【正文】 直序擴(kuò)頻通信中窄帶干擾抑制算法研究 專業(yè) 學(xué)生姓名 班級(jí) 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師 完成日期 直序擴(kuò)頻通信中窄帶干擾抑制算法研究 直序擴(kuò)頻通信中窄帶干擾抑制算法的研究 摘 要： 擴(kuò)頻通信是指用于傳輸信號(hào)的信道帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)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(hào)隱蔽性和保密性等方面具有較傳統(tǒng)無(wú)線通信方式無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，從而與光纖通信、衛(wèi)星通信一同被譽(yù)為信息時(shí)代三大主流通信傳輸方式。仿真結(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(dá)到預(yù)期的效果。 Direct Sequence Spread Spectrum。 擴(kuò)頻 通信（ Spread Spectrum Communication）， 與 光纖通信，衛(wèi)星通信，一起被稱為 信息時(shí)代的 三大高科技通訊 方式。 直擴(kuò) 系統(tǒng)中， 用偽隨機(jī)序列將傳輸信息擴(kuò)展，在接收時(shí)又用它將信號(hào)壓縮，并使干擾信號(hào)功率擴(kuò)散，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力；偽隨機(jī)序列性能的好壞直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)性能的好壞，是一個(gè)至關(guān)重要的問(wèn)題。 由于這些技術(shù)的應(yīng)用， 使擴(kuò)頻 通信具有以下優(yōu)點(diǎn)： 。 能力，可以實(shí)現(xiàn) 碼分多址 。 。 正 是因?yàn)?擴(kuò)頻 通信技術(shù)具有上述優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軍事通信，電子對(duì)抗，導(dǎo)航，測(cè)量等領(lǐng)域，直到 20 世紀(jì) 80 年代初， 才 用于民用通信領(lǐng)域。 擴(kuò)頻 通信的產(chǎn)品已經(jīng)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樗哂幸韵绿攸c(diǎn)：防止阻塞能力 。 擴(kuò)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。 Simulink 是 MATLAB 中 一種可視化仿真工具， 是可實(shí)現(xiàn) 動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模，仿真和分析的集成環(huán)境，廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)，非線性系統(tǒng)，數(shù)字控制 ，數(shù)字信號(hào)處理的建模與仿真 中 。頻帶的擴(kuò)展是 通過(guò)一個(gè)單獨(dú)的代碼序列是 完成 的， 用 編碼和調(diào)制 來(lái)實(shí)現(xiàn) ，與所傳輸?shù)?數(shù)據(jù)無(wú)關(guān) 。 ， 用相關(guān)解調(diào)來(lái)解擴(kuò) 。 眾所周知， 信息 的 有效傳輸 都 需要一定的頻率寬度，如語(yǔ)音為 ，電視圖像 有 幾兆赫寬。 信息容量信息論（香農(nóng)）公式是： )/1(2 NPW L o gC ?? (31) 式 中 ： C 信道容量（ 用 傳輸速率 來(lái) 度量） W信號(hào)帶寬 P 信號(hào)功率 N 白噪聲的功率 式（ 31） 說(shuō)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。這是擴(kuò)頻通信的基本思想和理論基礎(chǔ)。 容限 指 擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng) 能在多大 干環(huán)境中工作的能力 ， 定義為： dBLNSGM sopj ])/[( ??? (33) 式中 jM 抗干擾容限 PG 處理增益 oNS )/( 信息數(shù)據(jù)被正確解調(diào)而 需 的最小輸出信噪比 sL 接收系統(tǒng)的工作損耗 因此，抗干擾 容限 jM 和擴(kuò)頻處理增益 PG 成正比 的， 擴(kuò)頻處理增益 PG 提高后 極大地提高 了 抗干擾 容限 ，甚至信號(hào) 可以在一定的 噪聲 湮沒(méi)下 正常通信。擴(kuò)頻通信的抗干擾如圖 31 所示。 由于 擴(kuò)頻通信 應(yīng)用了相關(guān)接收 ，信號(hào)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(fù)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。 在 充分利用多種不同的模式之間的擴(kuò)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(kuò)展頻譜通信中 存在擴(kuò)頻碼序列的擴(kuò)頻調(diào)制 ，在接收器中使用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行解擴(kuò)，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(hào)，提取出有用信號(hào)。 是 數(shù)字通信，特別適用于數(shù)字語(yǔ)音和數(shù)據(jù) 同時(shí)傳輸 ， 并且自身具有加密功能，保密性強(qiáng) ，容易開(kāi)展各種 通信服務(wù)。 跟 據(jù)的擴(kuò)頻的方式，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)可以分為：直接序列擴(kuò)頻（ DS），跳頻（ FH），跳時(shí)（ TH）幾種方法的組合。 信源信道編碼擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)信道譯碼信宿信 道干 擾噪 聲發(fā) 送 端 接 收 端同 步載波調(diào)制解擴(kuò)偽 碼 同 步 圖 32 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)模型 和 普通的數(shù)字通信系統(tǒng)相比，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)增加了擴(kuò)頻調(diào)制和解擴(kuò)部分，相應(yīng)的同步部分也 增 加 了 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(fù)出有用 的 信息，得到的只是一片噪聲。圖 33中 擴(kuò)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(gè) 碼片內(nèi)。這種系統(tǒng)具有信號(hào)發(fā)射功率小、抗干擾強(qiáng)、抗多徑、多址能力強(qiáng)和抗跟蹤干擾及抑制遠(yuǎn)近效應(yīng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。對(duì)解擴(kuò)后的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)出原始信息。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）。跳頻系統(tǒng)組成框圖如圖 35所示。但與發(fā)送頻率相差一個(gè)固定中頻。在這里，混頻器實(shí)際上是擔(dān)當(dāng)了解跳器的角色，將接收的信號(hào)轉(zhuǎn)化為一個(gè)中頻信號(hào) 。實(shí)際上跳頻通信系統(tǒng)在某一個(gè)時(shí)刻還是工作在一個(gè)固定頻點(diǎn)，因此它屬于一種“時(shí)間段上的擴(kuò)頻”調(diào)制方式。 信 源頻 率 合 成 器跳 頻 序 列擴(kuò) 頻解 跳解 擴(kuò)信 宿擴(kuò) 頻 序 列擴(kuò) 頻 同 步擴(kuò) 頻 序 列調(diào) 制頻 率 合 成 器跳 頻 序 列跳 頻 同 步 圖 37 DS／ FH系統(tǒng)組成框圖 在發(fā)送端，原始信息首先用擴(kuò)頻序列進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻，然后用頻率合成器輸出的載波進(jìn)行跳頻調(diào)制，頻率合成器輸出頻率受跳頻序列控制。 時(shí)域線性自適應(yīng)算法 時(shí)域線性自適應(yīng)算法采用的是最小均方（ LMS)算法，它是一種線性自適應(yīng)濾波算法。這兩個(gè)過(guò)程共同組成一個(gè)反饋環(huán)，如圖 41 所示。 圖 41 自適應(yīng)橫向?yàn)V波器原理框圖 用梯度 n? 表示為 )()()1( nnwnw ???? ?，當(dāng) ? 是多維的情況時(shí)， n? 可用矩陣表示為 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（ 20xx） 11 n? = TNdnedEd nedEd nedE ?????? ??? )]([,)]([,)]([ 22212 ? n? =TnNdnedEd nedEd nedE)(22212 )([,)([,)([????? ????????? ? = TnNdnded nded ndene)(21)(,)(,)()(2????? ??????? ? (44) 又 )()()( nxwndne T?? ，得 )()(,)(,)(21nXd nded nded nde TN???????? ??? ?，故 n? = )()(2 nXne? ，帶入 )()()1( nnwnw ???? ?得自適應(yīng)濾波器的權(quán)矢量遞推公式為)()(2)()1( nXnenwnw ???? (45) 一般，當(dāng)一個(gè)寬帶信號(hào)既受到周期干擾的污染，又沒(méi)有外部參考輸人可以利用時(shí)，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。 該算法的基本原理框圖如圖 42所示 圖 42 自適應(yīng)干擾抵消的原理框圖 圖 42 中原始輸人為： )()( 0 nns ?? 。 求自適應(yīng)濾波是使均方誤差最小 )]((E 2 ne =min。如果能利用更多有用信號(hào)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)線性預(yù)測(cè)方法進(jìn)行改進(jìn)，就可以獲得更好的抑制效果。利用直擴(kuò)信號(hào)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擾抑制效果。它的權(quán)矢量迭代公式為 )](s g n[)(2)()1( nxnenwnw ???? (49) 頻域 自 適應(yīng)算法 頻域自適應(yīng)算法實(shí)際上是塊 LMS(Block LMS)自適應(yīng)濾波算法在頻率域上的實(shí)現(xiàn)，其基本原理及框圖與時(shí)域的一樣，不過(guò)兩者的濾波器實(shí)現(xiàn)方式不同而已。設(shè) n 時(shí)刻輸入信號(hào)矢量為 )([)( nxnX ? )1( ?nx ? TMnx )]1( ?? (410) 相應(yīng)的，設(shè) n時(shí)刻自適應(yīng)濾波器的 權(quán)系數(shù)矢量為 )([)( 0 nnw ?? )1 n（? ? Tn)](1M?? (411) 令 k表示塊下標(biāo)，且 k與 n的關(guān)系為 ,1,0, ??? iikLn ?， ,2,1, ?kL ? 式中， L 表示塊長(zhǎng)。這樣，塊自適應(yīng)濾波器中的線性卷積和線性相關(guān)都可以利用 FFT 來(lái)快速實(shí)現(xiàn)，從而構(gòu)成了塊 LMS 算法的快速算法。 ))]}1( ?? MkMx (415) 將重疊存儲(chǔ)法應(yīng)用于求線卷積，得到 1?M 維矢量 )(kyT 后的 M 個(gè)元素。 , )]()([I F F T)]1( kWkXmkMy ??? （ 416） 在上式中，只保留 )()( kWkX 后的 M個(gè)元素，這是因?yàn)榍?M個(gè)元素是循環(huán)卷積的結(jié)果。 TMkMd )]1( ?? （ 417） 定義響應(yīng)的 1?M 維的誤差信號(hào)矢量為 ),1(),([)( ?? kMekMeke LMS 算法的原理框圖 Fast Block LMS 算法將時(shí)域數(shù)據(jù)分成長(zhǎng)度為 n 的數(shù)據(jù)塊，且每塊的濾波權(quán)系數(shù)保持不變。 FFT 重疊變換干擾抑制算法 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(duì)于擴(kuò)頻信號(hào)能量集中在 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（ 20xx） 15 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(hào)變換到頻域，檢測(cè)出干擾的頻譜位置，將這些譜線去掉或進(jìn)行衰減，最后反變換還原成時(shí)域信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)。 圖 47 中， )(Wn 是 窗函數(shù)， )(uabs 和 )(uangle 兩個(gè)函數(shù)分別求離散傅里葉變換后的幅度和角度 (相位 )值， )(T uhre 函數(shù)確定譜線的門限值 , )(uP 函數(shù)是對(duì)譜線進(jìn)行處理。因此 ,在進(jìn)行干擾抑制時(shí) ,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(duì)有用信號(hào)的損傷。門限的確定可以用下式表示 )(1 1 1 ,m i n ? ?? ???MiNm miFFTFFT uabsMNT hr eT hr e ? （ 421） 式中， minThre 是最小的門限值，通常是沒(méi)有干擾時(shí)信號(hào)的幅度值 。 在 DSSS 通信系統(tǒng)頻域抗干擾算法中，通常對(duì)輸人數(shù)據(jù)分段進(jìn)行 N 點(diǎn) FFT 變換，分段數(shù)據(jù)周期延拓后的非連續(xù)性會(huì)導(dǎo)致頻請(qǐng)泄漏現(xiàn)象，通?？梢圆捎脤?duì)分段數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗的方法減小頻譜泄漏。下面以 1/2 重疊加窗為例，其基本原理框圖如圖 48所示。將兩路時(shí)延差 1/2 幀的數(shù)據(jù)段出禮疊加就可以起到互為補(bǔ)充的作用，即每一路都只取其中間有用的 1/2幀。 bpsk 信號(hào)的產(chǎn)生單元如圖 51 所示。 直序擴(kuò)頻通信中窄帶干擾抑制算法研究 20 圖 54 單音窄帶干擾模塊參數(shù)設(shè)置界面 干擾抑制模塊的仿真 以 FFT 重疊變換干擾抑制算法為例進(jìn)行仿真 ,仿真采用 Simulink 進(jìn)行。 圖 55 FFT 重疊變換干擾抑制算法的 Simulink 仿真圖 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（ 20xx） 21 anti_interference 模塊為 FFT 陷波模塊，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 56所示