楊 雙，嵇建波，周菊

（桂林航天工業(yè)高等?？茖W(xué)校電子工程系，廣西桂林541004）

基于模糊函數(shù)的直接序列擴(kuò)頻信號(hào)參數(shù)估計(jì)改進(jìn)方法?

（桂林航天工業(yè)高等?？茖W(xué)校電子工程系，廣西桂林541004）

分析了基于模糊函數(shù)的直接序列擴(kuò)頻信號(hào)參數(shù)估計(jì)方法，研究了該方法在低信噪比環(huán)境下針對(duì)信號(hào)碼元傳輸速率、碼片周期等參數(shù)估計(jì)結(jié)果的有效性。在此基礎(chǔ)上，提出了一種利用ANFIS（自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)）網(wǎng)絡(luò)先行去噪，再進(jìn)行信號(hào)參數(shù)估計(jì)的改進(jìn)方法。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果證明了這一改進(jìn)方法的有效性。

直接序列擴(kuò)頻；模糊函數(shù)；參數(shù)估計(jì)；ANFIS網(wǎng)絡(luò)

1 引言

在通信系統(tǒng)中，信號(hào)的模糊函數(shù)是指信號(hào)的距離和速度均存在差異時(shí)兩個(gè)目標(biāo)的分辨特性。20世紀(jì)50年代后期，模糊函數(shù)是雷達(dá)信號(hào)理論中一個(gè)重要的分支，并成為了研究雷達(dá)信號(hào)波形的重要工具。隨著研究的深入，研究者開(kāi)始針對(duì)隨機(jī)二進(jìn)制相位編碼的波形信號(hào)使用平均模糊函數(shù)來(lái)討論其特性，根據(jù)該類文獻(xiàn)［1-2］的研究結(jié)果可知，采用二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制方式的直接序列擴(kuò)頻信號(hào)應(yīng)當(dāng)具有偽碼周期延時(shí)相關(guān)特性，如果將該信號(hào)經(jīng)過(guò)模糊函數(shù)變換處理后，所得的處理結(jié)果應(yīng)當(dāng)在信號(hào)載波頻率、碼元傳輸速率和偽碼周期等參數(shù)上表現(xiàn)出較強(qiáng)的信號(hào)分量。因此文獻(xiàn)［3］提出了將信號(hào)模糊函數(shù)頻譜進(jìn)行多次疊加，利用在一些特定參數(shù)點(diǎn)上的強(qiáng)信號(hào)分量值來(lái)進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻信號(hào)多參數(shù)估計(jì)的方法。本文針對(duì)這一方法進(jìn)行了研究和討論，并根據(jù)其針對(duì)直擴(kuò)信號(hào)的某些參數(shù)進(jìn)行估計(jì)時(shí)結(jié)果受噪聲影響較大的問(wèn)題（尤其是在有色噪聲環(huán)境中）提出了一種改進(jìn)的解決方案。本文針對(duì)這一方案進(jìn)行了分析、討論，并使用了計(jì)算機(jī)仿真工具對(duì)其有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 基于模糊函數(shù)的直擴(kuò)信號(hào)參數(shù)估計(jì)方法

基于模糊函數(shù)的直擴(kuò)信號(hào)參數(shù)估計(jì)方法其算法實(shí)現(xiàn)思想是［3］：

首先，將直接序列擴(kuò)頻信號(hào)分成相等長(zhǎng)度的M段信號(hào)Yn（t），n=1，2，3，…，M，要求每段信號(hào)的長(zhǎng)度至少大于一個(gè)偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼周期；

然后，分別針對(duì)分段后的信號(hào)計(jì)算相應(yīng)的平均模糊函數(shù)，只取頻率為正的部分，將結(jié)果構(gòu)成一個(gè)二維數(shù)組；

重復(fù)上面兩個(gè)步驟，重復(fù)次數(shù)為M，將所得結(jié)果做累加平均處理，得到：

最后，將切面D（0，f）提取出來(lái)搜索該平面內(nèi)的最大峰值，找出峰值對(duì)應(yīng)的頻率，該頻率即為2倍載頻。再將切面D（τ，2＾fc）提取出來(lái)，并設(shè)定一個(gè)門限β，搜索大于該門限的峰值，構(gòu)成序列k{}n，求出各峰值間的時(shí)間間隔，得到偽隨機(jī)序列碼片周期估計(jì)值＾T。對(duì)峰值存在的連續(xù)m個(gè)切面D（nTs，f）進(jìn)行提?。╪=1，2，…m，Ts為采樣周期），對(duì)它進(jìn)行累加再平均后得到

搜索當(dāng)f＞2＾fc時(shí)H（f）的最大峰值，該最大值對(duì)應(yīng)的頻率即為2＾fc+＾f0。

為驗(yàn)證該參數(shù)估計(jì)算法的參數(shù)估計(jì)性能，以及與改進(jìn)后的估計(jì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，本文利用仿真工具對(duì)其方法進(jìn)行了仿真，仿真時(shí)載波頻率、碼元速率、抽樣速率等參數(shù)的具體設(shè)置如下：仿真中采用的PN碼是m序列，n=6，碼長(zhǎng)為2n-1=63。調(diào)制方式選用的是2PSK信號(hào)調(diào)制，其載波頻率fc=100 Hz，信息信號(hào)的碼元速率設(shè)為20 Hz，抽樣速率設(shè)為fs= 400 Hz，信噪比RSNR=-8 dB，采用高斯白噪聲；信息源碼長(zhǎng)8位，data=［00100111］；信號(hào)總長(zhǎng)度為10 080；數(shù)據(jù)分割為16段，即M=16，每段碼長(zhǎng)為630個(gè)樣值（10 080=16×630）。

在直接擴(kuò)頻信號(hào)參數(shù)估計(jì)工作中，針對(duì)載頻估計(jì)效果較好，因此本文中不再列出其估計(jì)效果。經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)仿真后，該方法在上述所列參數(shù)條件下，針對(duì)碼片周期、碼元傳輸速率的仿真結(jié)果如圖1和圖2所示。圖1為未進(jìn)行閾值處理前偽碼周期估計(jì)的原始結(jié)果；圖2為進(jìn)行閾值處理后的碼片周期估計(jì)結(jié)果，其碼片周期估計(jì)值為0.4～0.45 s之間，因此與原預(yù)設(shè)結(jié)果存在誤差；圖3為碼元傳輸速率的估計(jì)結(jié)果，估計(jì)結(jié)果為33 Hz。將估計(jì)結(jié)果與預(yù)設(shè)的碼元速率20 Hz進(jìn)行對(duì)比，可知其存在較大的估計(jì)誤差，誤差為-13 Hz。為了提高該方法的估計(jì)精度，本文中提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法。

3 基于模糊函數(shù)的直接序列擴(kuò)頻信號(hào)參數(shù)估計(jì)改進(jìn)方法

由以上的參數(shù)估計(jì)仿真結(jié)果分析可知，基于模糊函數(shù)的直接序列擴(kuò)頻信號(hào)多參數(shù)估計(jì)方法在對(duì)信號(hào)碼片周期、碼元傳輸速率估計(jì)的過(guò)程中，最終的估計(jì)結(jié)果與設(shè)定的參數(shù)之間存在較大的誤差。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，針對(duì)這些參數(shù)的估計(jì)工作，該方法在低信噪比情況下受噪聲的干擾較大，因此其在信噪比較低的情況下對(duì)上述兩個(gè)參數(shù)的估計(jì)作用有限。針對(duì)這一問(wèn)題，考慮對(duì)其進(jìn)行一定的改進(jìn)，使這一方法能在直接序列擴(kuò)頻信號(hào)的參數(shù)估計(jì)中獲得更好的估計(jì)性能。

在對(duì)信號(hào)參數(shù)的算法仿真過(guò)程中，一般假設(shè)其處在高斯白噪聲情況下，如果要對(duì)其進(jìn)行濾除，可以采用一些線性濾波的方法，在進(jìn)行參數(shù)估計(jì)前可以一定程度上減少噪聲的影響。然而，在實(shí)際的通信環(huán)境中，尤其是在電子對(duì)抗的環(huán)境中，往往會(huì)遭遇到有色噪聲，而針對(duì)有色噪聲的消除，往往采用的是非線性的濾波器。因此，針對(duì)這一問(wèn)題，提出利用自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)（ANFIS）［4］作為非線性濾波器，在對(duì)有色噪聲、低信噪比環(huán)境下的直接序列擴(kuò)頻信號(hào)先進(jìn)行噪聲濾除，然后再進(jìn)行基于函數(shù)參數(shù)估計(jì)的改進(jìn)方法。

ANFIS網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)是混合式學(xué)習(xí)過(guò)程，分別運(yùn)用最小二乘法和后傳梯度下降法完成推理結(jié)果與訓(xùn)練目標(biāo)間的誤差計(jì)算，以確定出模型最小指定誤差所對(duì)應(yīng)的線性和非線性參數(shù)，并逐漸調(diào)配出相應(yīng)的隸屬函數(shù)，以滿足所需模糊推理系統(tǒng)的輸入輸出關(guān)系，從而建立一套模糊推理系統(tǒng)［5］。ANFIS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行噪聲抵消的原理框圖如圖4所示［6-7］。

系統(tǒng)中的有色噪聲可以看成是白噪聲經(jīng)過(guò)非線性動(dòng)態(tài)后產(chǎn)生的，如圖4所示，s（k）為有用信號(hào)，c（k）為可測(cè)噪聲，經(jīng)過(guò)非線性變換H（z）后為有色噪聲z（k），測(cè)量信號(hào)d（k）=s（k）+z（k）為被噪聲污染的信號(hào)，s（k）與z（k）是不相關(guān)的。

噪聲抵消就是從被噪聲污染的信號(hào)中估計(jì)s（k），顯然，這只要估計(jì)出z（k）即可。而z（k）是c（k）的延遲和變形，它是不可測(cè)的，即

式中，函數(shù)f是未知的、非線性的，而且其頻率范圍往往與d（k）的頻率范圍重疊，所以，一般的頻率濾波技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)在利用ANFIS網(wǎng)絡(luò)可以任意逼近非線性函數(shù)能力，使ANFIS網(wǎng)絡(luò)逼近有色噪聲z（k），從而估計(jì)出信號(hào)y（k）。

因此，可以對(duì)基于模糊函數(shù)的直接序列擴(kuò)頻信號(hào)參數(shù)估計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)思路是：在參數(shù)估計(jì)前加入ANFIS網(wǎng)絡(luò)對(duì)有色噪聲進(jìn)行濾除，使之在一定程度上減小噪聲對(duì)信號(hào)參數(shù)估計(jì)的影響，然后再使用基于模糊函數(shù)的直擴(kuò)信號(hào)參數(shù)估計(jì)方法進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。為驗(yàn)證這一改進(jìn)方法的有效性，研究中使用了計(jì)算機(jī)仿真軟件對(duì)這一情況進(jìn)行了仿真分析。為了與未濾波的信號(hào)參數(shù)估計(jì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，仿真時(shí)采用如前述所設(shè)定的相同的信號(hào)參數(shù)，但此時(shí)所加噪聲利用非線性函數(shù)仿真為有色噪聲，非線性函數(shù)設(shè)為，式中，n（k）、n（k-1）為ANFIS網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)噪聲輸入信號(hào)，信噪比仍為-8 dB，仿真結(jié)果如圖5～7所示。

從圖6中可以看出，經(jīng)ANFIS濾波后的碼片周期閾值處理后的結(jié)果均為0.05 s，與圖2的估計(jì)結(jié)果作對(duì)比，可以明顯看出碼片周期的估計(jì)結(jié)果在經(jīng)過(guò)ANFIS濾波后得到了很大的改善，估計(jì)誤差得到很大程度的控制，精度獲得了提高。由圖7與圖3進(jìn)行對(duì)比，可以看出在信噪比為-8 dB時(shí)的碼元傳輸速率估計(jì)的結(jié)果為14.5 Hz，與仿真時(shí)預(yù)設(shè)的20 Hz相比較，可知此時(shí)誤差為-5.5 Hz，與圖3的估計(jì)結(jié)果進(jìn)行比較后可知誤差經(jīng)ANFIS濾波有了一定程度的控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

如前所述，在進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻信號(hào)參數(shù)估計(jì)時(shí)，由于所遭遇到的噪聲環(huán)境較復(fù)雜，雖然基于模糊函數(shù)的直接序列擴(kuò)頻信號(hào)參數(shù)估計(jì)方法可以在某些參數(shù)估計(jì)工作中具有較好的噪聲容限，但是其碼片周期、碼元傳輸速率的估計(jì)效果受噪聲影響較大。為了使這種方法在這些直接序列擴(kuò)頻信號(hào)的參數(shù)估計(jì)工作獲得更高的估計(jì)精度，減少估計(jì)誤差，使其能適用于更復(fù)雜的噪聲環(huán)境，本文討論了采用利用ANFIS網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行前置去噪，再進(jìn)行參數(shù)估計(jì)的改進(jìn)方法，并進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真。仿真結(jié)果表明其在提高估計(jì)精度方面具有有效性，因此該方法在非合作情況下對(duì)于直接序列擴(kuò)頻信號(hào)參數(shù)估計(jì)工作有一定的實(shí)用性。由于該算法在針對(duì)碼元傳輸速率的估計(jì)工作中雖經(jīng)過(guò)改進(jìn)但仍然存在一定的誤差，因此可針對(duì)這一問(wèn)題再做進(jìn)一步的研究。

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An Improved DS-SS Signal Parameters Estimation Method Based on Ambiguity Function

YANG Shuang，JI Jian-bo，ZHOU Ju-xuan
（Department of Electronic Engineering，Guilin College of Aerospace Technology，Guilin 541004，China）

The method of direct sequence spread spectrum（DS-SS）signal parameters estimation is analysed based on ambiguity function.It is found that there are errors in the estimation result of signal symbol transmission rate and PN chip period in lower SNR（Signal-to-Noise Ratio）environment.In order to solve this problem，an improved method based on ANFIS network is proposed to increase the estimation accuracy.The computer simulation result has proved its effectiveness.

DS-SS；ambiguity function；parameter estimation；ANFIS network

The National Natural Science Foundation of China（No.60672067）；The Scientific Research Program of the Education Department of Guangxi Zhuang Autonomous Region（Guijiaokeyan［2008］27）

TN914

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.05.017

楊雙（1979—），女，四川成都人，碩士，講師，主要研究方向?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)。

1001-893X（2011）05-0082-04

2011-01-30；

2011-03-30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（60672067）；廣西教育廳科研項(xiàng)目（桂教科研［2008］27號(hào)）

YANG Shuang was born in Chengdu，Sichuan Province，in 1979.She is now a lecturer with the M.S.degree.Her research direction is communication and information system.

Email：juyangs＠163.com