重疊加窗下衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信干擾非線性抑制方法

摘" 要： 由于離散傅里葉變換是通過對整個窗口內(nèi)的信號進(jìn)行頻域變換，如果信號在窗口的兩端產(chǎn)生不連續(xù)性，會導(dǎo)致頻譜泄漏。而重疊加窗技術(shù)能夠通過窗口的重疊部分來平滑信號，在不同時間窗口之間實現(xiàn)平滑過渡，減小頻率泄漏和旁瓣效應(yīng)的影響。因此，為提高通信性能，文中研究重疊加窗下衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信干擾非線性抑制方法。將衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信信號分成兩路，通過改進(jìn)升余弦窗函數(shù)，分別進(jìn)行1/2重疊加窗處理；利用調(diào)制離散傅里葉變換算法變換加窗后的兩路擴(kuò)頻通信時域信號，得到頻域信號；采用自適應(yīng)門限干擾檢測算法非線性干擾抑制兩路頻域信號；由改進(jìn)自適應(yīng)幅度恢復(fù)非對稱算法還原抑制后的頻域信號，并對其進(jìn)行逆變換處理，得到時域信號；按照1/2重疊加窗思想，融合兩路時域信號，完成通信干擾非線性抑制。實驗結(jié)果證明：該方法可有效重疊加窗處理衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信時域信號，避免了旁瓣效應(yīng)的影響，準(zhǔn)確地抑制了衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信干擾。

關(guān)鍵詞： 重疊加窗； 衛(wèi)星直序； 擴(kuò)頻通信干擾； 非線性抑制； 窗函數(shù)； 傅里葉變換； 門限干擾； 幅度恢復(fù)

中圖分類號： TN914.42?34""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A""""""""""""""""""""""" 文章編號： 1004?373X（2024）09?0016?05

Nonlinear suppression method of satellite direct sequence spread spectrum communication interference under overlapping windowing

WANG Jianpeng1， CHEN Ye1， CAO Desheng2

（1. North University of China， Taiyuan 030051， China;

2. School of Computing， North China Institute of Science and Technology， Langfang 101601， China）

Abstract： Since the discrete Fourier transform （DFT） involves frequency domain transformation of the signals in the entire window， it may lead to spectrum leakage if discontinuity occurs to the signals at both ends of the window. The overlapping windowing technology can smooth the signals by the overlapping parts of the window， achieve smooth transitions among different time windows， and reduce the impact of frequency leakage and sidelobe effects. Therefore， a nonlinear suppression method for satellite direct sequence spread spectrum communication interference under overlapping windowing is studied in order to improve communication performance. The satellite direct sequence spread spectrum communication signals are divided into two channels， and 1/2 overlapping windowing processing is performed by improving the raised cosine window function. The modulation DFT algorithm is used to transform the windowed 2?channel spread spectrum communication time?domain signals and obtain the frequency?domain signals. Adaptive threshold interference detection algorithm is adopted to interference and suppress 2?channel frequency?domain signals nonlinearly. The improved adaptive amplitude recovery asymmetric algorithm is used to restore the suppressed frequency?domain signals， which is then subjected to inverse transformation processing to obtain the time?domain signals. According to the idea of 1/2 overlapping windowing， 2?channel time?domain signals are fused to achieve the nonlinear suppression of communication interference. The experimental results have shown that the proposed method can effectively fulfill overlapping windowing to process time?domain signals in satellite direct sequence spread spectrum communication， which avoids the influence of sidelobe effects and accurately suppresses the interference of satellite direct sequence spread spectrum communication.

Keywords： overlapping windowing; satellite direct sequence; spread spectrum communication interference; nonlinear suppression; window function; Fourier transform; threshold interference; amplitude recovery

DOI：10.16652/j.issn.1004?373x.2024.09.004

引用格式：王建鵬，陳曄，曹德勝.重疊加窗下衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信干擾非線性抑制方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2024，47（9）：16?20.

收稿日期：2024?02?19"""""""""" 修回日期：2024?03?12

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目：采動覆巖壓拉應(yīng)變轉(zhuǎn)換區(qū)時空連續(xù)信息感知與變形破壞機(jī)理研究（42377200）

0" 引" 言

直序擴(kuò)頻通信作為衛(wèi)星通信中的一種重要方式被廣泛應(yīng)用[1]。然而，在實際應(yīng)用中，由于各種干擾的存在[2]，直序擴(kuò)頻通信的性能受到了一定的影響。其中，非線性干擾是一種常見的干擾形式，其影響尤為嚴(yán)重[3]。因此，研究非線性抑制方法非常重要。

文獻(xiàn)[4]通過改進(jìn)的變分模態(tài)分解算法對衛(wèi)星直序擴(kuò)頻信號進(jìn)行分解，有效提取出信號中的非線性成分，并采取相應(yīng)措施進(jìn)行抑制。實驗結(jié)果表明，該方法在抑制衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信干擾方面具有較好的效果，提高了通信系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。但變分模態(tài)分解算法對噪聲較為敏感，如果信號中存在噪聲，會影響非線性成分的提取效果。文獻(xiàn)[5]利用低通濾波器對衛(wèi)星直序擴(kuò)頻信號進(jìn)行處理，濾除其中的高頻干擾成分，從而實現(xiàn)對非線性干擾的抑制。實驗結(jié)果表明，該方法在抑制衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信干擾方面具有一定的效果，但對于某些高頻率的非線性干擾成分，該方法則無法完全濾除。文獻(xiàn)[6]結(jié)合液晶矩陣的并行處理能力和遺傳算法的優(yōu)化搜索能力，對衛(wèi)星直序擴(kuò)頻信號中的非線性干擾進(jìn)行抑制。通過液晶矩陣實現(xiàn)信號的并行預(yù)處理，降低計算復(fù)雜度，然后利用遺傳算法對非線性干擾進(jìn)行優(yōu)化抑制。但該方法對大規(guī)模非線性干擾處理能力有限。文獻(xiàn)[7]利用深度無監(jiān)督學(xué)習(xí)技術(shù)學(xué)習(xí)衛(wèi)星直序擴(kuò)頻信號的特征，實現(xiàn)對非線性干擾的有效抑制。在無標(biāo)簽數(shù)據(jù)的情況下，該方法能夠自適應(yīng)地提取信號中的有用信息，并自動識別和抑制非線性干擾。雖然深度無監(jiān)督學(xué)習(xí)能夠自適應(yīng)地提取信號特征并識別非線性干擾，但對于某些復(fù)雜的非線性干擾，該方法的抑制效果不夠理想。利用離散傅里葉變換（Discrete Fourier Transform， DFT）[8?10]對信號進(jìn)行頻域分析過程中，DFT會將信號轉(zhuǎn)換為周期性的頻譜表示，而通過重疊加窗技術(shù)可以進(jìn)一步減小DFT的旁瓣效應(yīng)，提高頻域信號的分辨率，從而更精確地識別和抑制非線性干擾。為此，本文提出重疊加窗下衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信干擾非線性抑制方法。

1nbsp; 衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信干擾非線性抑制方法

通過對衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信信號進(jìn)行1/2重疊加窗處理，可以令非線性干擾的旁瓣降至有效信號主瓣以下，達(dá)到降低非線性干擾頻譜泄漏對有效信號頻譜影響的目的。為此，依據(jù)1/2重疊加窗思想，設(shè)計衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信干擾非線性抑制方法，該方法的實現(xiàn)過程如圖1所示。

重疊加窗下衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信干擾非線性抑制的具體步驟如下：

步驟1：將衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信信號分成兩路，分別進(jìn)行1/2重疊加窗，并對兩路直序擴(kuò)頻通信信號展開頻域干擾非線性抑制處理[11]，實現(xiàn)重疊加窗。

步驟2：通過窗函數(shù)加窗處理兩路衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信信號，并對加窗后的兩路衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信信號分別進(jìn)行DFT轉(zhuǎn)換，將衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信信號從時域變換至頻域。

步驟3：對兩路衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信頻域信號[12]展開自適應(yīng)門限干擾檢測，完成干擾非線性抑制。

步驟4：通過自適應(yīng)幅度恢復(fù)非對稱改進(jìn)算法，處理干擾非線性抑制后的頻譜信號，并對其進(jìn)行IDFT逆變換處理，將頻譜信號還原回時域。

步驟5：按照1/2重疊加窗思想，對非線性干擾抑制后的兩路衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信時域信號展開信號融合，即選取兩路時域信號內(nèi)各段加窗內(nèi)的中心1/2部分時域信號重新組合，得到完整的非線性干擾抑制后的衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信信號。

1.1" 重疊加窗下DFT的擴(kuò)頻通信信號頻域變換

在DFT利用變換擴(kuò)頻通信信號頻域的過程中，重疊加窗通過將信號劃分為多個時間窗口并進(jìn)行重疊處理，能夠在時域上增加信號的平滑性，從而減小頻率泄漏和旁瓣效應(yīng)。因此，利用重疊加窗下DFT優(yōu)化擴(kuò)頻通信信號頻域變換結(jié)果。

常用的窗函數(shù)有升余弦窗[cn]、改進(jìn)升余弦窗[cn]、二階升余弦窗[cn]。其中，改進(jìn)升余弦窗[cn]在頻域上具有更窄的主瓣以及更快的旁瓣衰減速度，相比于普通的升余弦窗和二階升余弦窗，改進(jìn)升余弦窗能夠更好地控制旁瓣泄漏的影響，減小頻譜泄漏，保證較高的頻譜分辨率。為此，通過綜合考慮上述影響，選擇[cn]為最終的窗函數(shù)。

令衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信信號是[xg]，則針對一個[G]點的DFT為：

[Xk=g=0G-1xgexp-2πkcn] （1）

式中，[k=0，1，…，g，…，G-1]。將[G]點的衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信頻譜分割成[H]個子帶，各子帶中均包含[b]個頻點，因此，式（1）變?yōu)椋?/p>

[Xk=XkH] （2）

此時，將[G]個衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信信號采樣點分割成[B]段，各段均包含[l]個不間斷的采樣點。則重疊加窗下DFT的擴(kuò)頻通信信號頻域變換結(jié)果為：

[Xk=Xkexp-2πBlH] （3）

1.2" 基于自適應(yīng)門限干擾檢測的干擾非線性抑制

由于改進(jìn)升余弦窗口的限制和頻域變換引起的泄漏效應(yīng)，導(dǎo)致信號能量泄漏到其他頻率，使得頻域變換后的信號可能會受到旁瓣干擾影響，即在目標(biāo)頻率以外的頻率出現(xiàn)干擾信號，影響信號檢測和識別。為此，利用自適應(yīng)門限干擾檢測算法，對1.1節(jié)重疊加窗下DFT變換后的衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信頻域信號[Xk]進(jìn)行干擾非線性抑制。

在該算法中，令衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信干擾非線性抑制的原假設(shè)是[Q0]，在檢驗統(tǒng)計量[s=0]的情況下，[Q0]成立，則代表衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信頻域信號內(nèi)無干擾信號，可直接對譜線展開IDFT逆變換[13?14]，獲取衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信時域信號。在[sgt;0]的情況下，備選假設(shè)[Q1]成立，則代表衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信頻域信號內(nèi)存在干擾信號，對其展開裁剪或置零處理，并再次計算[Z]，重新檢驗，以無滿足[Q1]的譜線存在為止。具體步驟如下：

步驟1：計算衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信頻域信號內(nèi)[η]根譜線幅度平方的均值[Z]，公式如下：

[Z=Xk+Vk2η] （4）

式中[Vk]為衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信頻域信號內(nèi)的背景噪聲。

步驟2：計算檢測門限閾值[ε=5Z]。

步驟3：統(tǒng)計衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信頻域信號內(nèi)[η]根譜線，求解[s]，得到干擾非線性抑制后的衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信頻域信號[X]；若[sgt;0]，那么對衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信頻域信號幅度取平方值，超過[ε]的譜線，實施裁剪或置零處理。

步驟4：跳轉(zhuǎn)至步驟1，再次檢驗完成處理的譜線，以[Q0]成立為止，完成衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信干擾非線性抑制。

1.3" 衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信頻域信號還原

即使進(jìn)行了干擾非線性抑制，也可能導(dǎo)致信號失真或部分信息丟失。因此，為了提高衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院蜏?zhǔn)確性，減少誤碼率，確保接收到的數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)確無誤，利用改進(jìn)自適應(yīng)幅度恢復(fù)非對稱算法對1.2節(jié)干擾非線性抑制后的衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信頻域信號進(jìn)行還原，得到無干擾狀態(tài)的衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信頻域信號。通過此過程，盡量恢復(fù)信號原有的頻譜特性和信號質(zhì)量，減小信號處理過程中引入的失真。

令有無干擾情況下的監(jiān)測門限閾值是[ε]、[ε]，則放大系數(shù)為：

[a=εε] （5）

將干擾非線性抑制后的衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信頻域信號[X]和[a]相乘，此時[X]與[Vk]均被放大了[a2]倍，則放大后的衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信頻域信號為：

[X=1.76+6.02X+20lg a] （6）

在IDFT逆變換前，將干擾非線性抑制后的衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信頻域信號截短了低[u0]位寬，那么還原的衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信頻域信號為：

[Y=1.76+6.02X-u0+20lg a] （7）

通過式（7）獲取的衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信頻域信號內(nèi)已無干擾信號，至此完成衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信干擾非線性抑制。

2" 實驗分析

以某衛(wèi)星接收機(jī)為實驗對象，該衛(wèi)星接收機(jī)的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1" 衛(wèi)星接收機(jī)的相關(guān)參數(shù)

[參數(shù)名稱""""" 參數(shù)值""" 接收頻率范圍/MHz""""" 950～2 150""""" 符號率范圍/（Msps）" 0.4～15""" 加密方式"""""" 支持ABS?S標(biāo)準(zhǔn)加密，同時支持CI+和CA接口" 電源要求"""""" AC 100～240 V，50/60 Hz""" ]

該衛(wèi)星接收機(jī)的實際現(xiàn)場情況如圖2所示。

利用本文方法對該衛(wèi)星接收機(jī)的衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信時域信號進(jìn)行1/2重疊加窗處理，1/2重疊加窗后的衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信時域信號如圖3所示。

分析圖3a）可知，未經(jīng)1/2重疊加窗處理前，衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信時域信號無法呈現(xiàn)其變化趨勢，且存在斷斷續(xù)續(xù)的問題。分析圖3b）可知，經(jīng)過本文方法1/2重疊加窗處理后，衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信時域信號可以清晰呈現(xiàn)其變化趨勢且連續(xù)。綜合分析可知，本文方法可有效處理衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信時域信號，提升信號的連續(xù)性。證實了本文方法利用改進(jìn)升余弦窗在重疊加窗下進(jìn)行DFT的擴(kuò)頻通信信號頻域變換，能夠有效地改善信號處理過程中的頻譜特性，提高信號的頻域分辨率和準(zhǔn)確性。

利用本文方法將衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信時域信號轉(zhuǎn)換至頻域，得到擴(kuò)頻通信頻域信號，轉(zhuǎn)換結(jié)果如圖4所示。

分析圖4可知，本文方法可有效將衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信時域信號變換至頻域內(nèi)，得到頻域信號，但頻域信號內(nèi)存在干擾信號，導(dǎo)致其存在大幅度振蕩現(xiàn)象。利用本文方法對頻域信號進(jìn)行干擾非線性抑制，非線性抑制結(jié)果如圖5所示。

分析圖5可知，本文方法可有效對衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信頻域信號進(jìn)行干擾非線性抑制，經(jīng)過干擾非線性抑制后，頻域信號內(nèi)已無任何干擾，可清晰呈現(xiàn)頻域信號的變化趨勢，且無振蕩現(xiàn)象。

3" 結(jié)" 論

隨著衛(wèi)星通信的快速發(fā)展，非線性干擾問題日益突出，對衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信干擾非線性抑制方法的研究具有重要的實際意義。為此，重疊加窗下衛(wèi)星直序擴(kuò)頻通信干擾非線性抑制方法通過選擇合適的窗函數(shù)，有效降低了濾波器的邊緣效應(yīng)，實現(xiàn)對非線性干擾的有效抑制，提高了信號的保真度。

注：本文通訊作者為曹德勝。

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作者簡介：王建鵬（1999—），男，山西朔州人，碩士在讀，主要從事衛(wèi)星電源系統(tǒng)方面研究。

陳" 曄（1965—），男，山西太原人，博士，高級工程師，主要從事機(jī)電一體化及人工智能研究。

曹德勝（1971—），男，安徽霍山人，碩士，副教授，研究方向為數(shù)據(jù)庫、軟件工程。