1、扩频通信系统中 chirp 干扰的识别与抑制研究摘要：扩频通信作为目前正在不断发展的先进通信技术，它的最大特点就是传输带宽比传统的通信方式要大几百倍以上。由此具有抗干扰能力强，频谱功率低，保密性好，易实现码分多址等优点。特别是其中的直接序列扩频通信方式，发展的最为成熟，应用最为广泛。扩频通信系统对于平稳噪声有很好的抵抗力，但是对于非平稳的 chirp 噪声的干扰表现却不佳，而现在国内外也正在研究这方面的课题。论文实现了一种基于在 chirp 基上展开的分数阶傅立叶变换来处理扩频通信系统中遇到的chirp 干扰问题，利用分数阶傅立叶变换对于 chirp 信号良好的聚焦性，当 chirp 干扰噪声
2、的旋转角度在与其调频斜率一致时，分数阶傅立叶变换域便会呈现冲激，在适当的阈值下搜索并去除冲激后再进行反变换，从而来去除 chirp 干扰，并在此基础上做了计算机仿真实验。仿真实验结果表明，该算法是有效可行的。关键词：扩频通信；分数阶傅立叶变换；chirp 信号；干扰识别；干扰抑制 Research on the identification and suppression of chirp interference in spread spectrum communication systemsAbstract：Spread Spectrum communication is a contin
3、uous developing advanced communication technology, whose biggest character is that its transmission bandwidth is wider over hundreds times than the traditional means of communication. Spread Spectrum communication has many advantages such as good anti-interference, low spectrum power, good confident
4、iality, and easy to realize the CDMA. In particular, the direct sequence spread spectrum communication, is the most mature and the most widely used communication ways. The spread spectrum communication system has good resistance performance for the stationary noise, but for the non-stationary chirp
5、noise, the performance is poor. Now the domestic and abroad are also looking into the issue. In this paper, the solution which is based on the chirp-launched on fractional Fourier transform to deal with the spread spectrum communication system encountered the chirp interference, using the good focus
6、 of the chirp signal in fractional Fourier transform, when rotate the chirp noise a appropriate angle corresponding with the chirp rate, fractional Fourier Transform representation will show a strong pulse .than search the pulse in the appropriate threshold and after the removal of the noise, transf
7、orm the signal back. And all of those had been done in the form of computer simulation. The simulation results show that the method is feasible and effective.Keywords: Spread Spectrum communication; fractional Fourier transform; chirp signal; Interference identification; Interference suppression目录第一
8、章 绪论 .11.1 引言 .11.2 本课题目前的研究现状和研究意义 .11.3 论文研究的主要内容和组织结构 .2第二章 扩频通信 .42.1 扩频通信概述 .42.1.1 扩频通信的定义 .52.1.2 扩频通信的理论基础 .62.2 直接序列扩频工作方式 .82.3 其他工作方式 .15第三章 分数阶傅里叶变换 .183.1 分数阶傅里叶变换的研究与发展 .183.2 分数阶傅里叶变换定义及其性质 .193.2.1 分数阶傅里叶变换的定义 .203.2.2 分数阶傅里叶变换的性质 .22第四章 扩频通信系统中 chirp 干扰的识别与抑制的实现 .244.1 扩频通信中调制信号的仿真
9、.244.2 chirp 干扰噪声的仿真 .264.3 分数阶傅里叶变换处理 chirp 噪声的基本原理 .274.3.1 chirp 噪声的聚集性在分数阶傅里叶域的解释 .284.3.2 chirp 噪声分数阶傅里叶域滤波的基本原理 .294.3.3 chirp 噪声分数阶傅里叶域滤波模型 .304.4 chirp 干扰识别与抑制的实验 .314.4.1 chirp 干扰识别与抑制算法 .314.4.2 三种调制方式的 chirp 识别与抑制实验 .36第五章 总结 .45致谢 .47参考文献 .48附录 .490第一章 绪论1.1 引言扩展频谱通信系统是在一个很宽的频带上，用于扩展基带信号
10、(即信息)的频谱，然后再进行传输的一种系统。这种系统非常占用的频率带宽，基带信号的频率带宽占用相对较少，而扩展频谱通信系统占用的带宽要比它多很多。它是一种有违常理的通信方式，但是它能从香农公式中得到理论支撑，所以现在运用了这一种宽带通信系统也是合理的，它是被用作解决无线通信中多址、抗干扰、保密性等的最好途径之一。 早在二十世纪五十年代末，J.V.Costas 就提出：在工作频带变得愈来愈拥挤的情况下，相对于窄带频分系统而言，宽带共用系统在解决问题方面上的合理性更强一些，同时宽带共用系统的平均传输容量的潜力也得到了相应的提高 1。在通信技术、超大规模集成电路和计算机技术得到发展的同时，扩频通信理
11、论方面的研究也在不断地深入，这一方面的研究也越来越成熟。随着扩频通信技术进入民用领域并得到大量地普及，实现基带的编码和相关信号的处理不再是一个技术难题，这一技术也逐步地完善。尤其是直接序列扩频通信，是现在技术最为成熟和应用最为广泛的扩频通信系统。1.2 本课题研究现状和研究意义频谱的扩展在扩频通信系统中具有很多的优点，特别是具有很强的抗干扰能力，它的干扰容限是由系统的扩频增益的大小决定的。但是受频率资源的限制，各类扩频系统的扩频增益不可能无限制的提高，因此，在系统所能承受的最大干扰被外部干扰强度超过之前，就必须去抑制外部的干扰，这需要引入相应的措施，来使系统的性能保持稳定。所以，对干扰的识别和
12、抑制是扩频通信技术的一个重要问题。目前，在这一领域的研究中，成果大都集中在窄带干扰的抑制上，而在宽带干1扰的抑制上取得的成果甚少 2，而在最近的几年里，宽带的非平稳干扰对扩频系统的影响被人们更多地重视，chirp 干扰是这一影响中的常见类型。对于 chirp 干扰对直接序列扩频通信系统的影响，要比单频正弦波对它的影响更加敏感。因此，近年来针对 chirp 干扰抑制算法也大量地出现，这些方法主要遵循着两种思路，一种是自适应预测滤波器，另一种是变换域干扰抑制 3。 由于经典的傅立叶分析不能针对非平稳的 chirp 信号给出满意结果，只能运用于平稳信号当中 4。在通信、雷达、声纳和地震勘探等系统当中
13、，广泛地运用了一种时间-频带积的扩频信号，它叫做 chirp 信号。在扩频通信中，其中一种具有高度抗干扰能力的调频方案由线性调频信号所提供；对于非平稳 chirp 信号的时频分析方面的研究有着理论意义和应用前景，特别是对扩频通信系统中含有 chirp 干扰的检测。1.3 论文的主要研究内容和组织结构本论文利用 chirp 信号在分数阶傅立叶变换域的特点，研究了扩频通信系统中chirp 干扰存在时的分数阶傅立叶变换域的识别和抑制。分数阶傅立叶变换揭示了信号从时域表示到频域表示的变化过程，并融合了信号的时域表示和频域表示。本论文利用 chirp 信号在分数阶傅立叶变换域呈现冲激的特征来识别干扰的存
14、在，并且能够检测出 chirp 干扰呈现冲激的最优阶次。搜索并滤除大于阈值的 chirp 干扰后再进行反变换，从而抑制干扰。经实验表明，该方法是有效的，由于分数阶傅立叶变换的线性和酉性，降低了计算复杂度，其实现更为简便，且信号具有良好的幅度保持性。第一章绪论首先大体介绍了本课题在国内外研究现状以及目前存在的问题，概述了论文的文章结构和主要的研究内容以及研究结论。第二章中简介了扩频通信系统特别是直接序列扩频通信系统的基本概念及其工作原理，以使我们在对扩频通信系统有一个总体了解的基础上，再来讨论直接序列扩频通信系统中 chirp 干扰的识别与抑制。2第三章把分数阶傅立叶变换的基本概念、基本性质和在
15、信号处理中的应用引用到文章当中，其中基于分数阶傅立叶变换的关于 chirp 信号的一些处理方法显得尤为重要。论文主要研究扩频通信系统中 chirp 干扰的识别和抑制，在第四章中论文实现了通过分数阶傅立叶变换对扩频通信系统中 chirp 干扰的识别和抑制的处理方法，并且在 Matlab 中对三种数字调制方式都做了仿真，仿真实验结果证明了这种方法的有效性。在结论一章中总结和归纳了论文的研究工作。3第二章 扩频通信2.1 扩频通信概述随着信息时代的到来，有三种重要的高技术通信传输方式也随之诞生，一种叫做光纤通信，另一种叫做卫星通信，还有一种叫做扩频通信 1。扩频通信的全名叫做扩展频谱通信(Sprea
16、d Spectrum Communication)，这种通信方式是用伪随机编码(扩频序列：Spread Sequence)将待传送的信息数据调制，实现频谱扩展后再传输；接收端则是用来恢复原始信息数据的，它利用了相同的编码进行解调及相关处理 5。这样的通信方式与常规窄道通信方式产生了明显的区别，区别有以下几点： 第 1、宽带传输由信息的频谱扩展后形成；第 2、窄带信息数据由相关的处理方式恢复出来。正因为扩频通信具有的以上两个特点，高精度测量、抗干扰、功率谱密度低、抗多径衰落、可多址复用和任意选址、具有保密性、具有隐蔽性和低的截获概率等成为了扩频通信系统的优点 6。早在二十世纪五十年代中期美国军方
17、就开始研究扩频通信系统，是因为它有着上述的优点，在当时一直被军事通信运用所独占，在军事通信、测量、电子对抗以及导航等各个领域被广泛地使用 2。直到二十世纪八十年代初，扩频通信进一步地普及，广泛的在民用通信领域中应用。随着民用通信容量需求的日益增长，有效地利用频谱资源显得格外重要，未来的个人通信、卫星移动通信和数字峰窝移动通信中采用扩频技术被各国纷纷提出，目前扩频技术已被广泛地应用，在无绳电话、微波通信、遥测、蜂窝电话、监控、无线数据通信、报警等系统中已经普遍地使用 5。42.1.1 扩频通信的定义扩展频谱通信的定义，可用如下的文字来表述：信息传输方式有很多种，其中的一种就是扩频通信技术，所传信
18、息必需的最小带宽相对于它的信号所占用的频带宽度而言，后者要比前者高很多倍；一个独立的码序列即可把频带的扩展完成，它由编码及调制的方法来实现，对于所传信息数据没有影响；对于相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据则需要在接收端运用同样的码来进行 2。定义有这样几个方面的意思： （1）信号的频谱被展宽了。 任何信息的传递都不能没有一定的带宽，这又被叫做信息带宽。例如人类的语音的信息带宽在数百 Hz 至数千 Hz 之间，电视图像信息带宽较高，可达到数兆 Hz。为了使频率资源被充分地利用，通常在传输信息方面采用的带宽和信息带宽相比差不多。在无线电通信中，射频信号的带宽和所传信息的带宽相比拟。如用调幅信号的
19、带宽是传送的语音信息的带宽的两倍；电视广播射频信号带宽与视频信号带宽相比，电视广播射频信号带宽也只是稍高于视频信号带宽。它们都被归为窄带通信 2。一般的调频信号，或脉冲编码调制信号，它们的带宽是信息带宽的数倍至十几倍。扩展频谱通信信号带宽远远高于信息带宽，其比值可达到数百 1，这些都是宽带通信的范畴。 （2）展宽信号频谱运用了扩频码序列调制的方式。 在时间上有限的信号，我们知道它的频谱是无限的。例如一段脉冲信号的带宽很窄，但是它的频谱很宽。信号的频带宽度近似的反比于其持续时间，带宽为1MHz 的频谱对应的脉冲持续时间约为 1 。因此，如果用所传信息把限窄的脉冲s序列调制，则可产生的信号的频带宽
20、度将会很高。获取扩频信号可采用扩频码序列调制方式，其中采用了这种方法用于调制包括5了直接序列扩频系统。这种码序列叫做扩频码序列，它的码速率非常高，但是脉冲很窄。需要在这里指出的是采用的扩频码序列对于需要传递的信息数据是没有半点关系的，也就是说这种信号和一般的正弦载波信号相似，对传递信息的透明性起不到任何的影响。这种序列仅仅是对扩展信号频谱有一定的帮助。（3）利用相关解调方式在接收端解扩正如在一般的窄带通信中，恢复所传的信息需要进行解调，是利用已调信号在接收端上进行的。在扩频通信接收端，以同样的扩频码序列和发送端接收到的扩频信号进行相关解调，恢复传送信息。用另一种方式去解释，解扩这一作用由这一解
21、调体现出。即该信号扩展后，恢复其原所传信息。在窄带开始扩展到接收端的宽频带信号，并把它变成一个窄带解扩信息处理这些信息，这会带来很多好处。2.1.2 扩频通信的理论基础 长期以来，常规通信为了使宝贵的频谱资源得到充分的利用，总是想法占领尽可能窄的频谱 5。而这样宽频带的信号在扩频通信系统中，为了通信的安全可靠被用来传递信息。扩频通信的传输信号所占用的频带宽度(W)比原始信息本身实际所需的最小(有效)带宽(F) 高很多倍，这是它的基本特点，处理增益 是它们之间的比值 1: pG（2-1）FWGp有效地传输任何信息都需要一定的频率宽度，如话音所需的频率宽度范围在1.7kHz - 3.1kHz 之间，电视图像则可达到数兆赫。为了使有限的频率资源被充分利用，不同调制方式被人们广泛地运用，增加通路数目，采用宽频信道(同轴电缆、微波和光纤等)，和压缩频带等措施，同时尽量减少传输媒介中传输信号带宽的占用。因现今使用的电话、广播系统中，属于窄带通信，调制制式不论是采用调幅、调频或是脉冲编码调制， 值一般都不会超过 20 倍 5。而扩频通信属于宽带通信，其pG
