法的步骤。

10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求4至8任一项所述方法的步骤。