CN102185630B - 一种扩频通信系统中窄带干扰抑制方法、装置和接收机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种宽带扩频通信系统中窄带干扰抑制方法，包括，步骤1，对接收信号进行分组缓存处理，得到接收信号向量；步骤2，计算自相关P矩阵；步骤3，采用自相关P矩阵对接收信号向量做线性变换，得到窄带干扰抑制后的接收信号向量；步骤4，对窄带干扰抑制后的接收信号向量做功率归一化处理，得到功率调整后的接收信号向量；步骤5，将功率调整后的接收向量信号恢复为正常接收码片信号。本发明还提供一种窄带干扰抑制装置和接收机。通过本发明提供的宽带扩频通信系统中窄带干扰抑制方法、装置和接收机，能有效地抑制多种窄带干扰的同时具有复杂度低、鲁棒性强。

Description

一种扩频通信系统中窄带干扰抑制方法、装置和接收机

技术领域

本发明属于宽带扩频通信系统领域，特别是涉及一种宽带扩频通信系统中窄带干扰抑制方法、装置和接收机。

背景技术

宽带扩频通信系统是现阶段应用最为广泛的数字通信系统之一，具有抗多径能力强、发射功率低、低截获率等多种优势。窄带干扰(如单音干扰、窄带数字干扰等)是目前宽带扩频通信系统中存在的一种主要干扰，如图1所示为宽带扩频通信系统与窄带系统频谱交叠示意图，由图1中可知，宽带信号和窄带信号的频谱存在交叠，因此系统相互之间会产生频谱干扰。

现有的窄带干扰抑制技术可分为以下三类：

(1)时域预测技术：将接收信号中的宽带扩频信号看做时间上不相关的随机信号，是不可预测的。而其中的窄带干扰由于时间上具有较强相关性，因而是可预测的，由此设计自适应滤波器，由系统过去时刻的输入预测系统当前的输入，而将系统当前实际输入值当做自适应滤波器的期望输出，得到的预测误差即为宽带扩频信号。时域预测技术是基于窄带干扰可预测的假设进行设计的，在窄带干扰为数字信号时，这种假设常常是不满足的，所以时域预测技术对数字窄带干扰抑制的性能较差。而且宽带扩频信号并不是随机的，所以为了达到较好的抑制性能，预测技术必须引入非线性的修正函数，这将加大系统开销。

(2)变换域抑制技术：从频域上来看，宽带扩频信号的功率分布在较宽的一段频谱上，而窄带信号的功率分布则相对集中，由此可通过DFT(离散傅里叶变换)将接收信号变换到频域，对其中幅度过大的谱线做删除或裁减处理，再通过IDFT(反离散傅里叶变换)将其反变换到时域，由此达到干扰抑制的目的。变换域技术存在的问题是频谱泄露及有用信号丢失。通过加窗的方法可以一定程度来抑制频谱泄露，但加窗的同时又造成了有用信号的失真。由于变换域方法是通过删除和裁减过大谱线的方法来抑制干扰，因此有用信号不可避免的在抑制过程中受到损失，在窄带干扰为单音干扰或线性调频信号时，这种损失可以忽略，但是当窄带干扰为带宽相对较大的AR随机过程或数字信号时，谱线处理造成的有用信号损失会对系统性能造成很大影响。

(3)码辅助干扰抑制技术：窄带干扰可以视作多个宽带扩频用户信号的叠加，由此可利用多用户检测的方法对其进行抑制。码辅助技术利用如MMSE这样的多用户检测技术进行窄带干扰抑制。码辅助技术分为固定码辅助技术和自适应码辅助技术，前者适用于干扰信号统计特性已知的情况，后者适用于干扰信号未知的情况。固定码辅助技术需要干扰信号的先验信息，在实际系统中不便实现。而自适应码辅助技术的性能并不理想，且在对维数为扩频因子的自相关矩阵做处理时运算量过大。另外码辅助技术都需要在接收信号已同步的情况下进行，在强干扰存在情况下系统常常无法顺利同步。

宽带扩频通信系统自身存在一定的抗窄带干扰能力，且随着扩频增益的增大而增大，但利用增大扩频增益来抵抗窄带干扰将减少系统容量，同时增加系统复杂度。随着干扰功率的增强，这两种代价将达到不可容忍的程度。因此，有必要研究一种低复杂度的窄带干扰抑制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽带扩频通信系统中窄带干扰抑制方法、装置和接收机，能有效地抑制多种窄带干扰的同时具有复杂度低、鲁棒性强。

为解决以上技术问题，本发明提供一种宽带扩频通信系统中窄带干扰抑制方法，包括，

步骤1，对接收信号进行分组缓存处理，得到接收信号向量；

步骤2，计算自相关P矩阵；

步骤3，采用自相关P矩阵对接收信号向量做线性变换，得到窄带干扰抑制后的接收信号向量；

步骤4，对窄带干扰抑制后的接收信号向量做功率归一化处理，得到功率调整后的接收信号向量；

步骤5，将功率调整后的接收向量信号恢复为正常接收码片信号。

进一步地，所述步骤2中，采用以下方式计算自相关P矩阵：

当窄带干扰的先验信息已知时，取P[k]＝R^-1[k]或P[k]＝(R_j[k]+βI)^-1，其中，R[k]表示M维接收向量的自相关矩阵；R_j[k]表示M维干扰向量的自相关矩阵；I表示M维单位矩阵；β≥0，典型取值为0或σ²，σ²表示白噪声功率；(·)^-1表示矩阵的逆；

当窄带干扰的先验信息未知时，P[k]为R-1[k]的一个估计值，采用算法对R^-1[k]进行估计。

进一步地，所述步骤2进一步包括：

步骤21，向量更新，对接收信号向量进行更新处理，丢掉原始的接收信号向量，存储新的接收信号向量用于下次迭代；

步骤22，自相关矩阵更新，通过误差和收敛因子对自相关P矩阵进行更新处理，丢掉原始的自相关矩阵值，存储新的自相关矩阵值；

步骤23，采用自适应的方法调整收敛因子，加快迭代收敛速度；

步骤24，对一次迭代后的自相关矩阵进行延时处理。

本发明还提供一种宽带扩频通信系统中窄带干扰抑制装置，包括：组帧模块、计算矩阵P模块、功率归一化模块、采样恢复模块，

所述组帧模块，对经过的频谱交叠信号进行缓存处理，组成一个接收信号向量，送入所述计算矩阵P模块；

所述计算矩阵P模块，通过迭代得到输入信号向量的自相关矩阵，送入到乘法器与接收向量进行相乘处理，得到干扰抑制后的信号；

所述功率归一化模块，对干扰抑制后的信号进行功率归一化处理，送入采样恢复模块；

所述采样恢复模块，将经过干扰抑制处理后的接收信号向量恢复为正常的接收信号。

进一步地，所述计算P矩阵模块包括：更新向量单元、更新矩阵单元、遗忘因子单元、延时单元，

所述更新向量单元，在迭代过程中，存储新的接收信号向量；

所述更新矩阵单元，在迭代过程中对估计得到的自相关矩阵P进行更新处理；

所述遗忘因子单元，用于存储迭代算法所需的遗忘因子参数；

所述延时单元，对矩阵更新单元输出自相关矩阵P进行延时处理。

本发明还提供一种接收机，其特征在于，包括如上所述的干扰抑制装置、解调装置，

所述干扰抑制装置，对基带接收信号进行线性变化，得到干扰抑制后的基带接收信号；

所述解调装置，对干扰抑制后的基带接收信号进行解扩和逆映射处理，得到比特级数据。

进一步地，所述接收机进一步包括匹配滤波装置，用于对基带接收信号进行匹配滤波器处理，得到滤波器处理后的接收信号，送入所述干扰抑制装置。

进一步地，所述接收机进一步包括扰码发生器，用于产生解扰所需的伪码，干扰抑制后的基带接收信号进行解扰处理后得到码片级数据。

进一步地，所述接收机进一步包括扩频码发生器，用于产生解扩所需的码片，码片级数据经过解扩处理得到符号级数据，送入解调装置。

进一步地，所述接收机进一步包括信宿装置，用于将接收解调装置的比特数据与发射的比特级数据进行比较，计算误码率。

与现有技术相比，本发明的宽带扩频通信系统中窄带干扰抑制方法、装置和接收机，解决了码辅助技术在接收信号统计特性未知情况下采用盲检测技术精度有限造成干扰抑制效果较差问题，能有效地抑制多种窄带干扰，同时具有复杂度低、鲁棒性强；降低了在频率选择性衰落信道情况下码辅助技术基于每个期望用户生成检测向量的复杂度；并采用长码的扩频方案，使本发明能够应用于第三代移动通信中的TD-SCDMA，WCDMA系统等。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有宽带扩频通信系统与窄带系统频谱交叠示意图；

图2为本发明实施例的宽带扩频通信系统基带接收机结构图；

图3为本发明实施例的干扰抑制装置的结构图；

图4为本发明实施例的计算矩阵P模块的结构图；

图5为本发明实施例的干扰抑制方法流程图；

图6为本发明实施例在GSM&WCDMA交叠系统示意图；

图7为本发明实施例在GSM&WCDMA交叠系统的性能对比图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图2所示，为本发明实施例的宽带扩频通信系统基带接收机结构图。该接收机包括：扩频码发生器1、扰码发生器2、匹配滤波装置3、干扰抑制装置4、解调装置5、信宿装置6。其中：

所述匹配滤波装置3，对基带接收信号做匹配滤波器处理，消除带外干扰和噪声，得到滤波器处理后的接收信号r(n)

r(n)＝s(n)+j(n)+n(n)    (式1)

其中，r(n)为接收信号；s(n)为期望的宽带扩频用户信号；j(n)为窄带干扰，例如单音干扰，调频干扰，数字窄带干扰等；n(n)为高斯白噪声。

所述干扰抑制装置4，对经过匹配滤波器处理后的基带接收信号进行线性变化，得到干扰抑制后的基带接收信号；

所述扰码发生器1，用于产生解扰所需的伪码，干扰抑制后的基带接收信号进行解扰处理后得到码片级数据；

所述扩频码发生器2，用于产生解扩所需的码片，码片级数据经过解扩处理得到符号级数据，送入解调装置5；

所述解调装置5，对基带码片级的数据进行解扩和逆映射处理，得到比特级数据；

所述信宿装置6，将接收解调装置5的比特数据与发射的比特级数据进行比较，计算误码率。

图3为根据本发明实施例提出一种窄带干扰抑制装置4的详细结构图，该装置用于宽带扩频通信系统中，包括：组帧模块12、计算矩阵P模块13、功率归一化模块15、采样恢复模块16；

所述组帧模块12，对经过的频谱交叠信号进行缓存处理，组成一个接收信号向量，送入所述计算矩阵P模块。具体如下：

将接收信号r(n)按照每M个码片一组组合为成M维的接收向量序列，第k个接收向量可以表示为如下形式：

r[k]＝[r(kM)r(kM-1)Lr(kM-M+2)r(kM-M+1)]^T    (式2)

其中，k≥1，(·)^T表示向量或矩阵转置，r[k]的组成如下所示：

r[k]＝s[k]+j[k]+n[k]    (式3)

其中，r[k]表示M维的接收向量；s[k]表示M维的宽带扩频信号向量；j[k]表示M维的窄带干扰向量；n[k]表示M维的高斯白噪声向量。

所述计算矩阵P模块13，通过迭代得到输入信号向量的自相关矩阵，送入到乘法器与接收向量进行相乘处理，得到干扰抑制后的信号。如图4所示，为本发明实施例的计算矩阵P模块的结构图，该计算矩阵P模块1313包括：更新向量单元17、更新矩阵单元18、遗忘因子单元19、延时单元20。

所述更新向量单元17，对接收信号向量进行更新处理，丢掉原始的接收信号向量，存储新的接收信号向量r[k]用于下次迭代；

所述更新矩阵单元18，在迭代过程中对估计得到的自相关矩阵P进行更新处理。具体如下：

自相关矩阵更新，随着迭代进行，需要通过误差和收敛因子对矩阵进行更新处理，丢掉原始的自相关矩阵值，存储新的自相关矩阵值。下面以基于递归最小二乘的自适应抑制方案为例说明自相关矩阵更新方式：

步骤41，初始化自相关P矩阵，即设定P[0]，设置收敛因子λ值：对于P[0]，设定P[0]＝I_M，其中I_M为M阶单位阵。其中λ取值为0＜λ＜1

步骤42，更新中间向量k[k]：

$k\left[k\right]=\frac{P[k-1]r\left[k\right]}{\mathrm{\λ}+r^H\left[k\right]P[k-1]r\left[k\right]}$ (式4)

步骤43，更新自相关矩阵P[k]

$P\left[k\right]=\frac{1}{\mathrm{\λ}}\left\{P\right[k-1]-k[k\left]r^H\right[k\left]P\right[k-1\left]\right\}$ (式5)

所述遗忘因子单元19，用于存储迭代算法所需的遗忘因子参数。

所述延时单元20，对矩阵更新单元输出自相关矩阵P进行延时处理。具体如下：将所得矩阵P[k]延时以便在下一时刻得到P[k-1]；

通过迭代得到输入信号向量的自相关矩阵P[k]，送入到乘法器与接收向量r[k]进行相乘处理，得到干扰抑制后的信号

(式6)

所述功率归一化模块15，对干扰抑制后的信号进行功率归一化处理，送入采样恢复模块。具体如下：所述的功率归一化模块，对干扰抑制后的信号进行功率归一化处理，

$\hat{r}\left[k\right]=\hat{r}\left[k\right]/(1-\mathrm{\λ})$ (式7)

所述采样恢复模块16，将经过干扰抑制处理后的接收信号向量恢复为正常的接收信号。具体如下：将经过干扰抑制处理后的接收信号向量恢复为正常的接收码片信号

(式8)

其中， 表示对标量向下取整，r_i表示向量r的第i个元素。

图5是根据本发明的实施例提供的一种宽带扩频通信系统中窄带干扰抑制方法的流程图，包括以下步骤：

步骤1，对接收信号进行分组缓存处理，得到接收信号向量；

步骤2，计算自相关P矩阵，当窄带干扰的先验信息已知时，取P[k]＝R^-1[k]或P[k]＝(R_j[k]+βI)^-1，其中，R[k]表示M维接收向量的自相关矩阵；R_j[k]表示M维干扰向量的自相关矩阵；I表示M维单位矩阵；β≥0，典型取值为0或σ²，σ²表示白噪声功率；(·)^-1表示矩阵的逆；当窄带干扰的先验信息未知时，P[k]为R^-1[k]的一个估计值，可采用多种算法对R^-1[k]进行估计，包括最小二乘算法、递归最小二乘算法等；所述步骤2进一步包括：

步骤21，向量更新，随着迭代进行，对接收信号向量进行更新处理，丢掉原始的接收信号向量，存储新的接收信号向量用于下次迭代；

步骤22，自相关矩阵P更新，随着迭代进行，需要通过误差和收敛因子对矩阵进行更新处理，丢掉原始的自相关矩阵值，存储新的自相关矩阵值；

步骤23，采用自适应的方法调整收敛因子，加快迭代收敛速度；

步骤24，对一次迭代后的自相关矩阵进行延时处理，并反馈到矩阵更新单元的输入端。

步骤3，采用自相关P矩阵对接收信号向量做线性变换，得到窄带干扰抑制后的接收信号向量；

步骤4，对窄带干扰抑制后的接收信号向量做功率归一化处理，得到功率调整后的接收信号向量；

步骤5，将功率调整后的接收向量信号恢复为正常接收码片信号。

图6为本发明一个GSM&WCDMA交叠系统实施例；由图5中可知，GSM信号和UMTS信号的频谱存在交叠，因此相互之间会产生频谱干扰，这将导致上下行接收信号互相干扰，覆盖和容量缩水严重，更严重的将导致系统不可用。本发明可以在抑制干扰同时不损失有用信号，解决上述频谱交叠的问题。

图7为本发明在GSM&WCDMA交叠系统的性能对比图，图6可以看出，本发明在高信干比下干扰抑制能力明显，且优于传统的频域陷波技术。同时，本发明还具有复杂度低和不受扰码约束特点，在现实的WCDMA系统中更具有实用性，在不影响现有接收机结构的前提下，单纯的增加一个干扰抑制模块，即可对多个GSM的干扰起到良好的抑制作用。

本发明的技术不限于只处理WCDMA和GSM频谱交叠配置情况，还可以处理GSM&CDMA配置情况。

上述说明示出并描述了本发明的一个优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种宽带扩频通信系统中窄带干扰抑制方法，其特征在于，包括， 

步骤1，对接收信号进行分组缓存处理，得到接收信号向量； 

步骤2，计算自相关P矩阵； 

步骤3，采用自相关P矩阵对接收信号向量做线性变换，得到窄带干扰抑制后的接收信号向量； 

步骤4，对窄带干扰抑制后的接收信号向量做功率归一化处理，得到功率调整后的接收信号向量； 

步骤5，将功率调整后的接收向量信号恢复为正常接收码片信号； 

其中，所述步骤2中，采用以下方式计算自相关P矩阵： 

当窄带干扰的先验信息已知时，取P[k]＝R^-1[k]或P[k]＝(R_j[k]+βI)^-1，其中，R[k]表示M维接收向量的自相关矩阵；R_j[k]表示M维干扰向量的自相关矩阵；I表示M维单位矩阵；β≥0，典型取值为0或σ²，σ²表示白噪声功率；(·)^-1表示矩阵的逆； 

当窄带干扰的先验信息未知时，P[k]为R^-1[k]的一个估计值，采用算法对R^-1[k]进行估计。 

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2进一步包括： 

步骤21，向量更新，对接收信号向量进行更新处理，丢掉原始的接收信号向量，存储新的接收信号向量用于下次迭代； 

步骤22，自相关矩阵更新，通过误差和收敛因子对自相关P矩阵进行更新处理，丢掉原始的自相关矩阵值，存储新的自相关矩阵值； 

步骤23，采用自适应的方法调整收敛因子，加快迭代收敛速度； 

步骤24，对一次迭代后的自相关矩阵进行延时处理。 

3.一种宽带扩频通信系统中窄带干扰抑制装置，其特征在于，包括：组帧模块、计算矩阵P模块、功率归一化模块、采样恢复模块， 

所述组帧模块，对经过的频谱交叠信号进行缓存处理，组成一个接收信号向量，送入所述计算矩阵P模块； 

所述计算矩阵P模块，通过迭代得到输入信号向量的自相关矩阵，送入到 乘法器与接收向量进行相乘处理，得到干扰抑制后的信号；当窄带干扰的先验信息已知时，取P[k]＝R^-1[k]或P[k]＝(R_j[k]+βI)^-1，其中，R[k]表示M维接收向量的自相关矩阵；R_j[k]表示M维干扰向量的自相关矩阵；I表示M维单位矩阵；β≥0，典型取值为0或σ²，σ²表示白噪声功率；(·)^-1表示矩阵的逆；当窄带干扰的先验信息未知时，P[k]为R^-1[k]的一个估计值，采用算法对R^-1[k]进行估计； 

所述功率归一化模块，对干扰抑制后的信号进行功率归一化处理，送入采样恢复模块； 

所述采样恢复模块，将经过干扰抑制处理后的接收信号向量恢复为正常的接收信号。 

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述计算矩阵P模块包括： 

更新向量单元、更新矩阵单元、遗忘因子单元、延时单元， 

所述更新向量单元，在迭代过程中，存储新的接收信号向量； 

所述更新矩阵单元，在迭代过程中对估计得到的自相关矩阵P进行更新处理； 

所述遗忘因子单元，用于存储迭代算法所需的遗忘因子参数； 

所述延时单元，对矩阵更新单元输出自相关矩阵P进行延时处理。 

5.一种接收机，其特征在于，包括如权利要求3所述的干扰抑制装置、解调装置， 

所述干扰抑制装置，对基带接收信号进行线性变化，得到干扰抑制后的基带接收信号； 

所述解调装置，对干扰抑制后的基带接收信号进行解扩和逆映射处理，得到比特级数据。 

6.如权利要求5所述的接收机，其特征在于，进一步包括匹配滤波装 

置，用于对基带接收信号进行匹配滤波器处理，得到滤波器处理后的接收 

信号，送入所述干扰抑制装置。 

7.如权利要求5所述的接收机，其特征在于，进一步包括扰码发生器， 

用于产生解扰所需的伪码，干扰抑制后的基带接收信号进行解扰处理后得 到码片级数据。 

8.如权利要求7所述的接收机，其特征在于，进一步包括扩频码发生器，用于产生解扩所需的码片，码片级数据经过解扩处理得到符号级数据，送入解调装置。 

9.如权利要求5所述的接收机，其特征在于，进一步包括信宿装置，用于将接收解调装置的比特数据与发射的比特级数据进行比较，计算误码率。