【doc】基于Welch谱估计的宽带通信窄带干扰抑制技术

【doc】基于Welch谱估计的宽带通信窄带干扰抑制技术 基于Welch谱估计的宽带通信窄带干扰抑 制技术 专 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 技术研究 基于Welch谱估计的宽带通信窄带干扰抑制技术 西安电子科技大学综合业务网国家重点实验室胡军锋张海林 摘要文中提出一种基于welch谱估计的宽带通信窄带干扰抑制方法,并讨论了算 法原理.该方法充分利用Welch 功率谱估计的特点,使用加权系数陷波方法,克服了直接FFTr零陷波法在频域抑 制窄带干扰时信号畸变大的缺点.通过仿真 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ,和直接周期图法相比, 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明该方法有良好的误比特率性能. 关键词宽带通信窄带干扰抑制Welch功率谱估计权系数陷波 1引言 在宽带通信中,由于信号频带较宽,所以易于受 到窄带干扰(NBI)的攻击.在接收机前端对信号进行 一 定的滤波处理,对NBI进行抑制,可以大大提高宽 带通信系统的性能,同时可降低后端处理的复杂度. 对NBI的抑制技术主要有两大类:时域方法和 变换域方法.时域方法的基本思想是:对于宽带信 号和白噪声来说,其频谱较宽,样值之间几乎不相 关;而窄带信号其频谱较窄,样值间相关性较强.这 样就可以利用自适应预测算法由信号的过去值预测 出NBI的当前估计值,然后从信号中把NBI的估计 减掉,从而达到对NBI抑制的目的.可是当NBI的 功率和数目增加,尤其是NBI时变时,输入信号的自 相关矩阵特征值分散程度加剧,导致自适应算法收 敛性能恶化和稳态误差增大,实时性较差.因此时 域自适应技术往往只适合于处理数目较少且慢变的 NBI[?.变换域方法基于快速傅里叶变换(FFT),实 现了快速卷积和快速相关算法,因而实时性较好, 可是如果直接进行FFT,相当于在变换前引入矩形 窗,使得其对应频域具有大的旁瓣,不利于NBI识 别,而且很难把NBI彻底抑制,因为对大的NBI旁瓣 陷波时,同时会对信号带来大的畸变.本文提出的 基于Welch功率谱估计的频域NBI抑制方法较好地 解决了这一问题. 定义ISR为单个NBI与信号的平均功率谱密度 (PSD)之比,对于宽带信号,分析具有高ISR值的 PSD分布,可以发现:NBI所在之处,谱线呈现峰值, 而其他地方谱线较为平坦.所以,如果能得到好的 功率谱估计,就能根据其频谱特征在频域进行有效 的NBI抑制.本文基于Welch功率谱估计的频域抑 制NBI的方法正是根据这一思想提出的,通过跟周 期图法比较和仿真分析,证实了该方法能很好地抑 制多个ISR较高的NBI. 2基于Welch功率谱估计的NBI抑制方法 基于Welch功率谱估计的频域NBI抑制方法原 理框图如图1所示.设输入信号为: (n)=s(n)+n(n)+(n)(1) 其中s,n,分别表示宽带信号,白噪声和NBI. 将时域的N(这里N也就是观测数据窗长度)个连续 采样值(o),(1),A,(N一1)串/并变换后组成一帧, 根据每帧数据作功率谱估计,同时进行FFT变换,由 估计出的功率谱分布,结合峰值检测,生成门限,估 计NBI在频域中的位置和大小,根据NBI的大小和 信号的平均功率谱密度生成陷波系数,用陷波系数 对频域的大谱线进行陷波处理,最后对陷波后的 FFT数据作IFFT,恢复出抑制掉NBI的时域数据. 可以看出,要得到好的NBI抑制效果,就要有理想的 功率谱估计,所以该方法的关键是得到理想的功率 谱估计. 鍪HH竺董墼 图1基于Welch功率谱估计的NBI抑制原理框图 2.1welch法功率谱估计 直接周期图法估计功率谱由式(2)计算得出. ' 户(?)=IN(?)=—l-I(?)l(2)』' — l 其中:()=()=?(n)e一细 即XN(?)是有限长序列(n)的傅氏变换.直接周期 图法相当于将(n)在时域里乘了一个长度为N的矩 形窗函数,在频域则相当于引入了一个与之卷积的sinc 函数.其主瓣不是无限窄,而且有较大的旁瓣.大的 旁瓣使得PSD主瓣内的能量"泄漏"到旁瓣,使得谱估 计起伏较大.另外,如果(n)是高斯白色噪声,对其 收稿日期:2003年9月23日 2004年无线电 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 弟34卷弟7期41 专题技术研究 周期图的协方差进行分析,有以下结论l2J:以2zr/N的整数倍为频率问隔的周期图的值是不相关的,当N增 大(也就是窗长度增大)时,协方差为零的功率谱样本 之间的问距减小.因此数据窗越长,高斯白噪声的周 期图的起伏越严重.这就导致在白噪声背景下使得 NBI抑制时门限设置不理想,从而增加了NBI识别的难 度,严重影响NBI的抑制效果. 将周期图进行平滑,会使其方差减小,得到一致的 谱估计.Bartlett提出一种平均周期图的平滑方法l2J. 在Bartlett方法中,将序列()(o??N一1)分段求周期 图再平均.设将X(n)分成L段,每段有M个样本,第 i段样本序列记为(n),则第i段周期图为: ?M一11 L(3) (cc,)l_jXi(n)e…I2.1?? 谱估计定义为L段周期图的平均,即: 户(cc,)=1誊cc,)(4) Welch法是对Bartlett法的修正,更适合于用FFT 进行计算.它主要提出两方面的修正,其一是在周期 图计算前先加适当的窗函数60(n),这样得到每段的周 期图为: 1M一1 (cc,)=—1l?'(n)cc,(n)e一一I(5)nU 其中,U:602(n)为归一化因子,表示窗口函数的平 均能量.其二是分段时可使各段有重叠,最大可以 重叠50%,此时其方差可以进一步减小到几乎原来 的一半.将式(5)代入式(4)便得到Welch法的功率 谱估计. 在NBI抑制算法中,综合考虑主瓣过渡带宽和 旁瓣峰值幅度的影响,窗函数选用Hamming窗,其主 瓣过渡带宽近似为矩形窗的一倍,但其旁瓣峰值幅 度比矩形窗低28dB[,每段重叠度取50%,这样就 保证了功率谱估计的平滑性和一致性.对白噪声背 景下的宽带信号加窄带干扰用该方法进行功率谱估 计,并与直接周期图法进行比较,可以发现,虽然 Welch法中Hamming窗的主瓣较宽,使得估计出的 NBI带宽向两边有所扩展,但对宽带信号和白噪声 的谱估计却平坦得多,因而可以得到比较理想的判 决门限,减小了NBI误判的概率. 2.2基于Welch功率谱估计的NBI抑制算法 首先用平均功率谱密度法确定门限.对(n) 用上面的Welch法作功率谱估计,把估计出的功率 谱密度记为p=[P,P:,A,P],M为功率谱估计时 FFT点数,P为cc,=2rri/M处的功率谱密度估计值. 计算平均功率谱密度: 422Oo4RadioEngineeringVo1.34NO.7 p一P …一M. (6) 根据Pmean把功率谱密度分为两个集合,即P= {P.IP>P}和P2:{PIP?P…},并计算P1的平均值 P...为了避免过多地把有用信息消掉,判决门限 VP设为Pl而不直接设为P—,即V.P=P一. 接着依据v检测NBI在频域的分布情况.记 i为NBI所在的频点,判决规则如下:删={iIp> V,i:1,2,A,M},也就是说如果某频点处的功率谱 密度大于V.,则判该频点处存在NBI. 考虑到宽带信号s(n)的频谱较为平坦,所以对 NBI所在频点的大谱线在频域陷波时不采用零陷 波,而是对其乘以一个小于1的陷波系数E,使得陷 波后NBI频点处的谱线降低到均值P一附近,而不 是陷为零,从而保证了频谱的平坦性.跟零陷波相 比,这种处理方法在消除NBI的同时,减小了有用信 号的畸变.由于功率谱和幅度谱成平方关系,这里 根据估计出的功率谱生成陷波系数e: f(等)? L1,1,2,A,M且i硅t'NB! 为了保证FFT和功率谱密度的频点一一对应, (n)的FFT点数必须与功率谱估计时的FFT点数 M相同.这样,就可以用E在频域对(n)进行滤 波.记X(k):(kl,2,A,肼)为X(n)的FFr,Y(k)为滤 波后的频域信号,则: ,,(k)=,(),k=1,2,A,M(8) 最后对Y(k)作IFFT,便可恢复出抑制了NBI的时域 信号,送接收机后端处理. 3仿真分析 仿真框图如图2所示.对随机信息数据流用长 度为64的M序列进行直扩,生成宽带信号,接着对 直扩宽带信号BPSK调制,加入高斯白噪声和NBI, 收端首先对NBI进行抑制,然后进行BPSK解调并 分析误码率性能. 图2计算机仿真框图 3.1仿真参数 直扩信号的chip速率为1Mchip/s,BPSK已调信 号的采样频率为5MHz,NBI由两个随机相位单频干 专题技术研究 扰和一个带宽为20kHz的窄带干扰组成,其中心频 率分别为1MHz,1.5MHz,2MHz,三个NBI的ISR均 为20dB.数据窗长度为5个信元长度(即5×64= 320个chip长度).Welch估计时把320个chip长度 分为8段进行平均,即L=8. 3.2仿真结果 为了对比说明,对直接周期图法也做了仿真,对 直接周期图法仿真时,只是谱估计时用的是直接周 期图法,其余算法与Welch法相同.在仿真过程中 可以看到,在白高斯噪声背景下,用Welch法估计出 的功率谱比用直接周期图法估计出的功率谱要平坦 得多,用Welch法进行NBI抑制后的功率谱更平坦, 更符合宽带信号的频谱特征. 图3分别示出了理想情况下(不存在NBI),不 进行任何NBI抑制处理,直接周期图法处理以及 Welch法处理四种情况的误比特率性能比较.结果 表明Welch法处理后其性能得到大大改善,与理想 情况很接近. 囊一.. :: :::::毒…:!;;:};i;;i;;兰.-. ;i;;;;;;;;;;; —? 理想情况 — },WOlch法…'' +周期图法 弓不进行N日I抑制 图3NBI干扰下的误码率性能曲线 (ISR=20dB) 4结论 本文提出了一种基于Welch功率谱估计的宽带 通信窄带干扰抑制方法.由于算法中Welch功率谱 ,且每分段重叠度取 估计的窗函数选用Hamming窗 50%,所以大大提高了功率谱估计的平坦性和频谱 分辨率,大大减小了宽带信号功率谱估计的起伏,突 出了NBI的主瓣峰,使得判决门限设置简单,保证了 NBI识别的有效性和陷波系数确定的合理性.用加 权系数陷波代替传统的零陷波,减小了有用信号的 畸变.该方法不论是对单频干扰还是对窄带干扰都 有良好的抑制效果,使得误比特率大大降低.计算 机仿真结果验证了算法的有效性.由于该方法中 Welch功率谱估计使用FfTI1快速算法,另外和自适 应算法相比避免了学习过程,所以实时性较好,而且 实现简单.虽然仿真时是对直扩宽带信号和BPSK 调制解凋进行分析,但该方法同样适用于一般的宽 带通信系统中大ISR窄带干扰的识别和抑制..辜. 参考文献 [1]MilsteinLB.InterferenceRejectionTechniquesinSpreadSpoctn.nCom- munications.ProceedingofIEEE,1988;76(6):657—671 [23A.v奥本海姆,R.W.谢弗着,黄建国,刘树囊译.离散时间信号 处理.北京:科学出版社,1998 [3]PeterD.Welch.TheUseofFastFourierTransformfortheEstimationof PowerSpectra:AMe~odBasedonTimeAveragingOverShort,Modified Periodograms.IEEETramonAutoandElectroaconsfics,1967;Au一15 (2):70—73 [4]JohnW.KetehumandJohnG.Proakis.AdaptiveAlgorithmsforE~imat- ingandSuppressingNarrow—-BandInterferenceinPNSpread—'Spectrum Systems.IEEETransonCommun,1982;COM一30(5),1982:913—924 [5]胡爱群,雷静.扩频通信中大功率窄带干扰抑制的一种频域自适 应算法.东南大学,1999;29(4):52—56 作者简介 胡军锋(1976一),男,陕西洛南人,硕士研究生,工程师,主要 研究方向为高速无线数字通信. 张海林(1963一),男,陕西西安人,教授,博士生导师,主要研 究方向为高速无线数字通信,多媒体通信等. I上接第18页) [3]YangXiao,Baekoff—BasedPrioritySchemesforIEEE802.11,Commu— nications.2003.ICC'03.IEEEInternationalCorrenceon.11—15 May2003,(3):1568—1572 l4JI.Aad,C.Castelluccia,DifferentiationMechanismsfor匝EE802.11,IN— F0C0M2oo1.TwentiethAllnualJointCorlferenceoftIle匝EEComputer 26April andCommunicationsSocieties.Proceedings.匝EE.Volume:22—2001:1:2O9—218 [5]A.Veres,A.T.Campbell,M.Barry,etc.,SupportingServiceDifferentia— tioninWirelessPacketNerorksUsingDistributedControl.匝EEJoumal on.SelectedAreasinCommunications,2OO1,19(10):2o81—2093 [6]X.Pallot,L.E.Miller,ImplementingMessagePriorityPoliciesoveran 802.11BasedMobileadhocNetwork.匝EEMILC0M20o1 作者简介 官军(1977一),男,浙江大学信息与电子工程硕士研究生,主 要从事无线局域网的研究,windowsCE嵌入式操作系统及其应用. 李式巨(1947一),男,博士生导师,研究领域为:数字通信系统, 通信网络,移动通信. 徐志江(1973一),男,浙江大学信息与电子工程博士研究生,主 要从事OFDM,信息论及编码等方面的研究. 2004年无线电工程弟34卷弟7期43