抗窄帶干擾

通常情況下通信的電磁環境十分複雜，通信條件比較惡劣，存在模式繁多和統計特性時變的干擾。在這些干擾中，高功率的窄帶干擾已經成為破壞通信系統頑存性最主要的因素之一[。常見為軍事中，傳送一個同頻干擾信號，這樣該干擾和原信號疊加在一起就無法區分，從而達到干擾通信的目的。比較常見的解決方法是擴頻通信。

基本介紹

• 中文名：抗窄帶干擾
• 外文名：anti narrow band interference
• 類型：通信名詞

背景

通信設備和系統生存於紛繁複雜的電磁環境中，隨著電子設備間的密度與日俱增，導致所占用的電磁頻譜越來越寬，所傳輸的信息量越來越大，面臨的電磁干擾也日益嚴重。

在民用場合一般可以通過分配頻率資源、限制發射功率、增加通信設備間距離等方式來解決這種問題。但是，在艦船、路基通信站、通信車和軍用指揮飛機等軍事場合，通常裝有多部電台，並需要它們同時工作，致使空間的限制天線間不得不離得很近，導致大功率發射天線對敏感度很高的接收天線、同頻帶發射天線對接收天線等都將產生強烈的干擾，而空間隔離、禁止等許多其它環境中行之有效的方法都無法使用，如果不採取適當的措施將導致設備和系統的性能下降，甚至失效。

從電磁干擾信號頻譜寬度，可以將電磁干擾分為寬頻干擾源和窄帶干擾源。無線通信系統中，遠小於系統頻寬的頻帶就可以認為是窄帶了。許多時候由於受到擴頻頻寬的限制，僅靠擴頻增益已不足以對干擾進行抑制，特別是在強窄帶干擾的場合，必須採取其它措施進一步提高擴頻通信的抗干擾能力。

基本原理

1.抗窄帶干擾原理

隨著對移動通信和個人通信服務需求的迅速增長，擴頻通信為日益擁擠的頻譜提供了一種很有前途的解決方案。直擴-CDMA與窄帶通信系統共存既可以看作是頻譜效率的改善，也可以看作是與現有窄帶系統共享頻譜資源。在兩系統共存的情況下，直擴-CDMA信號擴展在很寬的頻帶內，功率譜密度非常低，所以對窄帶通信系統性能的影響相當小。另一方面，直擴-CDMA系統在解擴時將窄帶干擾擴展在很寬的頻帶內，所以系統自身具有具有抗窄帶干擾的能力。但是，直擴-CDMA系統自身能夠抗窄帶干擾的條件是，假設直擴-CDMA信號的功率與窄帶干擾相比大得多。然而實際套用當中，直擴-CDMA信號的發射功率應該不對窄帶通信系統造成不良影響，所以其發射功率是受限的，這樣的直擴-CDMA信號不再經得起來自窄帶系統的干擾。為了保證直擴-CDMA信號發射的性能，必須消除直擴-CDMA系統和窄帶通信系統之間的干擾。

2.抗窄帶干擾技術

擴頻通信干擾抑制技術的研究起源於20世紀70年代末期。過去的大量研究工作一直關注於擴頻系統中有效的窄帶干擾抑制技術的開發套用，發展至今仍是眾多學者研究的熱門課題。干擾抑制技術的實現方法很多，從最簡單的信號處理技術到一些最先進的處理方法，已建立了豐富的方法論體系。這些技術包括利用了擴頻信號和窄帶信號譜特性的線性預測方法；利用了信號的譜特性和一階機率分布的非線性預測方法；利用感興趣的信號的擴展碼和窄帶干擾的二階統計量的線性碼輔助方法以及基本上利用了有用信號和窄帶干擾信號的所有信息的最大似然碼輔助技術。

已有的窄帶干擾抑制技術基本可分為3類：預測技術；變換域技術和碼輔助技術。

（1）基於預測的窄帶干擾抑制技術

基於預測的窄帶干擾抑制技術的基本思想是利用窄帶信號和寬頻信號在可預測性上的差異，得到一個窄帶干擾的精確複製，然後再接收信號中消除足夠的信號，從而達到抑制窄帶干擾的目的。因為窄帶干擾是非高斯的，樣值間有很強的相關性，可以從過去樣值來估計當前樣值；而擴頻信號頻譜平坦，以chip率取樣的樣值之間幾乎不相關。當接收信號同時包含寬頻成分時，如果產生了一個接收信號的預測值，那么預測值中將主要是窄帶信號的預測值。所以在解擴之前從當前信號中減去預測值，將顯著減小接收信號中的窄帶成分，再將信號與PN碼進行相關解擴，就可以大大提高直擴通信系統的性能。

這類技術包括了線性預測干擾抑制濾波器與非線性預測干擾抑制濾波器，以及基於HMM的干擾抑制方法。

線性預測濾波器的兩種基本結構是干擾基於狀態空間的Kalman-Bucy預測器和抽頭延遲線結構的有限脈衝回響（FIR）線性預測器。內插器也可以用來產生預測值，線性內插濾波器可看作是對線性預測濾波器的改進形式，它對干擾的估計不僅利用過去的輸入值，同時利用將來的輸入值，已達到更高精度的干擾估計。圖1所示為線性預測濾波器。圖2所示為線性內插濾波器。通常線性雙邊內插器比單邊預測器性能要好。

圖1 線性預測濾波器

圖2. 線性內插濾波器

線性預測方法是利用有用數據信號的寬頻特性抑制干擾，這樣的處理只利用了擴頻數據信號的譜結構特點。如果能利用更多的有用信號的結構特點，對線性預測方法進行改進，可以獲得更好的抑制效果。當背景噪聲是高斯白噪聲時，線性預測技術是最優的。而當面臨的噪聲是非高斯噪聲時，為了獲得更好的性能，需要求助於某些非線性技術。直擴序列是獨立同分布的二進制序列，是非高斯的，所以即使窄帶干擾和背景噪聲假設是高斯的，這時的最優濾波也應是非線性的。利用直擴信號的非高斯結構，可以獲得非線性濾波器，這種濾波器在非高斯成分占主要地位的情況，可以獲得比線性濾波器更好的窄帶干擾抑制效果。推廣到非線性內插濾波器，使其干擾抑制性能得到了進一步提高。圖3為非線性預測濾波器結構框圖。

圖3 非線性預測濾波器結構框圖

非線性預測濾波器是利用過去的輸入值對干擾的當前值進行估計，濾波器抽頭的間距是相等的，都等於取樣間隔Tc。一種最小冗餘線性預測濾波器的抽頭間距根據最小冗餘結構來選取，使其干擾抑制性能得到了提高。將最小冗餘結構套用到非線性預測濾波器，得到了最小冗餘非線性預測濾波器。分析結果表明，最小冗餘非線性預測濾波器的性能明顯優於標準非線性預測濾波器。圖4所示為最小冗餘非線性預測濾波器結構框圖。

圖4 最小冗餘非線性預測濾波器結構框圖

在非線性預測濾波器的基礎上，提出了一種改進結構——雙非線性濾波器，即在非線性濾波器的輸出端加上一適當的非線性函式，以提高自適應濾波器的抗脈衝干擾的能力。

另一種可能的解決方案是帶判決反饋的單邊預測器，其適用於非高斯噪聲環境的情況。可以讓有用信號通過，並能避免由於能量損失和碼間干擾帶來的信號失真，從而明顯改善干擾抑制能力。

討論基於預測的方法時，通常都是假設干擾的環境是穩定的，最壞情況也是緩慢變化。然而在某些套用中，干擾環境卻是動態的，窄帶干擾在擴展頻寬的任意頻率上隨機地進入和離開信道。這種情況下採用自適應預測濾波器的一個困難是：當一個干擾突然從信道中消失時，自適應算法產生的抑制干擾的“缺口”，在干擾離開信道之後還將持續一段時間。也就是說，當干擾進入信道和退出信道時所發生的情況之間存在不平衡。這種“缺口”現象將導致有用信號性能的顯著下降。其中一種解決辦法是採用HMM（hidden Markov model）方法，處理控制窄帶干擾在信道中的進出。HMM濾波器用於探測被干擾命中的子信道，然後將一個抑制濾波器設定在存在干擾的子信道中。當探測到干擾退出某一子信道時，則將抑制濾波器從該信道中移走。

（2）基於變換域的窄帶抑制技術

在抗窄帶干擾的技術當中，最有用的技術之一是變換域濾波器技術。最初提出採用快速傅立葉變換以及聲表面波器件的變換域濾波技術，來抑制連續擴頻接收機中的窄帶干擾，後來這種思想進一步發展為基於傅立葉變換域抗干擾技術。集中於基於濾波器組合子帶變換的抗干擾技術方面，提出基於多分辨濾波器組的變換域抗干擾技術的基本框架，由於濾波器組的精確重構特性，該方法可以保證在沒有干擾存在時，不使有用信號失真，消除了以往加窗運算所帶來的副作用。此外，由於可以自由設計濾波器的濾波特性，次方法在很大程度上改善了不加窗FFT處理帶來的頻譜泄漏問題。

另一種選擇是，採用小波變換以及相應的濾波器組來實現變換域濾波，一種抑制早上的方法是利用正交鏡像分解樹型結構來實現離散小波變換或離散小波包變換。類似於離散傅立葉變換，該方法可對信號頻譜進行均勻劃分。但與離散傅立葉變換不同的是，由濾波器所產生的頻譜的旁瓣效應取決於所採用的正交鏡像濾波器係數，因而旁瓣小於不加窗的離散傅立葉變換，頻譜泄漏較少。此外，採用小波包分解方法來精確定位時變干擾，並利用小波包分解可以保持噪聲能量這一特性來抑制干擾。另外一種新的變換域抗干擾算法是，自適應時頻去噪器（ATF），可針對不同的輸入信號產生不同層次結構的子帶分解樹，每一次分解採用兩個子帶或三個子帶的原形FIR濾波器組。與固定結構的濾波器相比，ATF的一個最具突破在於它可以自適應地改變子帶濾波器組的層次結構，減少了變換域的分割並能更準確地定位干擾信號的頻域分布，因而減少了對干擾的敏感程度，是一種穩健的抑制干擾的技術。

在變換域抗干擾技術方面，典型的處理方法是在判斷出干擾的位置後，對各個變換域係數乘以權值，採用連續變換的權值並使用某種最佳化算法如LMS算法來調節權值，可以最大程度地改善系統的性能。

（3）碼輔助技術

上述所討論的抑制窄帶干擾的大多數方法都是基於預測/相減結構。在這些濾波器技術的分析中，窄帶信號或者被模擬為確定性正弦信號，或者被模擬為自回歸信號，這樣的模型大大簡化了分析。當干擾實際是一個數據速率比擴頻chip速率低得多的數字通信信號時，這樣的干擾雖然也是窄帶干擾，但卻不再適合模擬為確定性正弦信號或自回歸信號。在這種情況下，需要採用數字干擾模型，來研究抑制這種數字窄帶干擾的最優擴頻接收機。由於數字窄帶干擾與擴頻信號的相似性，提出將用於消除多徑干擾的多用戶檢測技術套用於抑制數字窄帶干擾，將數字窄帶干擾看作虛擬的擴頻用戶。研究結果顯示，用這種技術抑制數字窄帶干擾效果很好。

線性預測窄帶干擾抑制方法利用的是擴展數據信號的譜特性；非線性預測方法則是利用這些信號的譜和一階機率分布。窄帶干擾抑制技術的更進一步改進，將採用超出chip水平的隨機模型，提出一種碼輔助技術的數字窄帶干擾抑制方法，這種技術可以在直擴-CDMA網路中同時抑制窄帶干擾（NBI）和多徑干擾（MAI）。這種方法針對的窄帶干擾信號是一個數字通信信號，但數據速率比擴頻chip速率低得多。這種數字窄帶干擾模式套用於模擬多速率CDMA系統，系統中使用了多種擴展增益和多個chip速率，在這種情況下採用解相關檢測器抑制窄帶干擾，與理想的預測技術相比，結果表明這種方法具有顯著的性能改善。這種碼輔助方法的性能顯著優於預測技術，這是因為預測技術僅利用了窄帶干擾的可預測性，而碼輔助技術不僅利用了窄帶干擾的可預測性，還利用了擴頻信號的可預測性（通過抑制的擴展碼）。

最大似然碼輔助技術是一種最佳化的非線性碼輔助窄帶干擾抑制技術。

（4）其他干擾抑制技術

（a）自適應模糊窄帶干擾抑制技術

具有反向傳播學習算法的模糊推理系統可以作為任意非線性動態系統的辨識器，進而組成非線性自適應濾波器。自適應模糊窄帶干擾抑制器或自適應線性增強器（ALE）可以解決非線性技術所面臨的問題，尤其是對非常窄的干擾。無論信噪比多大，這種方法對窄帶干擾的抑制能力都優於所有其他的非線性方法。模糊自適應線性增強器還可以加快捕獲時間，更適合於非固定信道。

（b）正交頻分多址技術

在抗強窄帶干擾的技術當中，另一個方法是正交頻分多址（OFDM）技術，這項技術利用關於一些子載波可以達到比較高的頻譜利用率，並消除信道中頻率選擇性衰落和干擾的影響。直擴-SS擴頻系統與OFDM技術相結合，容易實現最佳化檢測，並以一種有效的方式利用頻譜，保留了許多擴頻系統的優點，還可以開發頻率分集。

（c）組合濾波器技術

對適用於擴頻通信的抗窄帶干擾的自適應濾波器進行研究和探討的主要目的是提高自適應處理後相關處理前的信噪比，從而降低相關處理後的誤碼率。對於具體的自適應濾波器的分析均假設定窄帶干擾具有強相關性，可以從其前後相鄰的取樣值估計出當前窄帶干擾的取值，同時認為擴頻信號是近似無相關的，其當前值不能估計。因此，它們均採用自適應處理將具有強相關性的窄帶干擾從當前接收中對消掉，而信號由於其不相關性則不能對消。但實際上，由於受到信道和接收機頻寬的限制，使接收到的擴頻信號也具有一定的相關性，故它在通常自適應處理時總是要被抑制；同時擴頻信號的存在也影響了自適應濾波器對窄帶干擾的估計，導致自適應處理時權收斂最優值的速度減慢或不穩定，特別是當擴頻信號的功率與窄帶干擾的功率相比不可忽略時，這兩方面的負面作用變得更為明顯。採用兩種相同結構的基本濾波器構成組合自適應濾波器，可以有效地減小自適應處理對擴頻信號的抑制作用。圖5所示為以線性橫式濾波器為基本結構的組合濾波器。

圖5 擴頻抗干擾組合濾波器原理框圖