變換域窄帶干擾檢測(cè)算法研究

李婷婷+張春澤+王書省

摘 要： 基于數(shù)據(jù)鏈的應(yīng)用背景，在直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)下，研究了不同變換域窄帶干擾檢測(cè)算法的基本原理，包括基于一、二階矩的門限算法、[K]譜線法、條件中值濾波法及連續(xù)均值剔除算法。通過(guò)仿真對(duì)比了不同算法的干擾檢測(cè)抑制性能。仿真結(jié)果表明，在幾種干擾檢測(cè)算法中，連續(xù)均值剔除算法對(duì)于典型窄帶干擾的檢測(cè)能力最優(yōu)，能夠?qū)崿F(xiàn)干擾的快速實(shí)時(shí)檢測(cè)處理。

關(guān)鍵詞： 變換域； 窄帶干擾檢測(cè)； FFT； 門限算法

中圖分類號(hào)： TN911.7?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）17?0032?04

Abstract： Based on the application of data link， the basic principle of narrowband interference detection algorithms in different transform domain is researched in DSSS system， in which threshold algorithm based on first or second moment， [K]bins algorithm， conditional median filtering algorithm and consecutive mean excision （CME） algorithm are included. The interference detection and suppression performances of the different algorithms are compared according to the simulation results. The simulation results show that CME algorithm has the best detection performance to typical narrowband interference among several interference detection algorithms. It can achieve real?time detection of interference.

Keywords： transform domain； narrowband interference detection； FFT； threshold algorithm

0 引 言

伴隨著全球信息化的進(jìn)步，通信技術(shù)也不斷發(fā)展壯大并應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，尤其是在軍事方面。隨著武器數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的不斷發(fā)展和各類新型裝備的問(wèn)世，世界各國(guó)紛紛加速了對(duì)各種新型數(shù)據(jù)鏈抗干擾技術(shù)的研究，以應(yīng)對(duì)包括自然與人為干擾的復(fù)雜電磁環(huán)境。直接序列擴(kuò)頻通信體制由于具備良好的抗干擾、抗截獲及保密通信能力，是目前國(guó)內(nèi)外各類數(shù)據(jù)鏈中應(yīng)用最廣泛、最成熟的通信體制之一。

然而，面對(duì)更高的抗干擾要求時(shí)，受限于目前器件的處理能力和信道帶寬，單純依靠增大擴(kuò)頻處理增益來(lái)提高直擴(kuò)系統(tǒng)自身的抗干擾容限是不現(xiàn)實(shí)的。因此需要采取專項(xiàng)抗干擾技術(shù)，以進(jìn)一步提升系統(tǒng)的抗干擾能力。變換域干擾檢測(cè)抑制技術(shù)具有干擾抑制能力好、處理速度快、靈活性高、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，更能夠適應(yīng)干擾類型靈活多變的復(fù)雜電磁環(huán)境。

1 變換域窄帶干擾檢測(cè)技術(shù)的原理

基于直擴(kuò)系統(tǒng)的變換域窄帶干擾檢測(cè)抑制技術(shù)的思路是很明確的：首先將擴(kuò)頻信號(hào)通過(guò)正交變換轉(zhuǎn)化到變換域，由于擴(kuò)頻信號(hào)和窄帶干擾的頻譜特性，可以通過(guò)一定門限檢測(cè)算法鎖定窄帶干擾所在的位置，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行干擾置零或鉗位處理將干擾濾除。圖1是基于頻域的窄帶干擾檢測(cè)抑制處理框圖。其中兩路重疊加窗及時(shí)域合成處理能夠有效抑制FFT塊變換特性所帶來(lái)的頻譜泄漏影響，提高干擾檢測(cè)的精度。

2.2 [K]譜線算法

由于窄帶干擾變換到頻域后能量集中，因此其幅度通常遠(yuǎn)高于信號(hào)幅度，[K]譜線法就是利用了這種差異，先將接收到的信號(hào)按頻域幅值從大到小進(jìn)行排序，選取其中幅值最大的[K]個(gè)頻點(diǎn)作為干擾進(jìn)行濾除。在這種算法中[K]值的確定是一個(gè)關(guān)鍵。[K]值過(guò)大有可能對(duì)有用信號(hào)帶來(lái)不必要的損失，而[K]值過(guò)小則不能完全去除干擾。[K]值的選取與窗函數(shù)的選取以及干擾的數(shù)量有關(guān)。[K]譜線法避免了門限值的求取，在強(qiáng)干擾條件下效果較好，但是如果干擾環(huán)境較為復(fù)雜，干擾參數(shù)時(shí)變，則[K]值需要重復(fù)確定。針對(duì)[K]譜線法在快變環(huán)境下自適應(yīng)差的問(wèn)題，文獻(xiàn)[4]提出一種修正的[K]譜線法，首先將譜線幅度降序排列，并利用最小Akaike準(zhǔn)則估計(jì)其拐點(diǎn)，自適應(yīng)地確定當(dāng)前干擾環(huán)境下最優(yōu)的[K]值。該方法具備了較強(qiáng)的自適應(yīng)性和穩(wěn)健性。

條件中值濾波算法不需要估計(jì)窄帶干擾的中心頻率、功率、帶寬等參數(shù)，可自適應(yīng)地處理接收信號(hào)頻帶內(nèi)存在的多干擾，并且在沒(méi)有窄帶干擾存在時(shí)，不會(huì)對(duì)有用信號(hào)造成不必要的失真，算法性能僅僅受到干擾的帶寬和最小功率影響，通過(guò)合理設(shè)計(jì)窗寬[k]以及門限[C]兩個(gè)參數(shù)，可獲得較好的干擾抑制效果。缺點(diǎn)是處理較慢，每輸入一次數(shù)據(jù)都需要求出以該數(shù)據(jù)為中心的寬為[k]的數(shù)據(jù)窗內(nèi)的中值，對(duì)于時(shí)延要求不是很嚴(yán)格的系統(tǒng)適用。[k]值的設(shè)置決定了能夠抑制的干擾帶寬，當(dāng)[k]值較小時(shí)，對(duì)于窄帶干擾的抑制效果將相對(duì)較差；當(dāng)[k]值較大時(shí)，計(jì)算量將激增。

2.4 連續(xù)均值剔除算法

CME（Consecutive Mean Excision，CME）算法通過(guò)迭代更新門限值實(shí)現(xiàn)干擾的檢測(cè)，其核心思路是利用接收的所有譜線來(lái)估計(jì)沒(méi)有干擾時(shí)譜線幅度的均值，用遞歸的方法對(duì)已經(jīng)檢測(cè)出的干擾譜線進(jìn)行剔除，之后再次估計(jì)均值，循環(huán)進(jìn)行前面的步驟，直到?jīng)]有干擾譜線被檢測(cè)出來(lái)[5]。CME算法首先設(shè)定了一個(gè)非干擾頻點(diǎn)索引集[Im]和干擾頻點(diǎn)索引集[Jm，]其中[m]為迭代次數(shù)。通過(guò)與當(dāng)前門限值進(jìn)行比較，將大于門限值的頻點(diǎn)從[Im]中去除，放入[Jm]中，形成新的索引集[Im+1，][Jm+1。]根據(jù)更新后的非干擾索引集[Im+1，]求取新的門限值以進(jìn)行下一次迭代計(jì)算，直到[Jm+1]長(zhǎng)度[P]為0，即最新一次迭代沒(méi)有干擾頻點(diǎn)被檢測(cè)出來(lái)。此時(shí)最終的干擾信號(hào)索引集為[Jlast=J0?J1?…?Jm。]初始的非干擾索引集[I0]為接收的所有譜線，而初始的[J0]為0，初次門限由[I0]內(nèi)所有譜線的均值決定。算法的處理流程如圖2所示。

3 算法仿真分析

這里采用通信仿真中常用的蒙特卡洛仿真模型仿真直擴(kuò)接收系統(tǒng)，通過(guò)誤碼元數(shù)評(píng)價(jià)各種抗干擾算法的優(yōu)劣。主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

分別加入單音、三音、高斯窄帶、掃頻干擾，仿真各種干擾檢測(cè)算法的誤碼率與干信比的關(guān)系曲線，如圖3所示。

由以上仿真結(jié)果可得不同門限算法的干擾抑制能力（誤碼率小于[10-3]時(shí)），見(jiàn)表2。

4 結(jié) 論

二階矩法與[K]譜線算法簡(jiǎn)單易行，但抗干擾尤其是掃頻干擾的能力不甚理想，主要是由于這兩種算法參數(shù)設(shè)置不夠靈活。條件中值濾波法與CME法的干擾抑制能力相當(dāng)，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。

條件中值濾波法有一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)，即對(duì)檢測(cè)到的譜線不直接做置零處理，而是將其置為當(dāng)前數(shù)據(jù)窗內(nèi)的中值，這種方法能夠有效地減少信號(hào)能量的損失。但是條件中值濾波保證干擾抑制能力的前提是數(shù)據(jù)窗的寬度足夠大，這將帶來(lái)計(jì)算量的激增，處理時(shí)延較大。對(duì)于數(shù)據(jù)鏈的應(yīng)用環(huán)境，處理時(shí)延是一個(gè)極其關(guān)鍵的指標(biāo)，關(guān)系到系統(tǒng)是否能實(shí)時(shí)快速地應(yīng)對(duì)快變干擾。CME算法對(duì)于單音干擾平均迭代次數(shù)為2次，對(duì)多音干擾平均迭代次數(shù)為3次，對(duì)窄帶干擾平均迭代次數(shù)為3次。因此，從處理時(shí)延的角度考慮，CME算法更適用于數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 夏彩杰，王愛(ài)華，安建平.基于CME算法的數(shù)字窄帶干擾抑制及改進(jìn)[J].數(shù)據(jù)采集與處理，2006（21）：114?119.

[2] 樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].6版.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

[3] 姚軍勇.基于突發(fā)直擴(kuò)通信的抗干擾技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006.

[4] 張春海.直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)抗干擾技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006.

[5] HENTTU P， AROMAA S. Consecutive mean excision algorithm [C]// Proceedings of the IEEE International Symposium on Spread Spectrum Techniques and Application. [S.l.]： IEEE， 2002： 450?454.

[6] VARTIAINEN J， LEHTOMAKI J， SAARNISAARI H， et al. Li?mits of detection for the consecutive mean excision algorithms [C]// Proceedings of 2010 Fifth International Conference on Cognitive Radio Oriented Wireless Networks and Communications. Cannes， France： [s.n.]， 2010： 234?243.

[7] 張玉恒，張勇.基于分?jǐn)?shù)階傅里葉域K譜線算法的LFM干擾抑制[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009（15）：4794?4796.

[8] 樊明，魏澤鼎，郭藝.DSSS頻域干擾檢測(cè)方法研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（13）：15?17.

[9] 張永飛，魏安全，孫玉琦.DSSS系統(tǒng)頻域干擾抑制最佳門限選擇算法研究[J].山西電子科技，2011（1）：82?84.

[10] LEHTOMAKI J， SALMENKAITA S， VARTIAINEN J， et al. Measurement studies of a spectrum sensing algorithm based on double thresholding [C]// Proceedings of 2009 Second International Workshop on Cognitive Radio and Advanced Spectrum Management. [S.l.]： [s.n.]， 2009： 111?121.

3 算法仿真分析

這里采用通信仿真中常用的蒙特卡洛仿真模型仿真直擴(kuò)接收系統(tǒng)，通過(guò)誤碼元數(shù)評(píng)價(jià)各種抗干擾算法的優(yōu)劣。主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

分別加入單音、三音、高斯窄帶、掃頻干擾，仿真各種干擾檢測(cè)算法的誤碼率與干信比的關(guān)系曲線，如圖3所示。

由以上仿真結(jié)果可得不同門限算法的干擾抑制能力（誤碼率小于[10-3]時(shí)），見(jiàn)表2。

4 結(jié) 論

二階矩法與[K]譜線算法簡(jiǎn)單易行，但抗干擾尤其是掃頻干擾的能力不甚理想，主要是由于這兩種算法參數(shù)設(shè)置不夠靈活。條件中值濾波法與CME法的干擾抑制能力相當(dāng)，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。

條件中值濾波法有一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)，即對(duì)檢測(cè)到的譜線不直接做置零處理，而是將其置為當(dāng)前數(shù)據(jù)窗內(nèi)的中值，這種方法能夠有效地減少信號(hào)能量的損失。但是條件中值濾波保證干擾抑制能力的前提是數(shù)據(jù)窗的寬度足夠大，這將帶來(lái)計(jì)算量的激增，處理時(shí)延較大。對(duì)于數(shù)據(jù)鏈的應(yīng)用環(huán)境，處理時(shí)延是一個(gè)極其關(guān)鍵的指標(biāo)，關(guān)系到系統(tǒng)是否能實(shí)時(shí)快速地應(yīng)對(duì)快變干擾。CME算法對(duì)于單音干擾平均迭代次數(shù)為2次，對(duì)多音干擾平均迭代次數(shù)為3次，對(duì)窄帶干擾平均迭代次數(shù)為3次。因此，從處理時(shí)延的角度考慮，CME算法更適用于數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。

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3 算法仿真分析

這里采用通信仿真中常用的蒙特卡洛仿真模型仿真直擴(kuò)接收系統(tǒng)，通過(guò)誤碼元數(shù)評(píng)價(jià)各種抗干擾算法的優(yōu)劣。主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

分別加入單音、三音、高斯窄帶、掃頻干擾，仿真各種干擾檢測(cè)算法的誤碼率與干信比的關(guān)系曲線，如圖3所示。

由以上仿真結(jié)果可得不同門限算法的干擾抑制能力（誤碼率小于[10-3]時(shí)），見(jiàn)表2。

4 結(jié) 論

二階矩法與[K]譜線算法簡(jiǎn)單易行，但抗干擾尤其是掃頻干擾的能力不甚理想，主要是由于這兩種算法參數(shù)設(shè)置不夠靈活。條件中值濾波法與CME法的干擾抑制能力相當(dāng)，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。

條件中值濾波法有一個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)，即對(duì)檢測(cè)到的譜線不直接做置零處理，而是將其置為當(dāng)前數(shù)據(jù)窗內(nèi)的中值，這種方法能夠有效地減少信號(hào)能量的損失。但是條件中值濾波保證干擾抑制能力的前提是數(shù)據(jù)窗的寬度足夠大，這將帶來(lái)計(jì)算量的激增，處理時(shí)延較大。對(duì)于數(shù)據(jù)鏈的應(yīng)用環(huán)境，處理時(shí)延是一個(gè)極其關(guān)鍵的指標(biāo)，關(guān)系到系統(tǒng)是否能實(shí)時(shí)快速地應(yīng)對(duì)快變干擾。CME算法對(duì)于單音干擾平均迭代次數(shù)為2次，對(duì)多音干擾平均迭代次數(shù)為3次，對(duì)窄帶干擾平均迭代次數(shù)為3次。因此，從處理時(shí)延的角度考慮，CME算法更適用于數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)。

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[7] 張玉恒，張勇.基于分?jǐn)?shù)階傅里葉域K譜線算法的LFM干擾抑制[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009（15）：4794?4796.

[8] 樊明，魏澤鼎，郭藝.DSSS頻域干擾檢測(cè)方法研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，30（13）：15?17.

[9] 張永飛，魏安全，孫玉琦.DSSS系統(tǒng)頻域干擾抑制最佳門限選擇算法研究[J].山西電子科技，2011（1）：82?84.

[10] LEHTOMAKI J， SALMENKAITA S， VARTIAINEN J， et al. Measurement studies of a spectrum sensing algorithm based on double thresholding [C]// Proceedings of 2009 Second International Workshop on Cognitive Radio and Advanced Spectrum Management. [S.l.]： [s.n.]， 2009： 111?121.