自適應(yīng)抗碼間干擾算法在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用研究

張雷雨

(東北電力大學(xué) 信息工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

?

自適應(yīng)抗碼間干擾算法在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用研究

張雷雨

(東北電力大學(xué) 信息工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

衛(wèi)星通信在生活中已被頻繁使用，我國北斗衛(wèi)星已經(jīng)覆蓋亞太地區(qū)并投入使用，但受到多種干擾影響定位精度，多徑干擾引起的誤差已成為阻礙定位精度提高的重要因素之一。通過一種基于擴(kuò)頻序列的碼間干擾濾波算法，建立信號模型，通過提取信號特征值并根據(jù)特征值建立濾波器實(shí)現(xiàn)對多徑信號干擾的抑制，成功降低了誤碼率，提高了衛(wèi)星通信質(zhì)量。

衛(wèi)星通信；濾波；擴(kuò)頻序列；碼間干擾

隨著社會進(jìn)步科技的發(fā)展，粗精度定位導(dǎo)航已經(jīng)無法滿足廣大用戶的基本需求，對高精度導(dǎo)航定位的迫切需求越來越強(qiáng)烈，由此，高精度定位已經(jīng)成為全球定位系統(tǒng)的主要應(yīng)用需求之一，作為我國自主研制的北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)，在發(fā)展時(shí)間上已經(jīng)不占優(yōu)勢，要想在市場占有一席之地，必須在自身性能方面尋求突破，而滿足用戶當(dāng)前對高精度導(dǎo)航定位需求，是一個(gè)趕超GPS的絕佳機(jī)會[1-3]。而在眾多影響定位精度的誤差干擾之中，大部分誤差干擾已有較成熟的修正模型降低誤差，而多經(jīng)誤差還沒有方法完全消除，減小多經(jīng)誤差影響已成為高精度定位的研究熱點(diǎn)之一。

目前應(yīng)對多徑干擾的方法主要分為改進(jìn)天線端與改進(jìn)接收機(jī)結(jié)構(gòu)，改進(jìn)天線端一般采用抑制板抑制多經(jīng)信號的接收，設(shè)置天線陣列對多徑參數(shù)進(jìn)行估計(jì)等方法。天線改進(jìn)屬于硬件設(shè)計(jì)方法，通過改進(jìn)或添加硬件元件實(shí)現(xiàn)抑制多徑，不僅過程繁瑣，而且開銷大，增加了用戶負(fù)擔(dān)。改進(jìn)接收機(jī)一般使用多徑削減技術(shù)、滯后-超前技術(shù)、窄相關(guān)技術(shù)、自適應(yīng)濾波、盲均衡器、小波濾波等[4-6]。這些方法中，信號后處理方法由于引入了輔助參考觀測量，降低了估計(jì)的實(shí)時(shí)性。本文提出了一種基于直接序列擴(kuò)頻的多徑碼間干擾濾波算法，通過模擬北斗信號偽隨機(jī)序列，實(shí)現(xiàn)北斗信號的信號抽取，增強(qiáng)了北斗系統(tǒng)的抗多徑效應(yīng)能力。通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文算法有助于抑制北斗信號多徑效應(yīng)，以及在降低誤碼率方面有著優(yōu)越性能[7-8]。

1 衛(wèi)星通信的多徑信道模型

在對衛(wèi)星定位的日常使用中可以發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星通信信號在從天空端到地面控制站與用戶接收機(jī)之間存在多徑效應(yīng)，造成多徑信道的碼間干擾，為了減弱乃至消除這種多徑效應(yīng)帶來的誤差，實(shí)現(xiàn)干擾濾波，首先需要構(gòu)建一個(gè)衛(wèi)星通信的信道模型。假設(shè)衛(wèi)星向地面發(fā)送一個(gè)窄脈沖信號S0(t)=a0(t)，路徑個(gè)數(shù)為N，接收脈沖時(shí)延與衰減分別為τi和ai，wc表示碼元周期載頻，那么衛(wèi)星信號沿各路徑到接收端的脈沖為[9]：

(1)

在信號從天空傳至地面接收端的過程中，信號如遇到湖面、樓房或其他障礙物時(shí)會發(fā)生反射，形成一個(gè)信號多路徑到達(dá)接收端，造成接收機(jī)的碼間干擾，而這種多徑特性一般呈現(xiàn)出梯度變化，可以用如下函數(shù)表示[10]：

x(t)=λRe{an(t)ej2πfcτn(t)S1(t-τn(t))ej2πfct} ，

(2)

(3)

(4)

即[11]：

(5)

通過計(jì)算上述公式可知，要想構(gòu)建信道模型，只需要計(jì)算出衛(wèi)星通信時(shí)的最大多徑傳輸時(shí)延與最小多徑時(shí)延之差。但在實(shí)際傳輸過程中，存在碼間干擾，即接收信號中的碼元的波形會擴(kuò)展到相鄰乃至其他碼元周期中，為減弱或消除這種干擾引起的誤差，需要通過濾波完成。

2 信號特征分析

由上一節(jié)中建立的信道模型，可以計(jì)算出如均值方差這樣的信號數(shù)學(xué)特征值，并加以分析，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得，碼元速率過快是碼間干擾的主要成因之一，而碼元速率如果過慢又會影響信息傳播，浪費(fèi)資源，為限定碼元速率在合適范圍，通過[12]

(6)

信號模型來確定，式中an(t)為第n條多徑信道接收陣元信道沖擊響應(yīng)；τn(t)為第n條路徑的信號走過的距離；fc為調(diào)制頻率；sl(t)為時(shí)間擴(kuò)展[13]。

(7)

式中：G為約束矩陣；H為信號響應(yīng)量，則

(8)

式中：Cjzb為輸出功率，其中輸入適量的差值矩陣為Qaa。

D(L){LEQaaL+λ(LEG-h)} ，

(9)

由此可計(jì)算出約束信號為得到衛(wèi)星通信的信號濾波抗干擾的最優(yōu)解，即

(10)

通過上面的計(jì)算實(shí)現(xiàn)了對信號特征值的提取，為下一步進(jìn)行抗干擾算法的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

3 抗干擾濾波優(yōu)化算法

本文在上述設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，為減弱多徑效應(yīng)對系統(tǒng)造成的誤差，提高系統(tǒng)對多徑干擾的性能，通過分析短波通信多徑碼間干擾濾波器，采取一種基于直接序列擴(kuò)頻的短波通信多徑碼間干擾濾波算法，具體如下：

(11)

擴(kuò)頻信號a(t)為通信中信號源，Ta為隨機(jī)序列的碼元寬度，Ta=1/Ra，Ra為多徑碼元速率。采用PSK調(diào)制可得到短波通信的偽隨機(jī)序列c(t)，當(dāng)干擾信號JI(t)與其他網(wǎng)的擴(kuò)頻信號SJ(t)同步時(shí)，有c(t)=c′(t)，對于噪聲分量n1(t)，碼元速率為Rc，經(jīng)過擴(kuò)頻處理后，碼間干擾切普寬度為Tc，Tc=1/Rc，則：

(12)

其中：cn為偽隨機(jī)碼碼元，取值為基于二階自相關(guān)方法進(jìn)行時(shí)延、尺度的估計(jì)。假設(shè)gc(t)為抗干擾濾波的門函數(shù)，信號的背景噪聲為加性色噪聲v(n)，表示為高斯分布，設(shè)白噪聲是均值為0，方差為σ2的白噪聲序列，短波通信信號檢測為如下二元假設(shè)檢驗(yàn)問題：

(13)

式中：r(t)為信號單邊指數(shù)分布；g(t)為回波信號；n(t)為均值為0、方差為σ2的復(fù)平穩(wěn)高斯白噪聲。由此解得擴(kuò)頻濾波器的傳遞函數(shù)為：

(14)

由于信息流a(t)與偽隨機(jī)序列c(t)的模2加或相乘時(shí)，Rc/Ra>>1，因此擴(kuò)展后速率依然為Rc，通過上述算法實(shí)現(xiàn)對短波通信的抗干擾濾波，減小系統(tǒng)誤差。

4 測試仿真

圖1 信號時(shí)域波形圖2 改進(jìn)后波形

從圖1中可見受多徑效應(yīng)影響，原始信號幾乎全部被遮擋，使用本文中方法進(jìn)行多經(jīng)抑制，濾波后效果如圖2所示。

如圖2所示，對比應(yīng)用本文算法前信號圖像，可見信號質(zhì)量明顯改善，采用碼間干擾抑制技術(shù)后，幅度在0.2-0.4區(qū)間內(nèi)的信號遮擋被大幅度削弱，信號的瞬時(shí)功率譜密度等特征值能夠更容易讀取，對從信號中提取有用信息有幫助，且衛(wèi)星信號仍具有較好的空間增益，對北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在定位導(dǎo)航以及短報(bào)文傳輸應(yīng)用中有較好應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié) 論

為實(shí)現(xiàn)我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)趕超GPS系統(tǒng)，本文僅以抑制碼間干擾改進(jìn)算法，改善北斗衛(wèi)星信號在多經(jīng)效應(yīng)下的信號質(zhì)量為我國北斗戰(zhàn)略發(fā)展貢獻(xiàn)綿薄之力，希望北斗系統(tǒng)能在各應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用。下一階段工作目標(biāo)是提高算法在更高信噪比情況下的多徑效應(yīng)抑制效果，使算法有更廣的應(yīng)用環(huán)境。

[1] 田日才，李寶升.直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)抗多徑干擾能力的分析[J].移動通信，2004(S1)：152-155.

[2] 李春宇，張曉琳.基于盲反饋均衡的GPS信號多徑干擾抑制方法[J].電子學(xué)報(bào)，2011，39(1)：46-52.

[3] 高法欽，譚展中.無源北斗/慣導(dǎo)兩級濾波閉環(huán)組合算法[J].通信學(xué)報(bào)，2006，27(8)，52-53.

[4] 孫曉文，張淑芳，胡青.一種基于改進(jìn)的Rake模型的GNSS接收機(jī)抗多徑新技術(shù)[J].電子學(xué)報(bào)，2011，39(10)：2422-2425.

[5] Mohammad Zahidul H.Bhuiyan，Stefan Soderholm，Sarang Thombre.Performance Evaluation of Carrier-to-Noise Density Ratio Estimation Techniques for BeiDou B1 Signal[C].2014 Ubiquitous Positioning Indoor Navigation and Location Based Service，Texas，2014：19-25.

[6] 楊英杰，王曉峰，楊帆.基于UWB的多徑接收算法改進(jìn)與研究[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35(2)：83-88 .

[7] Zaimin He，Yonghui Hu，Jianfeng Wu.A comprehensive method for multipath performance analysis of GNSS navigation signals[C].2011 International Conference on Signal Processing Communications and Computing，Xi'an，2011.

[8] 李豹，許江寧，曹可勁.北斗二代導(dǎo)航信號抗多徑性能分析與仿真[J].中國慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，20(3)：339-347.

[9] Xinming Huang，Xiangwei Zhu，Xiaomei Tang.Asymmetric AltBOC modulation and its generalised form for BeiDou B2 signals[J].Electronics Letters，2016，52(2)：146-148.

[10] 陳輝華，任嘉偉，賈維敏.BOC信號解模糊通用模型的構(gòu)建與應(yīng)用[J].電子學(xué)報(bào)，2013，41(1)：1-7.

[11] R.Benjamin Harris，E.Glenn Lightsey.Precise observation of BOC modulated signals in the presence of noise and specular multipath[C].2008 IEEE/ION Position，Location and Navigation Symposium，Monterey，2008：1100-1114.

[12] 劉思慧，樊婧琦，歐鋼.多徑效應(yīng)的動態(tài)特性對碼跟蹤環(huán)路的影響分析[J].測繪學(xué)報(bào)，2011，40(S1)：89-94.

[13] 楊英杰，張文龍，胡義軒.基于超寬帶的聯(lián)合定位算法研究[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35(1)：83-87.

Application of Adaptive Anti-intersymbol Interference in Satellite Communication

Zhang Leiyu

(School of Information Engineering，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012)

Satellite communications have been frequently used in life，Beidou satellite has been covering the Asia&Pacific and put into use，but by a variety of interference positioning accuracy，errors due to multipath interference has become an important obstacle influence the positioning accuracy improvement.This article from the signal

by the multipath interference，and interference by means of a spreading sequence based on inter-code filtering algorithm，the signal model，and establish filters for multipath interference signal by extracting characteristic values according to the characteristic values suppression，successfully reduced the error rate and improve the quality of satellite communications.

Satellite communication；Filter；Spreading sequence；Beidou signals

2017-03-12

張雷雨(1991-)，男，在讀碩士研究生，主要研究方向：無線通信技術(shù).

1005-2992(2017)03-0103-04

U125

A

電子郵箱： 635971668@qq.com(張雷雨)