专利名称：复杂干扰下基于分数傅立叶变换和模糊变换的变换域通信系统基函数的优化设计方法
复杂^下基于分数傅立叶突块和 变换的变换域通信系统基函数的优化设计方法
技术领城
本发明属f无线通信技术领域，特别涉及变换域通信系统(TDCS)中基函数(BF)优化设计的方法。
TDCS是近年来提出的一种新艰抗干扰、抗截获体制，通过联合发射、接收设计信号波形、从信号构成 中彻底消除干扰频谱的方式实现抗千扰。TDCS具有良奵的抗干扰、抗截获性能。TDCS系统中发射信号的 波形设计娃决定系统性能的关键，苴接影响到系统的抗干扰、抗截获性能。发射信号的波形由系统基凼数 决定，对系统基凼数的研究是TDCS关键技术之一。
发明内容
本发明提出了在平稳、非平稳复杂环境干扰下的TDCS基函数优化设计方法，采用本方法可使设计的基 函数获得最佳的干扰副除、最优的工.作带宽，从而使基凼数具有最佳抗环境干扰的能力。
本发明的创新之处在于提出基T随机模糊变换+傅立I^换(RAT+FRFT〉的环境干扰逐次估计方法, 实现了变换域通信系统环境干扰的准确估计；提出基于环境干扰参数的准确估计，产生与各干扰分呈相正 交的子基函数、通过子基函数级联产生系统基Efi数的方法，剔除基凼数中的干扰谱提出基函数带宽优化 与干扰剐除优化的方法，使生成的基凼数带宽与干扰别除最住。采用该方法生成的基函数使变换域通信系 统具有良好的抗干扰性能及环境适应性。
本发明由产生与各干扰分紫相正交的子基函数、通过子基函数级联产生系统基函数的方法及基函数带 宽优化与千扰剔除优化方法两部分组成。本发明在TDCS系统结构的基础上，提出基于RAT+FRFT的环境干扰逐次估计方法，产生与各线性调频 类干扰正交的子基函数；再对剔除线性调频类干扰后的环境谱进行剰余干扰剔除优化最后将各子基函数级联，得到系统基函数。
1、 系统结构
TDCS系统结构如图1所示。若发射机与接收机工作环境一致、同步工作时，同时完成对环境干扰的估 计，得到相同的环境谱估计Jfl(O,采用相同的BF生成方法，得到相同的BF。 6(/)和^是BF的时域表 示，互为共轭。5(")和J5'(M)是BF的频域表示，a为共轭。rf(O是发射数据。s(f)是BF'两制数据后的发射信号。/"(0是接收信号，J(O是接收数据估值，由K,)与本地基函数^相关输出产生。在所产生的 基函数6")中，不包括环境干扰谱成分，即环境干扰与发送信号lL交，环境干扰对信号的传输不产生影响。
2、 基函数的产生
BF决定发射信号波形及系统抗干扰性能，对系统A有十分巫耍的作WJ。环境估计与BF幅值生成原理 如图2所示。在得到的环境谦估计&4(M)中，与门限々比较得到丑oo的幅值^")，超过々时置0，低于々时 ai,得到频谮与干扰请正交的基函数丑oo:5("W(")e'w") (1)"是变换域，可以是频域、分数域、小波域等，相位Wio由随机相位映im产生，使产生的5(")时域表示&(0具有噪声相似性，以提高TDCS的抗截获能力与通倌的可靠性。在理想情况下，环境干扰均是可准确估计、并且是可以完全从BF中剔除的，R此，TDCS具有良好的 抗干扰性。但实际上，环境干扰具有多样性，干扰信号的性质、大小具有不确定性，所以，耍完全副除环 境干扰谱是不可能的，要使TDCS系统性能最佳，必须尽可能剔除BF中的干扰成分，同时使BF具有对非 剔除干扰的最佳抵抗能力。3、 最优基函数设计要求为使系统性能最优，误码率应尽紫低，基函数应满足以下条件 (1)未剔除干扰应越小且越少越好； (2〉丑(")的頻谱^^应越宽越好。4、 基B数生成中的干扰逐次鹏除与带宽优化根据3可知，BF的设计应使得所包含的环境干扰谱最少、同时要求所含非零带宽最宽。因此，本发明 从两方面考虑朋的优化设计，即干扰的彻底剔除与BF非零带宽的最大化。 (1) 干扰剔除与基函数生成本发明主要考虑以下儿种干扰单音、单线性调频、多线性调频等典继的平稳与非平稳干扰。本发明采用RAT+FRFT变换，对环境采样ja(/)进行迭代干扰估计、消除，并可避免强干扰对弱干扰 的屏蔽影响。本发明中对环境干扰估计、各干扰对应子基函数的产生及系统基函数的生成方法如图3所示 由图3可见，环境采样wi(O经RAT变换，得到线性调频类非平稳干扰J,的变换角度a.,(i')及幅值4(f),为避免强干扰对弱干扰的屏蔽影响，按照^(0由大到小，以A(i')为变换角对M(O逐次进行FRFT 变换，得到S4(lO及干扰J,在"域的相应位置"(0:根据得到的估计结果，在仅考虑,剔除的前提下， 按照"2、基函数的产生"的要求，生成与^相应的子基函数A(")，并按下面将介绍的BF带宽优化的方 法进行优化。丑,00经IFRFT变换后，得到相应的时域表示^(0:经干扰消除，S4(")中消除J,，再经 IFRFT变换，得到幼'(O ,更新变换角度a = a.,(!'+1)，对Sfl'(O重新进行FRFT,以完成的参 数估计；依此方法，按照干扰由强到弱的次序，逐次得到各干扰的参数并生成相应的时域子基函数6,布^ 6,(0级联后得到系统的时域基函数&《)即系统基函数为各《对应的子基函数的巻积。由丁-6"0与乂正交，从而保证了6(f)丄jJ, (f-l，…，A^) 的正交性.在发送端以6(0为数据调制波形，在接收端采用其共轭形式^为本地相关函数。
(2) 干扰剔除优化与基函数带宽优化在由估计参数生成相应的子BF过程中，可实现干扰剔除优化及子BF带宽优化，本发明采用的方法如 下。设定门限，即可确定被副除的干扰与相应的于BF,并可根据以下方法，进一步剔除干扰，反复迭代调 整，即可得到干扰最佳剔除与子BF最佳带宽。在平均噪声功率密度和干扰峰值功率之间设置初始门限4.,以A^,为步长，降低门限，^.的选取无特殊要求，其大小与门限调整的次数和精度有关。新门限乂7.=4.-^.,如图4所示，并按以下条件 决定门限的调整是否结束。降低判决门限前，噪卢+干扰的功率谱密度^为W -(^。5",,, = W。 +(■/ + A)/5肌 (2)其中丑ap,是门瞎降低前的子BF带宽，</,,是未副除干扰，成除^以外的^效干扰，W。是噪声功率密度。 降低判决门限后，噪声+干扰的功率谱密度^2为『2 =( 5W,2 +</11)/5W2 = W0 +</B/5w,2 (3) 即门限降低后，4与 < 间的干扰被剔除，子基函数带宽变为 5W.2 - - AB柳=BflF1 -, 和分别是,在门限々和A;.下的带宽，A5.,("是门限改变前后^所占频带宽度的变化。为使门限降低后系统性能更好，必须满足 ;>^2 (4)即门限降低后的噪声+干扰的功率谱密度必须小丁门限降低前的噪卢+干扰的功率谱密度，也即必须满足4/碼(0> ,.2 (5)因此，要求被剔除干扰的功率谱密度必须大于剔除后剰余干扰在子基函数带内的等效功率谱密度，才能达 到通过调整门限提高系统性能的目的.若条件(5)满足，则门限调整有效，再进一步降低门限，进行新的迭代调整，直至条件不满足时为 止，从而得到相应于该被剔除干扰的最佳干扰剔除及最佳带宽的子基函数。 通过该方法，可以逐一优化各干扰剔除及相应的子基函数带宽。对完成干扰逐一剔除后的环境采样Jfl'(f),可按类似方法进行进一步优化，剔除非chirp类干扰。如 将Jfl'(O进行适当角度的冊打变换，得到如图5所示的谱估计人是信号传输时的干扰或除,以外的等效残余干扰，是干扰门限由4.降为4.时可能消除的干 扰，带宽为A(,.):门限降低前后对应的带宽分别为5w,p 5 ,2。以相同的原理可得，满足以下条件，则可降低门限，剔除干扰^: (,)>"/"M ,2 (6)再按步长A^进一步降低门限，进行新的迭代调整，直至条件不满足时为.l卜.，得到干扰副除最佳与
带宽虽优，生成相应的子基函数^(w)。将剰余干扰副除后的子基函数与各干扰分呆剔除时对应的子基—函 数级连，得到系统基函数
6s(f) = 6( 6，(, " 、(,(f)
本发明的优点
(1) 采用RAT+冊FT可实现线性调频类干扰的快速、准确的估计、剔除
(2) 可实现非线性类调频干扰的最佳剔除、使基函数频带最佳化
(3) 通过子基函数级联、可得到最佳系统基函数。
图1 TDCS系统结构
幽2环境谱估计与基函数幅值的确定
图3系统基函数生成方法
图4干扰逐一副除时子基函数带宽优化
图5 Chirp干扰逐一剔除后的残余干扰剔除优化。
权利要求
1. 一种基于模糊变换+分数傅立叶变换(RAT+FRFT)的环境于扰逐次估计、产生与各干扰分量相正交的子基函数、通过子基函数级联产生系统基函数的方法，其特征在于，所述基函数生成包括如下步骤步骤一干扰估计与子基函数生成环境干扰估计原理参见说明书附图1、2、3、4、5。具体包括如下步骤第一步环境干扰采样。收发两端分别对环境干扰信号进行采样，得到环境采样sa(t)。第二步干扰信号变换角度的计算。采用RAT估计不同干扰信号的最佳变换角度αi，i＝1，…，NJm(i是干扰信号序号，NJm是干扰信号数)，使干扰信号在变换域内不同变换角度下的能量集中程度最高，占用范围最窄。第三步环境采样的FRFT变换。通过对环境采样进行变换角度αi的FRFT变换，得到分数域u内的变换SA(u)，使干扰分量在其变换域呈现能量集中状态。第四步干扰分量带宽优化及判决门限的产生。根据带宽优化要求，确定干扰分量在变换域内的范围及相应判决门限AT。第五步干扰分量频谱标记。将第三步产生的FRFT变换SA(u)与第四步产生的门限值AT比较，超过门限值AT的分量被设定为0，其它的分量设定为1，生成相应的子基函数频谱幅度序列Ai(u)。第六步子基函数随机相位生成。采用随机相位映射法生成随机相位序列id="icf0001" file="A2006100227250002C1.gif" wi="10" he="4" top= "165" left = "145" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>第七步子基函数生成。将生成的随机相位序列与频谱幅度序列Ai(u)对应元素相乘得到子基函数的变换域表示id="icf0002" file="A2006100227250002C2.gif" wi="30" he="4" top= "195" left = "93" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>对Bi(u)进行FRFT逆运算，得到子基函数的时域表示id="icf0003" file="A2006100227250002C3.gif" wi="45" he="4" top= "217" left = "85" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>第八步干扰分量剔除。将第二步产生的FRFT变换与第三步产生的门限值比较，超过门限值的分量被设定为0，其它的分量不变，得到干扰分量剔除后的环境干扰估计SA′(u)
2 、根据权利要求1所述的一种基于模糊变换+分数傅立叶变换(RAT+FRFT)的变换域通信系统基函 数的优化设计方法，其特征在f,采用RAT+FRFT估计环境千扰参数。
3 、根据权利要求1所述的一种基亍分数傅立叶变换(FRFT)的变换域通信系统基函数的优化设计方法, 其特征在于-,采用带宽优化方法得到干扰分量剔除门限，并得到砂J除干扰分量后的子基函数。
4 、根据权利要求1所述的一种基:P分数傅立叶变换(FRFT)的变换域通信系统基函数的优化设计方法, 其特征在f,采用剩余干扰剔除方法得到剰余干扰剔除后的子基Bfi数。
5 、根据权利要求1所述的一种基T-分数傅立叶变换(FRFT)的变换域通信系统基函数的优化设计方法, 其特征在于，通过子基函数级连得到系统基函数，收发两端基凼数互为共轭.
全文摘要
一种基于模糊变换+分数傅立叶变换(RAT+FRFT)的变换域通信系统基函数的优化设计方法，属于无线通信技术领域，涉及认知无线技术中的信号设计技术。本方法达到以下目的1.采用基于RAT+FRFT的环境干扰逐次估计方法，实现环境干扰的准确估计；2.采用基于环境干扰参数的准确估计，产生与各干扰分量相正交的子基函数、通过子基函数级联产生系统基函数的方法，剔除基函数中的干扰谱；3.采用基函数带宽优化与干扰剔除优化的方法，使生成的基函数带宽与干扰剔除最佳。采用该方法生成的基函数使变换域通信系统具有良好的抗干扰性能及环境适应性。
文档编号H04B17/00GK101212259SQ20061002272
公开日2008年7月2日 申请日期2006年12月31日 优先权日2006年12月31日
发明者张忠培, 王传丹 申请人:电子科技大学