基于加窗DFT的DSSS系统变换域窄带干扰抑制技术
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如图 3 所示, 对输入序列进行截断时, 相邻 2 块之 间存在 50% 的重叠, 2 块截断序列分别与等长度的 B lackm an 窗函数相乘, 之后进行 FFT 变换, 经过频域 滤波处理之后, 进行 FFT 反变换, 然后将 2 个相邻的 截断序列中重叠的部分相加, 得到输出序列。
图 3 存在 50% 重叠的加窗D FT 抗干扰算法 F ig. 3 N a rrow 2band in terference supp ressing ba sed on
时, 系统性能会明显下降, 为了减轻窄带干扰对系统 性能的影响, 通常是在相关器之前插入一个窄带干 扰抑制滤波器。
窄带干扰抑制常用的方法有参数估计法和非参 数估计法[1], 参数估计法也叫预测 相减法, 该方法 通过利用扩频信号和白噪声的弱相关性和窄带干扰 信号的强相关性实现对窄带干扰信号的平滑估计或 预测, 然后从接收信号中减去对窄带干扰信号的估 计, 从而有效去除干扰分量, 这种预测- 相减方案在
重叠 相加处理可以减轻加窗产生的信号失真, 代价是计算量增加 1 倍, 正常通路和延迟通路的信 号都需要进行加窗、FFT、频域处理以及 FFT 反变 换, 最后对 2 个序列进行求和, 对系统进行的硬件 设计时, 其所需要的硬件资源增加 1 倍。 可见, 重叠 相加法减小加窗引入的信号失真是以增加系统复 杂度为代价的。
入使得截断序列的边界变得平滑, 因此可以减轻
D F T 的能量泄漏问题[5 ]。 另一方面, 窗函数的引入也使得信号波形产生
失真, 通常用信号的信噪比损失来衡量加窗对信号
的 影响, 假定窗函数的系数为: {w (n ) , n = 0, 1, 2, …, N - 1}。
则定义加窗引入的信噪比损失为:
D S S S C omm un ica tion S ys tem
ZH A N G C hun2ha i, L U S hu 2jun, ZH A N G E r2y ang
( In stitu te of E lectron ic Science and Engineering, U n iversity of N a tiona l D efen se T echno logy, Changsha 410073, Ch ina)
非参数估计方法也叫变换域处理方法, 该方法 利用扩频信号和窄带干扰信号在变换域的不同特 征, 使接收信号中的扩频信号分量尽可能地均匀分 布在整个频段, 同时将窄带干扰信号尽可能地压缩 到有限的几个较窄的子带 (或谱线) 内, 通过对包含 干扰信号的子带 (或谱线) 进行处理, 有效降低干扰 信号的影响。 不同的变换域处理算法主要区别在于 以下 3 个方面[2]: ① 变换基的选取; ② 干扰检测算 法; ③ 陷波算法。
在常用的变换域干扰抑制技术中, 由于离散傅 里叶变换 (D FT ) 可以通过高效的快速傅里叶变换 (FFT ) 实现。 因此, 在工程实践中得到了广泛的应 用[3, 4], 在不加窗的情况下 (相当于加矩形窗) , 离散 傅里叶变换的第一旁瓣衰减只有- 13 dB , 存在严重 的频谱泄漏, 会导致窄带干扰信号对临近频带内的 信号造成严重的“污染”, 因此对信号进行D FT 变换 之前加窗是非常必要的。本文结合工程实践, 给出了 信号的加窗变换和恢复的详细算法, 提出一种基于 FFT 变换之后, 谱线的模平方近似服从指数分布条 件下新的自适应多门限检测窄带干扰抑制算法, 并 对该算法进行了性能分析和仿真。
supp ressing diagram
叶变换, 对变换后的谱线进行干扰检测, 将存在干扰 的谱线置零或者衰减至与背景噪声相当的程度, 以 达到减轻和抑制窄带干扰的目的。 对经过滤波处理 之后的谱线进行逆快速傅里叶变换 ( IFFT ) 回到时 域, 与本地 PN 码相关运算, 经过判决器得到发送的 信息序列。
率谱密度为N 0 2 的加性高斯白噪声, j ( t) 为窄带干 扰信号。
图 1 为基于加窗 D FT 窄带干扰抑制接收机原
理图。首先对接收信号进行加窗, 然后进行快速傅里
图 1 变换域窄带干扰抑制框图 F ig. 1 T ran sfo rm dom a in na rrow 2band in terference
择旁瓣较低的窗函数, 可以将窄带干扰信号的大部
分能量限定在有限的几根谱线之内, 从而减少需要
抑制的谱线的根数, 最大程度地减小对期望信号的
失真。 对 于 不 是 很 强 的 窄 带 干 扰 信 号, 通 过 加
H amm ing 窗可以将窄带干扰的能量集中在有限的
谱线内。 但是干扰信号较强时, 仍然有较大的旁瓣,
A bs tra c t: T h is p ap er d iscu sses the na rrow 2band in terference supp ression techno logy ba sed on w indow ed D FT in D irect Sequence Sp read Sp ect rum (D SSS) comm un ica t ion system. T he overlap 2add a lgo rithm is em p loyed to reduce the d isto rt ion of signa l. A novel in terference detect ing and supp ressing a lgo rithm ca lled adap t ive m u lt i2th resho ld detect ion a lgo rithm s is in t roduced ba sed on the a ssum p t ion tha t the squa re of m agn itude of receiver signa l in D FT t ran sfo rm dom a in is con sidered app rox im a t ly exponen t ia l d ist ribu t ion w hen on ly the desired signa l and A dd it ive W h ite Gau ssian N o ise (AW GN ) a re p resen t in the receiver. T he num erica l resu lt s show tha t the a lgo rithm offers severa l sign ifican t advan tages over sim ila r techn iques tha t have been u sed so fa r. Ke y w o rds: D SSS (D ireit Sequence Sp read Sp ect rum ) ; na rrow 2band in terference supp ression; D FT; adap t ive m u lt i2th resho ld detect ion
基于加窗 D FT 的 D SSS 系统变换域 窄带干扰抑制技术
张春海, 卢树军, 张尔扬
(国防科学技术大学 电子科学与工程学院, 湖南 长沙 410073)
摘 要: 针对基于加窗离散傅里叶变换 (D FT ) 的直接序列扩频 (D SSS) 系统窄带干扰抑制工程实现中的关
键技术, 分析了重叠相加法减小加窗对接收信号失真的效果, 并首次提出一种基于频域谱线的模平方服从指
2 信号加窗与恢复
D FT 变换隐含了对长度为N 的截断序列进行 周期拓展, 如果截断后序列在边界不连续, 则会导致
信号经过 D FT 变换之后出现能量泄漏, 从而使得 窄带干扰信号的能量对临近的频谱产生严重的“污
染”, 为了减轻 D FT 变换的能量泄漏, 常用的方法 是在对信号进行 D FT 之前进行加窗, 窗函数的引
N- 1
∑ ( w (n) ) 2
= rs, n lo ss
n= 0 N- 1
。
(2)
∑ N ( w 2 (n) )
n= 0
常用的 H amm ing 窗, 其旁瓣为- 31 dB , 引入
的信噪比损失为 1. 36 dB , 而 B lackm an 窗, 其旁瓣
为- 60 dB , 引入的信噪比损失为 2. 7 dB [6]。通过选
由于直接序列扩频 (D SSS) 通信系统有良好的 保密性、灵活的信道分配以及较强的抗多址干扰能 力, 所以在军事通信、卫星通信、移动通信以及室内 无线网中得到广泛的应用。 虽然扩频通信系统本身 具有一定的抗窄带干扰能力, 但是当窄带干扰较强
收稿日期: 2004206208. 基 金项目: 国防科技重点实验室资助 项 目 ( 2000J S63. 3. 1. KG01. 1). 作者简介: 张春海 (1976- ) , 男, 博士生.
在相邻的变换截断序列之间存在 50% 重叠的方法
来减弱加窗对信号波形的失真[ 5 ]。
第 4 期
张春海, 等: 基于加窗D FT 的D SSS 系统变换域窄带干扰抑制技术
13
图 2 连续波信号加窗与恢复 F ig. 2 W indow ed and resto ra tion of CW signa l
第5卷 第4期 2004 年 8 月
解 放 军 理 工 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) Jou rna l of PLA U n iversity of Science and T echno logy
文章编号: 100923443 (2004) 0420011205
V o l. 5 N o. 4 A ug. 2004
12
解 放 军 理 工 大 学 学 报 (自 然 科 学 版)
第5卷
窄带干扰信号为平稳信号或慢变化的非平稳信号时 效果较好, 可以有效抑制接收信号中存在的窄带干 扰信号, 但是当干扰信号随时间变化比较剧烈时, 受 自适应滤波器的收敛速度和稳态性能的影响, 时域 预测算法往往不能准确跟踪干扰信号的变化。
会对临近的信号频谱造成一定的影响, B lackm an
窗函数的旁瓣抑制效果较好, 其旁瓣抑制可以达到
- 60 dB , 考虑到系统工作环境比较恶劣, 可以选择
Fra Baidu bibliotek
B lackm an 窗函数对序列进行加窗。
以上分析可知, 对接收信号加窗将使得接收信
号产生失真, 如图 2 所示。 从而使得信号信噪比下
降, 为了减轻加窗对信号波形产生的失真, 可以通过
w indow ed D FT w ith 50% overlap
图 2 (a) 为输入序列的波形图, 图 2 (b) 为没有重 叠情况下进行加窗 FFT 之后, 恢复得到的信号波形 图, 对比图 2 (a) 和图 2 (b) 可以看出, 无重叠情况下, 恢复得到的信号相对于输入信号波形产生严重的失 真, 在不考虑频域处理的情况下, 这种失真主要是由 于时域加窗产生的。图 2 (d) 为存在重叠的情况下得 到的恢复波形, 可以看出, 存在重叠的情况下, 恢复 信号的失真程度大大减小。 对于 256 点 B lackm an 窗, 存在 50% 重叠的情况下, 恢复信号的信噪比损 失从 3 dB 降低为 0. 6 dB 左右。
1 基于加窗 D FT 变换域处理算法
接收机接收到的信号由期望信号、信道噪声和
窄带干扰信号 3 部分组成, 可以写成数学表达式为:
r ( t) = s ( t) + g ( t) + j ( t) ,
(1)
其中, s ( t) 为数据序列经过伪随机码扩频之后, 进行
B PSK 调制得到的发射信号, g ( t) 为零均值, 双边功
数分布假设条件下的干扰检测和处理算法——自适应多门限检测干扰抑制算法, 分析和仿真的结果表明, 该
算法有较强的自适应性能, 可抑制扩频系统中存在的多种窄带干扰。
关键词: 直接序列扩频; 窄带干扰抑制; 离散傅里叶变换; 自适应多门限检测
中图分类号: TN 914. 42
文献标识码: A
W ind ow e d D FT2b a s e d N a rrow 2b a nd In te rfe re nce S upp re s s ion fo r
图 3 存在 50% 重叠的加窗D FT 抗干扰算法 F ig. 3 N a rrow 2band in terference supp ressing ba sed on
时, 系统性能会明显下降, 为了减轻窄带干扰对系统 性能的影响, 通常是在相关器之前插入一个窄带干 扰抑制滤波器。
窄带干扰抑制常用的方法有参数估计法和非参 数估计法[1], 参数估计法也叫预测 相减法, 该方法 通过利用扩频信号和白噪声的弱相关性和窄带干扰 信号的强相关性实现对窄带干扰信号的平滑估计或 预测, 然后从接收信号中减去对窄带干扰信号的估 计, 从而有效去除干扰分量, 这种预测- 相减方案在
重叠 相加处理可以减轻加窗产生的信号失真, 代价是计算量增加 1 倍, 正常通路和延迟通路的信 号都需要进行加窗、FFT、频域处理以及 FFT 反变 换, 最后对 2 个序列进行求和, 对系统进行的硬件 设计时, 其所需要的硬件资源增加 1 倍。 可见, 重叠 相加法减小加窗引入的信号失真是以增加系统复 杂度为代价的。
入使得截断序列的边界变得平滑, 因此可以减轻
D F T 的能量泄漏问题[5 ]。 另一方面, 窗函数的引入也使得信号波形产生
失真, 通常用信号的信噪比损失来衡量加窗对信号
的 影响, 假定窗函数的系数为: {w (n ) , n = 0, 1, 2, …, N - 1}。
则定义加窗引入的信噪比损失为:
D S S S C omm un ica tion S ys tem
ZH A N G C hun2ha i, L U S hu 2jun, ZH A N G E r2y ang
( In stitu te of E lectron ic Science and Engineering, U n iversity of N a tiona l D efen se T echno logy, Changsha 410073, Ch ina)
非参数估计方法也叫变换域处理方法, 该方法 利用扩频信号和窄带干扰信号在变换域的不同特 征, 使接收信号中的扩频信号分量尽可能地均匀分 布在整个频段, 同时将窄带干扰信号尽可能地压缩 到有限的几个较窄的子带 (或谱线) 内, 通过对包含 干扰信号的子带 (或谱线) 进行处理, 有效降低干扰 信号的影响。 不同的变换域处理算法主要区别在于 以下 3 个方面[2]: ① 变换基的选取; ② 干扰检测算 法; ③ 陷波算法。
在常用的变换域干扰抑制技术中, 由于离散傅 里叶变换 (D FT ) 可以通过高效的快速傅里叶变换 (FFT ) 实现。 因此, 在工程实践中得到了广泛的应 用[3, 4], 在不加窗的情况下 (相当于加矩形窗) , 离散 傅里叶变换的第一旁瓣衰减只有- 13 dB , 存在严重 的频谱泄漏, 会导致窄带干扰信号对临近频带内的 信号造成严重的“污染”, 因此对信号进行D FT 变换 之前加窗是非常必要的。本文结合工程实践, 给出了 信号的加窗变换和恢复的详细算法, 提出一种基于 FFT 变换之后, 谱线的模平方近似服从指数分布条 件下新的自适应多门限检测窄带干扰抑制算法, 并 对该算法进行了性能分析和仿真。
supp ressing diagram
叶变换, 对变换后的谱线进行干扰检测, 将存在干扰 的谱线置零或者衰减至与背景噪声相当的程度, 以 达到减轻和抑制窄带干扰的目的。 对经过滤波处理 之后的谱线进行逆快速傅里叶变换 ( IFFT ) 回到时 域, 与本地 PN 码相关运算, 经过判决器得到发送的 信息序列。
率谱密度为N 0 2 的加性高斯白噪声, j ( t) 为窄带干 扰信号。
图 1 为基于加窗 D FT 窄带干扰抑制接收机原
理图。首先对接收信号进行加窗, 然后进行快速傅里
图 1 变换域窄带干扰抑制框图 F ig. 1 T ran sfo rm dom a in na rrow 2band in terference
择旁瓣较低的窗函数, 可以将窄带干扰信号的大部
分能量限定在有限的几根谱线之内, 从而减少需要
抑制的谱线的根数, 最大程度地减小对期望信号的
失真。 对 于 不 是 很 强 的 窄 带 干 扰 信 号, 通 过 加
H amm ing 窗可以将窄带干扰的能量集中在有限的
谱线内。 但是干扰信号较强时, 仍然有较大的旁瓣,
A bs tra c t: T h is p ap er d iscu sses the na rrow 2band in terference supp ression techno logy ba sed on w indow ed D FT in D irect Sequence Sp read Sp ect rum (D SSS) comm un ica t ion system. T he overlap 2add a lgo rithm is em p loyed to reduce the d isto rt ion of signa l. A novel in terference detect ing and supp ressing a lgo rithm ca lled adap t ive m u lt i2th resho ld detect ion a lgo rithm s is in t roduced ba sed on the a ssum p t ion tha t the squa re of m agn itude of receiver signa l in D FT t ran sfo rm dom a in is con sidered app rox im a t ly exponen t ia l d ist ribu t ion w hen on ly the desired signa l and A dd it ive W h ite Gau ssian N o ise (AW GN ) a re p resen t in the receiver. T he num erica l resu lt s show tha t the a lgo rithm offers severa l sign ifican t advan tages over sim ila r techn iques tha t have been u sed so fa r. Ke y w o rds: D SSS (D ireit Sequence Sp read Sp ect rum ) ; na rrow 2band in terference supp ression; D FT; adap t ive m u lt i2th resho ld detect ion
基于加窗 D FT 的 D SSS 系统变换域 窄带干扰抑制技术
张春海, 卢树军, 张尔扬
(国防科学技术大学 电子科学与工程学院, 湖南 长沙 410073)
摘 要: 针对基于加窗离散傅里叶变换 (D FT ) 的直接序列扩频 (D SSS) 系统窄带干扰抑制工程实现中的关
键技术, 分析了重叠相加法减小加窗对接收信号失真的效果, 并首次提出一种基于频域谱线的模平方服从指
2 信号加窗与恢复
D FT 变换隐含了对长度为N 的截断序列进行 周期拓展, 如果截断后序列在边界不连续, 则会导致
信号经过 D FT 变换之后出现能量泄漏, 从而使得 窄带干扰信号的能量对临近的频谱产生严重的“污
染”, 为了减轻 D FT 变换的能量泄漏, 常用的方法 是在对信号进行 D FT 之前进行加窗, 窗函数的引
N- 1
∑ ( w (n) ) 2
= rs, n lo ss
n= 0 N- 1
。
(2)
∑ N ( w 2 (n) )
n= 0
常用的 H amm ing 窗, 其旁瓣为- 31 dB , 引入
的信噪比损失为 1. 36 dB , 而 B lackm an 窗, 其旁瓣
为- 60 dB , 引入的信噪比损失为 2. 7 dB [6]。通过选
由于直接序列扩频 (D SSS) 通信系统有良好的 保密性、灵活的信道分配以及较强的抗多址干扰能 力, 所以在军事通信、卫星通信、移动通信以及室内 无线网中得到广泛的应用。 虽然扩频通信系统本身 具有一定的抗窄带干扰能力, 但是当窄带干扰较强
收稿日期: 2004206208. 基 金项目: 国防科技重点实验室资助 项 目 ( 2000J S63. 3. 1. KG01. 1). 作者简介: 张春海 (1976- ) , 男, 博士生.
在相邻的变换截断序列之间存在 50% 重叠的方法
来减弱加窗对信号波形的失真[ 5 ]。
第 4 期
张春海, 等: 基于加窗D FT 的D SSS 系统变换域窄带干扰抑制技术
13
图 2 连续波信号加窗与恢复 F ig. 2 W indow ed and resto ra tion of CW signa l
第5卷 第4期 2004 年 8 月
解 放 军 理 工 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) Jou rna l of PLA U n iversity of Science and T echno logy
文章编号: 100923443 (2004) 0420011205
V o l. 5 N o. 4 A ug. 2004
12
解 放 军 理 工 大 学 学 报 (自 然 科 学 版)
第5卷
窄带干扰信号为平稳信号或慢变化的非平稳信号时 效果较好, 可以有效抑制接收信号中存在的窄带干 扰信号, 但是当干扰信号随时间变化比较剧烈时, 受 自适应滤波器的收敛速度和稳态性能的影响, 时域 预测算法往往不能准确跟踪干扰信号的变化。
会对临近的信号频谱造成一定的影响, B lackm an
窗函数的旁瓣抑制效果较好, 其旁瓣抑制可以达到
- 60 dB , 考虑到系统工作环境比较恶劣, 可以选择
Fra Baidu bibliotek
B lackm an 窗函数对序列进行加窗。
以上分析可知, 对接收信号加窗将使得接收信
号产生失真, 如图 2 所示。 从而使得信号信噪比下
降, 为了减轻加窗对信号波形产生的失真, 可以通过
w indow ed D FT w ith 50% overlap
图 2 (a) 为输入序列的波形图, 图 2 (b) 为没有重 叠情况下进行加窗 FFT 之后, 恢复得到的信号波形 图, 对比图 2 (a) 和图 2 (b) 可以看出, 无重叠情况下, 恢复得到的信号相对于输入信号波形产生严重的失 真, 在不考虑频域处理的情况下, 这种失真主要是由 于时域加窗产生的。图 2 (d) 为存在重叠的情况下得 到的恢复波形, 可以看出, 存在重叠的情况下, 恢复 信号的失真程度大大减小。 对于 256 点 B lackm an 窗, 存在 50% 重叠的情况下, 恢复信号的信噪比损 失从 3 dB 降低为 0. 6 dB 左右。
1 基于加窗 D FT 变换域处理算法
接收机接收到的信号由期望信号、信道噪声和
窄带干扰信号 3 部分组成, 可以写成数学表达式为:
r ( t) = s ( t) + g ( t) + j ( t) ,
(1)
其中, s ( t) 为数据序列经过伪随机码扩频之后, 进行
B PSK 调制得到的发射信号, g ( t) 为零均值, 双边功
数分布假设条件下的干扰检测和处理算法——自适应多门限检测干扰抑制算法, 分析和仿真的结果表明, 该
算法有较强的自适应性能, 可抑制扩频系统中存在的多种窄带干扰。
关键词: 直接序列扩频; 窄带干扰抑制; 离散傅里叶变换; 自适应多门限检测
中图分类号: TN 914. 42
文献标识码: A
W ind ow e d D FT2b a s e d N a rrow 2b a nd In te rfe re nce S upp re s s ion fo r