一种电磁频谱伞罩数字域自干扰抑制方法及系统

摘要

本发明公开了一种电磁频谱伞罩数字域自干扰抑制方法及系统,所述包括以下步骤：S1.伞罩内的通信发射机产生通信信号；S2.伞罩干扰机根据伞罩干扰基带序列产生自干扰信号；S3.伞罩自干扰抑制接收机对接收到的信号进行预处理，得到基带信号；S4.对基带信号进行频偏估计与补偿，并以频偏补偿后的信号为基础，从时延、幅度、相位三个维度，对本地参考干扰信号进行估计与补偿，完成自干扰信号重建；S5.根据本地干扰重建信号进行伞罩数字域自干扰抑制；S6.对抑制得到的信号进行解调处理，恢复出通信发射机发送的数据。本发明实现了对伞罩自干扰信号频偏、时延、幅度、相位四个参数的高精度跟踪与补偿，有效解决了干扰信号的时频幅相四维对齐的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及电磁频谱伞罩系统，特别是涉及一种电磁频谱伞罩数字域自干扰抑制方法及系统。

背景技术

在特定区域，同时存在通信、探测、干扰、指控、导航等多种无线电收发设备。当大功率电子系统开机工作时，产生的同时同频干扰信号的辐射功率远超过我方电台接收机的灵敏度，严重时直接阻塞接收机的设备前端，造成这些设备接收中断。

同时，物理层安全技术不断发展，其中一种基本研究思路就是以各种窃听信道模型下的保密容量分析为基础，如果主信道比窃听信道的可靠性更好，就可以确保在一定码率上的可靠通信。本电磁频谱伞罩数字域自干扰抑制方法就是基于此思路，通过发送人为的干扰信号，使其干扰非法用户的正常通信，并通过自干扰抑制方法降低干扰信号对合法用户的影响，从而提升系统安全性。

电磁频谱伞罩数字域自干扰抑制方法，充分利用已知的干扰特征信息，在本地重建和消除干扰信号的影响，保证己方的正常通信。其中，精确地重建和跟踪伞罩自干扰信号是实现干扰抑制的关键所在。

由于收发信机之间的相对运动和时钟抖动的影响，伞罩自干扰信号的传播时延、幅度、相位、收发频偏均随时间变化，时频幅相的精准对齐是实现射频域高干扰抑制比的前提，因此实现电磁频谱伞罩数字域自干扰抑制的关键是干扰信号的时频幅相四维对齐。现有的干扰信号四维对齐研究主要集中在同时同频全双工，其研究对象是同一通信设备的发射信号对接收信号的干扰，即本机自干扰。

分析同时同频全双工具有以下特点：收发信道相对固定；本机自干扰信号的传播时延、幅度、相位均为定值；不存在收发频差。因此同时同频全双工通信技术不能解决干扰信号传播时延、幅度、相位、收发频偏的时变问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电磁频谱伞罩数字域自干扰抑制方法及系统，实现了对伞罩自干扰信号频偏、时延、幅度、相位四个参数的高精度跟踪与补偿，有效解决了干扰信号的时频幅相四维对齐的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种电磁频谱伞罩数字域自干扰抑制方法，包括以下步骤：

S1.伞罩内的通信发射机产生通信信号s(t)并进行发射；

S2.伞罩干扰机根据伞罩干扰基带序列y_b(n)产生自干扰信号y(t)，并向特定区域进行发射，提高该区域电磁波干扰强度，形成电磁频谱伞罩；

S3.伞罩自干扰抑制接收机对接收到的信号r(t)进行预处理，得到基带信号；

S4.伞罩自干扰抑制接收机在数字基带，对接收到的信号r(t)所对应的基带信号进行频偏估计与补偿，并将本地已知的伞罩干扰基带序列y_b(n)作为本地参考干扰信号，以频偏补偿后的信号为基础，从时延、幅度、相位三个维度，对本地参考干扰信号进行估计与补偿，完成自干扰信号重建，得到本地干扰重建信号；

S5.伞罩自干扰抑制接收机根据时频幅相补偿得到的本地干扰重建信号进行伞罩数字域自干扰抑制；

S6.伞罩自干扰抑制接收机对抑制得到的信号进行解调处理，恢复出通信发射机发送的数据。

进一步地，所述步骤S2包括：

S201.将伞罩干扰基带序列y_b(n)进行上变频，得到：

其中，f_c为发送信号的载波频率，T_s为信号采样率；

S202.对信号y(n)进行数模转换，得到连续的自干扰信号y(t)；

S203.将产生自干扰信号y(t)向特定区域进行发送，提高该区域电磁波干扰强度，形成电磁频谱伞罩。

进一步地，所述步骤S3包括：

伞罩自干扰抑制接收机对接收到的信号r(t)依次进行模数转换、下变频和成型滤波，得到对应的基带信号。

进一步地，所述步骤S4包括以下子步骤：

S401.经过无线信道后，设接收到的干扰信号部分为r_y(t)，接收到的有用信号部分为r_s(t)，瞬时加性高斯白噪声为n(t)，将伞罩接收机接收到的信号对应的基带信号表示为：

式中，A₁为幅度衰减系数，τ为相应的时延，f_r为伞罩中接收干扰信号的频率，θ为相位偏移，为自干扰信号y(t)经过无线传输信道后的信道衰减系数，f_Δ＝f_r-f_c为收发两端信号的频率偏差，r_s+n(t)为接收信号中有用信号和噪声部分对应的基带信号；

S402.在数字基带，对接收到的信号r(t)进行频偏估计与补偿：

将伞罩自干扰抑制接收机接收到信号r(t)对应的复基带信号采样序列表示为r(n)：

其中，为自干扰信号经无线传输信道后的信道衰减系数；r_s+n(n)为接收信号中有用信号和噪声部分对应的复基带信号采样序列；为伞罩干扰发射信号和干扰接收信号之间的时间差τ归一化分数时延；

对r(n)进行处理，推导出接收信号中干扰部分的频偏估计表达式为：

其中，m为每一帧中选取的导引序列长度，L为进行共轭相乘的两复信号项之间的间隔帧长；

根据频偏估计值进行频偏补偿，设则接收信号的频偏已被完全补偿，补偿后的信号为：

其中，α·y_b(n-D)为接收信号中频偏补偿后的干扰部分，为接收信号中频偏补偿后的有用部分和噪声部分之和；

S403.对频偏补偿后的信号进行符号级同步：将信号与干扰发射信号的采样序列作滑动相关，通过相关峰的位置确定序列中干扰部分的起始位置；

S404.同步至单个符号精度后，对进行分数级时延估计，并根据时延估计值对干扰参考信号进行时延补偿：

若接收信号的频偏已被完全补偿，补偿后的信号为：

将频偏补偿后的接收信号与本地参考干扰信号y_ref(n)＝y_b(n)作FFT变换，从时域变换到频域，进行共轭相乘和幅度归一化处理，有：

其中，Y_ref(ω)为本地参考干扰信号y_ref(n)的FFT变换，为接收信号的FFT变换；

对取相位，得到信号所在频段ω的相位函数该相位函数是一条相位直线方程，为：

其中，ω_d＜ω＜ω_u，其中ω_d是信号的低端频率，ω_u是信号的高端频率，该直线的斜率直接对应了两信号之间的时间差即估计出信号y_b(n)和信号之间的时间差，为：

根据估计值，采用Farrow滤波器分数时延对接收信号的时延进行补偿，假设滤波器的频率响应为：

其中，采用的多项式来逼近，即：

使H(e^jω)逼近即设计一组滤波器系数C_n,m，使其满足：

其中，ω∈[ω₀,ω₁]表示数字频率上线性时延带宽，表示分数时延参数的范围；

利用上述Farrow滤波器，对本地参考干扰信号进行时延补偿后，对应的基带信号为：

S405.对基带信号到信号之间的幅相衰减进行估计与补偿：

基于时延补偿后得到的本地参考干扰对应的基带信号为则由最大似然估计，得出：

计算幅度衰减的估计值为：

计算相位衰减的估计值为：

对进行幅相补偿，得到本地干扰重建信号为：

一种电磁频谱伞罩数字域自干扰抑制系统，包括通信发射机、伞罩干扰机和伞罩自干扰抑制接收机；

所述通信发射机，用于产生通信信号并进行发射；

所述伞罩干扰机，用于根据伞罩干扰基带序列产生自干扰信号，并向特定区域进行发射，提高该区域电磁波干扰强度，形成电磁频谱伞罩；

所述伞罩自干扰抑制接收机，用于接收电磁频谱伞罩中的信号变换到基带，在数字基带对基带信号进行频偏估计与补偿，以频偏补偿后的信号为基础，从时延、幅度、相位三个维度，对本地参考干扰信号进行估计与补偿，完成自干扰信号重建，得到本地干扰重建信号；根据本地干扰重建信号进行伞罩数字域自干扰抑制；然后对抑制得到的信号进行解调处理，恢复出通信发射机发送的数据。

其中，所述伞罩自干扰抑制接收机包括：信号接收转换单元，用于接收电磁频谱伞罩中的信号，对接收到的信号进行预处理，得到基带信号；自干扰重建单元，用于在数字基带对基带信号进行频偏估计与补偿，以频偏补偿后的信号为基础，从时延、幅度、相位三个维度，对本地参考干扰信号进行估计与补偿，完成自干扰信号重建，得到本地干扰重建信号；自干扰抑制单元，用于根据时频幅相补偿后的本地干扰重建信号进行伞罩数字域自干扰抑制；解调恢复单元，用于对抑制得到的信号进行解调处理，恢复出通信发射机发送的数据。

本发明的有益效果是：本发明实现了对伞罩自干扰信号频偏、时延、幅度、相位四个参数的高精度跟踪与补偿，有效解决了干扰信号的时频幅相四维对齐的问题，伞罩自干扰的抑制不受通信信号的类型制约，可以与任何已有的通信链路相结合，兼容性较强。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为电磁频谱伞罩数字域自干扰抑制原理；

图3为电磁频谱伞罩数字域自干扰抑制实验验证环境；

图4为电磁频谱伞罩数字域自干扰抑制接收机频率环工作方法；

图5为电磁频谱伞罩数字域自干扰抑制接收机时间环工作方法；

图6为电磁频谱伞罩数字域自干扰抑制接收机Farrow滤波器结构；

图7为电磁频谱伞罩数字域自干扰抑制接收机幅相环工作方法；

图8为自干扰抑制前和抑制后我方接收机信号频谱；

图9为自干扰抑制前和抑制后我方接收机信号频谱。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，一种电磁频谱伞罩数字域自干扰抑制方法，包括以下步骤：

S1.伞罩内的通信发射机产生通信信号s(t)并进行发射；

S2.伞罩干扰机根据伞罩干扰基带序列y_b(n)产生自干扰信号y(t)，并向特定区域进行发射，提高该区域电磁波干扰强度，形成电磁频谱伞罩；

S3.伞罩自干扰抑制接收机对接收到的信号r(t)进行预处理，得到基带信号；

S4.伞罩自干扰抑制接收机在数字基带，对接收到的信号r(t)所对应的基带信号进行频偏估计与补偿，并将本地已知的伞罩干扰基带序列y_b(n)作为本地参考干扰信号，以频偏补偿后的信号为基础，从时延、幅度、相位三个维度，对本地参考干扰信号进行估计与补偿，完成自干扰信号重建，得到本地干扰重建信号；

S5.伞罩自干扰抑制接收机根据时频幅相补偿得到的本地干扰重建信号进行伞罩数字域自干扰抑制；

S6.伞罩自干扰抑制接收机对抑制得到的信号进行解调处理，恢复出通信发射机发送的数据。

进一步地，所述步骤S2包括：

S201.将伞罩干扰基带序列y_b(n)进行上变频，得到：

其中，f_c为发送信号的载波频率，T_s为信号采样率；

S202.对信号y(n)进行数模转换，得到连续的自干扰信号y(t)；

S203.将产生自干扰信号y(t)向特定区域进行发送，提高该区域电磁波干扰强度，形成电磁频谱伞罩。

进一步地，所述步骤S3包括：

伞罩自干扰抑制接收机对接收到的信号r(t)依次进行模数转换、下变频和成型滤波，得到对应的基带信号。

进一步地，所述步骤S4包括以下子步骤：

S401.经过无线信道后，设接收到的干扰信号部分为r_y(t)，接收到的有用信号部分为r_s(t)，瞬时加性高斯白噪声为n(t)，将伞罩接收机接收到的信号对应的基带信号表示为：

式中，A₁为幅度衰减系数，τ为相应的时延，f_r为伞罩中接收干扰信号的频率，θ为相位偏移，为自干扰信号y(t)经过无线传输信道后的信道衰减系数，f_Δ＝f_r-f_c为收发两端信号的频率偏差，r_s+n(t)为接收信号中有用信号和噪声部分对应的基带信号；

S402.在数字基带，对接收到的信号r(t)进行频偏估计与补偿：

将伞罩自干扰抑制接收机接收到信号r(t)对应的复基带信号采样序列表示为r(n)：

其中，为自干扰信号经无线传输信道后的信道衰减系数；r_s+n(n)为接收信号中有用信号和噪声部分对应的复基带信号采样序列；为伞罩干扰发射信号和干扰接收信号之间的时间差τ归一化分数时延；

对r(n)进行处理，推导出接收信号中干扰部分的频偏估计表达式为：

其中，m为每一帧中选取的导引序列长度，L为进行共轭相乘的两复信号项之间的间隔帧长；

根据频偏估计值进行频偏补偿，设则接收信号的频偏已被完全补偿，补偿后的信号为：

其中，α·y_b(n-D)为接收信号中频偏补偿后的干扰部分，为接收信号中频偏补偿后的有用部分和噪声部分之和；

S403.对频偏补偿后的信号进行符号级同步：将信号与干扰发射信号的采样序列作滑动相关，通过相关峰的位置确定序列中干扰部分的起始位置；

S404.同步至单个符号精度后，对进行分数级时延估计，并根据时延估计值对干扰参考信号进行时延补偿：

若接收信号的频偏已被完全补偿，补偿后的信号为：

将频偏补偿后的接收信号与本地参考干扰信号y_ref(n)＝y_b(n)作FFT变换，从时域变换到频域，进行共轭相乘和幅度归一化处理，有：

其中，Y_ref(ω)为本地参考干扰信号y_ref(n)的FFT变换，为接收信号的FFT变换；

对取相位，得到信号所在频段ω的相位函数该相位函数是一条相位直线方程，为：

其中，ω_d＜ω＜ω_u，其中ω_d是信号的低端频率，ω_u是信号的高端频率，该直线的斜率直接对应了两信号之间的时间差，即估计出信号y_b(n)和信号之间的时间差，为：

根据估计值，采用Farrow滤波器分数时延对接收信号的时延进行补偿，假设滤波器的频率响应为：

其中，采用的多项式来逼近，即：

使H(e^jω)逼近即设计一组滤波器系数C_n,m，使其满足：

其中，ω∈[ω₀,ω₁]表示数字频率上线性时延带宽，表示分数时延参数的范围；

利用上述Farrow滤波器，对本地参考干扰信号进行时延补偿后，对应的基带信号为：

S405.对基带信号到信号之间的幅相衰减进行估计与补偿：

基于时延补偿后得到的本地参考干扰对应的基带信号为则由最大似然估计，得出：

计算幅度衰减的估计值为：

计算相位衰减的估计值为：

对进行幅相补偿，得到本地干扰重建信号为：

一种电磁频谱伞罩数字域自干扰抑制系统，包括通信发射机、伞罩干扰机和伞罩自干扰抑制接收机；

所述通信发射机，用于产生通信信号并进行发射；

所述伞罩干扰机，用于根据伞罩干扰基带序列产生自干扰信号，并向特定区域进行发射，提高该区域电磁波干扰强度，形成电磁频谱伞罩；

所述伞罩自干扰抑制接收机，用于接收电磁频谱伞罩中的信号变换到基带，在数字基带对基带信号进行频偏估计与补偿，以频偏补偿后的信号为基础，从时延、幅度、相位三个维度，对本地参考干扰信号进行估计与补偿，完成自干扰信号重建，得到本地干扰重建信号；根据本地干扰重建信号进行伞罩数字域自干扰抑制；然后对抑制得到的信号进行解调处理，恢复出通信发射机发送的数据。

其中，所述伞罩自干扰抑制接收机包括：信号接收转换单元，用于接收电磁频谱伞罩中的信号，对接收到的信号进行预处理，得到基带信号；自干扰重建单元，用于在数字基带对基带信号进行频偏估计与补偿，以频偏补偿后的信号为基础，从时延、幅度、相位三个维度，对本地参考干扰信号进行估计与补偿，完成自干扰信号重建，得到本地干扰重建信号；自干扰抑制单元，用于根据时频幅相补偿后的本地干扰重建信号进行伞罩数字域自干扰抑制；解调恢复单元，用于对抑制得到的信号进行解调处理，恢复出通信发射机发送的数据。

在本申请的实施例中，以FM信号为通信发射机、M序列扩频信号为干扰发射机为例，本发明的工作原理如图2所示。伞罩干扰机发射机、FM通信发射机通过天线分别辐射出去信号1、2，接收天线接收到合信号3，送至伞罩自干扰抑制接收机。自干扰抑制接收机充分利用已知的干扰特征信息，在本地重建和跟踪干扰信号，进行数字域干扰抵消，实现己方的正常通信，伞罩自干扰抑制实验验证环境如图3所示。

以图4所示的伞罩自干扰抑制接收机频率环工作方法为例，频率环包括频率估计和补偿，将接收信号4进行缓存，从每帧中选取导引序列开始与结束所处位置，设置对应间隔帧数，使这两帧导引序列对应共轭相乘，对乘积累加、取相位，得到频偏估计值，完成频偏对齐，得到频偏校正后的接收信号5，实现信号载波同步。

以图5所示的伞罩自干扰抑制接收机时间环工作方法为例，时间环包括时间估计和补偿，接收信号5和本地参考信号6通过相关完成符号同步，再作FFT变换，从时域变换到频域，进行共轭相乘和幅度归一化处理，得到一条相位直线方程，直线的斜率即表示干扰发射信号和接收信号之间的时间差。再通过Farrow滤波器分数延时完成时间对齐，得到重建信号7。

以图6所示的伞罩自干扰抑制接收机Farrow滤波器结构为例，Farrow结构有M组N阶FIR滤波器构成，其中虚线框图中具体画出了第M组N阶FIR滤波器(C_M-1)的内部结构，其余M-1组N阶FIR滤波器的实现方式与C_M-1相同。Farrow结构所需要的滤波器阶数远大于前两种滤波器结构，运算量很大，它的优点是当时延变化时，仅改变时延参数D，就可以获得不同的分数时延，不用重新加载系数，节省了存储空间，降低了硬件实现的复杂度。

以图7所示的伞罩自干扰抑制接收机幅相环工作方法为例，幅相环包括幅度估计和补偿，接收信号5与参考信号7进行共轭相乘和归一化处理，得到幅度估计值，完成幅度对齐，最后得到时频幅相四维对齐后的重建信号8。

为了对本发明提出的一种电磁频谱伞罩数字域自干扰抑制方法的性能进行验证，对电磁频谱伞罩实验设备参数设置如下：

图8给出了通信发射机保持静默时，伞罩自干扰抑制前和抑制后的我方接收机信号功率谱。当我方接收机的干噪比为30dB时，自干扰抑制度为28.5dB。自干扰抑制度基本不受自干扰发射功率的影响。

图9给出了伞罩内的通信发射机正常发射FM调制语音信号时，自干扰抑制前和抑制后的我方接收机信号功率谱。我方天线输出口的干信比为10dB。自干扰被抑制前，期望的FM调制信号被淹没在干扰信号频谱中，无法正常解调和播放语音信号；自干扰抑制后，能够看到期望的FM调制信号频谱轮廓，可以正常解调和播放语音信号。FM收音机一直无法正常解调和播放语音信号。

综上所述，考虑无线通信系统中伞罩数字域自干扰抑制的传输场景，针对加性白高斯噪声无线传播信道，在加性白高斯噪声无线自干扰信道中，本文提出的一种电磁频谱伞罩数字域自干扰抑制方法在指定区域可以干扰非法通信，同时根据干扰特征在本地重建并抵消干扰，以保证己方正常通信的集干扰与通信为一体。从仿真结果中容易看出：自干扰抑制前，通信发射机与我方接收机的通信被阻塞；自干扰抑制后，通信发射机与我方接收机可以正常进行通信。非法接收机一直不能够正常接收通信信号。该结果初步验证了本方法的可行性。

这里已经通过具体的实施例子对本发明进行了详细描述，提供上述实施例的描述为了使本领域的技术人员制造或适用本发明，这些实施例的各种修改对于本领域的技术人员来说是容易理解的。本发明并不限于这些例子，或其中的某些方面。本发明的范围通过附加的权利要求进行详细说明。

上述说明示出并描述了本发明的一个优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。