直接序列擴頻系統脈沖干擾抑制裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種直接序列擴頻系統脈沖干擾抑制裝置，包括順次連接的預處理模塊、組幀模塊、自相關矩陣估計模塊、功率歸一化模塊和采樣恢復模塊；預處理模塊用于將幅度變化大的接收信號轉換為包絡相對恒定的信號；組幀模塊用于對接收信號進行緩存處理；自相關矩陣估計模塊用于通過迭代估計得到輸入信號向量的自相關矩陣，送入到乘法器與接收向量進行相乘處理，得到干擾抑制后的信號；功率歸一化模塊用于對干擾抑制后的信號進行功率歸一化處理；采樣恢復模塊用于將經過干擾抑制處理后的接收信號向量恢復為正常的接收信號。本發明在高干信比下干擾抑制能力明顯，具有復雜度低和不受擾碼約束等特點，在現實系統中更具有實用性。
【專利說明】直接序列擴頻系統脈沖干擾抑制裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及直接序列擴頻通信系統，特別是涉及一種直接序列擴頻系統脈沖干擾抑制裝置及方法。
【背景技術】
[0002]直接序列擴頻系統是現階段應用最為廣泛的數字通信系統之一，具有抗多徑能力強、發射功率低、低截獲率、保密性良好等多種優勢，在軍事通信、衛星通信和移動通信中得到廣泛應用。脈沖干擾是目前直接序列擴頻系統中存在的主要干擾之一，過去20多年中，大量的研究工作主要集中于采用干擾預測抵消和變換域濾波等干擾抑制方法。
[0003]目前，常見的直接序列擴頻通信系統干擾抑制技術可分為以下三類:
[0004](I)時域預測技術:將接收信號中的直接擴頻信號看作時間上不相關的隨機信號，是不可預測的。而其中的干擾由于時間上具有較強相關性，因而是可預測的，由此設計自適應濾波器，由系統過去時刻的輸入預測系統當前的輸入，而將系統當前實際輸入值當做自適應濾波器的期望輸出，得到的預測誤差即為直接擴頻信號。
[0005](2)變換域抑制技術:從頻域上來看，直接擴頻信號的功率分布在較寬的一段頻譜上，而干擾信號的功率分布則相對集中，由此可通過DFT (離散傅里葉變換)將接收信號變換到頻域，對其中幅度過大的譜線做刪除或裁減處理，再通過IDFT (反離散傅里葉變換)將其反變換到時域，由此達到干擾抑制的目的。
[0006](3)碼輔助干擾抑制技術:將干擾視作多個直接擴頻用戶信號的疊加，由此可利用多用戶檢測的方法對其進行抑制。碼輔助技術利用如MMSE這樣的多用戶檢測技術進行脈沖干擾抑制。碼輔助技術分為固定碼輔助技術和自適應碼輔助技術，前者適用于干擾信號統計特性已知的情況，后者適用于干擾信號未知的情況。
[0007]分析上述三種傳統干擾抑制技術，分別有如下缺點:
[0008](I)時域預測技術:時域預測技術是基于干擾可預測的假設進行設計的，在干擾為隨機脈沖信號時，這種假設常常是不滿足的，所以時域預測技術對隨機脈沖干擾抑制的性能較差。而且直接擴頻信號并不是隨機的，所以為了達到較好的抑制性能，預測技術必須弓I入非線性的修正函數，這將加大系統開銷。
[0009](2)變換域技術:變換域技術存在的問題是頻譜泄露及有用信號丟失。通過加窗的方法可以一定程度來抑制頻譜泄露，但加窗的同時又造成了有用信號的失真。由于變換域方法是通過刪除和裁減過大譜線的方法來抑制干擾，因此有用信號不可避免的在抑制過程中受到損失，在脈沖干擾為單音干擾或線性調頻信號時，這種損失可以忽略，但是當干擾為帶寬相對較大的隨機脈沖干擾時，譜線處理造成的有用信號損失會對系統性能造成很大影響。
[0010](3)碼輔助技術:固定碼輔助技術需要干擾信號的先驗信息，在實際系統中不便實現。而自適應碼輔助技術的性能并不理想，且在對維數為擴頻因子的自相關矩陣做處理時運算量過大。另外碼輔助技術都需要在接收信號已同步的情況下進行，在脈沖強度大的情況下系統常常無法順利同步。并且，在工程實現中，由于采用定點處理，在有大強度脈沖干擾到來的時候可能會造成系統溢出，系統穩定性較差。
【發明內容】
[0011]本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種新型的直接序列擴頻系統脈沖干擾抑制裝置及方法，有效抑制脈沖干擾，具有復雜度低、魯棒性強等優點。
[0012]本發明的目的是通過以下技術方案來實現的:直接序列擴頻系統脈沖干擾抑制裝置，它包括順次連接的預處理模塊、組幀模塊、自相關矩陣估計模塊、功率歸一化模塊和采樣恢復模塊；預處理模塊用于對接收信號進行幅度處理，將幅度變化大的接收信號轉換為包絡相對恒定的信號；組幀模塊用于對接收信號進行緩存處理，組成一個接收信號向量；自相關矩陣估計模塊用于通過迭代估計得到輸入信號向量的自相關矩陣，送入到乘法器與接收向量進行相乘處理，得到干擾抑制后的信號；功率歸一化模塊用于對干擾抑制后的信號進行功率歸一化處理；采樣恢復模塊用于將經過干擾抑制處理后的接收信號向量恢復為正常的接收信號。
[0013]所述的預處理模塊包括均方根計算子模塊和幅度控制子模塊；均方根計算子模塊用于計算接收信號向量的均方根值；幅度控制子模塊用于將接收信號向量除以均方根值并修正幅度。
[0014]所述的自相關矩陣估計模塊包括向量更新子模塊、矩陣更新子模塊、遺忘因子子模塊和延時子模塊；向量更新子模塊用于在迭代過程中，存儲新的接收信號向量；矩陣更新子模塊用于在迭代過程中，對估計得到的自相關矩陣P進行更新處理；遺忘因子子模塊用于存儲迭代算法所需的遺忘因子參數；延時子模塊用于對矩陣更新子模塊輸出的自相關矩陣P進行延時處理。
[0015]直接序列擴頻系統脈沖干擾抑制方法，它包括以下步驟:
[0016]S1:預處理:對接收信號進行預處理，對幅度變化大的接收信號進行幅度處理，得到包絡相對恒定的信號；
[0017]S2:組幀處理:對接收信號進行分組緩存處理，得到接收信號向量；
[0018]S3:估計自相關矩陣:通過迭代得到接收信號向量的自相關矩陣P，自相關矩陣P為接收信號向量自相關矩陣的逆估計值；
[0019]當脈沖干擾的先驗信息已知時，取P[k] = R^1 [k]或P[k] = (RjM + β Ι）- 1，其中，R[k]表示M維接收向量的自相關矩陣％[k]表示M維干擾向量的自相關矩陣；1表示M維單位矩陣；β >0，典型取值為O或σ2，σ 2表示白噪聲功率；(.）-1表示矩陣的逆；
[0020]當脈沖干擾的先驗信息未知時，P[k]為R-1DO的一個估計值，可采用多種算法對R^1 [k]進行估計，包括最小二乘算法、遞歸最小二乘算法等；
[0021]S4:線性變換:采用自相關矩陣P對接收信號向量做線性變換，得到干擾抑制后的接收信號向量；
[0022]S5:功率歸一化:對脈沖干擾抑制后的接收信號向量做功率歸一化處理，得到功率調整后的接收信號向量；
[0023]S6:采樣恢復:將功率調整后的接收信號向量恢復為正常接收碼片信號。
[0024]所述的步驟SI包括以下子步驟:[0025]SlOl:計算接收信號的均方根值；
[0026]S102:將接收信號向量除以其均方根值，并修正幅度。
[0027]所述的步驟S2包括以下子步驟:
[0028]S201:向量更新，隨著迭代進行，對接收信號向量進行更新處理，丟掉原始的接收信號向量，存儲新的接收信號向量用于下次迭代；
[0029]S202:自相關矩陣更新，隨著迭代進行，通過誤差和收斂因子對矩陣進行更新處理，丟掉原始的自相關矩陣值，存儲新的自相關矩陣值；
[0030]S203:采用自適應的方法調整收斂因子，加快迭代收斂速度；
[0031]S204:對一次迭代后的自相關矩陣進行延時處理，并反饋到矩陣更新子模塊的輸入端。
[0032]本發明的有益效果是:
[0033]I)解決了碼輔助技術在接收信號統計特性未知情況下，采用盲檢測技術精度有限，造成干擾抑制效果較差的問題；降低了在頻率選擇性衰落信道情況下碼輔助技術基于每個期望用戶生成檢測向量的復雜度；并采用長碼的擴頻方案，使本發明能夠應用于第三代移動通信中的TD-SCDMA，WCDMA系統等。
[0034]2)固定信噪比后可以看出，本發明在高干信比下干擾抑制能力明顯；本發明還具有復雜度低和不受擾碼約束等特點，在現實系統中更具有實用性，在不影響現有接收機結構的前提下，單純的增加一個干擾抑制模塊，即可對脈沖干擾起到良好的抑制作用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0035]圖1為典型的直接序列擴頻系統基帶接收機結構圖；
[0036]圖2為本發明干擾抑制裝置結構圖；
[0037]圖3為本發明預處理模塊結構圖；
[0038]圖4為本發明自相關矩陣估計模塊結構圖；
[0039]圖5為本發明干擾抑制方法流程圖；
[0040]圖6為本發明在不同干信比下性能對比圖。
【具體實施方式】
[0041]下面結合附圖進一步詳細描述本發明的技術方案，但本發明的保護范圍不局限于以下所述。
[0042]如圖1所示，典型的直接序列擴頻系統基帶接收機包括:擴頻碼發生模塊、擾碼發生模塊、匹配濾波模塊、干擾抑制裝置、解調模塊、信宿模塊。其中:
[0043]所述的擴頻碼發生模塊，用于產生解擴所需的碼片，碼片級數據經過解擴處理得到符號級數據。
[0044]所述的擾碼發生模塊，用于產生解擾所需的偽碼，碼片級數據經過解擾處理后送入到解調模塊。
[0045]所述的匹配濾波模塊，用于對接收信號做匹配濾波處理，消除帶外干擾和噪聲，得到濾波器處理后的接收信號r (n) =s(n)+j(n)+n(n);其中，r(n)為接收信號；s(n)為期望的直接擴頻用戶信號；j(n)為脈沖干擾，例如:單音干擾，調頻干擾，數字脈沖干擾等；n(n)為聞斯白噪聲。
[0046]所述的解調模塊，用于對基帶碼片級的數據進行解擴和逆映射處理，得到比特級數據；
[0047]所述的信宿模塊，用于將接收的比特數據與發射的比特級數據進行比較，計算誤碼率。
[0048]如圖2所示，直接序列擴頻系統脈沖干擾抑制裝置，它包括順次連接的預處理模塊、組幀模塊、自相關矩陣估計模塊、功率歸一化模塊和采樣恢復模塊；
[0049]預處理模塊用于對接收信號進行幅度處理，將幅度變化大的接收信號轉換為包絡相對恒定的信號。
[0050]組幀模塊用于對接收信號進行緩存處理，組成一個接收信號向量；將接收信號r (η)按照每M個碼片一組組合為成M維的接收向量序列，第k個接收向量可以表示為如下形式:
[0051]r[k] = [r (kM) r (kM-1)...r (kM-M+2) r (kM-M+1) ]T ；
[0052]其中，k≤1，(.)τ表示向量或矩陣轉置，r[k]的組成如下所示:
[0053]r (k) =s (k) + j (k) +n (k)；
[0054]其中，r[k]表示M維的接收向量；s(k)表示M維的直接擴頻信號向量；j(k)表示M維的脈沖干擾向量；n (k)表示M維的高斯白噪聲向量。
[0055]如圖3所示，預處理模塊包括均方根計算子模塊和幅度控制子模塊；均方根計算子模塊用于計算接收信號向量的均方根值；幅度控制子模塊用于將接收信號向量除以均方根值并修正幅度。
[0056]自相關矩陣P更新及線性變換詳細結構圖如圖4所示，自相關矩陣估計模塊用于通過迭代估計得到輸入信號向量的自相關矩陣，送入到乘法器與接收向量進行相乘處理，得到干擾抑制后的信號；所述的自相關矩陣估計模塊包括向量更新子模塊、矩陣更新子模塊、遺忘因子子模塊和延時子模塊:
[0057]向量更新子模塊用于在迭代過程中，對接收信號向量進行更新處理，丟掉原始的接收信號向量，存儲新的接收信號向量r[k]用于下次迭代；
[0058]矩陣更新子模塊用于在迭代過程中，對估計得到的自相關矩陣P進行更新處理；
[0059]自相關矩陣更新，隨著迭代進行，需要通過誤差和收斂因子對矩陣進行更新處理，丟掉原始的自相關矩陣值，存儲新的自相關矩陣值。下面以基于遞歸最小二乘的自適應抑制方案為例說明自相關矩陣更新方式:
[0060]步驟41，初始化自相關矩陣P，即設定P[0]，設置收斂因子λ值，對于Ρ[0]，設定P [O] = ΙΜ，其中Im為M階單位陣，其中λ取值為O < λ < I ;
[0061]步驟42，更新中間向量k[k]:
【權利要求】
1.直接序列擴頻系統脈沖干擾抑制裝置，其特征在于:它包括順次連接的預處理模塊、組幀模塊、自相關矩陣估計模塊、功率歸一化模塊和采樣恢復模塊； 所述的預處理模塊用于對接收信號進行幅度處理，將幅度變化大的接收信號轉換為包絡相對恒定的信號； 所述的組幀模塊用于對接收信號進行緩存處理，組成一個接收信號向量； 所述的自相關矩陣估計模塊用于通過迭代估計得到輸入信號向量的自相關矩陣，送入到乘法器與接收向量進行相乘處理，得到干擾抑制后的信號； 所述的功率歸一化模塊用于對干擾抑制后的信號進行功率歸一化處理； 所述的采樣恢復模塊用于將經過干擾抑制處理后的接收信號向量恢復為正常的接收信號。
2.根據權利要求1所述的直接序列擴頻系統脈沖干擾抑制裝置，其特征在于:所述的預處理模塊包括均方根計算子模塊和幅度控制子模塊； 所述的均方根計算子模塊用于計算接收信號向量的均方根值； 所述的幅度控制子模塊用于將接收信號向量除以均方根值并修正幅度。
3.根據權利要求 1所述的直接序列擴頻系統脈沖干擾抑制裝置，其特征在于:所述的自相關矩陣估計模塊包括向量更新子模塊、矩陣更新子模塊、遺忘因子子模塊和延時子模塊； 所述的向量更新子模塊用于在迭代過程中，存儲新的接收信號向量； 所述的矩陣更新子模塊用于在迭代過程中，對估計得到的自相關矩陣P進行更新處理； 所述的遺忘因子子模塊用于存儲迭代算法所需的遺忘因子參數； 所述的延時子模塊用于對矩陣更新子模塊輸出的自相關矩陣P進行延時處理。
4.直接序列擴頻系統脈沖干擾抑制方法，其特征在于:它包括以下步驟: 51:預處理:對接收信號進行預處理，對幅度變化大的接收信號進行幅度處理，得到包絡相對恒定的信號； 52:組幀處理:對接收信號進行分組緩存處理，得到接收信號向量； 53:估計自相關矩陣:通過迭代得到接收信號向量的自相關矩陣P，自相關矩陣P為接收信號向量自相關矩陣的逆估計值； 54:線性變換:采用自相關矩陣P對接收信號向量做線性變換，得到干擾抑制后的接收信號向量； 55:功率歸一化:對脈沖干擾抑制后的接收信號向量做功率歸一化處理，得到功率調整后的接收信號向量； 56:采樣恢復:將功率調整后的接收信號向量恢復為正常接收碼片信號。
5.根據權利要求4所述的直接序列擴頻系統脈沖干擾抑制方法，其特征在于:所述的步驟SI包括以下子步驟: 5101:計算接收信號的均方根值； 5102:將接收信號向量除以其均方根值，并修正幅度。
6.根據權利要求4所述的直接序列擴頻系統脈沖干擾抑制方法，其特征在于:所述的步驟S2包括以下子步驟:S201:向量更新，隨著迭代進行，對接收信號向量進行更新處理，丟掉原始的接收信號向量，存儲新的接收信號向量用于下次迭代； S202:自相關矩陣更新，隨著迭代進行，通過誤差和收斂因子對矩陣進行更新處理，丟掉原始的自相關矩陣值，存儲新的自相關矩陣值； S203:采用自適應的方法調整收斂因子，加快迭代收斂速度；S204:對一次迭代后的自相關矩陣進行延時處理，并反饋到矩陣更新子模塊的輸入端。
【文檔編號】H04B1/7097GK104022794SQ201410280356
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月20日 優先權日:2014年6月20日
【發明者】趙宏志, 劉鳳威, 王務鵬, 唐友喜 申請人:電子科技大學