李健偉,李志強(qiáng),朱文明

(解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院,江蘇南京210007)

DSSS系統(tǒng)頻域干擾抑制算法的信噪比損耗分析*

李健偉,李志強(qiáng),朱文明

(解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院,江蘇南京210007)

以DSSS系統(tǒng)中頻域干擾抑制算法為研究對(duì)象,針對(duì)干擾抑制模塊的引入會(huì)給通信系統(tǒng)帶來(lái)信噪比損耗的問(wèn)題,首先介紹了頻域干擾抑制技術(shù)的基本思想,其次重點(diǎn)分析了頻域干擾抑制算法影響信噪比損耗的具體因素,主要包括窗函數(shù)類型、窗長(zhǎng)度、加窗重疊度、閾值處理以及IFFT變換后的數(shù)據(jù)處理方式,然后對(duì)各個(gè)影響因素進(jìn)行理論推導(dǎo),并結(jié)合仿真分析,給出了各種情況下信噪比的損耗值,為干擾抑制算法的參數(shù)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

DSSS 干擾抑制 加窗 閾值處理 信噪比損耗

0 引 言

DSSS是一種有效的抗干擾通信體制,在軍事通信中一直備受重視,DSSS抗干擾[3]主要是利用擴(kuò)頻碼的相關(guān)性在解擴(kuò)時(shí)把不相關(guān)的干擾信號(hào)能量擴(kuò)散,把相關(guān)的有用信號(hào)能量聚集。但由于處理增益[1-2]的限制,其抗干擾能力有限。當(dāng)干擾信號(hào)很強(qiáng)時(shí),僅靠對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行能量擴(kuò)散,會(huì)無(wú)法滿足解擴(kuò)解調(diào)器正常工作要求,對(duì)此有必要采取有效的干擾抑制技術(shù)提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

常見(jiàn)的干擾抑制算法主要有時(shí)域預(yù)測(cè)技術(shù)[4]、變換域技術(shù)[5]和碼輔助技術(shù)[6]。近年來(lái),針對(duì)直接序列擴(kuò)頻干擾抑制技術(shù)有大量研究,其中頻域抗干擾算法具有許多優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是一種極具潛力的抗干擾策略。頻域干擾抑制技術(shù)利用直擴(kuò)信號(hào)在頻域上為白化的寬帶功率譜,而窄帶干擾信號(hào)功率譜占用頻帶很窄的特點(diǎn),在接收端,將接收到的信號(hào)和干擾由時(shí)域變換到頻域,檢測(cè)出干擾的位置,按照設(shè)置的門限將受干擾的頻帶閾值處理,而后將信號(hào)反變換到時(shí)域進(jìn)行解擴(kuò)處理。頻域干擾抑制算法能夠有效抑制強(qiáng)干擾,但不可能徹底剔除干擾信號(hào),且不可避免的會(huì)消掉部分有用信號(hào),引起信噪比的損耗,因此干擾抑制算法的設(shè)計(jì)需要在剔除干擾和減小信噪比損耗之間折衷。

本文主要針對(duì)頻域干擾抑制算法的信噪比損耗進(jìn)行研究,首先對(duì)頻域干擾抑制算法進(jìn)行介紹,然后重點(diǎn)分析影響算法信噪比損耗的因素,主要包括窗函數(shù)類型、窗長(zhǎng)度、加窗重疊度、閾值處理以及IFFT變換后的數(shù)據(jù)處理方式,最后通過(guò)理論推導(dǎo)結(jié)合仿真分析,得出各種因素對(duì)信噪比損耗的情況,為頻域干擾抑制算法參數(shù)的最優(yōu)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 插損因素分析

頻域干擾抑制技術(shù)[7]基本思想是對(duì)數(shù)字采樣信號(hào)重疊加窗后進(jìn)行FFT運(yùn)算,把信號(hào)變換到頻域,根據(jù)估計(jì)的背景噪聲功率確定一個(gè)判決門限,大于門限的分量判為干擾信號(hào),然后對(duì)變換域中的干擾信號(hào)分量進(jìn)行修正,以消除干擾信號(hào)能量,再經(jīng)過(guò)IFFT還原為時(shí)域信號(hào)。頻域干擾抑制算法流程如圖1所示。

圖1 頻域干擾抑制算法流程Fig.1 Flow chart of frequency-domain interference suppression

由圖1可看出,干擾抑制算法的處理步驟主要包括重疊加窗、FFT變換、背景噪聲估計(jì)、干擾門限確定、干擾消除、IFFT變換和去重疊。

文獻(xiàn)[8]對(duì)加窗做了詳細(xì)分析,如果對(duì)接收到的信號(hào)不做加窗處理,直接進(jìn)行N點(diǎn)的FFT運(yùn)算,等效于加N點(diǎn)的矩形窗。矩形窗的第一旁瓣比主瓣低13 dB,即旁瓣抑制度只有-13 dB,對(duì)于干信比為幾十dB的干擾,干擾的旁瓣仍然會(huì)污染整個(gè)信號(hào)頻域。因而需要進(jìn)行加窗處理,使主瓣聚集更多能量,同時(shí)旁瓣幅度減小。從時(shí)域上看,加窗就是對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán),窗函數(shù)系數(shù)從中心向兩端逐漸衰減,保證數(shù)據(jù)段兩端平滑,從而減小頻譜泄漏。但由于窗函數(shù)向兩端衰減,導(dǎo)致輸入信號(hào)發(fā)生畸變,會(huì)帶來(lái)額外的信噪比損失。

為了補(bǔ)償加窗造成的信噪比損耗,需要對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行重疊加窗,文獻(xiàn)[9]對(duì)重疊加窗技術(shù)進(jìn)行了說(shuō)明。重疊加窗后,需要考慮的是如何將干擾抑制后的兩路數(shù)據(jù)合成一路作為最終的輸出結(jié)果。目前主要有兩種方法:選擇法和相加法。以1/2重疊加窗為例,選擇法的基本思想是取每路信號(hào)的窗口中心的1/2塊的數(shù)據(jù),舍棄左右兩邊各1/4塊的數(shù)據(jù),將上下兩路1/2塊的數(shù)據(jù)組成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)序列。相加法則是將兩段數(shù)據(jù)的重疊部分相加作為最終輸出信號(hào)。重疊加窗以增加運(yùn)算復(fù)雜度為代價(jià),減小了加窗對(duì)信噪比的損耗。

在頻域干擾消除子模塊中,當(dāng)檢測(cè)到干擾頻點(diǎn)后,就需要對(duì)干擾頻點(diǎn)的幅值進(jìn)行閾值處理[10],這個(gè)過(guò)程在處理干擾的同時(shí)會(huì)不可避免的對(duì)有用信號(hào)帶來(lái)?yè)p耗,導(dǎo)致輸出信噪比降低。

綜合上述分析,影響干擾抑制算法信噪比損耗的主要因素有窗函數(shù)類型、窗長(zhǎng)度、加窗重疊度、閾值處理以及IFFT變換后的數(shù)據(jù)處理。因此,如何設(shè)計(jì)算法參數(shù)使各種因素對(duì)輸出信噪比損耗最小是值得研究的問(wèn)題。

2 窗函數(shù)的損耗分析

假設(shè)x(k)是接收序列的樣本序列,x(k)=Ap(k)+n(k),p(k)是等概率取值±1的PN碼序列,其長(zhǎng)度為N;n(k)為均值為零、方差為的高斯白噪聲序列。A為信號(hào)幅度;對(duì)x(k)進(jìn)行加窗處理,窗函數(shù)為w(k),加窗后的序列:

對(duì)xw(k)進(jìn)行長(zhǎng)度為N的相關(guān)解擴(kuò)并積分得:

該序列的均值與方差:

由式(3)和式(4),可得加窗后的序列信噪比為:

不加窗的相關(guān)輸出信噪比為:

由式(5)和式(6),可得加窗帶來(lái)的信噪比損失為:

由式(7)可知,加窗引起的信噪比的損失主要由窗函數(shù)系數(shù)和窗函數(shù)點(diǎn)數(shù)決定。由式(7)計(jì)算,得出了當(dāng)窗長(zhǎng)度為1024時(shí),常用幾種窗函數(shù)的特性及其引起的信噪比損失,具體見(jiàn)表1。

表1 窗函數(shù)基本特性及引起的信噪比損失Table 1 Basic characteristics of window function and SNR loss

3 加窗重疊度的損耗分析

假設(shè)加窗重疊因子是α,下面分析選擇法和相加法重疊輸出的信噪比損失。

選擇法輸出方式下,重疊加窗后的輸出序列為:

式中,w1(k)是選擇法輸出下的信號(hào)加權(quán)值:

由信噪比損失的推導(dǎo)結(jié)果可知,選擇法輸出方式下的信噪比損失為:

相加法輸出方式下,重疊加窗后的輸出序列為:

式中,w2(k)是相加法輸出下的信號(hào)加權(quán)值:

相加法的信噪比損失如下式:

由式(10)和式(13)可知,不同的加窗重疊度和輸出數(shù)據(jù)處理方式對(duì)信噪比的損失不同。由式(10)和式(13)計(jì)算,得出了當(dāng)窗長(zhǎng)度為1 024時(shí),對(duì)于各種窗函數(shù)的類型,不同的重疊因子下的選擇輸出和相加輸出帶來(lái)的信噪比損失情況,具體見(jiàn)表2。

表2 兩種數(shù)據(jù)合成方式不同重疊因子的信噪比損失Table 2 Different compound methods of two data and SNR loss

4 閾值處理?yè)p耗分析

檢測(cè)到干擾頻點(diǎn)后需要對(duì)譜線進(jìn)行閾值處理,工程上常用的閾值處理算法主要有干擾歸零算法、干擾鉗位算法、干擾衰減算法。

(1)干擾歸零法

算法基本思想是把幅度高于干擾消除門限的頻譜分量歸零,完全消除頻點(diǎn)上的干擾能量,同時(shí)也消除了頻點(diǎn)上擴(kuò)頻信號(hào)的能量,干擾歸零算法對(duì)FFT變換后譜線做如下處理:

式中,Y(k)為干擾抑制后的頻譜,經(jīng)IFFT后輸出信號(hào)為y(n),|X(k)|示離散譜線的模,Th(k)表示自適應(yīng)的干擾門限閾值。

(2)干擾鉗位算法

算法基本思想是使經(jīng)過(guò)FFT變換后的頻譜中干擾譜線的幅度保留在門限值Th(k)上,抑制了干擾譜線的大部分能量,同時(shí)保留了干擾譜線中擴(kuò)頻信號(hào)的相位信息。干擾鉗位算法對(duì)FFT變換后譜線做如下處理:

式中,Y(k)為干擾抑制后的頻譜,|X(k)|示離散譜線的模,Th(k)表示自適應(yīng)的干擾門限閾值。

(3)干擾衰減算法

算法基本思想是把確定為干擾的譜線按照一定比例進(jìn)行衰減,使處理后的干擾譜線幅度與背景噪聲相近,保持了該譜線的相位不變同時(shí)保留了部分?jǐn)U頻信號(hào)的能量,干擾衰減算法對(duì)FFT變換后譜線做如下處理:

式中,Y(k)為干擾抑制后的頻譜,|X(k)|示離散譜線的模,Th(k)表示自適應(yīng)的干擾門限閾值,λ為衰減因子。

由上述分析可知,干擾歸零算法、干擾鉗位算法、干擾衰減算法在處理干擾的同時(shí)都不可避免的對(duì)信號(hào)帶來(lái)了損耗,降低了輸出信噪比。下面通過(guò)仿真分析比較各種算法的性能。

5 仿真分析

仿真一:假設(shè)信息速率為1 kbps,碼片速率為1.024 Mcps,采樣頻率為10 Mhz,窗長(zhǎng)度為1 024,仿真分析各種窗函數(shù)類型對(duì)信噪比損耗情況,仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 各種窗函數(shù)在不同信噪比時(shí)的誤碼率Fig.2 Signal power vs.BER

由圖2可知,不同的窗函數(shù)帶來(lái)的信噪比損失不同,在窗長(zhǎng)度一定時(shí),對(duì)信噪比損失由大到小的窗函數(shù)依次是矩形窗、barllett窗、hamming窗、hann窗、blackman窗和blackmanharris窗。矩形窗的信噪比損失最小,主瓣最窄,但其相對(duì)旁瓣幅度最大;blackharris窗的信噪比損失最大,主瓣最寬,但其相對(duì)旁瓣幅度最小。旁瓣較低的窗函數(shù)可以將窄帶干擾信號(hào)的大部分能量限定在有限的幾根譜線之內(nèi),從而減少需要抑制的譜線的根數(shù),最大程度地減小干擾對(duì)有用信號(hào)的影響,但旁瓣越低的窗函數(shù),主瓣越寬,抑制窄帶干擾的同時(shí)對(duì)有用信號(hào)的損傷也越大,因此,窗函數(shù)的選擇應(yīng)根據(jù)需要抵抗的干擾指標(biāo)確定,選取既能達(dá)到抗干擾指標(biāo)又能使信噪比損失最小的窗函數(shù)。

仿真二:假設(shè)信息速率為1 kbps,碼片速率為1.024 Mcps,采樣頻率為10 Mhz,窗長(zhǎng)度為1 024,加Blackman窗,仿真分析加窗重疊度和數(shù)據(jù)輸出方式對(duì)信噪比損耗情況,仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 相加輸出時(shí)各種重疊因子在不同信噪比時(shí)的誤碼率Fig.3 Signal power vs.BER

圖4 選擇輸出時(shí)各種重疊因子在不同信噪比時(shí)的誤碼率Fig.4 Signal power vs.BER

由圖3和圖4比較分析可知,以Blackman窗作為研究對(duì)象,IFFT后的兩路數(shù)據(jù)采取相加法的信噪比損耗要比選擇法小,同時(shí),加窗重疊比例越大,引入的加窗損耗越小,但相應(yīng)的運(yùn)算量越大,因此,加窗重疊比例應(yīng)根據(jù)算法性能指標(biāo)和硬件資源要求進(jìn)行折衷選取。

仿真三:假設(shè)信息速率為1 kbps,碼片速率為1.024 Mcps,采樣頻率為10 Mhz,窗長(zhǎng)度為1 024,加Blackman窗,仿真分析閾值處理對(duì)信噪比損耗的影響情況,仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 各種閾值算法在不同干信比時(shí)的誤碼率Fig.5 Interference power vs.BER

由圖5可知,在相同的參數(shù)設(shè)置條件下,干擾歸零法、干擾鉗位法、干擾衰減法對(duì)信噪比的損耗依次減小。干擾歸零法在消除干擾的同時(shí)將該頻點(diǎn)的信號(hào)一并濾除,對(duì)信號(hào)信噪比損失最大,同時(shí)也完全消除了干擾頻譜上有用信號(hào)的相位信息,不利于后續(xù)捕獲跟蹤,但算法硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單;干擾鉗位法將干擾頻點(diǎn)的幅度陷為門限值,保留了部分有用信號(hào)能量和相位信息,對(duì)信號(hào)信噪比損失較小;干擾衰減法把干擾譜線按照一定比例進(jìn)行衰減,使處理后的干擾譜線幅度與背景噪聲相近,保持了該譜線的相位不變同時(shí)保留了部分?jǐn)U頻信號(hào)的能量,對(duì)信號(hào)信噪比損失最小,但該算法硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度高。

6 結(jié) 語(yǔ)

影響干擾抑制算法信噪比損耗的主要因素有窗函數(shù)類型、窗長(zhǎng)度、加窗重疊度、閾值處理以及IFFT變換后的數(shù)據(jù)處理。由于窗函數(shù)的旁瓣相對(duì)幅度低時(shí)主瓣帶寬更寬,需要處理的頻點(diǎn)更多,而主瓣帶寬窄時(shí)旁瓣相對(duì)幅度高,頻譜泄露嚴(yán)重,被污染的頻點(diǎn)更多,在選擇窗函數(shù)時(shí),要考慮接收信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍以及需要抑制的窄帶干擾強(qiáng)度,選擇合適的窗函數(shù),減小對(duì)信噪比的損耗;加窗重疊比例越大,對(duì)信噪比損耗越小,但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度大和硬件資源消耗多,需要折中考慮;對(duì)于干擾頻點(diǎn)閾值處理,干擾衰減法雖然效果優(yōu)于干擾鉗位法和干擾歸零法,但實(shí)現(xiàn)復(fù)雜且會(huì)占用過(guò)多的運(yùn)算資源,一般采用干擾鉗位法;IFFT變換后的數(shù)據(jù)處理,一般情況下,相加法較選擇法對(duì)信噪比的損耗更小,實(shí)際應(yīng)用中更多采用相加法。

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Li Jian-wei(1990-),male,graduate student,majoring in satellite communications.

李志強(qiáng)(1974—),男,博士,教授,主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信;

Li Zhi-qiang(1974-),male,Ph.D., professor,majoring in satellite communications.

朱文明(1979—),男,博士,講師,主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信。

Zhu Wen-ming(1979-),male,Ph.D.,lecturer,majoring in satellite communications.

SNR-Loss Analysis of Frequency Domain Interference Suppression Algorithm in DSSS System

LI Jian-wei,LI Zhi-qiang,ZHU Wen-ming
(Institute of Communications Engineering,PLA University of Science and Technology,Nanjing Jiangsu 210007,China)

With frequency domain interference suppression algorithm in DSSS system as the research object,and aiming at the problem that the introduction of interference suppression module would result in SNR loss in communication system,this paper firstly describes the basic idea of frequency domain interference suppression,then principally analyzes the specific factors of SNR loss affected by the algorithm,including the types of window function,window length,window overlap,threshold processing and data processing method after IFFT transformation,and then provides the theoretical derivation of each affecting factors.Finally,in combination of simulation analysis,the paper gives the value of SNR loss and provides a reference for the design of interference suppression algorithm.

DSSS;interference suppression;windowing;threshold processing;SNR loss

TN91

A

1002-0802(2014)11-1266-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.11.006

李健偉(1990—),男,碩士研究生,主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信;

2014-08-21;

2014-10-13 Received date：2014-08-21;Revised date：2014-10-13

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.61032004,No.91338201);國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)(No.2012AA121605,No.2012AA01A510)

Foundation Item：National Natural Science Foundation of China(No.61032004,No.91338201);The National High Technology Research and Development Program(“863”program)(No.2012AA121605,No.2012AA01A510)