一種高噪聲和窄帶干擾抑制方法

一種高噪聲和窄帶干擾抑制方法

通信環(huán)境非常復(fù)雜，其背景可能包括各種噪聲和干擾，如高斯噪聲、大范圍狹窄干擾、多字干擾等。因此，我們必須首先抑制和提取通信信號(hào)的前提，并分離其背景噪聲和干擾。抑制通信信號(hào)的窄帶干擾和噪聲技術(shù)是過(guò)去十年通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。在當(dāng)前和近幾十年中，高斯噪聲是普遍存在的。在目前的窄帶干擾抑制方法中，很少考慮高斯噪聲的抑制。在信號(hào)源限制系統(tǒng)或?qū)拵ㄐ畔到y(tǒng)中，信號(hào)將被淹沒(méi)在功率大的高斯噪聲中，這不可避免地會(huì)影響接收系統(tǒng)的誤碼率。在這方面，我們提出了一系列相關(guān)的循環(huán)譜相關(guān)分析，并提出了循環(huán)邊緣帶相關(guān)的算法，以同時(shí)抑制窄帶干擾和高斯噪聲。1scr算法實(shí)現(xiàn)了高斯噪聲和窄帶干擾的聯(lián)合抑制筆者在文獻(xiàn)中提出了邊帶相關(guān)置換算法(SCR),從頻域上抑制通信信號(hào)中的窄帶干擾.SCR算法簡(jiǎn)單描述如下.設(shè)接收信號(hào)為r(t);功率譜密度為R(f);窄帶干擾頻率為fj;載頻為fo,則邊帶相關(guān)置換算法可以描述為R(fj)=R(2fo-fj)(1)則期望信號(hào)功率譜中存在干擾頻率fj的幅度值就被期望信號(hào)在2fo-fj點(diǎn)的功率譜R(2fo-fj)代替.首先SCR算法要求期望信號(hào)的功率譜密度是對(duì)稱的,其次要求窄帶干擾的帶寬要遠(yuǎn)小于期望信號(hào)的帶寬.無(wú)論是軍事通信還是民用通信其背景中一定含有噪聲,如高斯噪聲,僅僅抑制窄帶干擾是不夠的.當(dāng)信噪比較高時(shí),通信信號(hào)沒(méi)有被高斯噪聲淹沒(méi),SCR算法仍然有效.但是當(dāng)信噪比較低時(shí),在頻域上高斯噪聲完全覆蓋了通信信號(hào),此時(shí)SCR算法無(wú)法起到抑制作用.對(duì)此,本文提出一種新的算法——循環(huán)邊帶相關(guān)置換算法(CSCR).實(shí)現(xiàn)了高斯噪聲和窄帶干擾的聯(lián)合抑制.2循環(huán)邊帶相關(guān)置換算法循環(huán)譜相關(guān)理論是一種新的譜分析工具,它能很好地抑制不具有循環(huán)平穩(wěn)性的高斯噪聲.本文將SCR算法應(yīng)用到循環(huán)譜分析中,實(shí)現(xiàn)了對(duì)窄帶干擾和高斯噪聲的同時(shí)抑制.與SCR算法相同,CSCR算法也要求待處理信號(hào)的譜相關(guān)密度是對(duì)稱的.多數(shù)通信信號(hào)都滿足這一點(diǎn),如2PSK信號(hào)、QPSK信號(hào)、MSK信號(hào)等.設(shè)接收信號(hào)為r(t)=s(t)+n(t)+j(t)(2)其中,s(t)為待檢測(cè)信號(hào);n(t)為高斯噪聲;j(t)為窄帶干擾.r(t)的譜相關(guān)密度為Sαr(f),根據(jù)循環(huán)譜分析理論,有Sαrαr(f)=Sαsαs(f)+Sαjαj(f),α≠0(3)這是因?yàn)楦咚拱自肼暡痪哂醒h(huán)平穩(wěn)性,在循環(huán)頻率α≠0時(shí)被抑制掉.如果在非零循環(huán)頻率處能抑制窄帶干擾,就實(shí)現(xiàn)了高斯噪聲和窄帶干擾的同時(shí)抑制.設(shè)窄帶干擾的循環(huán)頻率為αi,信號(hào)譜相關(guān)密度的中心循環(huán)頻率為α0,則循環(huán)邊帶相關(guān)置換算法可以表示為Sαirαir(f)=S2α0-αir2α0?αir(f)(4)利用式(4),期望信號(hào)譜相關(guān)密度中存在的干擾循環(huán)頻率αj的幅度值就被期望信號(hào)在2αo-αj點(diǎn)的譜相關(guān)密度S2α0-αir2α0?αir(f)代替.在利用循環(huán)譜分析原理檢測(cè)通信信號(hào)時(shí),比較關(guān)心的是譜頻率f=0時(shí)的譜相關(guān)密度.因此,下面分析中只考慮f=0時(shí)的情況,所得結(jié)果對(duì)其他情況同樣適用.通過(guò)上面的分析,得到循環(huán)邊帶相關(guān)置換算法的步驟如下.1)求接收信號(hào)r(t)的循環(huán)相關(guān)函數(shù)Rαrαr(t,τ);2)求Rαrαr(t,τ)的傅里葉變換,計(jì)算r(t)的譜相關(guān)密度Sαrαr(f);3)求f=0時(shí)的譜相關(guān)密度Sαrαr(f=0);4)估計(jì)2倍循環(huán)中心頻率和干擾中心頻率;5)利用式(4)消除窄帶干擾;6)評(píng)價(jià)算法效果.假設(shè)通信信號(hào)為2PSK信號(hào),其數(shù)學(xué)表達(dá)式為s(t)=∞∑n=-∞∑n=?∞∞q(t-nTb-t0)cos(2πf0t+θn+?0)(5)其中,q(t)為調(diào)制脈沖串;Tb為碼元周期;f0為載頻;?0是初相;t0是初始時(shí)間;θ0在0～π之間隨機(jī)變化.2PSK信號(hào)的譜相關(guān)密度函數(shù)為Sαx=14ΤbSαx=14TbQf+f0+α2f+f0+α2Q*f+f0-α2f+f0?α2+Qf-f0+α2f?f0+α2Q*f-f0-α2f?f0?α2e-i2παt0α=n/Tb(6)Sαx=14ΤbSαx=14TbQf+f0+α2×Q*f-f0-α2e-i(2π[α+2fc]t0+2θ0)+Qf-f0+α2Q*f+f0-α2e-i(2π[α-2fc]t0-2θ0)α=±2f0+n/Tb其中,f為譜頻率;α為循環(huán)頻率;Q()為sinc函數(shù).當(dāng)譜頻率f=0時(shí),譜相關(guān)密度函數(shù)的包絡(luò)為|Sαx(f=0)|={12Τb|Q(f+f0+α2)Q*(f+f0-α2)|,α=n/Τb14Τb|Q(α2f0)|2,α=±2f0+n/Τb0,其他(7)窄帶干擾信號(hào)用噪聲調(diào)制的調(diào)幅(AM)信號(hào)代替,表達(dá)式為x(t)=a(t)cos(2πfj+θ)=12a(t){exp[j(2πfj+θ)]+exp[-j(2πfj+θ)]}(8)其中,a(t)為一個(gè)均值為零的隨機(jī)平穩(wěn)信號(hào);fj為窄帶干擾的中心頻率;θ為初相.噪聲調(diào)幅信號(hào)的譜相關(guān)密度函數(shù)為Sαx(f)={14exp(±j2θ)Sa(f),α=±2fi14Sa(f+fj)+14Sa(f-fj),α=00,其他(9)其中Sa(f)為a(t)的功率譜.當(dāng)譜頻率f=0時(shí),譜相關(guān)密度函數(shù)的包絡(luò)為Sαx(f=0)={14|Sa(f=0)|,α=±2fi14|Sa(fj)+Sa(fj)|,α=00,其他(10)分析式(7),f=0時(shí)在α≠0的循環(huán)頻率上,2PSK的譜相關(guān)密度是對(duì)稱的,中心為α0=±2f0.此時(shí)CSCR可以表示為Sαir(f)=S4f0-αir(f)(11)3實(shí)驗(yàn)?zāi)M3.1scr算法驗(yàn)證文獻(xiàn)主要從頻域上利用信干比增進(jìn)因子證明了SCR算法的有效性,在后續(xù)工作中,對(duì)SCR算法做了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)仿真,得到了SCR算法處理后信號(hào)的誤碼率曲線,并與干擾切除算法做了比較.進(jìn)一步證明了SCR算法可以有效抑制通信信號(hào)中的窄帶干擾.實(shí)驗(yàn)中假定信道中存在高斯白噪聲,待傳輸?shù)亩M(jìn)制碼元數(shù)為6000個(gè).對(duì)每個(gè)信噪比仿真了100次,然后取每次計(jì)算誤碼率的平均值,最后所得誤碼率曲線如圖1所示.可見(jiàn),在相同的信噪比條件下,邊帶相關(guān)置換算法要明顯優(yōu)于干擾置零算法.3.2譜相關(guān)密度仿真在仿真中,設(shè)接收信號(hào)如式(2)所示,通信信號(hào)采用2PSK調(diào)制,載頻為f0=20Hz,窄帶調(diào)幅干擾的載頻fj=18Hz.圖2所示為接收信號(hào)r(t)的譜相關(guān)密度的三維仿真圖,經(jīng)過(guò)循環(huán)譜變換之后,由于不具有循環(huán)平穩(wěn)性高斯噪聲能量主要存在于循環(huán)頻率α=0處,而窄帶干擾和2PSK信號(hào)在非零循環(huán)頻率處凸顯出來(lái).圖3為譜頻率f=0處的譜相關(guān)密度仿真圖.由圖3可見(jiàn),高斯噪聲對(duì)2PSK信號(hào)的影響已經(jīng)很小,但是窄帶干擾卻沒(méi)有被抑制掉.因此,接下來(lái)的工作仍是抑制窄帶干擾.圖4所示為采用CSCR算法抑制窄帶干擾后2PSK信號(hào)的譜相關(guān)密度函數(shù).為了評(píng)價(jià)CSCR算法的效果,計(jì)算了干擾抑制后的相關(guān)系數(shù),結(jié)果如表1所示.分析了4種信噪比條件下的相關(guān)系數(shù)可以看出,當(dāng)信噪比為-6dB時(shí),相關(guān)系數(shù)仍然能被接受.4scr算法實(shí)現(xiàn)循環(huán)譜相關(guān)密度對(duì)稱的小帶干擾針對(duì)待檢測(cè)信號(hào)中同時(shí)包含高斯噪聲和窄帶干擾的問(wèn)題,提出了一種新的窄帶干擾和高斯噪聲聯(lián)合抑制的算法,CSCR算法充分利用循環(huán)