專利名稱：一種基于自適應(yīng)抵消器的改進(jìn)相關(guān)性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及數(shù)字通信中的同步信號的檢測，具體地說是一種基于 自適應(yīng)抵消器的改進(jìn)相關(guān)性能的方法，可用于移動通信、衛(wèi)星通信、深空通信及遙測等領(lǐng) 域。背條技術(shù)隨著日益增長的電子戰(zhàn)威脅，軍事通信的風(fēng)險(xiǎn)和易受截獲及干擾的程度也隨之增加， 抗干擾通信技術(shù)顯得越來越重要。擴(kuò)頻通信是抗干擾通信技術(shù)領(lǐng)域中的一個(gè)重要的發(fā)展方 向。作為擴(kuò)頻通信的一種重要形式，跳頻通信早已在軍事抗干擾通信中得到應(yīng)用。作為軍 事通信領(lǐng)域的重要分支，各國都投入了大量的人力物力，采用各種方法進(jìn)行通信抗干擾研 究。跳頻通信由于抗截獲能力、抗干擾能力強(qiáng)，組網(wǎng)靈活、無遠(yuǎn)近效應(yīng)等良好特性，在戰(zhàn) 術(shù)通信中得到了日益廣泛的應(yīng)用，而通信對抗則必然面對隨之而來的新挑戰(zhàn)。在跳頻系統(tǒng) 的干擾方式中，對慢、中速跳頻系統(tǒng)可用跟蹤式干擾來對付。而高速跳頻只能釆用阻塞式 干擾，這種方式功率浪費(fèi)較多，干擾敵方的同時(shí)也阻礙了我方的正常通信，而采用同步信 號的干擾方法，則可以避免出現(xiàn)這些問題，適應(yīng)于高速跳頻系統(tǒng)。在現(xiàn)有通信系統(tǒng)的眾多應(yīng)用領(lǐng)域中，往往要求在惡劣的通信環(huán)境，比如移動、多徑、 動態(tài)變化等條件下可以抵抗低信噪比條件下噪聲的影響，保持穩(wěn)定的高速率數(shù)據(jù)通信。這 種情形下，對跳頻同步要求就比較高，需要同步的性能相當(dāng)好，所以要選擇合適的同步方 法。現(xiàn)在的大量文獻(xiàn)已經(jīng)對跳頻同步做了深入的研究，如獨(dú)立信道法，需要專門的信道來 傳送專門的同步信息，優(yōu)點(diǎn)是傳送的同步信息量大，同步建立的時(shí)間短，并能不斷地傳送 同步信息，保持系統(tǒng)的長時(shí)間同步。但是它占用頻率資源和信號功率，其同步信息傳送方 式不隱蔽，易于受到噪聲及敵人干擾。又如同步字頭法，雖然不需專門的同步信息信道而 是利用通信信道來傳送同步信息，它還是擠占了通信信道頻率資源和信號功率。所以它的 缺點(diǎn)與獨(dú)立信道法相似。為了使同步信息隱蔽，應(yīng)采用盡量短的同步字頭，但是同步字頭 太短又影響傳送的同步信息量的多少，需折衷考慮。采用同步字頭法的跳頻系統(tǒng)為了能保 持系統(tǒng)的長時(shí)間同步，還需在通信過程中，插入一定的同步信息碼字。自同步法在節(jié)省頻 率資源和信號功率方面具有優(yōu)點(diǎn)，但由于發(fā)射端發(fā)送的數(shù)字信息序列中所能隱含的同步信 息是非常有限的，所以在接收端所能提取的同步信息就更少、更容易受到其他信號或噪聲的干擾。因此，在利用上述幾種方法來捕獲跳頻同步時(shí)，需要輸入信號的信噪比要滿足一 定的要求，當(dāng)信噪比較大時(shí)，噪聲對有用信號的影響較小，在這樣的條件下，噪聲在計(jì)算 相關(guān)峰的過程中影響較小，得到的相關(guān)峰性能很好，可以很方便的判斷出相關(guān)峰的位置， 但是，當(dāng)信噪比逐漸減小時(shí)，噪聲在信號中所占的比例不斷增大，會逐漸影響到有用信號。 在低信噪比情況下，由于噪聲具有不確定性，當(dāng)對以噪聲信號為主體的信號進(jìn)行相關(guān)計(jì)算 時(shí)，得到的相關(guān)峰的大小是雜亂的，會引起主峰和旁峰的比值減小，相關(guān)峰的性能惡化， 不利于確定相關(guān)峰的位置，難以實(shí)現(xiàn)跳頻同步。因此，在低信噪比情況下，較好的實(shí)現(xiàn)跳 頻同步問題，己成為本技術(shù)領(lǐng)域研究的重要課題。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于為了克服上述已有技術(shù)的不足，提出一種基于自適應(yīng)抵消器的改 進(jìn)相關(guān)性能的方法，以增加低信噪比條件下相關(guān)峰的主峰和旁峰的比值，進(jìn)而提高相關(guān)峰 識別的程度，減小性能損失，提高同步概率，實(shí)時(shí)可靠地判斷收到的信息。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是利用自適應(yīng)抵消器的基本原理，自適應(yīng)抵消器的輸入信號 d(w)為有用信號^(/i)與噪聲信號v(n)的混合信號，首先將^(")通過自適應(yīng)抵消器，得到噪 聲信號v(w)的近似值Kw)，利用輸入信號^Oi)與噪聲近似信號e(w)來計(jì)算差值p(/x)，然后 將p(M)輸入相關(guān)器來計(jì)算相關(guān)峰峰值和特性。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下(1) 、初始化設(shè)定自適應(yīng)抵消器的階數(shù)為W，令時(shí)間變量打=1;(2) 、確定自適應(yīng)抵消器的步長因子//;這里首先計(jì)算自適應(yīng)抵消器輸入信號d(^)的自 相關(guān)矩陣i^，其公式如下-其中n:i，2，…M， M為同步碼的碼長，r表示轉(zhuǎn)置，設(shè)自相關(guān)矩陣/^的最大特征值為 ;1_，根據(jù)權(quán)系數(shù)的收斂條件，步長因子//應(yīng)滿足//<1/;1_，從而確定//的范圍，作為當(dāng)前自適應(yīng)抵消器的步長因子，當(dāng)輸入的混合信號發(fā)生變化時(shí)，步長因子;/也隨之變化；(3) 、將加在自適應(yīng)抵消器參考輸入端的已知同步碼的調(diào)制信號X(n)，通過一個(gè)權(quán)系 數(shù)矩陣W(M),計(jì)算其輸出信號y(")，X (") =x(" -1),…，- iV + l)]r )'(")=X r (w) W (") = W r 0) X (")(4) 、用自適應(yīng)抵消器的輸入信號d(n)減去y(w)，即可得到誤差信號e(w)， =維)-y(>) = d(w) - W(wf X (w);(5) 、利用得到的當(dāng)前步長因子//、誤差信號e(/x)，以及參考輸入端的輸入信號X(/2)，對權(quán)系數(shù)矩陣W(w)進(jìn)行更新，以便在自適應(yīng)抵消器輸入信號d(")發(fā)生變化時(shí)能夠?qū)(n) 進(jìn)行處理，使誤差信號e(n)近似等于輸入信號d(W)中的噪聲信號V(n);(6) 、判斷n是否等于同步碼長度M，若相等，進(jìn)入第7步/7(n)的計(jì)算，若不等，令"=W + 1，返回第2步；(7) 、在相關(guān)器輸入端，利用接收到的混合信號d(n)與通過自適應(yīng)抵消器后得到的噪聲近似信號e(W)的差值/7(AZ)，作為相關(guān)器的輸入信號，來計(jì)算相關(guān)峰峰值和特性。本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)1. 本發(fā)明的適用范圍較廣，該算法突破了原有同步算法的局限性，在較低的信噪比條 件下，仍可以以較高的正確率判斷出發(fā)送的同步序列，較大的改善了同步的性能。2. 可以得到信號中噪聲的近似大小，這樣對研究信道的性能可以給出直接的依據(jù)。另 外，采用了自適應(yīng)抵消器后得到的相關(guān)峰的性能優(yōu)越，主峰與旁峰的比值遠(yuǎn)大于我們所設(shè) 定的門限值，相關(guān)峰的主峰明顯，這對于判斷相關(guān)峰的特性提供了直觀的判斷依據(jù)。3. 本發(fā)明所使用的方法原理簡單、計(jì)算復(fù)雜度低、消耗時(shí)間少、滿足實(shí)時(shí)性通信。


圖1是改進(jìn)的跳頻信號相關(guān)器原理框圖 圖2是自適應(yīng)抵消器的原理框圖 圖3是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的流程4是未使用自適應(yīng)抵消器，信噪比為3dB時(shí)得到的相關(guān)圖 圖5是未使用自適應(yīng)抵消器，信噪比為-3dB時(shí)得到的相關(guān)圖 圖6是未使用自適應(yīng)抵消器，信噪比為-10dB時(shí)得到的相關(guān)圖 圖7是采用自適應(yīng)抵消器后，信噪比為3dB時(shí)得到的相關(guān)圖 圖8是采用自適應(yīng)抵消器后，信噪比為-3dB時(shí)得到的相關(guān)圖 圖9是采用自適應(yīng)抵消器后，信噪比為-10dB時(shí)得到的相關(guān)圖具體實(shí)施方式
參照圖l，它是改進(jìn)的跳頻信號相關(guān)原理框圖，其原理如下發(fā)送信號通過信道傳輸， 在接收端先將接收到的混有噪聲的信號通過自適應(yīng)抵消器，得到噪聲的近似值，將接收信 號與噪聲近似信號的差值通過相關(guān)器計(jì)算相關(guān)峰，并判斷發(fā)送序列。參照圖2，它是自適應(yīng)抵消器的原理框圖，自適應(yīng)抵消器是一種能夠自動調(diào)整本身參 數(shù)的特殊維納濾波器，其原理與自適應(yīng)濾波器原理相同，在設(shè)計(jì)時(shí)不需要事先知道關(guān)于輸 入信號和噪聲的統(tǒng)計(jì)特性,它能夠在自己的工作過程中逐漸"了解"或估計(jì)出所需的統(tǒng)計(jì)特性，并以此為依據(jù)自動調(diào)整自己的參數(shù)，以達(dá)到最佳濾波效果。 一旦輸入信號的統(tǒng)計(jì)特性 發(fā)生變化,它又能夠跟蹤這種變化，自動調(diào)整參數(shù)，使濾波器性能重新達(dá)到最佳。在圖2中，自適應(yīng)抵消器的輸入信號d(n)、參考輸入端信號X(/i)都是平穩(wěn)的隨機(jī)信號 并具有0均值，誤差信號為K")。假設(shè)Wn)與v(")不相關(guān)，而X(")與^(n)相關(guān)，根據(jù)自適 應(yīng)抵消器原理圖，有= — = + v( x) —其中為"時(shí)刻自適應(yīng)抵消器的權(quán)系數(shù)矩陣，= [W。 (W)， W (")，…，HV—, ， y(一W^(")X(")。 將上式平方g(w)2 ——— v(w)2 + [*(") - y (H)]2 + 2v(w) x [s(n) —職")2 ] 二 ￡[v(")2 ] +- y (w))2 ] + 2￡[v(") x - y ("))]自適應(yīng)的過程就是自動調(diào)節(jié)系數(shù)矩陣使E[e(w)^達(dá)到最小的過程。因?yàn)榕c不相關(guān)，因而，要使￡[4^ 2]最小就要求上式的第二項(xiàng)最小，即y("))2]:恥(")-y("))2]rain ，從而有￡[6(")2]咖E[v(w)2] + (fi[W") — y(w))2]), 由于e(打)-v(") = s(") —,因而￡[(e(") — v("))2] = ￡:
， 當(dāng) —y(X))"被最小化，—v(w)力也被最小化，即e(M)以最小均方誤差趨于v(n)， 可能的最好情況為y(w) = s( )，則e(")-v(/z)。因此，自適應(yīng)抵消器可以用來從噪聲中提 取信號。自適應(yīng)抵消器權(quán)系數(shù)迭代公式如下 y(") = Wr(w)XOOW(打+1) = + 2//e(w) X (打)為n時(shí)刻自適應(yīng)抵消器的參考輸入矢量，由自適應(yīng)抵消器最近的W個(gè)輸入信號構(gòu)成， X (m)=[傘),jc(" -1),…，jc(" - iV + 。在輸入信號d(/x)進(jìn)入相關(guān)器之前，對輸入信號^( )進(jìn)行處理，使得d(n)輸入信號原 本比較低的信噪比在通過處理之后變大，這樣，在進(jìn)入相關(guān)算法后，在低信噪比的條件下， 仍能得到特性較好的相關(guān)峰。因此將將輸入信號通過一個(gè)改進(jìn)的自適應(yīng)抵消器，通過自適應(yīng)抵消器得到信號中的噪 聲的近似值，將得到的噪聲信號的近似值從輸入信號中減掉，這樣就會使原來的輸入信號 中的噪聲減小，從而信噪比得到提高。根據(jù)這個(gè)要求，在自適應(yīng)抵消器輸入端輸入的信號為噪聲v(n)和有用信號s(")所組成的混合信號d(w)，而在參考輸入的位置加入己知同步碼的調(diào)制信號X(w)。那么，在自適 應(yīng)抵消器工作的過程中，自適應(yīng)抵消器會自適應(yīng)調(diào)整，使得X(w)通過系數(shù)矩陣后所得到的 信號y(")趨于等于d(Az)中與它相關(guān)的s(n)，從而使得誤差信號e(/z)近似等于噪聲信號 v(n)，這樣我們就可以在相關(guān)之前用rf(")減去e(M)對混合信號中的噪聲進(jìn)行削減，利用得 到的差值p(w)來計(jì)算其相關(guān)值和相關(guān)特性。參照圖3，它是本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的流程圖，本發(fā)明的方法可以用硬件電路實(shí)現(xiàn)，也可以用軟 件方便的實(shí)現(xiàn)。在跳頻同步過程中，使用的同步碼序列是從Walsh序列和m序列相異或后的 序列中截取得到的。本發(fā)明采用的同步碼序列集為W1 W8，分別為Wl:OC5DA09C 0F7C 42;W2:5908 F5C9 5A29 17;W3:3F6E 93AF 3C4F 71;W4:6A3B C6FA691A24;W5:0352 AF93 0073 4D;W6:5607 FAC6 5526 18;W7:3061 9CA0 3340 7E;W8:6534 C9F5 6615 2B;假定當(dāng)前時(shí)刻傳輸?shù)耐酱a為W8，相關(guān)器的本地序列也為6534 C9F5 6615 2B。自適 應(yīng)抵消器的輸入信號為噪聲和有用信號的混合信號，即d(n)二s(n) + v(n)，參考信號為調(diào)制 信號，通過自適應(yīng)抵消器來得到噪聲的近似信號，參照圖1和圖2來說明本發(fā)明的如下具 體實(shí)現(xiàn)步驟1、 初始化設(shè)定自適應(yīng)抵消器的階數(shù)為iV，令時(shí)間變量m二1;2、 確定自適應(yīng)抵消器的步長因子//;自適應(yīng)抵消器接收到的混合信號為d(w)， n二l，2,…M ，自適應(yīng)抵消器對得到的d(n)信號進(jìn)行處理，利用來計(jì)算出它的自相關(guān)矩陣i w，其公式如下i w=￡u/("w(nf ]，設(shè)自相關(guān)矩陣/^的最大特征值為義_ ，根據(jù)權(quán)系數(shù)的收斂條件， 由于步長因子//^)<1/;1_，從而確定//的范圍，作為自適應(yīng)抵消器當(dāng)前的步長因子，當(dāng)輸 入的混合信號發(fā)生變化時(shí)，步長因子//也隨之變化。3、 在自適應(yīng)抵消器的參考輸入端加入調(diào)制信號XOi)X (w) = [jc(")， jc(" -1),…，x(" - 7V + 將XO)通過系數(shù)矩陣W(M)，得到輸出信號;y(n)， yOO = X(>z)TW = WTX(n)。
4、 計(jì)算誤差信號e(n)。用自適應(yīng)抵消器輸入端的混合信號d(n)減去輸出信號y(/z)， 就可以得到誤差信號e(n)，即e(n—d(w)-3^z) = d(M)-WT(w)X(/7)，得到的e(w)就是在當(dāng)前 輸入條件下噪聲v(n)的近似大小。
5、 利用步長因子//，誤差信號e(w)，參考輸入端調(diào)制信號X(w)，對權(quán)系數(shù)矩陣W(M) 進(jìn)行更新，W(" + l)=W(ra) + 2//e(")X(w);
6、 判斷n是否等于同步碼長度M，若相等，進(jìn)入第7步p(n)的計(jì)算，若不等，令 "=w + l,返回第2步。
7、 從混合信號d(n)中減去通過自適應(yīng)抵消器后得到的噪聲近似信號e(w),這樣得到 的信號為有用信號^(AZ)的近似信號，將p(M)輸入相關(guān)器中，計(jì)算相關(guān)峰的大小和特性。由此可以看出，通過自適應(yīng)抵消器得到混合信號d(n)中的噪聲近似值e(w)之后，在第 七個(gè)步驟進(jìn)入相關(guān)器的信號中噪聲被大大削弱，這樣就使得進(jìn)入相關(guān)器的信號的信噪比增 加，可以將原來較小的信噪比條件下計(jì)算相關(guān)值大小的方法轉(zhuǎn)換成為在一個(gè)較大的信噪比 條件下計(jì)算相關(guān)值的方法，利用現(xiàn)有的計(jì)算相關(guān)值的方法可以很方便的得到其相關(guān)峰的特 性。參照圖4，它是未使用自適應(yīng)抵消器，信噪比為3dB時(shí)得到的相關(guān)圖，參照圖5，它是未使用自適應(yīng)抵消器，信噪比為-3dB時(shí)得到的相關(guān)圖。參照圖6，它是未使用自適應(yīng)抵消器，信噪比為-10dB時(shí)得到的相關(guān)圖。參照圖7，它是采用本發(fā)明的方法，信噪比為3dB、本地序列為6534 C9F5 6615 2B時(shí)所得到的相關(guān)圖。參照圖8，它是采用本發(fā)明的方法，信噪比為-3dB、本地序列為6534 C9F5 6615 2B時(shí) 所得到的相關(guān)圖。參照圖9，它是采用本發(fā)明的方法，信噪比為-10dB、本地序列為6534C9F5 6615 2B時(shí)所得到的相關(guān)圖。通過圖4 圖6，可以看出，原有的相關(guān)算法在信噪比較高的條件下，其相關(guān)性能較 好，信噪比為3dB時(shí)，如圖4，相關(guān)峰主峰與旁峰的比值達(dá)到4.05左右；隨著信噪比的下 降，信噪比為-3dB時(shí)，如圖5，相關(guān)峰主峰與旁峰的比值下降到2.86左右；信噪比為-10dB 時(shí)，如圖6，相關(guān)峰主峰與旁峰的比值下降到1.22以下?？梢婋S著信噪比的下降，相關(guān)峰 主峰與旁峰的比值沒有超過設(shè)定的門限，門限一般定義為主峰是旁峰峰值的3-5倍以上， 其相關(guān)性能明顯惡化。從圖7 圖9可以看出當(dāng)采用了自適應(yīng)抵消器后，信噪比為3dB時(shí)，如圖7，相關(guān)峰主峰與旁峰的比值為6.75以上；信噪比為-3dB時(shí)，如圖8，相關(guān)峰主峰與旁峰的比值為5.77左 右；信噪比為-10dB時(shí)，如圖9，相關(guān)峰主峰與旁峰的比值為3.92左右?？梢婋S著信噪比的 下降，即使在較低信噪比條件下，相關(guān)峰主峰與旁峰的比值還是能夠超過所設(shè)定的門限， 可以得到一個(gè)較好的相關(guān)性能，這對判斷同步提供了有力的幫助，完全可以滿足通信系統(tǒng) 實(shí)時(shí)處理的要求。
權(quán)利要求
1、一種基于自適應(yīng)抵消器的改進(jìn)相關(guān)性能的方法，其具體實(shí)現(xiàn)步驟如下(1)、初始化設(shè)定自適應(yīng)抵消器的階數(shù)為N，令時(shí)間變量n＝1；(2)、確定自適應(yīng)抵消器的步長因子μ；這里首先計(jì)算自適應(yīng)抵消器輸入信號d(n)的自相關(guān)矩陣Rdd，其公式如下Rdd＝E[d(n)d(n)T]其中n＝1，2，…M，M為同步碼的碼長，T表示轉(zhuǎn)置，設(shè)自相關(guān)矩陣Rdd的最大特征值為λmax，根據(jù)權(quán)系數(shù)的收斂條件，步長因子μ應(yīng)滿足μ＜1/λmax，從而確定μ的范圍，作為當(dāng)前自適應(yīng)抵消器的步長因子，當(dāng)輸入的混合信號發(fā)生變化時(shí)，步長因子μ也隨之變化；(3)、將加在自適應(yīng)抵消器參考輸入端的已知同步碼的調(diào)制信號X(n)，通過一個(gè)權(quán)系數(shù)矩陣W(n)，計(jì)算其輸出信號y(n)，X(n)＝[x(n)，x(n-1)，…，x(n-N+1)]Ty(n)＝XT(n)W(n)＝WT(n)X(n)(4)、用自適應(yīng)抵消器的輸入信號d(n)減去y(n)，即可得到誤差信號e(n)，e(n)＝d(n)-y(n)＝d(n)-W(n)TX(n)；(5)、利用得到的當(dāng)前步長因子μ、誤差信號e(n)，以及參考輸入端的輸入信號X(n)，對權(quán)系數(shù)矩陣W(n)進(jìn)行更新，以便在自適應(yīng)抵消器輸入信號d(n)發(fā)生變化時(shí)能夠?qū)(n)進(jìn)行處理，使誤差信號e(n)近似等于輸入信號d(n)中的噪聲信號v(n)；(6)、判斷n是否等于同步碼長度M，若相等，進(jìn)入第7步p(n)的計(jì)算，若不等，令n＝n+1，返回第2步；(7)、在相關(guān)器輸入端，利用接收到的混合信號d(n)與通過自適應(yīng)抵消器后得到的噪聲近似信號e(n)的差值p(n)，作為相關(guān)器的輸入信號，來計(jì)算相關(guān)峰峰值和特性。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于自適應(yīng)抵消器的改進(jìn)相關(guān)性能的方法，它涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，其目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，采用該方法，以增加低信噪比條件下相關(guān)峰的主峰和旁峰的比值，進(jìn)而提高相關(guān)峰識別的程度，減小性能損失，提高同步概率，實(shí)時(shí)可靠地判斷收到的信息。該方法的實(shí)現(xiàn)過程為在自適應(yīng)抵消器輸入端加入接收到的有用信號與噪聲信號的混合信號；在參考輸入端加入已知同步碼的調(diào)制信號，通過自適應(yīng)抵消器的自適應(yīng)調(diào)整，使得參考輸入端信號通過權(quán)系數(shù)矩陣后得到有用信號的近似值，從而使自適應(yīng)抵消器輸出的誤差信號近似等于噪聲信號，用其對混合信號中的噪聲進(jìn)行削減，再計(jì)算其相關(guān)值和相關(guān)特性。本發(fā)明可用于移動通信、衛(wèi)星通信、深空通信及遙測等領(lǐng)域。
文檔編號H04B1/69GK101237252SQ200710019119
公開日2008年8月6日 申請日期2007年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月20日
發(fā)明者童 孫, 孫錦華, 金力軍 申請人:西安電子科技大學(xué)