【正文】 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研究 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。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，達到預期的效果。 Direct Sequence Spread Spectrum。 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。 直擴 系統(tǒng)中， 用偽隨機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。 由于這些技術(shù)的應用， 使擴頻 通信具有以下優(yōu)點： 。 能力，可以實現(xiàn) 碼分多址 。 。 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 年代初， 才 用于民用通信領(lǐng)域。 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 。 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。 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 。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)?數(shù)據(jù)無關(guān) 。 ， 用相關(guān)解調(diào)來解擴 。 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 ，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 度量） W信號帶寬 P 信號功率 N 白噪聲的功率 式（ 31） 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。這是擴頻通信的基本思想和理論基礎。 容限 指 擴展頻譜通信系統(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 和擴頻處理增益 PG 成正比 的， 擴頻處理增益 PG 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。擴頻通信的抗干擾如圖 31 所示。 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。 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。 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。 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。 信源信道編碼擴頻調(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)制解擴偽 碼 同 步 圖 32 擴頻通信系統(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。 ：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，否則就不能恢復出有用 的 信息，得到的只是一片噪聲。圖 33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)。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。對解擴后的信號進行解調(diào)，恢復出原始信息。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)送頻率相差一個固定中頻。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 。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。 信 源頻 率 合 成 器跳 頻 序 列擴 頻解 跳解 擴信 宿擴 頻 序 列擴 頻 同 步擴 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。 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。這兩個過程共同組成一個反饋環(huán)，如圖 41 所示。 圖 41 自適應橫向濾波器原理框圖 用梯度 n? 表示為 )()()1( nnwnw ???? ?，當 ? 是多維的情況時， n? 可用矩陣表示為 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書（ 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 ???? ?得自適應濾波器的權(quán)矢量遞推公式為)()(2)()1( nXnenwnw ???? (45) 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。 該算法的基本原理框圖如圖 42所示 圖 42 自適應干擾抵消的原理框圖 圖 42 中原始輸人為： )()( 0 nns ?? 。 求自適應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。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。設 n 時刻輸入信號矢量為 )([)( nxnX ? )1( ?nx ? TMnx )]1( ?? (410) 相應的，設 n時刻自適應濾波器的 權(quán)系數(shù)矢量為 )([)( 0 nnw ?? )1 n（? ? Tn)](1M?? (411) 令 k表示塊下標，且 k與 n的關(guān)系為 ,1,0, ??? iikLn ?， ,2,1, ?kL ? 式中， L 表示塊長。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。 ))]}1( ?? MkMx (415) 將重疊存儲法應用于求線卷積，得到 1?M 維矢量 )(kyT 后的 M 個元素。 , )]()([I F F T)]1( kWkXmkMy ??? （ 416） 在上式中，只保留 )()( kWkX 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。 TMkMd )]1( ?? （ 417） 定義響應的 1?M 維的誤差信號矢量為 ),1(),([)( ?? kMekMeke 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。 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于擴頻信號能量集中在 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書（ 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。 圖 47 中， )(Wn 是 窗函數(shù)， )(uabs 和 )(uangle 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， )(T uhre 函數(shù)確定譜線的門限值 , )(uP 函數(shù)是對譜線進行處理。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。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，通常是沒有干擾時信號的幅度值 。 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?？梢圆捎脤Ψ侄螖?shù)據(jù)進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。 bpsk 信號的產(chǎn)生單元如圖 51 所示。 直序擴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行仿真 ,仿真采用 Simulink 進行。 圖 55 FFT 重疊變換干擾抑制算法的 Simulink 仿真圖 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書（ 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