自适应抗码间干扰算法在卫星通信中的应用研究

张雷雨

(东北电力大学 信息工程学院，吉林 吉林 132012)



自适应抗码间干扰算法在卫星通信中的应用研究

张雷雨

(东北电力大学 信息工程学院，吉林 吉林 132012)

卫星通信在生活中已被频繁使用，我国北斗卫星已经覆盖亚太地区并投入使用，但受到多种干扰影响定位精度，多径干扰引起的误差已成为阻碍定位精度提高的重要因素之一。通过一种基于扩频序列的码间干扰滤波算法，建立信号模型，通过提取信号特征值并根据特征值建立滤波器实现对多径信号干扰的抑制，成功降低了误码率，提高了卫星通信质量。

卫星通信；滤波；扩频序列；码间干扰

随着社会进步科技的发展，粗精度定位导航已经无法满足广大用户的基本需求，对高精度导航定位的迫切需求越来越强烈，由此，高精度定位已经成为全球定位系统的主要应用需求之一，作为我国自主研制的北斗导航定位系统，在发展时间上已经不占优势，要想在市场占有一席之地，必须在自身性能方面寻求突破，而满足用户当前对高精度导航定位需求，是一个赶超GPS的绝佳机会[1-3]。而在众多影响定位精度的误差干扰之中，大部分误差干扰已有较成熟的修正模型降低误差，而多经误差还没有方法完全消除，减小多经误差影响已成为高精度定位的研究热点之一。

目前应对多径干扰的方法主要分为改进天线端与改进接收机结构，改进天线端一般采用抑制板抑制多经信号的接收，设置天线阵列对多径参数进行估计等方法。天线改进属于硬件设计方法，通过改进或添加硬件元件实现抑制多径，不仅过程繁琐，而且开销大，增加了用户负担。改进接收机一般使用多径削减技术、滞后-超前技术、窄相关技术、自适应滤波、盲均衡器、小波滤波等[4-6]。这些方法中，信号后处理方法由于引入了辅助参考观测量，降低了估计的实时性。本文提出了一种基于直接序列扩频的多径码间干扰滤波算法，通过模拟北斗信号伪随机序列，实现北斗信号的信号抽取，增强了北斗系统的抗多径效应能力。通过仿真实验验证了本文算法有助于抑制北斗信号多径效应，以及在降低误码率方面有着优越性能[7-8]。

1 卫星通信的多径信道模型

在对卫星定位的日常使用中可以发现，卫星通信信号在从天空端到地面控制站与用户接收机之间存在多径效应，造成多径信道的码间干扰，为了减弱乃至消除这种多径效应带来的误差，实现干扰滤波，首先需要构建一个卫星通信的信道模型。假设卫星向地面发送一个窄脉冲信号S0(t)=a0(t)，路径个数为N，接收脉冲时延与衰减分别为τi和ai，wc表示码元周期载频，那么卫星信号沿各路径到接收端的脉冲为[9]：

(1)

在信号从天空传至地面接收端的过程中，信号如遇到湖面、楼房或其他障碍物时会发生反射，形成一个信号多路径到达接收端，造成接收机的码间干扰，而这种多径特性一般呈现出梯度变化，可以用如下函数表示[10]：

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

(2)

(3)

(4)

即[11]：

(5)

通过计算上述公式可知，要想构建信道模型，只需要计算出卫星通信时的最大多径传输时延与最小多径时延之差。但在实际传输过程中，存在码间干扰，即接收信号中的码元的波形会扩展到相邻乃至其他码元周期中，为减弱或消除这种干扰引起的误差，需要通过滤波完成。

2 信号特征分析

由上一节中建立的信道模型，可以计算出如均值方差这样的信号数学特征值，并加以分析，根据实验测得，码元速率过快是码间干扰的主要成因之一，而码元速率如果过慢又会影响信息传播，浪费资源，为限定码元速率在合适范围，通过[12]

(6)

信号模型来确定，式中an(t)为第n条多径信道接收阵元信道冲击响应；τn(t)为第n条路径的信号走过的距离；fc为调制频率；sl(t)为时间扩展[13]。

(7)

式中：G为约束矩阵；H为信号响应量，则

(8)

式中：Cjzb为输出功率，其中输入适量的差值矩阵为Qaa。

D(L){LEQaaL+λ(LEG-h)} ，

(9)

由此可计算出约束信号为得到卫星通信的信号滤波抗干扰的最优解，即

(10)

通过上面的计算实现了对信号特征值的提取，为下一步进行抗干扰算法的设计提供了理论基础。

3 抗干扰滤波优化算法

本文在上述设计的基础上，为减弱多径效应对系统造成的误差，提高系统对多径干扰的性能，通过分析短波通信多径码间干扰滤波器，采取一种基于直接序列扩频的短波通信多径码间干扰滤波算法，具体如下：

(11)

扩频信号a(t)为通信中信号源，Ta为随机序列的码元宽度，Ta=1/Ra，Ra为多径码元速率。采用PSK调制可得到短波通信的伪随机序列c(t)，当干扰信号JI(t)与其他网的扩频信号SJ(t)同步时，有c(t)=c′(t)，对于噪声分量n1(t)，码元速率为Rc，经过扩频处理后，码间干扰切普宽度为Tc，Tc=1/Rc，则：

(12)

其中：cn为伪随机码码元，取值为基于二阶自相关方法进行时延、尺度的估计。假设gc(t)为抗干扰滤波的门函数，信号的背景噪声为加性色噪声v(n)，表示为高斯分布，设白噪声是均值为0，方差为σ2的白噪声序列，短波通信信号检测为如下二元假设检验问题：

(13)

式中：r(t)为信号单边指数分布；g(t)为回波信号；n(t)为均值为0、方差为σ2的复平稳高斯白噪声。由此解得扩频滤波器的传递函数为：

(14)

由于信息流a(t)与伪随机序列c(t)的模2加或相乘时，Rc/Ra>>1，因此扩展后速率依然为Rc，通过上述算法实现对短波通信的抗干扰滤波，减小系统误差。

4 测试仿真

图1 信号时域波形图2 改进后波形

从图1中可见受多径效应影响，原始信号几乎全部被遮挡，使用本文中方法进行多经抑制，滤波后效果如图2所示。

如图2所示，对比应用本文算法前信号图像，可见信号质量明显改善，采用码间干扰抑制技术后，幅度在0.2-0.4区间内的信号遮挡被大幅度削弱，信号的瞬时功率谱密度等特征值能够更容易读取，对从信号中提取有用信息有帮助，且卫星信号仍具有较好的空间增益，对北斗卫星系统在定位导航以及短报文传输应用中有较好应用价值。

5 结 论

为实现我国自主研发的北斗卫星导航系统赶超GPS系统，本文仅以抑制码间干扰改进算法，改善北斗卫星信号在多经效应下的信号质量为我国北斗战略发展贡献绵薄之力，希望北斗系统能在各应用领域发挥巨大作用。下一阶段工作目标是提高算法在更高信噪比情况下的多径效应抑制效果，使算法有更广的应用环境。

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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

张雷雨(1991-)，男，在读硕士研究生，主要研究方向：无线通信技术.

1005-2992(2017)03-0103-04

U125

A

电子邮箱： 635971668@qq.com(张雷雨)