變換域窄帶干擾檢測算法研究

李婷婷+張春澤+王書省

摘 要： 基于數據鏈的應用背景，在直接序列擴頻系統下，研究了不同變換域窄帶干擾檢測算法的基本原理，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均值剔除算法。通過仿真對比了不同算法的干擾檢測抑制性能。仿真結果表明，在幾種干擾檢測算法中，連續均值剔除算法對于典型窄帶干擾的檢測能力最優，能夠實現干擾的快速實時檢測處理。

關鍵詞： 變換域； 窄帶干擾檢測； FFT； 門限算法

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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步，通信技術也不斷發展壯大并應用到各個領域，尤其是在軍事方面。隨著武器數據鏈技術的不斷發展和各類新型裝備的問世，世界各國紛紛加速了對各種新型數據鏈抗干擾技術的研究，以應對包括自然與人為干擾的復雜電磁環境。直接序列擴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，是目前國內外各類數據鏈中應用最廣泛、最成熟的通信體制之一。

然而，面對更高的抗干擾要求時，受限于目前器件的處理能力和信道帶寬，單純依靠增大擴頻處理增益來提高直擴系統自身的抗干擾容限是不現實的。因此需要采取專項抗干擾技術，以進一步提升系統的抗干擾能力。變換域干擾檢測抑制技術具有干擾抑制能力好、處理速度快、靈活性高、實用性強等優勢，更能夠適應干擾類型靈活多變的復雜電磁環境。

1 變換域窄帶干擾檢測技術的原理

基于直擴系統的變換域窄帶干擾檢測抑制技術的思路是很明確的：首先將擴頻信號通過正交變換轉化到變換域，由于擴頻信號和窄帶干擾的頻譜特性，可以通過一定門限檢測算法鎖定窄帶干擾所在的位置，在此基礎上進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抑制處理框圖。其中兩路重疊加窗及時域合成處理能夠有效抑制FFT塊變換特性所帶來的頻譜泄漏影響，提高干擾檢測的精度。

2.2 [K]譜線算法

由于窄帶干擾變換到頻域后能量集中，因此其幅度通常遠高于信號幅度，[K]譜線法就是利用了這種差異，先將接收到的信號按頻域幅值從大到小進行排序，選取其中幅值最大的[K]個頻點作為干擾進行濾除。在這種算法中[K]值的確定是一個關鍵。[K]值過大有可能對有用信號帶來不必要的損失，而[K]值過小則不能完全去除干擾。[K]值的選取與窗函數的選取以及干擾的數量有關。[K]譜線法避免了門限值的求取，在強干擾條件下效果較好，但是如果干擾環境較為復雜，干擾參數時變，則[K]值需要重復確定。針對[K]譜線法在快變環境下自適應差的問題，文獻[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準則估計其拐點，自適應地確定當前干擾環境下最優的[K]值。該方法具備了較強的自適應性和穩健性。

條件中值濾波算法不需要估計窄帶干擾的中心頻率、功率、帶寬等參數，可自適應地處理接收信號頻帶內存在的多干擾，并且在沒有窄帶干擾存在時，不會對有用信號造成不必要的失真，算法性能僅僅受到干擾的帶寬和最小功率影響，通過合理設計窗寬[k]以及門限[C]兩個參數，可獲得較好的干擾抑制效果。缺點是處理較慢，每輸入一次數據都需要求出以該數據為中心的寬為[k]的數據窗內的中值，對于時延要求不是很嚴格的系統適用。[k]值的設置決定了能夠抑制的干擾帶寬，當[k]值較小時，對于窄帶干擾的抑制效果將相對較差；當[k]值較大時，計算量將激增。

2.4 連續均值剔除算法

CME（Consecutive Mean Excision，CME）算法通過迭代更新門限值實現干擾的檢測，其核心思路是利用接收的所有譜線來估計沒有干擾時譜線幅度的均值，用遞歸的方法對已經檢測出的干擾譜線進行剔除，之后再次估計均值，循環進行前面的步驟，直到沒有干擾譜線被檢測出來[5]。CME算法首先設定了一個非干擾頻點索引集[Im]和干擾頻點索引集[Jm，]其中[m]為迭代次數。通過與當前門限值進行比較，將大于門限值的頻點從[Im]中去除，放入[Jm]中，形成新的索引集[Im+1，][Jm+1。]根據更新后的非干擾索引集[Im+1，]求取新的門限值以進行下一次迭代計算，直到[Jm+1]長度[P]為0，即最新一次迭代沒有干擾頻點被檢測出來。此時最終的干擾信號索引集為[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接收系統，通過誤碼元數評價各種抗干擾算法的優劣。主要實驗參數見表1。

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

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

4 結 論

二階矩法與[K]譜線算法簡單易行，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設置不夠靈活。條件中值濾波法與CME法的干擾抑制能力相當，兩者各有優缺點。

條件中值濾波法有一個顯著的優點，即對檢測到的譜線不直接做置零處理，而是將其置為當前數據窗內的中值，這種方法能夠有效地減少信號能量的損失。但是條件中值濾波保證干擾抑制能力的前提是數據窗的寬度足夠大，這將帶來計算量的激增，處理時延較大。對于數據鏈的應用環境，處理時延是一個極其關鍵的指標，關系到系統是否能實時快速地應對快變干擾。CME算法對于單音干擾平均迭代次數為2次，對多音干擾平均迭代次數為3次，對窄帶干擾平均迭代次數為3次。因此，從處理時延的角度考慮，CME算法更適用于數據鏈系統。

參考文獻

[1] 夏彩杰，王愛華，安建平.基于CME算法的數字窄帶干擾抑制及改進[J].數據采集與處理，2006（21）：114?119.

[2] 樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].6版.北京：國防工業出版社，2006.

[3] 姚軍勇.基于突發直擴通信的抗干擾技術研究[D].長沙：國防科學技術大學，2006.

[4] 張春海.直接序列擴頻通信系統抗干擾技術研究[D].長沙：國防科學技術大學，2006.

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

[9] 張永飛，魏安全，孫玉琦.DSSS系統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接收系統，通過誤碼元數評價各種抗干擾算法的優劣。主要實驗參數見表1。

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

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

4 結 論

二階矩法與[K]譜線算法簡單易行，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設置不夠靈活。條件中值濾波法與CME法的干擾抑制能力相當，兩者各有優缺點。

條件中值濾波法有一個顯著的優點，即對檢測到的譜線不直接做置零處理，而是將其置為當前數據窗內的中值，這種方法能夠有效地減少信號能量的損失。但是條件中值濾波保證干擾抑制能力的前提是數據窗的寬度足夠大，這將帶來計算量的激增，處理時延較大。對于數據鏈的應用環境，處理時延是一個極其關鍵的指標，關系到系統是否能實時快速地應對快變干擾。CME算法對于單音干擾平均迭代次數為2次，對多音干擾平均迭代次數為3次，對窄帶干擾平均迭代次數為3次。因此，從處理時延的角度考慮，CME算法更適用于數據鏈系統。

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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接收系統，通過誤碼元數評價各種抗干擾算法的優劣。主要實驗參數見表1。

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

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

4 結 論

二階矩法與[K]譜線算法簡單易行，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設置不夠靈活。條件中值濾波法與CME法的干擾抑制能力相當，兩者各有優缺點。

條件中值濾波法有一個顯著的優點，即對檢測到的譜線不直接做置零處理，而是將其置為當前數據窗內的中值，這種方法能夠有效地減少信號能量的損失。但是條件中值濾波保證干擾抑制能力的前提是數據窗的寬度足夠大，這將帶來計算量的激增，處理時延較大。對于數據鏈的應用環境，處理時延是一個極其關鍵的指標，關系到系統是否能實時快速地應對快變干擾。CME算法對于單音干擾平均迭代次數為2次，對多音干擾平均迭代次數為3次，對窄帶干擾平均迭代次數為3次。因此，從處理時延的角度考慮，CME算法更適用于數據鏈系統。

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