直序擴(kuò)頻通信中窄帶干擾抑制算法的研究本科生畢業(yè)設(shè)計(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 直接序列擴(kuò)頻就是直接用高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)端擴(kuò)展信號的頻譜。而在收端，用相同擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號還原成原始的信息。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(yuǎn)近效應(yīng)等一系列優(yōu)點。直擴(kuò)系統(tǒng)組成框圖如圖 33 所示。 信 源振 蕩 器高 放解 調(diào)偽 碼 發(fā) 生 器 載 波 同 步偽 碼 同 步偽 碼 發(fā) 生 器 圖 33 直擴(kuò)系統(tǒng)組成框圖 首先對信源 的 原始數(shù)據(jù)進(jìn)行直序擴(kuò)頻調(diào)制、載波調(diào)制，然后送入信道。接收機收到信號后，首先由本地偽碼產(chǎn)生器產(chǎn)生與發(fā)送端相同的本地偽碼 ，用此偽碼對混頻器的輸出信號進(jìn)行時域相乘，即所謂的解擴(kuò)。對解擴(kuò)后的信號進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)出原始信息。 圖 34（ a） 直序擴(kuò)頻前頻譜圖 圖 34（ b） 直序擴(kuò)頻后頻譜圖 直序擴(kuò)頻通信中窄帶干擾抑制算法研究 8 圖 34（ a）圖 34（ b）給出了直序擴(kuò)頻前后的頻譜圖。從圖（ a）可看出基帶信號的頻寬為 1Hz，圖（ b）的信號帶寬約為 40Hz 左右，擴(kuò)頻調(diào)制后，信號頻譜被大大擴(kuò)展 了 。 （ Frequency Hopping）工作方式，簡稱跳頻（ FH）方式 所謂跳頻，即載波頻率在偽碼 的 控制下不斷隨機跳變 。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）。簡單的頻移鍵控如 2FSK，只有兩個頻率，分別代表傳號和空號。而跳頻系統(tǒng)則有幾個、幾十個、甚至上千個 的 頻率，由所傳 的 信息與擴(kuò)頻碼的組合進(jìn)行選擇控制，不斷 的 跳變。與直擴(kuò)系統(tǒng)不同的是，跳頻系統(tǒng)的偽碼不是 用來 傳輸，而是用來選擇信道。跳頻系統(tǒng)組成框圖如圖 35所示。 信 源頻 率 合 成 器偽 碼 產(chǎn) 生 器調(diào) 制 高 放 混 頻 中 放頻 率 合 成 器偽 碼 產(chǎn) 生 器解 調(diào)載 波同 步偽 碼 同 步 圖 35 跳頻系統(tǒng)組成框圖 頻率合成器受偽碼控制產(chǎn)生一定規(guī)律變化的射頻頻率，用該跳變的頻率去調(diào)制基帶信號，得到載波頻率不斷變化 的射頻信號，發(fā)送到信道中去。 在接收端，接收到的信號（含噪聲和干擾）經(jīng)過高頻放大濾波后送至混頻器。接收機的本地載波也是一個頻率跳變信號，其變化規(guī)律和發(fā)送端一致。但與發(fā)送頻率相差一個固定中頻。只要收發(fā)雙方的偽碼完全同步，就可以使得收發(fā)雙方的頻率合成器同步輸出。經(jīng)過混頻后可以得到一個固定的中頻，然后對這個中頻信號進(jìn)行解調(diào)就可以獲得發(fā)送的原始信號。由于干擾和本振頻率不相關(guān)，因而被濾除，從而達(dá)到抗干擾的目的。在這里，混頻器實際上是擔(dān)當(dāng)了解跳器的角色，將接收的信號轉(zhuǎn)化為一個中頻信號 。 圖 36（ a） 跳頻 調(diào)制前頻譜圖 圖 36（ b） 跳頻調(diào)制后頻譜圖 從圖 36（ a）中可以看出，跳頻調(diào)制之前，系統(tǒng)只工作在一個頻點。圖 36（ b）中系統(tǒng)在跳頻調(diào)制之后，工作在四個頻點。如果敵方不知道跳頻序列，要 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（ 2020） 9 跟蹤跳頻信號會變得十分困難。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(kuò)頻”調(diào)制方式。 上述兩種擴(kuò)頻方式可以組合起來，構(gòu)成 DS／ FH 混合擴(kuò)頻系統(tǒng)，是一種中心頻率在某一頻帶內(nèi)跳變的直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)。它可以實現(xiàn)抗干擾、多址組網(wǎng)、定時定位 和抗多徑等功能。 DS／ FH系統(tǒng)組成框圖如圖 37所示。 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。在接收端，首先進(jìn)行解跳。得到一個中頻的直擴(kuò)信號，再進(jìn)行解擴(kuò)，最后送至解調(diào)器將原始信息恢復(fù)出來。 圖 38 DS／ FH調(diào)制后頻譜圖 直序擴(kuò)頻通信中窄帶干擾抑制算法研究 10 圖 38與圖 34（ b）、圖 36（ b）比較，可以看出混合擴(kuò)頻通信系統(tǒng)比單一的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)擁有 更寬的頻帶。 時域線性自適應(yīng)算法 時域線性自適應(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。一般來說 ,LMS 算法包括兩個基本過程：濾波過程和自適應(yīng)過程。在濾波的過程中，自適應(yīng)濾波器將 自 己的輸出與期望值相比較，估計出誤差信號。在自適應(yīng)過程中，濾波器根據(jù)估計出的誤差信號自動調(diào)整自身的參數(shù)。這兩個過程共同組成一個反饋環(huán)，如圖 41所示。 圖 41中， x(n） 為輸入信號其定義為 TMnxnxnxnx )]()1()([)( ??? ? (單輸入結(jié)構(gòu)） (41) 或 TM nxnxnxnxnx )]()()()([)( 210 ?? （多輸入結(jié)構(gòu)） y（ n)為自適應(yīng)濾波器的輸出信號，表示為 )(ny = )()()()( TT nxnwnwnx ? (42) 自適應(yīng)濾波器的誤差信號為 )()()( nyndne ?? 。 令下一刻權(quán)矢量與現(xiàn)在的權(quán)矢量的關(guān)系為 )}({)]([)()1( 2 ndw nedEnwnw ??? ???? (43) 式中， ? 0 是一個控制穩(wěn)定性和收斂速度的參數(shù)。 LM S 算法的關(guān)鍵是尋找一個 ? 的遞推式，由 0??? ，起始值開始，沿著趨于 *? （ *? 是 )]([E 2 ne =rnin 時權(quán)矢量的值）的方向逐步遞推，直至 *??? 為止。 圖 41 自適應(yīng)橫向濾波器原理框圖 用梯度 n? 表示為 )()()1( nnwnw ???? ?，當(dāng) ? 是多維的情況時， n? 可用矩陣表示為 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（ 2020） 11 n? = TNdnedEd nedEd nedE ?????? ??? )]([,)]([,)]([ 22212 ? n? =TnNdnedEdnedEdnedE)(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。如圖 41所示：原始輸人為有用信號與干擾之和 ,參考輸入是原始信號的延遲 (有用信號延遲后不相關(guān)，而窄帶干擾仍然具有相關(guān)性）。自適應(yīng)濾波器自動調(diào)節(jié)其權(quán)值，使原始輸人與輸出的差值的均方誤差最小。這樣，自適應(yīng)濾波器的輸出應(yīng)是對干擾的估計，在接收端的寬帶信 號是原始輸人減去干擾之后的值，即對有用信號的預(yù)測。 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 ?? 。參考輸人為原始輸入的延遲，與噪聲)0n（? 相關(guān)的信號 )()(), 001 nnn ??? 為（ ? 最佳估值，即兩者均方誤差最小 。設(shè)定)()()( 10 nnns ?? 、 為零均值的平穩(wěn)隨機過程，且 )(ns 與 )()()( 10 nnns ?? 、 互不相關(guān)。 自適應(yīng)噪聲抵消器的輸出 )()()()( 00 nnnsne ?? ???? (46) 直序擴(kuò)頻通信中窄帶干擾抑制算法研究 12 ))()()((2))()(()()( 0020202 nnnsnnnsne ???? ?? ????? (47) ))]n()()(([2)]()([)([)]([E 0020202 ???? ?? ????? nnsEnnEnsEne (48) 因為 )()()( 10 nnns ?? 、 為零均值的平穩(wěn)隨機過程，所以 )(ns 與 )() 10 nn ?? 、（無關(guān)， 0))]())(([ 00 ?? nnnsE ?? ?（ 。 求自適應(yīng)濾波是使均方誤差最小 )]((E 2 ne =min。 0))]()([ 00 ?? nnE ?? ? 時， )]((E 2 ne =min。要求 )() 00 nn ?? ?、（ 是相關(guān)，這樣才能進(jìn)行噪抵消。 時域非線性自適應(yīng)算法 線性預(yù)測方法是利用有用數(shù)據(jù)信號的寬帶特性抑制干擾，這樣的處 理只利用了擴(kuò)頻數(shù)據(jù)信號的譜結(jié)構(gòu)特點。如果能利用更多有用信號的結(jié)構(gòu)特點，對線性預(yù)測方法進(jìn)行改進(jìn)，就可以獲得更好的抑制效果。當(dāng)背景噪聲是高斯白噪聲時，線性預(yù)測技術(shù)是最優(yōu)的。而當(dāng)面臨的噪聲是非髙斯噪聲時，為了獲得更好的性能，需要求助于某些非線性技術(shù)。直擴(kuò)序列是獨立同分布的二進(jìn)制序列，非高斯的，所以即使窄帶干擾和背景噪聲假設(shè)是高斯的，這時的最優(yōu)濾波也應(yīng)是非線性的。利用直擴(kuò)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。 在高速通信領(lǐng)域，實際 問題對算法的計算量有很嚴(yán)格的要求，在自適應(yīng)濾波器權(quán)系數(shù)的更新中引人一定的非線性變換，可以在一定程度上簡化權(quán)系數(shù)更新過程中的乘法運算，并因此簡化 LMS 自適應(yīng)濾波器的硬件或軟件 實 現(xiàn)。極性 LMS自適應(yīng)算法就是這種典型的算法。 此處采用的是對輸人信號取符號的信號極性算法 SignData LMS,當(dāng)輸人信號為正時置為 +1，當(dāng)輸人信號為負(fù)時置為 1。它的權(quán)矢量迭代公式為 )](s g n[)(2)()1( nxnenwnw ???? (49) 自 適應(yīng)算法 頻域自適應(yīng)算法實際上是塊 LMS(Block LMS)自適應(yīng)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。 塊自適應(yīng)濾波器的原理框圖如圖 43所示。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（ 2020） 13 圖 43 塊自適應(yīng)濾波器的原理框圖 經(jīng)過串并變換 ,把輸人信號序列 )(nx 分為一個一個長度為 L 的數(shù)據(jù)塊。然后，將這些 據(jù) 塊一次一塊的送入長 度為 M的 F1R 濾波器 ,并且一塊一塊地進(jìn)行自適應(yīng)迭代更新。設(shè) n 時刻輸入信號矢量為 )([)( nxnX ? )1( ?nx ? TMnx )]1( ?? (410) 相應(yīng)的，設(shè) n時刻自適應(yīng)濾波器的 權(quán)系數(shù)矢量為 )([)( 0 nnw ?? )1n（? ? 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。 這樣，第 k塊輸入數(shù)據(jù)定義為 10)}( ??? LiikLx｛ ，其矩陣形式為 ，)1(),([)(A ?? kLxkLxkT ? )]1( ??lkL (412) 在各輸入數(shù)據(jù)塊的持續(xù)時間內(nèi)，濾波器的權(quán)系數(shù)矢量 )(kw 保持不變，濾波器對輸入信號矢量 )( ikLx ? 的響應(yīng)輸出為 ???? )()()( ikLxkwikLy T