1、直扩系统中抗窄带干扰技术Ca13dCorflPo13e13t-Narrow-bandinterferenceRejectionTechniquesinDSSS李向华谢胜利(华南理工大学电信系,广州,510640)LISiang-huaXlESheng-liTelecommunicationDepartment.SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou5106401 引言直扩通信系统一直以来都以其独特的抗干扰能力以及保密性,而在军事通信领域备受青睐.但在今天频谱空间越来越拥挤以及我们身边纷繁复杂的电磁环境的情况下,仅靠扩频增益已不足以对干扰进行抑制.特
2、别在军事通信中还会受到敌方有意的窄带强干扰,这些人为干扰往往会超出接收机的干扰容限,系统将不能正常工作.因此,有必要采用信号处理技术对强窄带干扰进行抑制,以有效提高系统的性能.经多年来的研究表明,现已有的窄带抑制技术基本可分为两类:时域处理技术和变换域处理.本文将对目前主要的窄带干扰抑制技术进行分析介绍,最后加以总结.2 基于预测的时域窄带干扰抑制技术直接序列扩频通信系统中,接收机的输入信号可以表示为r(t)=s(t)+I(t)+n(t)(1)其中 s(t)是直扩信号,I(t)是干扰信号,n(t)是热噪声 .一般说来 ,直扩信号和热噪声信号都是宽待信号,2003 第 09 期是不能根据过去样本
3、值进行预测的,而窄带干扰是可以从过去值进行预测的.因此可先预测出干扰信号,再从输入信号中减去干扰便可得去除强窄带干扰.基于时域的窄带干扰抑制技术的基本思想就是利用窄带信号和宽带信号在可预测性上的差异而达到抑制窄带干扰的目的.因为窄带干扰是非高斯的,样值间有很强的相关性,可以从过去样值来估计当前样值,而扩频信号频谱平坦,其样值之间几乎不相关.当接收信号同时包含宽带有用信号和窄带干扰时,那么对接收信号进行预测,预测值将主要是窄带信号的预测值.所以解扩之前从当前信号中减去预测值,将大大减小接收信号之中的窄带干扰.根据抑制滤波器系数估计方法的不同,时域窄带干扰抑制技术又主要分为线性预测自适应滤波,非线
4、性预测自适应滤波.2.1 线性预测滤波器线性预测滤波器就是利用各种自适应算法来调整横向滤波器的系数,来抑制干扰.常用的线性预测算法主要是最小均方误差 LMS 算法 .其滤波器结构和算法如图 1 和式 2 所示.e(k)=x(K)A(k)(2)A(k)=a1(K),a2(K).墙 al(k)】X(k)=r(k-1),r(k-2).墙 r(1)】抽头系数按如下方法更新:A(k+1)=A(k)+嵩.(k)x(k)(3)式中是收敛因子;p(k) 是输入信号的功率估计.基于线性预澍的 LMS 算法 ,最早是由 Vijayan 和 Poor 等人应用于窄带干扰抑制的.它是最早的窄带干扰抑制技术.但它在某些
5、场合下性能不是很好,而且收敛速度慢,长期稳定性不好.2.2 非线性擐l我们知道在高斯白噪声背景下,线性预测是最优的.而当面 l 箍的噪声是非高斯噪声时,为了获得更好的性能,需要借助于非线性技术直扩序列是独立分布的二进错序列,是非高斯的.所以即使窄带干扰和背景噪声假设是高斯的,这时的量优滤波也应该是非线性的.利用直扩信号的非高斯结构,用非线性滤波器,可以获得比线一一一r(k)一厂r(k 一 11 厂Kk 一 21 一厂Illl:.1lI产广 alL.二一一厂一/e(k】图 1 线性预测自适应滤波器rod 一/,一 T,e(k)厂 :/,一厂,(k-1l=-1,(k 一 21一/I:l 一一 L
6、二.JIL 二-jl1 L 一 JII一/r(1d图 2 非线性预测自适应滤波器图 3 变换域窄带干扰抑制框图图 4 小波包分解树结构图性滤波器更好的窄带干扰抑制效果.非线性预测滤波器的典型算法是近似条件平均值(ACM)滤波.其原理是将AcM 滤波的非线性函数用自适应横向滤波器,其结构和算法如图 3 和式 4 所示抽头系数更新方程为A(k1)=A(k)亩 P(e(k)x(k)(4)式中 P(e(k)=e(k)一 tanh.o.(k)是e(k)的方差.非线性自适应横向滤波器的性能虽然较线性滤波器得到较大的改善但由于所采用的 LMS 算法收敛慢 .所以人们很自然地就把非线性自适应滤波器的结构推广到
7、格型滤波器结构.格型滤波器的每一级具有独立收敛的特点,因此,自适应格型滤波器具有比 LMS 算法快得多的收敛性,可以用来克服自适应横向滤波器收敛慢这一缺点.3 基于变换域的窄带干扰抑制技术在抗窄带干扰的技术当中,最有用的技术之一是变换域滤波器技术.它主要是利用窄带干扰信号的功率谱集中在很窄的频带中,表现为脉冲形状这一特点,通过合适的变换,将干扰,I 虞电矗与元器件毒ICandComoonent映射到很窄的变换域子带,通过设置阀值和门限检测出干扰的位置,控制开关将相应的子带分量置零.从而达到减轻或抑制窄带干扰的目的.然后经过反变换,得到基本由有用信号和热噪声组成的信号,送入直扩系统接收机进行解扩
8、.变换城窄带干扰抑制技术的原理框图如图 4 所示.变换域的干扰抑钊方法有很多种,主要区别在于信号的变换方式不同.早期的变换域干扰抑制有快速傅立叶变换(FFT),离散余弦变换(DcT),重叠变换(LT)等.但在实际应用中 ,这些变换都需要进行时域加窗,这将导致频域产生不需要的旁瓣效应.选择非矩形窗函数可以减小旁瓣的大小,但同时也需要重叠处理输入信号段以保证准确重构时域波形,这将加大计算量.此外上述这些变换都属于块变换,其时域分辨率差,时一频分辨率固定.如果干扰信号是非平稳的时变信号,上述这些变换对干扰的抑制会带来有用信号的很大失真,体现在系统误码率没有明显改善.近年来变换域干扰抑制技术主要集中在
9、基于多分辨率滤渡嚣组和小波变换的干扰抑制技术.由于滤波器组的精确重构特性,该方法可以保证在没有干扰存在时,不使有用信号失真,消除了以往加窗运算所带来的副作用.此外,由于可以自由设计滤波器的滤波特性,此方法在很大程度上改善了不加窗 FFT 处理所带来的谱泄漏问题.另一方面,小波变换具有优良的时域局域性和多分辨率,能够随输入信号灵活调整其时频分辨率,自适应选取与信号匹配的基底,快速地把干扰定位在一定的频域范围.而且基于小波包变换的干扰抑制的正交镜像滤波器具有很好的幅频特性,可以更彻底地抑制干扰.因此,随着小波变换的日益成熟,人们越来越多地将小波变BIO9 糖IanaomPonent换技术应用于抗窄
10、带干扰.基于小波包变换的自适应窄带干扰抑制技术是利用扩频信号的功率谱密度分布特点和能量集聚度准则,通过正交镜像滤波器组(QMF)所构成的二进制子带分解树型结构来实现离散小波变换或小波包变换,将干扰精确地定位于一定的频域范围,然后把定位的受污染 的频段去掉 ,最后通过小波包合成恢复干扰抑制后的信号.小波包是通过下列函数序列以递归方式定义的:P2(t):v,2h(k)p(3tk)(s)P2-=2kg(k)p(2tk)p(t),nz) 为由 p(t)生成地小波 .其中和 h(k),g(k)构成一对支撑长度为 L地正交镜像滤波器.在实际应用中,往往需要将它们离散化.离散化的小波包变换如下:a1.(i)
11、=kEh(k 一 2i)anl+l(k)al2n+l(i)=g(k 一 2i)anlI(k)(6)离散小波包反变换如下:a“l+I(i):kE:h(i 一 2k)al(k)+kEg(i 一2k)a-*.(k)(7)上式中 1 和 n 分别代表小波包分解的层次和该层的横向位置.a“,表示对应于(1,n)处的小波包分解序列.图 4说明了一个 3 层的小波包分解树结构:利用小波包分解可以保持噪声能量这一特性,Tazebay 等人提出了一种新的基于小波包变换的干扰抑制技术自适应时频去噪器(ATF).该算法可以针对不同的输入信号产生不同层次结构的子带分解树.在自带分解树的形成过程中,只有当一个节点上的变
12、换域能量集聚度超过时域集聚度以及一个预先给定的阀值时,该节点才会被继续分解,因此该算法避免了不必要的分解,大大减少了计算量.分解过程进行到底层节点达到预期的频率分辨率.然后通过度量左右两节点能量集聚度的差别来定位窄带干扰,将受污染 的节点置零 ,利用经处理2003 第 o9 期后的子带分解树重构信号,就可得到干扰抑制后的有用信号.同具有固定结构的滤波器相比,ATF 的一个最具有发展前景的突破在于它可以自适应地改变子带滤波器组的层次结构,减少变换域的分割并能更准确地定位干扰信号的频域分布,因而减小了对干扰的敏感程度,是一种稳健的抑制干扰技术.相对于时域窄带干扰抑制技术,变换域干扰抑制技术具有很多
13、有点.主要是变换域采用了正交化的数字处理技术,将有用信号和干扰分解到互相正交的空间,因此可以快速找出干扰而将其抑制.并且在时域很复杂的滤波过程可以在频域通过的简单的相乘来完成.所以变换域窄带干扰抑制技术是一种及具潜力的抗干扰策略.4 其他主要干扰抑制技术(1)自适应模糊窄带干扰抑制技术.近年来,人们将模糊数学理论应用于非线性自适应滤波器,所获得的干扰抑制能力大大优于其他的非线性方法,并且它还可以加快干扰捕获时间.非常实用于非固定信道,目前自适应模糊窄带干扰抑制技术仍处于仿真阶段.(2)正交频分多址技术.在抗强窄带干扰技术当中,另一个令人感兴趣的方法是正交频分多址(OFDM)技术.这项技术利用开
14、关一些子载波可以达到较高的频谱利用率,并消除信道中频率选择性衰落和干扰的影响.它在新一代移动通信体制一 CDKA 中有着广阔的应用前景.(3)码辅助技术.这种技术主要是针对低速数字干扰而提出的.它利用了数字窄带干扰和扩频信号的相似性而将数字窄带干扰看成虚拟的扩频用户,运用窄带干扰信号的可预测性和扩频信号的可预测性达到抑制数字窄带干扰.这种干扰抑制技术可以在 DS干扰,当干扰变化很块时,其优势明显,但由于变换会引进一些分量,因此很难彻底抑制干扰.具体应用中应根据实际情况来选择相应的干扰抑制方法.参考文献:1王秉钧,屠让 ,孙拳军等.扩额通信.天津:天津大学出版社,1993:9132仇佩亮,郑树生 ,蠕庆栋.扩额通信中干扰抑制的自适应菲缝性羹渡技术.通信,1995;16(2):20 一
