直序擴頻通信中窄帶干擾抑制算法的研究 本科生畢業(yè)設計

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1、 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書（2013） 直序擴頻通信中窄帶干擾抑制算法研究 專業(yè) 學生姓名 班級 學號 指導教師 完成日期 直序擴頻通信中窄帶干擾抑制算法的研究 摘 要：擴頻通信是指用于傳輸信號的信道帶寬遠遠大于信號自身帶寬的一種通信方式，它在抗噪聲、抗干擾、抗多徑衰落、碼分多址、信號隱蔽性和保密性等方面具有較傳統(tǒng)無線通信方式無可比擬的優(yōu)勢，從而與光纖通信、衛(wèi)星通信一同被譽為信息時代三大主流通信傳輸方式。

2、由于擴頻通信獨具特色，自誕生之日起，就受到軍方的極大重視。近十年來，隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展與日益普及，擴頻通信技術(shù)已在軍用和民用通信領(lǐng)域得到廣泛應用，并伴隨GPS衛(wèi)星定位、CDMA或3G手機等產(chǎn)品迅速進入大眾生活。 介紹擴頻通信的基本原理，主要特點和工作方式，重點討論了直序擴頻通信中窄帶干擾抑制算法的研究，列舉了4種干擾抑制方案，經(jīng)過分析，最后采用FFT重疊變換干擾抑制算法，并用Matlab軟件中的Simulink模塊對其進行仿真，仿真中信息數(shù)碼率為1Kb/s,擴頻碼率為255Kb/s，載波為510KHz,高斯白噪聲信噪比為10dB,單音窄帶干擾中心頻率為510KHz,信干比為-2dB。仿真

3、結(jié)果表明，基于FFT的干擾抑制技術(shù)能夠有效的抑制干擾，達到預期的效果。 關(guān)鍵詞：擴頻通信；窄帶干擾；直序擴頻；FFT重疊變換。 Research of Narrowband Interference Suppression Algorithm in Direct Sequence Spread Spectrum Communication Abstract: The spread spectrum communication means that the channel bandwidth for transmit

4、ting signal is much greater than the bandwidth of the signal itself. It has unparalleled advantages for anti-noise, interference, resistance to multipath fading, code division multiple access, signal concealment and secrecy and so on compare with a traditional wireless communication, thus it is know

5、n as one of the three mainstream communications in the information age with the fiber optic communications and the satellite communications. Because the spread spectrum communication is unique, since the date of its birth, it was paid attention to by military. Over the past decade, with the rapid de

6、velopment of information technology and the increasing popularity, spread spectrum communication technology has been widely used in the field of military and civilian communication. and quickly come into public life accompanying the GPS satellite positioning, CDMA or 3G mobile phones and other produ

7、cts. The basic principles of spread spectrum communication, the main characteristics and working methods are introduced, narrowband interference suppression algorithm is discussed in the direct sequence spread spectrum communication. Four kinds of interference suppression schemes are listed, af

8、ter analysis, and finally lapped transform interference suppression algorithm based on FFT is simulated using simulink of MATLAB. In simulation, speed of digital information is 1Kb/s, rate of spreading code is 255Kb/s, the frequency of carrier is 510KHz, SNR of Gaussian white noise communication cha

9、nnel is 10dB, frequency of interference is 510KHz, ratio of signal and interference is -2dB. Simulation results show that the interference suppression technique based on FFT can effectively suppress interference to achieve the desired results. Key words: Spread spectrum communication; narrowband

10、interference; Direct Sequence Spread Spectrum; FFT lapped transform. 目 錄 1 緒論.............................................................1 2 課題研究的背景與意義.............................................2 2.1 課題研究的背景.................................................2

11、2.2 課題研究的意義.................................................2 3 擴頻通信系統(tǒng)介紹.................................................3 3.1擴頻的概念......................................................3 3.1.1擴頻通信的理論基礎(chǔ)............................................3 3.1.2擴頻通信的主要性能指標.................................

12、.......4 3.1.3擴頻通信的主要特點............................................4 3.2擴頻通信原理及工作方式..........................................6 3.2.1擴頻通信的工作原理............................................6 3.2.2擴頻通信的工作方式............................................7 4直序擴頻通信中窄帶干擾抑制算法研究..............................

13、..9 4.1時域線性自適應算法..............................................9 4.2時域非線性自適應算法...........................................11 4.3頻域自適應算法.................................................12 4.4 FFT重疊變換干擾抑制算法.......................................14 5窄帶干擾抑制算法的仿真.......................................

14、....18 5.1干擾信號的產(chǎn)生.................................................18 5.2 干擾抑制模塊的仿真.............................................20 5.3 仿真結(jié)果分析...................................................29 結(jié)束語.............................................................33 參考文獻..............................

15、.............................34 致謝...............................................................35 直序擴頻通信中窄帶干擾抑制算法的研究 1 緒論 隨著人類社會進入信息社會，通信現(xiàn)代化是人類社會進入信息時代的重要標志。如何在惡劣的環(huán)境條件下，有效，準確，迅速地溝通，是今天的通信工作者面臨的重大課題。擴頻通信是一種新的通信手段，在現(xiàn)代通信系統(tǒng)，其強大的抗干擾，抗衰落和多徑衰落，頻譜利用率高，多址通信等諸多優(yōu)點

16、越來越多的被人們了解，廣泛的被應用于軍事通信和民用通信的各個領(lǐng)域，從而推動電信行業(yè)的快速發(fā)展。 擴頻通信（Spread Spectrum Communication），與光纖通信，衛(wèi)星通信，一起被稱為信息時代的三大高科技通訊方式。 擴頻通信是將要傳送的信息數(shù)據(jù)被偽隨機碼調(diào)制，在傳輸之前的頻譜擴展的頻譜擴展通信，接收側(cè)使用相同的編碼解調(diào)和相關(guān)處理，以恢復原始信息數(shù)據(jù)。 此通信方法和常規(guī)的窄道通信方法是有區(qū)別的： 首先，信息在頻譜擴展后形成寬帶傳輸，其次，相關(guān)處理后恢復成窄帶信息數(shù)據(jù)。 偽隨機序列在擴頻通信中起著非常重要的作用。直擴系統(tǒng)中，用偽隨機

17、序列將傳輸信息擴展，在接收時又用它將信號壓縮，并使干擾信號功率擴散，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力；偽隨機序列性能的好壞直接關(guān)系到整個系統(tǒng)性能的好壞，是一個至關(guān)重要的問題。 擴頻信號接收一般分為兩個步驟，即解擴和解調(diào)，這是系統(tǒng)的性能優(yōu)劣的關(guān)鍵。解擴是在偽隨機碼同步的情況下，通過對接收信號的相關(guān)處理從而獲得處理增益，以提高信號的信噪比，使系統(tǒng)的誤碼率性能得到改善。 序列的解擴和解調(diào)一般不能逆轉(zhuǎn)，通常是先解擴再解調(diào)，這是，因為在未解擴之前信噪比很低，一般的解調(diào)方法是難以實現(xiàn)。 由于這些技術(shù)的應用，使擴頻通信具有以下優(yōu)點： a.強大的抗干擾能力。這種能力的大小和處理增益成正

18、比。 b.具有較強的隱蔽性和反竊聽的能力。擴展頻譜信號的譜密度非常低，可使信號在噪聲中丟失。 c.具有選址能力，可以實現(xiàn)碼分多址。擴頻系統(tǒng)本就是一種碼分多址通信系統(tǒng)。 d.抗衰落，特別是針對頻率選擇性。直接序列信號的頻譜很寬，一小部分衰落的影響不大。 e.抗多徑干擾。利用偽隨機碼的相關(guān)特性，只要多徑時延超過了偽隨機碼的一個切譜，通過相關(guān)處理后可消除干擾影響。 f.高精度測量。使用直擴系統(tǒng)中的偽隨機碼的相關(guān)特性，可以完成高精度的測距和定位。 正是因為擴頻通信技術(shù)具有上述優(yōu)點，被廣泛應用于軍事通信，電子對抗，導航，測量等領(lǐng)域，直到20世紀80年

19、代初，才用于民用通信領(lǐng)域。為了滿足日益增長的民用通信需求，并有效地利用頻譜資源，各國提出了在數(shù)字蜂窩移動通信，衛(wèi)星移動通信和未來的個人通信中采用擴頻技術(shù)，擴頻技術(shù)現(xiàn)在廣泛應用在手機，無繩電話，微波通信，無線數(shù)據(jù)通信，遙測，監(jiān)控，報警系統(tǒng)中。 2 課題研究的背景與意義 2.1課題研究的背景 擴展頻譜技術(shù)（Spread Spectrum）又叫擴頻技術(shù)，是最近開發(fā)了一種新的技術(shù)，用來提高無線信息傳輸效率，充分利用有限的頻譜資源。擴頻技術(shù)采用兩種方式：一種是直接序列擴頻技術(shù)，另一種是跳頻擴頻技術(shù)，前一種使用的比較多。 擴頻通信的產(chǎn)品已經(jīng)越來越廣泛的應用，是因為它具有以下特點：防止阻塞能力;

20、抗干擾性強，低誤碼率；可與窄帶無線通信共存；實現(xiàn)有效利用頻譜；適用于數(shù)字語音和數(shù)據(jù)傳輸；安裝方便，成本低。擴頻技術(shù)的優(yōu)勢，在通信行業(yè)已被確認。無論是在城市地區(qū)，如證券，金融，商業(yè)零售網(wǎng)點，信息傳輸，信用卡網(wǎng)絡，或公安網(wǎng)，工業(yè)區(qū)，或者偏遠的農(nóng)村地區(qū)，油田，山區(qū)，建立擴頻數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡是一個投資小，安裝方便，見效快，可靠性高，實用的方法。 擴頻通信廣泛適用于話音，數(shù)據(jù)，圖像，高速文件傳輸，視頻等用途。典型的應用包括：a.區(qū)域網(wǎng)絡點對點和點對多點的語音/數(shù)據(jù)通信；b.LAN互聯(lián)網(wǎng)；c.E1（2.048 Mbps）連接；d.視頻會議；e.“最后一公里”連接；f.緊急事件，抗險救災通信。可接到擴頻調(diào)制解

21、調(diào)器的設備有電腦，網(wǎng)橋，路由器，語音/數(shù)據(jù)復接設備等。 2.2 課題研究的意義 MATLAB是Mathworks公司推出的數(shù)學應用軟件，經(jīng)過多年的發(fā)展，已開發(fā)出包括通信系統(tǒng)的多個工具箱，并成為目前的科學研究、工程應用中最流行的軟件包之一。 Simulink是MATLAB中一種可視化仿真工具，是可實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模，仿真和分析的集成環(huán)境，廣泛應用于線性系統(tǒng)，非線性系統(tǒng)，數(shù)字控制，數(shù)字信號處理的建模與仿真中。 Simulink的主要功能，允許用戶通過簡單的鼠標點擊和復制命令建立直觀的系統(tǒng)框圖模型，用戶可以自由地改變模型中的參數(shù)，更改參數(shù)后，您可以立即看到結(jié)果，從而達到方便快速，輕松地建模和仿真的

22、目的。 Simulink對擴頻通信的仿真研究有一個非常現(xiàn)實的實際意義，因為通過C / VHDL代碼生成工具，可以快速將驗證之后的算法在DSP芯片硬件實現(xiàn)，可以大大簡短通信產(chǎn)品的開發(fā)周期。 3 擴頻通信系統(tǒng)介紹 3.1 擴頻的概念 擴頻通信（Spread Spectrum Communication），可簡單地表示如下：“擴頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方法，信號的通頻帶寬度遠遠大于所需的最低限度的信息帶寬;頻帶的擴展是通過一個單獨的代碼序列是完成的，用編碼和調(diào)制來實現(xiàn)，與所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)無關(guān);在接收端用相同的代碼同步接收，解擴和數(shù)據(jù)恢復”。 這個定義包括了以下三個方面的含義：

23、 a.信號的頻譜變寬。 b.使用擴頻碼序列調(diào)制來展寬信號的頻譜。 c.在接收端，用相關(guān)解調(diào)來解擴。 3.1.1擴頻通信的理論基礎(chǔ) 長期以來，人們一直認為使信號占用的頻譜盡可能窄的一個充分利用寶貴的頻譜資源的方法。為什么要使用寬頻帶信號發(fā)送信息？答案很簡單，主要是為了通信安全和可靠。 擴頻通信的基本特點，所占用的傳輸信號的頻帶寬度（W）要遠遠大于原始信息實際所需的最?。ㄓ行В挘―F），該比率被稱為處理增益Gp。 眾所周知，信息的有效傳輸都需要一定的頻率寬度，如語音為1.7-3.1KHZ，電視圖像有幾兆赫寬。為了充分利用有限的頻率資源

24、，增加路徑的數(shù)目，人們選擇不同調(diào)制方式，采用寬頻信道（同軸電纜，光纖和微波等），壓縮頻帶及其他措施，力爭使得傳輸介質(zhì)中的傳輸信號占用的帶寬盡可能窄。在今天使用的廣播、電話系統(tǒng)中，無論是采用調(diào)頻，調(diào)幅或脈碼調(diào)制格式，GP值一般在10倍的范圍內(nèi)，統(tǒng)稱為“窄帶通信”而擴頻通信Gp值，高達數(shù)百、數(shù)千，稱為為“寬帶通信。 擴展頻譜通信的可行性，是來自于信息論和抗干擾理論的基本公式。 信息容量信息論（香農(nóng)）公式是： (3-1) 式中： C ---信道容量（用傳輸速率來度量）

25、 W---信號帶寬 P ---信號功率 N ---白噪聲的功率 式（3-1）說明，相同的條件下在給定的傳輸率C后，頻帶寬度W和信噪比P / N可以互換?？赏ㄟ^增加頻帶寬度，在低信號噪聲比（S / N）P / N的情況下，發(fā)送信息。 換取較低的信噪比要求的擴頻，擴頻通信中的一個重要特性，在擴頻通信中的應用程序從而奠定了基礎(chǔ)。 總之，我們用100倍的，甚至是1000倍或更多的寬帶信號傳輸，以確保通信的抗干擾能力，，即在強干擾的條件下，能夠安全可靠的通信。這是擴頻通信的基本思想和理論基礎(chǔ)。 3.1.2擴頻通信的主要性能指標

26、 干擾容限和處理增益是擴展頻譜通信系統(tǒng)中兩個重要的性能指標。 a.處理增益G，也稱為擴頻增益（Spreading Gain） 定義為頻譜擴展前的信息帶寬DF與頻帶擴展后的信號帶寬W之比： G＝W／DF （3-2） 擴頻通信中，接收機擴頻解調(diào)后，只提取偽隨機編碼的帶寬為DF信息的相關(guān)處理，而排除掉寬頻帶W中外部干擾、噪音和其他通信影響。因此，處理增益G反映了擴展頻譜通信系統(tǒng)的信噪比的改善程度。 b.抗干擾容限 指擴展頻譜通

27、信系統(tǒng)能在多大干環(huán)境中工作的能力，定義為： (3-3) 式中 --- 抗干擾容限 --- 處理增益 --- 信息數(shù)據(jù)被正確解調(diào)而需的最小輸出信噪比 --- 接收系統(tǒng)的工作損耗 因此，抗干擾容限和擴頻處理增益成正比的，擴頻處理增益提高后極大地提高了抗干擾容限，甚至信號可以在一定的噪聲湮沒下正常通信。一般擴頻設備總是擴展用戶信息（要發(fā)送的信息）數(shù)十倍，上百倍或一千倍的帶寬，以提高處理增益。 3.1.3的擴展頻譜通信的主要特點 a.抗干擾能力強，低誤碼率 擴頻通

28、信在傳輸時占用的空間帶寬是比較寬的，在接收端采用相關(guān)檢測的方法來解擴，將有用寬帶信號恢復成窄帶信號，把不需要的信號擴展成寬帶信號，然后通過窄帶濾波提取有用信號。對各種干擾信號由于在接收端的非相關(guān)性，窄帶信號解擴后只有非常微弱的成分，信號噪聲比高，因此抗干擾能力強。擴頻通信的抗干擾如圖3-1所示。 圖3-1 擴頻系統(tǒng)抗干擾頻譜示意圖 可以看出，由于信號的接收過程中脈沖干擾，它是一個被一次“模二相加”的過程，可以被看作是一個擴頻過程，帶寬將被擴展，且有用的信號是一個被二次“模二相加”的過程，是解擴過程，信號被恢復（壓縮）后，確保高于干擾。由于擴頻

29、系統(tǒng)的優(yōu)良性能，誤比特率是非常低的，在正常條件下可達到，最惡劣的條件可以達10-6，較強的抗干擾性能是擴頻通信的最突出的優(yōu)點。 b.易與同頻使用，提高無線頻譜的利用率 用戶只能使用申請到的頻率，依靠信道劃分，以防信道之間的干擾。由于擴頻通信應用了相關(guān)接收，信號傳輸功率極低，并可工作于該通道的噪聲和熱噪聲的背景中，易于在同一地區(qū)重復使用相同的頻率工作，也可以共享相同的與今天的窄帶通信頻率資源。 c.抗多徑干擾 抗多徑干擾的無線通信一直難以解決的問題，使用擴頻碼之間的相關(guān)性，可以在接收端將信號從湮沒中提取出來，在當前的商業(yè)通信系統(tǒng)，擴頻的通信是唯一能夠工作于

30、負信噪相關(guān)技術(shù)提取和分離多徑信號中有用信號的方法，也可以把多條路徑的相同的碼序列的波形相加從而得到加強，以達到有效的抗多徑干擾。 d.可以實現(xiàn)碼分多址 擴頻通信提高了抗干擾性能力，但是占用頻率帶寬。如果許多用戶共享寬帶，就可以大大提高頻帶利用率。在充分利用多種不同的模式之間的擴頻碼序列的優(yōu)良的自相關(guān)性和互相關(guān)特性的條件下，由于在擴展頻譜通信中存在擴頻碼序列的擴頻調(diào)制，在接收器中使用相關(guān)檢測技術(shù)進行解擴，分配給不同的用戶碼型的情況下，可以區(qū)分不同用戶的信號，提取出有用信號。以這種方式，許多用戶在一寬頻帶上可以同時通話而不互相干擾。 e.隱蔽性好，各種窄帶通信系統(tǒng)的干

31、擾是非常小的，由于在一個相對寬的頻帶的擴展信號，頻帶內(nèi)的功率小，信號湮沒在噪聲里，一般不易被發(fā)現(xiàn)，并且想進一步檢測信號的參數(shù)（如偽隨機編碼序列）比較困難，所以隱蔽性好。 此外，由于擴頻信號功率譜密度很低，所以對目前使用的各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾是小的。 f.擴頻通信是數(shù)字通信，特別適用于數(shù)字語音和數(shù)據(jù)同時傳輸，并且自身具有加密功能，保密性強，容易開展各種通信服務。擴頻通信可以很方便地使用碼分多路訪問，語音壓縮和其他新技術(shù)，更適合于計算機網(wǎng)絡和數(shù)字語音，圖像信息的傳輸。 g.擴頻通信絕大多數(shù)是數(shù)字電路，設備高度集成，易于安裝和維護，而且還非常小，可靠，易于安裝，易于擴

32、展，平均無故障時間很長。 h.擴頻設備一般采用模塊化結(jié)構(gòu)，組網(wǎng)方式靈活，便于統(tǒng)一規(guī)劃，分期實施，有利于擴大。 跟據(jù)的擴頻的方式，擴頻通信系統(tǒng)可以分為：直接序列擴頻（DS），跳頻（FH），跳時（TH）幾種方法的組合。這里主要介紹直接序列擴頻。 3.2 擴頻通信原理及工作方式 3.2.1 擴頻通信工作原理 擴頻通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-2所示，在發(fā)端輸入的信息先經(jīng)過信息調(diào)制形成數(shù)字信號，然后用擴頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的偽碼展寬數(shù)字信號的頻譜，再進行載波調(diào)制發(fā)送出去。接收端將收到的信號與本地偽碼進行相關(guān)的解擴，再經(jīng)過解調(diào)，恢復出原始的基帶信息。 圖3-2 擴頻通信

33、系統(tǒng)模型 和普通的數(shù)字通信系統(tǒng)相比，擴頻通信系統(tǒng)增加了擴頻調(diào)制和解擴部分，相應的同步部分也增加了偽碼同步。 a.擴頻調(diào)制和解擴：擴頻的過程是將待傳輸信號和一個高速率的偽碼相乘，待傳輸信號的頻譜寬度就被大大展寬，功率譜密度也大大減小。在接收端解擴時，將接收的信號與發(fā)端相同的偽碼相乘，有用信號的頻譜寬度就被恢復，而信道引入的噪聲和干擾在解擴時與偽碼相乘，相當于被擴頻，就使得落入有用信號頻帶中的干擾功率大大降低。經(jīng)過帶通濾波器，噪聲和干擾對有用信號造成的影響被抑制，從而實現(xiàn)了抗干擾。 b.偽碼同步：偽碼同步是指接收端的本地偽碼和接收信息的偽碼要在碼型、碼率和相位上基本保持一致，否則就不能恢復出

34、有用的信息，得到的只是一片噪聲。收、發(fā)端可提前約定使用同一偽碼，保證碼型的一致。但是即使相同的偽碼，當相位差大于一個碼片時，也無法順利進行解擴。若實現(xiàn)了收發(fā)同步，但不能保持同步，也無法準確可靠地獲取到所發(fā)送的信息數(shù)據(jù)。圖3-3中擴頻通信系統(tǒng)中的同步包括捕獲和跟蹤兩部分，捕獲將相位差減小到二分之一個碼片內(nèi)。當同步系統(tǒng)完成捕獲后，同步系統(tǒng)就轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)，使得本地偽碼的相位與接收到的偽碼保持精確的同步。 3.2.2 擴頻通信的工作方式 按照擴展頻譜的方式不同，現(xiàn)有的擴頻通信系統(tǒng)可分為以下幾種： a.直接序列擴頻（Direct Sequence Spread Spectrum）工作方式，

35、簡稱直擴（DS）方式 直接序列擴頻就是直接用高碼率的擴頻碼序列在發(fā)端擴展信號的頻譜。而在收端，用相同擴頻碼序列進行解擴，把展寬的擴頻信號還原成原始的信息。這種系統(tǒng)具有信號發(fā)射功率小、抗干擾強、抗多徑、多址能力強和抗跟蹤干擾及抑制遠近效應等一系列優(yōu)點。直擴系統(tǒng)組成框圖如圖3-3所示。 圖3-3 直擴系統(tǒng)組成框圖 首先對信源的原始數(shù)據(jù)進行直序擴頻調(diào)制、載波調(diào)制，然后送入信道。接收機收到信號后，首先由本地偽碼產(chǎn)生器產(chǎn)生與發(fā)送端相同的本地偽碼，用此偽碼對混頻器的輸出信號進行時域相乘，即所謂的解擴。對解擴后的信號進行解調(diào)，恢復出原始信息。 圖3-4（a） 直序擴頻前頻

36、譜圖 圖3-4（b） 直序擴頻后頻譜圖 圖3-4（a）圖3-4（b）給出了直序擴頻前后的頻譜圖。從圖（a）可看出基帶信號的頻寬為1Hz，圖（b）的信號帶寬約為40Hz左右，擴頻調(diào)制后，信號頻譜被大大擴展了。 b.跳變頻率（Frequency Hopping）工作方式，簡稱跳頻（FH）方式 所謂跳頻，即載波頻率在偽碼的控制下不斷隨機跳變。跳頻可看作是載波按照一定規(guī)律變化的多頻頻移鍵控（MFSK）。簡單的頻移鍵控如2FSK，只有兩個頻率，分別代表傳號和空號。而跳頻系統(tǒng)則有幾個、幾十個、甚至上千個的頻率，由所傳的信息與擴頻碼的組合進行選擇控制，不斷的跳變。與直

37、擴系統(tǒng)不同的是，跳頻系統(tǒng)的偽碼不是用來傳輸，而是用來選擇信道。跳頻系統(tǒng)組成框圖如圖3-5所示。 圖 3-5 跳頻系統(tǒng)組成框圖 頻率合成器受偽碼控制產(chǎn)生一定規(guī)律變化的射頻頻率，用該跳變的頻率去調(diào)制基帶信號，得到載波頻率不斷變化的射頻信號，發(fā)送到信道中去。 在接收端，接收到的信號（含噪聲和干擾）經(jīng)過高頻放大濾波后送至混頻器。接收機的本地載波也是一個頻率跳變信號，其變化規(guī)律和發(fā)送端一致。但與發(fā)送頻率相差一個固定中頻。只要收發(fā)雙方的偽碼完全同步，就可以使得收發(fā)雙方的頻率合成器同步輸出。經(jīng)過混頻后可以得到一個固定的中頻，然后對這個中頻信號進行解調(diào)就可以獲得發(fā)送的原始信號。由于干擾和本振頻

38、率不相關(guān)，因而被濾除，從而達到抗干擾的目的。在這里，混頻器實際上是擔當了解跳器的角色，將接收的信號轉(zhuǎn)化為一個中頻信號。 圖3-6（a） 跳頻調(diào)制前頻譜圖 圖3-6（b） 跳頻調(diào)制后頻譜圖 從圖3-6（a）中可以看出，跳頻調(diào)制之前，系統(tǒng)只工作在一個頻點。圖3-6（b）中系統(tǒng)在跳頻調(diào)制之后，工作在四個頻點。如果敵方不知道跳頻序列，要跟蹤跳頻信號會變得十分困難。實際上跳頻通信系統(tǒng)在某一個時刻還是工作在一個固定頻點，因此它屬于一種“時間段上的擴頻”調(diào)制方式。 c.混合方式 上述兩種擴頻方式可以組合起來，構(gòu)成DS／FH混合擴頻系統(tǒng)，是一種中心頻率

39、在某一頻帶內(nèi)跳變的直接序列擴頻系統(tǒng)。它可以實現(xiàn)抗干擾、多址組網(wǎng)、定時定位和抗多徑等功能。DS／FH系統(tǒng)組成框圖如圖3-7所示。 圖3-7 DS／FH系統(tǒng)組成框圖 在發(fā)送端，原始信息首先用擴頻序列進行直接序列擴頻，然后用頻率合成器輸出的載波進行跳頻調(diào)制，頻率合成器輸出頻率受跳頻序列控制。在接收端，首先進行解跳。得到一個中頻的直擴信號，再進行解擴，最后送至解調(diào)器將原始信息恢復出來。 圖3-8 DS／FH調(diào)制后頻譜圖 圖3-8與圖3-4（b）、圖3-6（b）比較，可以看出混合擴頻通信系統(tǒng)比單一的擴頻通信系統(tǒng)擁有更寬的頻帶。 4.直序擴頻通信中窄帶干擾抑制算法的研究

40、4.1 時域線性自適應算法 時域線性自適應算法采用的是最小均方（LMS)算法，它是一種線性自適應濾波算法。一般來說,LMS算法包括兩個基本過程：濾波過程和自適應過程。在濾波的過程中，自適應濾波器將自己的輸出與期望值相比較，估計出誤差信號。在自適應過程中，濾波器根據(jù)估計出的誤差信號自動調(diào)整自身的參數(shù)。這兩個過程共同組成一個反饋環(huán)，如圖4-1所示。 圖4-1中，x(n）為輸入信號其定義為 (單輸入結(jié)構(gòu)） (4-1) 或 （多輸入結(jié)構(gòu)） y（n)為自適應濾波器的輸出信號，表示為 =

41、 (4-2) 自適應濾波器的誤差信號為。 令下一刻權(quán)矢量與現(xiàn)在的權(quán)矢量的關(guān)系為 (4-3) 式中，>0是一個控制穩(wěn)定性和收斂速度的參數(shù)。LM S算法的關(guān)鍵是尋找一個的遞推式，由，起始值開始，沿著趨于（是=rnin時權(quán)矢量的值）的方向逐步遞推，直至為止。 圖4-1 自適應橫向濾波器原理框圖 用梯度表示為，當是多維的情況時，可用矩陣表示為 = = =

42、 (4-4) 又，得，故= ，帶入得自適應濾波器的權(quán)矢量遞推公式為 (4-5) 一般，當一個寬帶信號既受到周期干擾的污染，又沒有外部參考輸人可以利用時，可以直接從原始輸人引出，接人一具有固定延遲的延遲線，從而得到類似的參考輸人。如圖4-1所示：原始輸人為有用信號與干擾之和,參考輸入是原始信號的延遲(有用信號延遲后不相關(guān)，而窄帶干擾仍然具有相關(guān)性）。自適應濾波器自動調(diào)節(jié)其權(quán)值，使原始輸人與輸出的差值的均方誤差最小。這樣，自適應濾波器的輸出應是對干擾的估計，在接收端的寬帶信

43、號是原始輸人減去干擾之后的值，即對有用信號的預測。 該算法的基本原理框圖如圖4-2所示 圖4-2 自適應干擾抵消的原理框圖 圖4-2中原始輸人為：。參考輸人為原始輸入的延遲，與噪聲相關(guān)的信號最佳估值，即兩者均方誤差最小。設定為零均值的平穩(wěn)隨機過程，且與互不相關(guān)。 自適應噪聲抵消器的輸出 (4-6) (4-7) (4-8) 因為為零均值的平穩(wěn)隨機過程，所以與無關(guān)，。求自適應濾波是使均方誤差最小=min。 時，=min。要求

44、是相關(guān)，這樣才能進行噪抵消。 4.2時域非線性自適應算法 線性預測方法是利用有用數(shù)據(jù)信號的寬帶特性抑制干擾，這樣的處理只利用了擴頻數(shù)據(jù)信號的譜結(jié)構(gòu)特點。如果能利用更多有用信號的結(jié)構(gòu)特點，對線性預測方法進行改進，就可以獲得更好的抑制效果。當背景噪聲是高斯白噪聲時，線性預測技術(shù)是最優(yōu)的。而當面臨的噪聲是非髙斯噪聲時，為了獲得更好的性能，需要求助于某些非線性技術(shù)。直擴序列是獨立同分布的二進制序列，非高斯的，所以即使窄帶干擾和背景噪聲假設是高斯的，這時的最優(yōu)濾波也應是非線性的。利用直擴信號的非高斯結(jié)構(gòu)，可以獲得非線性濾波器，這種濾波器在非高斯成分占主要地位的情況，可以獲得比線性濾波器更好的窄帶干

45、擾抑制效果。 在高速通信領(lǐng)域，實際問題對算法的計算量有很嚴格的要求，在自適應濾波器權(quán)系數(shù)的更新中引人一定的非線性變換，可以在一定程度上簡化權(quán)系數(shù)更新過程中的乘法運算，并因此簡化LMS自適應濾波器的硬件或軟件實現(xiàn)。極性LMS自適應算法就是這種典型的算法。 此處采用的是對輸人信號取符號的信號極性算法Sign-Data LMS,當輸人信號為正時置為+1，當輸人信號為負時置為-1。它的權(quán)矢量迭代公式為 (4-9) 4.3頻域自適應算法 頻域自適應算法實際上是塊LMS(Block LMS)自適應濾波算法在頻率域上的實現(xiàn)，其基本原

46、理及框圖與時域的一樣，不過兩者的濾波器實現(xiàn)方式不同而已。 a.塊自適應濾波器的結(jié)構(gòu) 塊自適應濾波器的原理框圖如圖4-3所示。 圖4-3 塊自適應濾波器的原理框圖 經(jīng)過串并變換,把輸人信號序列分為一個一個長度為L的數(shù)據(jù)塊。然后，將這些據(jù)塊一次一塊的送入長度為M的F1R濾波器,并且一塊一塊地進行自適應迭代更新。設時刻輸入信號矢量為 … (4-10) 相應的，設n時刻自適應濾波器的權(quán)系數(shù)矢量為 … (4-11)

47、 令k表示塊下標，且k與n的關(guān)系為 …，… 式中，L表示塊長。 這樣，第k塊輸入數(shù)據(jù)定義為，其矩陣形式為 … (4-12) 在各輸入數(shù)據(jù)塊的持續(xù)時間內(nèi)，濾波器的權(quán)系數(shù)矢量保持不變，濾波器對輸入信號矢量的響應輸出為 …， (4-13) 令表示期望相應，則誤差信號為 (4-14) b.塊LMS

48、算法的快速算法 一般選擇塊自適應濾波器的長度L與濾波器長度M相等。根據(jù)數(shù)宇信號處理理論可知，線性卷積和線性相關(guān)均可以采用快速傅里葉變換FFT來快速實現(xiàn)。另一方面，數(shù)字信號處理中常用的重疊存儲法和重疊相加法為快速傅里葉的計算提供了強有力的工具。這樣，塊自適應濾波器中的線性卷積和線性相關(guān)都可以利用FFT來快速實現(xiàn)，從而構(gòu)成了塊LMS算法的快速算法。 依據(jù)重疊存儲法，將濾波器M個抽頭權(quán)值用相等數(shù)量的0來填補,并采用N=2M點FFT來進行計算，有維頻率域權(quán)矢量 式中，是維零矢量；表示快速傅里葉變換。相應的，設對輸入數(shù)據(jù)兩個相繼子

49、塊進行傅里葉變換得到的對角矩陣為 ，，，，(4-15) 將重疊存儲法應用于求線卷積，得到維矢量后的M個元素。其中 ,, （4-16） 在上式中，只保留后的M個元素，這是因為前M個元素是循環(huán)卷積的結(jié)果。對于第k塊，定義維的期望相應矢量為 , （4-17） 定義響應的維的誤差信號矢量為 , （4-18） 將誤差信號變換到頻率域，有

50、 （4-19） 令的前M個元素，則最后得到的濾波器矢量頻率域的更新式為 （4-20） 與基于LMS算法相比，塊LMS算法的快速算法復雜度小，收斂速度較快。 c.頻域塊LMS算法的原理框圖 Fast Block LMS算法將時域數(shù)據(jù)分成長度為n的數(shù)據(jù)塊，且每塊的濾波權(quán)系數(shù)保持不變。Fast Block LMS算法在頻域內(nèi)可以用數(shù)字信號處理中的重疊保留法來實現(xiàn)，其計算量比時域算法大大減少。也可以用重疊相加法來計算，但這種箅法與重疊保留法相比，計算量更大。塊數(shù)據(jù)運算可以取

51、任意重疊比例，但以50%的重疊比例計算效率最高，算法實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4-4所示。 4.4 FFT重疊變換干擾抑制算法 a.FFT重疊變換干擾抑制算法的系統(tǒng)綜述 FFT重疊變換干擾抑制算法的原理是窄帶干擾相對于擴頻信號能量集中在很窄的頻帶內(nèi)，在頻域上就表現(xiàn)為很窄的尖峰,所以可先將混合信號變換到頻域，檢測出干擾的頻譜位置，將這些譜線去掉或進行衰減，最后反變換還原成時域信號進行解擴。 其原理框圖如圖4-5所示，頻譜示意圖如圖4-6所示。 FFT重疊變換干擾抑制算法不需要自適應算法，且其處理速度遠遠超過時域濾波的算法。FFT重疊變換干擾抑制技術(shù)實現(xiàn)的數(shù)學

52、模型如圖4-7所示。 圖4-7中，是窗函數(shù)，和兩個函數(shù)分別求離散傅里葉變換后的幅度和角度(相位)值，函數(shù)確定譜線的門限值,函數(shù)是對譜線進行處理。 圖4-4 Fast Block LMS濾波器原理圖 圖4-5 頻域限波技術(shù)的原理框圖 圖4-6 頻域限波的頻譜示意圖 圖4-7 頻域限波技術(shù)實現(xiàn)的數(shù)學模型 b.窗函數(shù)的應用 在各種頻域陷波算法中，都必須在作FFT運算前對時域信號序列進行加窗處理,加窗是一個很重要的環(huán)節(jié)。如果不加窗,進行N點FFT運算就相當于對時域信號加一個N

53、點矩形窗，矩形窗的第一旁辧只比主瓣低13.46dB,對于比有用信號大幾十分貝的干擾來說，它的旁瓣也比信號大得多，這樣就造成了干擾信號的頻譜泄漏。從頻域來看.整個信號頻域都被干擾污染了。因此,在進行干擾抑制時,就造成干擾消除的不徹底，或者是增大了消除的帶寬范圍，從而加重了對有用信號的損傷。 為了減小干擾的頻譜泄漏，必須采用旁瓣比較低的窗函數(shù)。在仿真中采用的窗函數(shù)是切比雪夫窗，該窗的第一旁瓣比主瓣低80dB。 c.門限的生成及大譜線的處理方法 為了保持門限確定的自適應性，通常根據(jù)當前一次或幾次FFT變換值來確定門限值。門限的確定可以用下式表示

54、 （4-21） 式中，是最小的門限值，通常是沒有干擾時信號的幅度值;M是FFT變換的次數(shù)；是FFT變換的長度；是衰減的系數(shù)。是輸入信號和窗函數(shù)W(n)相乘之后的FFT變換的值，即 （4-22） 仿真中M設為1，設為8192，設為0.3。 對超過門限值的譜線通常認為是含有干擾信號的譜線，對這些譜線置0，將其徹底去掉。 d.重疊復用的運用 在DSSS通信系統(tǒng)頻域抗干擾算法中，通常對輸人數(shù)據(jù)分段進行N點FFT變換，分段數(shù)據(jù)周期延拓后的非連續(xù)性會導致頻請泄漏現(xiàn)象，通?？?/p>

55、以采用對分段數(shù)據(jù)進行加窗的方法減小頻譜泄漏。從時域看，加窗實質(zhì)上是對輸人數(shù)據(jù)進行加權(quán)，窗函數(shù)從中心向兩端逐步衰減，保證了數(shù)據(jù)段兩端的平滑，從而達到減小頻譜泄漏的目的。加窗的目的在于準確地估計信號頻譜，然而卻會使輸入信號發(fā)生畸變，使進行FFT變換的數(shù)據(jù)段兩端嚴重衰減，從而帶來額外的信噪比損耗。 可以采用一定的措施來減小加窗損耗，通常的解決辦法是對數(shù)據(jù)進行重疊加窗。下面以1/2重疊加窗為例，其基本原理框圖如圖4-8所示。 圖4-8 1/2重疊加窗和干擾抑制原理框圖 由圖4-8可見，是包含窄帶干擾的幘數(shù)據(jù)流，是經(jīng)過重疊加窗和干擾抑制處理之后的恢復數(shù)據(jù)。在連續(xù)的碼流中，由于

56、一幀的邊緣部分受到的影響最大,所以對于每個FFT幀，只取其中間的部分,而丟掉邊緣部分。將一幀分為4份，任何一幀其主要受彩響的是前1/4幀與后1/4幀，中間的1/2幀受影響最小，換句話說一幀的可靠部分是它中間的1/2幀。將兩路時延差1/2幀的數(shù)據(jù)段出禮疊加就可以起到互為補充的作用，即每一路都只取其中間有用的1/2幀。 仿真中采用的是1/4重疊加窗，基本原理與1/2重疊加窗相同，只不過將疊加的路徑由2路提升到4路，1/4重疊加窗的基本原理框圖如圖4-9所示。 圖4-9 1/4重疊加窗和干擾抑制原理框圖 雖然基于FFT的干擾技術(shù)抑制技術(shù)可以對付多個干擾，并且可以

57、通過自適應措施進行實時干擾估計，但干擾數(shù)目不能太多、干擾分布的寬度不能太寬（采用FFT算法進行寬帶干擾消除將會對信號產(chǎn)生嚴重的損傷，引起嚴重的信噪比損失），并且具有在濾波期間干擾的瞬時頻率保持不變的約束。 5 窄帶干擾抑制算法的仿真 5.1 干擾信號的產(chǎn)生 a.仿真參數(shù)設置 干擾抑制算法仿真參數(shù)主要包括： 數(shù)碼率為lkb/s； 擴頻碼率為255kb/s； 載波為510kHz； 高斯白噪聲信噪比為lOdB； 單音窄帶干擾中心頻率為510kHz,信干比為-2dB。 b.干擾信號的產(chǎn)生 bpsk信號的產(chǎn)生單元如圖5

58、-1所示。 圖5-1 bpsk信號的產(chǎn)生單元 信號產(chǎn)生后，經(jīng)過信道加入高斯白噪聲和單音干擾，模塊如圖5-2所示。 圖5-2 高斯白噪聲和單音干擾加入模塊 高斯白噪聲信道參數(shù)設置如圖5-3所示。 圖5-3 AWGN Channel 模塊參數(shù)設置 單音窄帶干擾參數(shù)設置如圖5-4所示。 圖5-4 單音窄帶干擾模塊參數(shù)設置界面 5.2干擾抑制模塊的仿真 以FFT重疊變換干擾抑制算法為例進行仿真,仿真采用Simulink進行。 干擾抑制模塊的總體框圖如圖

59、5-5所示。其中From File模塊的作用是將 channel_out.mat文件導入本系統(tǒng),使之作為本系統(tǒng)的輸人信號。To File模塊的作用是將本系統(tǒng)的輸出導人到ami_interference_out.mat文件中。 圖5-5 FFT重疊變換干擾抑制算法的Simulink仿真圖 anti_interference 模塊為FFT陷波模塊，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5-6所示 圖5-6 FFT重疊變換干擾抑制模塊 圖5-6中的firstroad?fonrthroad對應圖4-9中的4條支路。每條支路的內(nèi)部組成基本與圖4-5相同。由信道過來的含高斯白噪聲和窄帶干擾的

60、信號由In1輸人頻域陷波算法模塊，消除窄帶干擾后的信號由Outl輸出。Addl為加法器，功能是將時域?qū)R的4條支路信號合并相加輸出，其參數(shù)設置情況如圖4-4所示。 圖5-7中參數(shù)List of signs中有4個“+”號代表該模塊有4個待求和的輸人端。Sampletime為“—1”表示該模塊的采樣時間將與其輸人信號的采樣時間保持一致。 下面將分別對各條支路的內(nèi)部仿真框圖及仿真參數(shù)設置進行詳細介紹。 圖5-7 Add1 模塊參數(shù)設置界面 首先介紹圖5-6中的firstroad支路，其內(nèi)部框圖如圖5-8所示 圖5-8 firstr

61、oad 支路內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 圖5-8中的Complex to Magnitude-Angle模塊是一個轉(zhuǎn)換器，其功能是將一個復數(shù)的幅值及相位分別輸出處理，其參數(shù)設置情況如圖5-9所示 圖5-9 Complex to Magnitude-Angle 模塊參數(shù)設置界面 參數(shù)Sample time為“-1”表示該模塊的采樣時間與其輸人信號的采樣時間保持一致。圖5-8中ffttrans模塊的作用是對信號進行加窗FFT變換，其內(nèi)部仿真框圖如圖5-10所示。 圖5-10 fft trans 模塊內(nèi)部仿真框圖 圖5-10中Buf

62、ferl模塊是緩沖器,用于確定一次FFT變換的采樣點個數(shù)，其參數(shù)設置情況如圖5-11所示。 圖5-11 Buffer1 模塊參數(shù)設置界面 圖5-11中的參數(shù)Output buffer size為“8192”表示一次FFT變換的采樣點個數(shù)是8192。圖5-10中Window Function模塊是加窗模塊，以抑制由FFT變換所引起的頻譜泄露問題。該模塊的參數(shù)設置情況如圖5-12所示。 由圖5-12可見，加窗函數(shù)采用的是切比雪夫窗，阻帶衰減度為80dB。圖5-10中FFT1模塊為FFT變換器，用于對輸人的采樣信號進行快速離散傅里葉變換。其參數(shù)設置采用默認值。

63、 圖5-8中Threshold模塊的作用是確定該支路的處理門限。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖5-11所示。 圖5-13中Constantl模塊為常數(shù)模塊，表示一個確定的常數(shù)值。Constantl模塊即為門限生成公式中的，其參數(shù)設置情況如圖5-14所示。 由圖5-14可見，Constant value為“400”則表示此常數(shù)模塊將產(chǎn)生一個幅值為400的恒值。 圖5-13中的Matrix Sum模塊為矩陣元素求和器，用于將一個矩陣中的所有元素相加求和，對應于門限生成公式中的求和式部分，其參數(shù)設置情況如圖5-15所示， 圖5-15中參數(shù)Sum over為“Columns

64、”表示對矩陣的列求和，即對一次FFT變換后各離散采樣點的求和。 圖5-12 Windows Function 模塊參數(shù)設置界面 圖5-13 Threshold模塊內(nèi)部仿真圖 圖5-14 Constant1 模塊參數(shù)設置界面 圖5-15 Matrix Sum 模塊參數(shù)設置界面 圖5-13中Gain模塊為增益器，作用是將輸人信號進行比例縮放，其參數(shù)設置情況如圖5-16所示。 圖5-16 Gain 模塊參數(shù)設置界面 參數(shù)Gain為0.3表示輸出為

65、輸人信號的0.3倍。 圖5-13中的imeference_delieve模塊為該支路的大譜線處理模塊，其作用是對超過門限值的信號進行過門限處理。其內(nèi)部仿真框圖如圖5-17所示。 圖5-17中In1模塊為FFT變換值輸入端。而Frame Conversion模塊和Unbuffer模塊的作用是使一維數(shù)組信號變換為離散采樣信號，以便于后續(xù)的仿真處理，這兩個模塊的參數(shù)設置用默認值即可。In2模塊為門限值輸人端，使In1輸人的FFT變換值能與門限值進行比較，比較是通過減法器Subtract模塊來實現(xiàn)的。 Switch模塊為多路開關(guān)，其參數(shù)設置情況如圖5-18所示。 此處Switch模塊的作用是：

66、當控制端（中部的輸入端口）的值大于或等于0時，多路開關(guān)接通上部的輸人端，即將超過門限的譜線值置零（因Gain模塊的增益值設置為0)；否則多路開關(guān)接通下部的輸入端，即將未超過門限的譜線值保留。 圖5-17 Inteference_delieve 模塊內(nèi)部仿真框圖 圖5-18 Swith 模塊參數(shù)設置界面 圖5-17中Bufferl和To Sample模塊的作用是使離散采樣信號變換為一維數(shù)組信號，以便后續(xù)的FFT反變換順利進行。To Sample模塊的參數(shù)設置可直接用默認值，Buffer模塊的參數(shù)設置情況與圖5-11—樣。 圖5-8中的inverse_C0nverti0n模塊為IFFT變換模塊,其作用是使大譜線處理過后的數(shù)據(jù)進行FFT反變換為原始的時域信號。該模塊的內(nèi)部仿真框圖如圖5-19所示。 圖5-19 Inverse_convertion模塊內(nèi)部仿真框圖 圖5-19中In1為原始信號FFT變換后的相位信息輸人端，In2為原始信號FFT變