CN113824488B - 基于判决反馈自适应对消的卫星通信非恶意干扰抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于判决反馈自适应对消的卫星通信非恶意干扰抑制方法，属于卫星通信技术领域。该方法利用非恶意干扰易获取频点、带宽等先验知识的优势，能够有效解决卫星通信中频域重叠非恶意干扰的抑制问题，适用于不同调制方式的扩频和非扩频卫星通信传输链路。该干扰抑制方法对卫通通信信号的调制方式和扩频处理无特殊要求，能够适用于不同的卫星通信传输链路，具有强的适应能力。

Description

基于判决反馈自适应对消的卫星通信非恶意干扰抑制方法

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，特别涉及一种基于判决反馈自适应对消的卫星通信非恶意干扰抑制方法，可用于不同调制方式的扩频和非扩频卫星通信传输系统。

背景技术

目前，卫星通信因其通信距离远和不受地理地貌限制等优势，得到了广泛应用。同时，卫星通信覆盖了从UHF、S、X、Ku和Ka等多个频段，频率范围可达几十个GHz。由于卫星通信工作频段广和传输信道的开放性，导致其传输链路不可避免地面临来自其他系统或用户的非恶意强干扰，将恶化链路传输性能，其中以UHF/S频段最为严重，比如地面雷达、移动4G、民航通信、地面集群等系统发射的同频或邻道信号等。因此，对于卫星通信传输系统需要进一步研究如何有效抑制频域重叠的非恶意强干扰。

卫星通信系统传输链路中的非恶意干扰相比于对抗环境中的恶意干扰，通常具有固定不变和部分参数已知的特点。因此，可充分利用非恶意干扰的先验知识，实现对卫星通信系统传输链路中非恶意干扰的有效抑制。在研究UHF频段卫星通信系统上行和下行链路干扰特性的基础上，利用干扰检测技术和动态信道分配相结合，能够一定程度上避免非恶意干扰，进而提高系统可用性，具体可参见文献：刘爱军，王杭先“UHF频段卫星通信系统干扰分析及检测技术研究”，军事通信技术，2007年，12卷，第4期，页码：21-25。对于直接序列扩频传输链路中的窄带干扰，可利用条件约束非线性内插滤波方法实现抑制，但对信号带宽有较为严格的限制，具体可参见文献：Leslie A R，Vincent P H“NarrowbandInterference Suppression in CDMA Spread Spectrum Communications”，IEEETransactions on Communications，1994年，42卷，第4期，页码：1969-1979。对于扩频传输系统中的窄带干扰抑制，还可采用小波变换和IIR格型滤波等抑制方法，不过小波变换实现复杂，而格型滤波只能适用于近似单音的极窄带干扰，具体可参见文献：王桁，吕智勇，杨龙“DSSS卫星通信中基于小波包变换的干扰抑制方法”，系统工程与电子技术，2016年，38卷，第6期，页码：1417-1422；龚文飞，吴嗣亮，李加琪“直扩系统中IIR格型滤波器抑制窄带干扰新方法与性能分析”，电子与信息学报，2010年，32卷，第10期，页码：2473-2478。在能够恢复干扰信号情况下，可采用干扰对消与信道失真补偿的方法对接收的干扰信号进行抑制，通过干扰信道状态估计和相应评判准则下的信号失真补偿实现干扰的有效抑制，具体可参见文献：Zhang S，Liew S，Wang H“Blind Known Interference Cancellation”，IEEEJournal on SelectedAreas in Communications，2013年，31卷，第8期，页码：1572-1582。

但是，对于卫星通信系统应用，不可避免面临资源冲突或者其他系统信号的干扰。因此，如何有效抑制传输链路的非恶意干扰问题，成为提升卫星通信系统传输性能的关键。

发明内容

本发明针对卫星通信系统，为实现对非恶意干扰的有效抑制，进而显著提升系统的链路传输整体性能，提供一种基于判决反馈自适应对消的卫星通信非恶意干扰抑制方法。该方法对干扰信号带宽无特殊要求，能够适用于不同调制方式的扩频和非扩频卫星通信传输链路。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于判决反馈自适应对消的卫星通信非恶意干扰抑制方法，其应用于卫星通信系统，用于对卫星通信信号进行非恶意干扰抑制处理，包括如下步骤：

(1)对模数转换器输出的数字卫星通信信号进行处理，以期望信号频率为中心，设定需要进行干扰检测的接收带宽B_Δ，在该带宽内进行干扰信号检测；

(2)当接收信号中存在干扰时，依据包括估计或已知的干扰频点、带宽和调制方式在内的先验知识，从接收信号中恢复干扰信号，同时以多项式模型构造干扰信号的非线性分量；

(3)以重构的干扰信号作为自适应对消的参考信号，通过快速收敛自适应算法实现接收信号中的干扰抑制，自适应对消误差信号即为干扰抑制输出的待解调期望信号。

进一步的，步骤(1)包括以下步骤：

(1-1)依据卫星通信信号传输性能要求，确定模数转换器采样接收信号带宽B_Δ，确保距离接收中心频点f_i间隔不小于B_Δ/2的信号将不对期望信号产生影响；

(1-2)对接收信号的数据序列r(n)进行加窗离散傅里叶变换处理：

式中，N表示傅里叶变换点数，X(k)表示变换输出，DFT(x)表示对x进行离散傅里叶变换计算，W_N表示窗函数，w(n)表示窗函数对应的系数；

(1-3)对序列X(k)修正，得到对称的频谱序列X_i(k)；计算X_i(k)的模值，与设定检测门限γ比较，若存在大于门限的模值，则表示存在干扰，此时，依据大于门限的模值所对应的位置，估计干扰信号中心频率。

进一步的，步骤(2)包括以下步骤：

(2-1)根据干扰信号检测结果和预知的先验知识，确定干扰信号的中心频率f_J、带宽B_J和调制方式；

(2-2)对接收信号进行数字混频，将干扰信号变至零频，在完成抽取和匹配滤波处理之后，进行定时和解调映射，得到干扰信号的0、1序列；

(2-3)根据解调映射输出的干扰0、1序列，进行原干扰信号调制方式的调制映射、内插和成形滤波处理，得到重构的基带干扰信号；

(2-4)利用多项式模型和重构的基带干扰信号构建其非线性分量，对重构干扰信号的线性和非线性分量进行混频，将频谱中心频率搬移至f_J，完成干扰信号重构。

进一步的，步骤(3)包括以下步骤：

(3-1)利用迭代变步长最小均方算法构造自适应对消器，确定最小均方算法的阶数；

(3-2)将干扰通道重构的干扰信号线性和非线性分量作为自适应对消参考信号，调整期望信号接收通道的延时与参考信号处理时延相匹配，将延时后的接收信号与加权的参考信号相减；

(3-3)依据接收信号与参考信号相减后的误差，反馈调整自适应对消器的加权系数，保证输出的误差信号均方值最小，完成自适应对消，将收敛状态下的稳态误差作为干扰抑制的输出信号。

本发明的有益效果在于：

1、本发明能够对卫星通信传输链路的干扰进行有无检测，同时实现非恶意干扰的有效抑制。

2、本发明对卫通通信信号的调制方式和扩频处理无特殊要求，能够适用于不同调制方式的扩频和非扩频卫星通信传输链路，具有较强的适应能力。

3、本发明利用非恶意干扰易获取频点、带宽等先验知识的优势，能够有效解决卫星通信中频域重叠非恶意干扰的抑制问题。

4、相比于频域陷波等干扰抑制方法，本发明能够显著降低对期望信号的损伤。

总之，本发明在进行干扰有无检测基础上，充分利用非恶意干扰易获取的先验知识，对接收信号中的干扰进行解调判决，再进行调制映射重构，以重构的干扰信号作为参考，利用快速收敛算法实现与接收信号的自适应对消，进而有效抑制接收信号中的非恶意干扰。

附图说明

图1为本发明实施例方法的原理框图；

图2为本发明实施例中非恶意干扰检测的实现原理图；

图3为本发明实施例中在不同信噪比条件下的干扰抑制性能图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步说明。

一种基于判决反馈自适应对消的非恶意干扰源抑制方法，包括：

(1)该干扰抑制方法以ADC采样后的数字处理为基础，对接收的宽带信号实现干扰检测；

(2)通过“解调+调制”架构实现干扰信号重构，重构采用多项式模型构造干扰的非线性分量；

(3)以重构的干扰信号为参考，与延迟后的接收混合信号相减，利用迭代变步长最小均方算法进行自适应对消；

(4)在自适应对消收敛状态下，对消输出的误差信号即可作为待解调的干扰抑制后信号。

其采用如下具体步骤实现：

首先，进行卫星通信系统的非恶意干扰检测以期望信号接收频率为中心，在B_Δ频带范围内检测是否有强的其他信号存在，干扰通道提供干扰信号的频率、带宽和调制方式等特征参数。

对带宽B_Δ的采样信号r(n)，截取长度为N的序列进行N点加窗离散傅里叶变换，得到相应的频谱函数X(k)。因X(k)用以检测干扰并估计频率、带宽和调制方式等参数，所以其频率分辨率需要满足干扰参数估计的需求。

利用窗函数W_N对基带信号r(n)进行加窗和N点DFT变换：

由于DFT变换得到序列包含正负频率分量，对序列X(k)修正，得到对称的频谱序列X_i(k)：

计算X_i(k)模值，并与门限γ比较，得到最终检测结果。

存在干扰情况下，对接收信号中的干扰进行解调和再调制，同时进行频谱搬移，得到重构的干扰信号

再根据期望信号接收通道的L阶匹配滤波响应h(n)和多项式非线性模型计算线性和非线性分量，过程如下：

其中，k表示设置的非线性参数，通常取值为1，k₁＝2(k-1)+1，k₂＝2k+1，k₃＝2(k+1)+1表示非线性分量阶数，取值为1时表示线性分量。

设定最小均方算法阶数M，将重构干扰信号的各阶分量作为最小均方算法的参考信号输入向量

过程描述为：

其中，M＝M₁+M₂+M₃。

采用最小均方算法，以信号接收通道处理和延时调整的信号r_d(n)作为期望信号，重构的干扰信号

作为参考信号，自适应对消过程描述如下：

其中，e(n)为对消输出的误差信号，w_M为最小均方算法的加权系数向量，

和

分别为M₁×M₁、M₂×M₂和M₃×M₃维的单位矩阵，μ₁(n)、μ₂(n)和μ₃(n)分别为1阶、2阶和3阶参考信号所对应的不同时刻步长因子。在最小均方算法处于收敛状态后，误差信号e(n)即为判决反馈自适应对消干扰抑制的输出结果。

该方法可对卫星通信系统中的非恶意干扰进行有效抑制，能够消除频域重叠非恶意干扰对链路传输性能的影响，显著降低其传输误码率，进而提升系统的整体传输性能。

以下为一个更具体的例子：

设定某卫星通信系统采用8倍扩频的BPSK调制方式，扩频后的码片速率为9.6Mcps，其他系统产生的非恶意干扰同样为BPSK调制信号，其符号速率为960ksps，即干扰与通信信号的带宽占比为10％，采用的最小均方算法阶数为60，多项式非线性模型设为3阶，干扰信号的邻道功率比约为30dB。

在上述实例参数条件下，采用高斯白噪声信道对本发明的干扰抑制方法进行性能仿真，统计平均1000次蒙特卡罗仿真结果。图3中为不同信干比情况下，本方法在收敛状态时对非恶意干扰的抑制比随接收信号信噪比的变化曲线。可见，本方法在传输信道信噪比不低于10dB时，对干信比大于等于0dB的干扰，均能够取得20dB以上的干扰抑制比，实现对非恶意干扰的有效抑制。

总之，本发明方法在进行干扰有无检测基础上，充分利用非恶意干扰易获取的先验知识，实现干扰信号的时域重构和自适应对消，完成接收信号中干扰分量的有效抑制，相比于常用频域陷波方法能够减小对期望信号频谱的损伤，具有更高的处理增益。本发明方法可适用于不同调制方式的扩频和非扩频传输链路，能够有效抑制卫星通信系统面临的非恶意干扰，为改善系统传输性能提供有力支撑。

Claims (1)

1.一种基于判决反馈自适应对消的卫星通信非恶意干扰抑制方法，其特征在于，应用于卫星通信系统，用于对卫星通信信号进行非恶意干扰抑制处理，包括如下步骤：

（1）对模数转换器输出的数字卫星通信信号进行处理，以期望信号频率为中心，设定需 要进行干扰检测的接收带宽

，在该带宽内进行干扰信号检测；具体方式如下：

（1-1）依据卫星通信信号传输性能要求，确定模数转换器采样接收信号带宽

，确保距 离接收中心频点

间隔不小于

的信号将不对期望信号产生影响；

（1-2）对接收信号的数据序列

进行加窗离散傅里叶变换处理：

式中，N表示傅里叶变换点数，

表示变换输出，

表示对x进行离散傅里叶变换 计算，

表示窗函数，

表示窗函数对应的系数；

（1-3）对序列X(k)修正，得到对称的频谱序列

；计算

的模值，与设定检测门限

比较，若存在大于门限的模值，则表示存在干扰，此时，依据大于门限的模值所对应的位 置，估计干扰信号中心频率；

（2）当接收信号中存在干扰时，依据包括估计或已知的干扰频点、带宽和调制方式在内的先验知识，从接收信号中恢复干扰信号，同时以多项式模型构造干扰信号的非线性分量；具体方式如下：

（2-1）根据干扰信号检测结果和预知的先验知识，确定干扰信号的中心频率

、带宽

和调制方式；

（2-2）对接收信号进行数字混频，将干扰信号变至零频，在完成抽取和匹配滤波处理之后，进行定时和解调映射，得到干扰信号的0、1序列；

（2-3）根据解调映射输出的干扰0、1序列，进行原干扰信号调制方式的调制映射、内插和成形滤波处理，得到重构的基带干扰信号；

（2-4）利用多项式模型和重构的基带干扰信号构建其非线性分量，对重构干扰信号的 线性和非线性分量进行混频，将频谱中心频率搬移至

，完成干扰信号重构；

（3）以重构的干扰信号作为自适应对消的参考信号，通过快速收敛自适应算法实现接收信号中的干扰抑制，自适应对消误差信号即为干扰抑制输出的待解调期望信号；具体方式如下：

（3-1）利用迭代变步长最小均方算法构造自适应对消器，确定最小均方算法的阶数；

（3-2）将干扰通道重构的干扰信号线性和非线性分量作为自适应对消参考信号，调整期望信号接收通道的延时与参考信号处理时延相匹配，将延时后的接收信号与加权的参考信号相减；

（3-3）依据接收信号与参考信号相减后的误差，反馈调整自适应对消器的加权系数，保证输出的误差信号均方值最小，完成自适应对消，将收敛状态下的稳态误差作为干扰抑制的输出信号。

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