DS-SS 窄帶干擾抑制濾波器對(duì)PN 碼捕獲性能影響的研究

楊曉波 孫麗婭

（1.石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣與電子工程系 河北 石家莊 050081；2.河北全通通信有限公司網(wǎng)絡(luò)信息部 河北 石家莊 050021）

0 引言

直接序列擴(kuò)頻 （Direct Sequence Spread Spectrum： DSSS）技術(shù)具有良好的保密性、較強(qiáng)的抗干擾能力以及低截獲概率和測(cè)時(shí)測(cè)距等特點(diǎn)，因此在軍事通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、測(cè)速雷達(dá)系統(tǒng)和移動(dòng)通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，DS-SS系統(tǒng)具有一定的干擾容限，當(dāng)系統(tǒng)處于超出其干擾容限的強(qiáng)干擾環(huán)境中時(shí)， 通信性能會(huì)嚴(yán)重惡化， 為了降低窄帶干擾（Narrow Band Interference：NBI） 對(duì)系統(tǒng)性能的影響， 通常在PN 碼相關(guān)器之前插入窄帶干擾抑制濾波器[1]。 插入濾波器后由于濾波器的會(huì)對(duì)接收信號(hào)造成影響[2]，首先，影響的就是PN 碼的捕獲，PN 碼的捕獲是DS-SS 正常工作的關(guān)鍵技術(shù)[3]，因此有必要對(duì)窄帶干擾抑制濾波器給PN 碼捕獲性能帶來(lái)的影響進(jìn)行深入分析。 文獻(xiàn)[2]，[4]中就窄帶干擾抑制濾波器對(duì)PN 碼捕獲的影響進(jìn)行了研究，但就濾波器相位響應(yīng)對(duì)PN 碼捕獲性能只從濾波理論出發(fā)進(jìn)行了概略的分析，本文就這一問(wèn)題進(jìn)行更加深入的研究。

本文窄帶干擾抑制采用線性插值濾波器，通過(guò)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)完全相同，只有相頻特性不同的濾波器，研究了濾波器相頻特性對(duì)PN 碼捕獲造成影響的原因及影響程度， 并給出了仿真結(jié)果。

1 線性插值濾波器原理

線性插值濾波器同時(shí)使用過(guò)去和未來(lái)的值對(duì)接收信號(hào)的當(dāng)前值進(jìn)行估計(jì)，雙邊插值濾波器原理如圖1 所示[5]。

圖1 線性插值濾波器原理

為了設(shè)計(jì)得到線性相位插值濾波器， 權(quán)值具有對(duì)稱性，對(duì)于線性相位插值濾波器權(quán)值有w-l=wl，l=1，2，…，n+m

濾波器的最優(yōu)解：

其中：

輸入矢量的自相關(guān)：

2 自適應(yīng)濾波抑制NBI 模型及對(duì)捕獲性能的影響

自適應(yīng)濾波器抑制窄帶干擾結(jié)構(gòu)如圖2 所示，圖中x（k）為按碼速率采樣的接收信號(hào)序列：

x（k）=Adp（k）＋n（k）＋j（k）

圖2 自適應(yīng)濾波抑制NBI 原理

圖中自適應(yīng)濾波器采用線性插值濾波器， 濾波器長(zhǎng)度為2M＋1，將濾波器權(quán)值統(tǒng)一以h（l），l=-M，…，－2，－1，0，1，2，…，M 定義，h（0）＝1。 則接收信號(hào)在一個(gè)碼周期內(nèi)的濾波輸出為：

由式（17）可看到,采用線性插值濾波器抑制窄帶干擾的同時(shí)，引入了PN 序列之間的相關(guān)性，相關(guān)性的強(qiáng)弱主要由濾波器的階數(shù)和沖擊響應(yīng)（濾波器權(quán)值最優(yōu)解）決定，進(jìn)行PN碼捕獲時(shí)對(duì)于線性插值濾波器, -M≤k≤M 的范圍內(nèi)可能會(huì)形成較高的相關(guān)峰值,甚至超過(guò)碼捕獲門(mén)限,使得捕獲概率降低，同時(shí)，當(dāng)擴(kuò)頻信號(hào)通過(guò)濾波器時(shí)，由于濾波器相位響應(yīng)的非線性會(huì)造成各頻率分量的延遲不相同，解擴(kuò)后信號(hào)的能量不能很好的集中在相關(guān)峰上，使得相關(guān)旁瓣較大，同樣使得捕獲概率降低，反之，相關(guān)旁瓣較小，不會(huì)對(duì)捕獲概率造成大的影響。

由文獻(xiàn)[6]，線性插值濾波器的干擾抑制程度和信噪比的改善在其它條件相同的情況下，只取決于濾波器階數(shù)。 本文在相同的仿真條件下，采用結(jié)構(gòu)完全相同，只有相位響應(yīng)特性不同的兩個(gè)線性插值濾波器 （一個(gè)考慮線性相位設(shè)計(jì)，另一個(gè)不考慮線性相位設(shè)計(jì)） 來(lái)研究相位特性對(duì)PN 碼捕獲的影響， 由于濾波器權(quán)值最優(yōu)解取決于輸入序列統(tǒng)計(jì)特性，因此在相同的仿真條件下二者捕獲性能差異主要是相位特性造成的。

圖3 接收信號(hào)頻譜

3 仿真結(jié)果分析

圖4 濾波器幅頻響應(yīng)

圖5 濾波器群延遲響應(yīng)

圖6 濾波輸出頻譜

仿真系統(tǒng)為BPSK 調(diào)制，PN 碼長(zhǎng)度為10230 的GOLD 碼序列，窄帶干擾信號(hào)為單諧波信號(hào)，歸一化頻率fj=0.52；信噪比SNR=-30dB， 偽碼捕獲過(guò)程采用包絡(luò)檢波的恒虛警檢測(cè)。圖3 至圖7 為干信比JSR=40dB 的仿真結(jié)果， 圖3 為接收信號(hào)的頻譜；圖4 為濾波器幅頻響應(yīng)；圖5 濾波器群延遲響應(yīng)，線性相位濾波器的群延遲為常數(shù)，這樣各頻率分量的延遲相同， 信號(hào)的時(shí)域波形失真相對(duì)非線性濾波器要小得多； 圖6為濾波輸出頻譜，發(fā)現(xiàn)窄帶干擾信號(hào)的抑制程度相同，且非線性相位濾波器作用后的頻譜發(fā)生了較大的變形；圖7 為10次平均得到的歸一化的PN 碼相關(guān)輸出， 可以看出非線性濾波系統(tǒng)相關(guān)出處值相對(duì)于線性系統(tǒng)的有較大的旁瓣，并且相關(guān)峰值也要比線性濾波要小。

圖7 PN 碼相關(guān)輸出

圖8 捕獲概率

圖8 為在不同的信噪比下兩個(gè)濾波器濾出窄帶干擾后正確捕獲PN 碼相位的概率， 可以看出在信噪比較低的情況下，線性相位濾波器的捕獲概率明顯高于非線性相位濾波器的捕獲概率, 在低信噪比下線性相位濾波器正確捕獲概率高于非線性濾波器將近1%， 這是由于非線性相位濾波器的輸出與本地PN 碼相關(guān)的旁瓣較大， 并且相關(guān)峰值較線性系統(tǒng)較小造成的。

4 結(jié)論

本文在相同的仿真條件下，采用結(jié)構(gòu)完全相同，只有相位響應(yīng)特性不同的兩個(gè)線性插值濾波器來(lái)研究相位特性對(duì)PN 碼捕獲的影響， 二者捕獲性能差異主要是相位特性造成的。 由于線性相位濾波器的輸出信號(hào)失真小，與本地PN 碼相關(guān)的旁瓣較小，從相關(guān)輸出與PN 碼的捕獲性能結(jié)果來(lái)看， 線性相位濾波器明顯優(yōu)于非線性相位濾波器，在本文的仿真條件下在低信噪比下線性相位濾波器正確捕獲概率高于非線性濾波器將近1%， 因此在實(shí)際的窄帶干擾抑制過(guò)程中，從PN 碼的捕獲結(jié)果看，濾波器的相位響應(yīng)特性是應(yīng)該考慮的重要因素之一。

［1］Milstein LB. Interference rejection techniques in spread spectrum communications [J].Proceedings of the IEEE，1988，76（6）：657-671.

［2］李崢嶸,桑懷勝，王飛雪，等.擴(kuò)頻系統(tǒng)中自適應(yīng)窄帶干擾抑制濾波器對(duì)PN 碼捕獲性能的影響[J].電子學(xué)報(bào)，2002，30（12）：1768-1771.

［3］Iinatti J HJ. On the threshold setting principles in code acquisition of DS-SS signals [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2000，18（1）：62-72.

［4］張春海.DS-CDMA 時(shí)域抗窄帶干擾接收機(jī)性能分析[J].航天電子對(duì)抗，2005，21（5）：50-64.

［5］Simon H. Adaptive filter theory [M].Prentice-Hall，1996.

［6］Loh-Ming Li, Milstein LB Rejection of Narrow-Band Interference in PN Spread-Spectrum Systems Using Transversal Filters.IEEE Transactions on communications，1982，30（5）：925-928.