王杰英 陸亭宇 章 鑄 趙小波

（1.92330部隊(duì) 青島 266102）（2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所 武漢 430205）

直擴(kuò)系統(tǒng)的自適應(yīng)窄帶干擾抑制技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)＊

王杰英1陸亭宇2章 鑄2趙小波2

（1.92330部隊(duì) 青島 266102）（2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所 武漢 430205）

直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)因具有很強(qiáng)的抗干擾能力而受到廣泛關(guān)注，但存在強(qiáng)窄帶干擾或多窄帶干擾信號(hào)的情況下，其系統(tǒng)性能會(huì)急劇下降。為此，提出一種適合于強(qiáng)干擾應(yīng)用環(huán)境的自適應(yīng)窄帶干擾抑制算法，并分析和研究適用于直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的抗干擾措施。仿真和實(shí)現(xiàn)結(jié)果表明，采用自適應(yīng)窄帶干擾抑制技術(shù)極大地抑制了外界干擾對(duì)傳輸信號(hào)的影響。

直接序列擴(kuò)頻；自適應(yīng)濾波；干擾抑制

Class NumberTN911

1 引言

直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)一直以來都憑借其獨(dú)特的抗干擾能力以及安全性，在軍事通信領(lǐng)域備受青睞。但是在頻譜空間中，越來越擁擠和復(fù)雜的電磁環(huán)境情況下，僅靠擴(kuò)頻增益不足以對(duì)干擾進(jìn)行抑制。特別是軍用通信電磁環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，存在模式多樣和統(tǒng)計(jì)特征時(shí)變的強(qiáng)干擾；尤其是高功率密度的窄帶干擾（Narrow Band Interference，NBI）已經(jīng)成為破壞軍用通信系統(tǒng)失效的重要因素之一［1～2］。

存在強(qiáng)窄帶干擾或多窄帶干擾信號(hào)的情況下，為了在不增加擴(kuò)頻增益的條件下進(jìn)一步抑制窄帶干擾，有必要在解擴(kuò)前采用信號(hào)處理技術(shù)抑制干擾，使系統(tǒng)接收端獲得較好的誤碼性能。因此，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)抑制窄帶干擾是非常必要的［3］。本文對(duì)存在窄帶干擾的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的NBI統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行分析，提出了一種自適應(yīng)窄帶干擾抑制技術(shù)，并分析和研究適用于直接序列擴(kuò)頻通信的抗干擾措施。

2 最小均方（LMS）算法

最小均方（Least Mean Square，LMS）是一種最小均方誤差算法，其結(jié)構(gòu)簡單，且穩(wěn)定性好，一直是自適應(yīng)濾波經(jīng)典算法之一，被廣泛地應(yīng)用于直擴(kuò)系統(tǒng)、自適應(yīng)控制及數(shù)字信號(hào)處理等相關(guān)領(lǐng)域［4～5］。

LMS算法是用瞬態(tài)估計(jì)代替統(tǒng)計(jì)估計(jì)，沿著權(quán)值的負(fù)方向搜索達(dá)到均方誤差最小的自適應(yīng)濾波算法。最小均方（LMS）算法的迭代公式如：

式中的W（n）為自適應(yīng)濾波器在時(shí)刻n的權(quán)向量，X（n）為時(shí)刻n的輸入矢量信號(hào)，d（n）為期望輸出的值，e（n）是誤差信號(hào)，L為線性自適應(yīng)濾波器的長度，μ為步長因子。LMS算法收斂條件是max（λ）＜μ＜1，其中max（λ）為輸入信號(hào)的自相關(guān)矩陣最大特征值。

LMS算法是自適應(yīng)濾波算法，用來計(jì)算線性濾波器輸出對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)，通過比較輸出結(jié)果與期望響應(yīng)產(chǎn)生的估計(jì)誤差，再根據(jù)所得的估計(jì)誤差自適應(yīng)調(diào)整濾波器參數(shù)。上述過程一起工作組成了一個(gè)反饋環(huán)，線性自適應(yīng)橫向?yàn)V波器框圖如圖1所示。

圖1 線性自適應(yīng)橫向?yàn)V波器框圖

3 直擴(kuò)系統(tǒng)中窄帶干擾抑制技術(shù)

直接序列擴(kuò)頻信號(hào)在傳輸過程中會(huì)受到窄帶干擾信號(hào)的影響，在軟件仿真中的窄帶干擾形式為

inf＝A·exp（j·2π·（mf·N＋S·δ））

式中mf為窄帶干擾的中心頻率；δ窄帶干擾帶寬，δ值越大，其帶寬就越寬；S是N點(diǎn)的累加和值。窄帶干擾信號(hào)的幅度、帶寬和頻率可以根據(jù)要求任意改變其值。

直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)中窄帶干擾抑制算法的方框圖如圖2所示，其中自適應(yīng)權(quán)值算法采用的是最小均方（LMS）自適應(yīng)濾波算法［6］。在擴(kuò)頻接收端，將解擴(kuò)并經(jīng)過低通濾波后的信號(hào)重新擴(kuò)頻后作為線性自適應(yīng)濾波算法的期望信號(hào)，期望信號(hào)與自適應(yīng)濾波器輸出信號(hào)相減得到誤差信號(hào)，所得誤差同線性自適應(yīng)濾波器輸入向量一起調(diào)整自適應(yīng)濾波器的權(quán)系數(shù)向量值，最終達(dá)到抑制直擴(kuò)系統(tǒng)中窄帶干擾的目的［7～8］。

圖2 直擴(kuò)系統(tǒng)的窄帶干擾抑制算法框圖

通過Matlab仿真對(duì)解擴(kuò)重?cái)U(kuò)算法進(jìn)行比較。直擴(kuò)系統(tǒng)窄帶干擾抑制算法的方框圖中所采用的低通濾波器設(shè)計(jì)如圖3所示。該低通濾波器是為了形成自適應(yīng)濾波算法的期望信號(hào)，低通濾波器使用的參數(shù)設(shè)計(jì)為：低通濾波器階數(shù)128，通帶截止頻率1／110，阻帶截止頻率3／110，阻帶衰減31dB。發(fā)送信號(hào)速率為Rb＝1.5kbit／s，擴(kuò)頻碼采用m序列偽碼，周期為16，速率為Rc＝16kbit／s，采樣頻率為fs＝32kHz，其信干比S／R為0dB，在以上條件下的仿真結(jié)果如圖所示。其中，圖4為干擾抑制前的信號(hào)頻譜，圖5為干擾抑制后的信號(hào)頻譜，從圖中可以看出可以達(dá)到抑制窄帶干擾的目的。

圖3 擴(kuò)頻信號(hào)解擴(kuò)后的低通濾波器設(shè)計(jì)

圖4 干擾抑制前信號(hào)頻譜

圖5 干擾抑制后信號(hào)頻譜

4 窄帶干擾抑制算法的FPGA實(shí)現(xiàn)

自適應(yīng)窄帶干擾抑制通過具體硬件優(yōu)化頻域LMS算法，驗(yàn)證了進(jìn)行算法優(yōu)化后的頻域LMS算法對(duì)于抑制擴(kuò)頻通信中的強(qiáng)窄帶干擾的可行性［9］。算法使用FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時(shí)，主要分成自適應(yīng)濾波器輸出、誤差形成和自適應(yīng)濾波器權(quán)系數(shù)向量計(jì)算等模塊。直擴(kuò)系統(tǒng)中窄帶干擾抑制算法的FPGA實(shí)現(xiàn)框圖如圖6所示。FPGA的模塊主要采用Verilog硬件描述語言在Xilinx ISE DesignSuite平臺(tái)上編程實(shí)現(xiàn)［10］。經(jīng)過分析得知，每根譜線的干擾抑制在一個(gè)時(shí)鐘周期即可完成，算法效率較高，同時(shí)所占資源減少，適合采用FPGA來實(shí)現(xiàn)頻域LMS算法。

圖6 窄帶干擾抑制算法FPGA實(shí)現(xiàn)框圖

5 結(jié)語

在直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)中存在大量的窄帶干擾信號(hào)，當(dāng)遇到超過直擴(kuò)系統(tǒng)的干擾容限時(shí)，系統(tǒng)性能會(huì)降低乃至不能正常工作。采用時(shí)域自適應(yīng)濾波算法來調(diào)整自適應(yīng)濾波器的權(quán)系數(shù)向量值，最終達(dá)到抑制窄帶干擾的目的。經(jīng)過上述的理論分析、Matlab仿真以及FPGA實(shí)現(xiàn)表明，此直擴(kuò)系統(tǒng)窄帶干擾抑制算法能夠有效地抑制直擴(kuò)系統(tǒng)中存在的強(qiáng)窄帶干擾，提高了系統(tǒng)的窄帶干擾抑制能力，使直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)在強(qiáng)干擾環(huán)境中仍然能夠有效地完成通信任務(wù)。

［1］丁玲，等.短波猝發(fā)擴(kuò)頻系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.無線電通信，2003，9（3）：1－3.

［2］郭黎利，等.并行組合擴(kuò)頻通信系統(tǒng)變換域干擾抑制技術(shù)研究［J］.遙測(cè)遙控，2015，36（1）：30－35.

［3］樊昌信，曹麗娜.通信原理教程［M］.第6版.北京：國防工業(yè)出版社，2007：243－244.

［4］CATTIVELLI F S，SAYED A H.Diffusion LMS Strategies for distributedestimatio［J］.IEEE Transactions on Signal Processing，2010，58（3）：751－758.

［5］SHI KUN，MA XIAOLI.A frequency domain stepsize control methodfor LMS algorithms［J］.IEEE Signal Processing Letters，2010，17（2）：1223－1233.

［6］張春海，薛麗君，張爾揚(yáng).基于自適應(yīng)多門限算法的變換域窄帶干擾抑制［J］.電子與信息學(xué)報(bào)，2006，28（3）：462－465.

［7］王曉剛，等.LMS算法抑制直擴(kuò)系統(tǒng)中窄帶干擾的研究［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2011，28（5）：144－147.

［8］孫永軍.直擴(kuò)通信系統(tǒng)中窄帶干擾抑制研［D］.西安：西安電子科技大學(xué)博士論文，2007：11－17.

［9］程佩青.數(shù)字信號(hào)處理教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2001：392－400.

［10］張曉紅.直擴(kuò)系統(tǒng)中窄帶干擾抑制算法的研究及FPGA實(shí)現(xiàn)［D］.西安：西安電子科技大學(xué)，2009：2－14.

Research and Realization of Adaptive Narrow－band Interference Suppression for DS System

WANG Jieying1LU Tingyu2ZHANG Zhu2ZHAO Xiaobo2
（1.No.92330Troops of PLA，Qingdao 266102）（2.No.722Research Institute of CSIC，Wuhan 430205）

Direct sequence spread spectrum communication has drawn wide attention because of the great ability of antiinterface.However，the strong and multiple narrow－band interference signal will cause the system performance degradation.In this paper，an adaptive narrow－band interference suppression algorithm in strong interference environment is proposed.The simulation results show that the algorithm can suppress the interference to the signals effectively.

direct sequence spread spectrum，adaptive filtering，interference suppression

TN911DOI：10.3969／j.issn.1672－9730.2015.11.021

2015年5月5日，

2015年6月27日

王杰英，男，高級(jí)工程師，研究方向：無線通信。陸亭宇，女，碩士，助理工程師，研究方向：無線通信。章鑄，男，碩士，助理工程師，研究方向：無線通信。趙小波，男，高級(jí)工程師，研究方向：無線通信。