专利名称：一种扩展频谱信号的接收方法及接收装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种扩展频谱信号的接收方法，尤其涉及一种利用盲源分离提高抗干扰能力的扩展频谱信号的接收方法，属于扩频通信技术领域。
背景技术：
在扩展频谱通信(spread spectrum communications，简称扩频通信或扩谱通信) 中，传输信号的带宽W远大于原始信号的带宽R，即扩频信号的带宽扩展因子G = W/R远大于1。当前的扩频通信技术主要包括跳频扩频技术和直接序列扩频技术。跳频(frequency hopping,FH)扩频通信是指通信收发双方或各方在相同同步算法和伪随机跳频图案算法控制下，射频频率在约定的频率表内以离散频率形式伪随机且同步跳变的通信技术。在跳频通信中，射频在跳变过程中所能覆盖的带宽远远大于原信息带宽，因而扩展了频谱。直接序列扩频(direct sequence spread spectrum, DSSS)通信技术在发送端采用一速率远远大于信息序列的伪噪声码(也称伪码序列、伪随机序列)对信息序列进行扩频，将其频谱展宽，在接收端采用相同的伪噪声码对扩频信号进行解扩、解调，以恢复原始信号。扩频通信在扩展频谱过程中引入了冗余，使其具有一定的抗干扰能力。目前，扩频通信已经成为通信抗干扰的主流技术手段，在军事和民用通信中得到了广泛应用。为了解决了不断增长的用户数目与有限的信道资源之间的矛盾，扩频通信通常采用多址接入技术。多址接入技术使得大量用户可以共享公共传输媒介以传送信息。最基本的多址接入技术有频分多址(frequency division multiple access，FDMA)、时分多址 (time division multiple access,TDMA)禾口石马分多址(code division multiple access, CDMA)。频分多址技术把信道频带分割为若干互不重叠的子频带(也称子信道)，将不同的子频带分配给不同的用户使用。时分多址技术把持续时间分割为互不重叠的帧(时段)，再将帧分割成互不重叠的时隙，根据用户需求为每个用户分配一个帧中的特定时隙，根据时隙区分来自不同地址的用户信号，从而实现多址接入。码分多址技术为每个用户分配一个唯一的签名序列(signature sequence)，不同用户的签名序列互不相关或仅具有较小的相关性。上述三种基本的多址接入技术还可以混合采用，如频分与时分合并(FD/TDMA)，频分和码分合并(FD/CDMA)等。上述多址技术的一个突出的特点在于不同用户的扩频信号之间互不相关或仅具有较小的相关性，使得接收机能够从多用户混合信号中有效提取当前用户信号，抑制其他用户信号或干扰信号。在军事通信方面，战场电磁环境日趋复杂，扩频通信的生存能力遇到了严峻的考验。在民用通信方面，由于频谱资源日益紧张，其他通信信号落入宽带扩频信号频谱内的概率也日渐提高，同样面临着在干扰条件下保持可靠通信的问题。但是，扩频通信的抗干扰能力以牺牲频谱资源或传输容量为代价，频谱资源的有限性与当前大数据量传输的需求，限制了其抗干扰能力的进一步提高，需要寻求新的方法以提高其抗干扰能力
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服盲源分离技术在扩频通信中应用所面临的多天线的技术瓶颈，提供一种扩展频谱信号的接收方法及接收装置，仅需要较少的天线 (最少只需要两根天线)，即可实现盲源分离在扩频通信中的应用，从而提高扩频通信的抗干扰能力。本发明具体采用以下技术方案—种扩展频谱信号的接收方法，该方法包括利用至少两根天线分别接收扩展频谱信号的步骤；以接收的至少两路信号作为观测信号进行盲源分离的步骤；以及对盲源分离得到的分离信号进行识别，识别出有用信号和干扰信号的步骤。优选方案之一，所述扩展频谱信号的接收方法具体包括以下步骤步骤1、利用至少两根天线分别接收扩展频谱信号；步骤2、对接收到的至少两路扩展频谱信号分别进行解扩-解调处理；步骤3、以解扩-解调后的至少两路信号作为观测信号进行盲源分离，得到两路分离信号；步骤4、对盲源分离得到的两路分离信号进行识别，识别出有用信号和干扰信号； 然后对有用信号进行译码，得到源信号。优选方案之二，所述扩展频谱信号的接收方法具体包括以下步骤步骤1、利用至少两根天线分别接收扩展频谱信号；步骤2、对接收到的至少两路扩展频谱信号分别进行解扩处理；步骤3、以解扩后的至少两路信号作为观测信号进行盲源分离，得到两路分离信号；步骤4、对盲源分离得到的两路分离信号进行识别，识别出有用信号和干扰信号；然后对有用信号进行解调、译码，得到源信号。上述两种优选技术方案利用不同用户扩频信号在频域、码域或时域的近似正交特性，在接收端先对混合信号进行解扩，在有效提取当前用户信号的同时，抑制其他用户信号和干扰信号，从而降低了混合信号的维度。该方案特别适用于多用户组网的情况，也可用于单用户(即点对点通信)时的情况。考虑到点对点的扩频通信，只有一路扩频信号和一路干扰信号，接收端设置两根天线即可满足盲源分离的适定条件，因此可以对两根天线接收到的扩展频谱信号直接进行盲源分离，从而得到本发明的另一优选技术方案如下所述扩展频谱信号为单用户信号，所述接收方法具体包括以下步骤步骤1、利用至少两根天线分别接收扩展频谱信号；步骤2、以接收到的至少两路扩展频谱信号作为观测信号进行盲源分离，得到两路分离信号；步骤3、对盲源分离得到的两路分离信号进行识别，识别出有用信号和干扰信号；步骤4、对有用信号进行解扩-解调、译码，得到源信号。进一步地，该方法还包括对识别出的干扰信号的特征参数进行分析并将分析结果反馈给信号发送端的步骤。以实现干扰规避，从而进一步提高扩频通信的抗干扰能力。一种扩展频谱信号的接收装置，该装置包括依信号流向顺次连接的至少两路并联的信号接收通道，以及盲源分离单元、信号识别单元、译码单元；所述信号接收通道包括天线和解扩-解调单元，用于接收扩展频谱无线信号并解扩-解调；所述盲源分离单元以解扩-解调后的至少两路信号作为观测信号进行盲源分离；所述信号识别单元对盲源分离单元分离出的信号进行识别，识别出有用信号和干扰信号；所述译码单元对识别出的有用信号进行译码，得到源信息，并将源信息发送给信宿。一种扩展频谱信号的接收装置，所述扩展频谱信号为单用户信号，该装置包括依信号流向顺次连接的至少两根天线、盲源分离单元、信号识别单元、解扩-解调单元、译码单元；所述至少两根天线分别接收扩展频谱无线信号；所述盲源分离单元以接收到的至少两路扩展频谱信号作为观测信号进行盲源分离；所述信号识别单元对盲源分离单元分离出的信号进行识别，识别出有用信号和干扰信号；所述解扩-解调单元和译码单元分别对识别出的有用信号进行解扩-解调、译码，得到源信息，并将源信息发送给信宿。进一步地，所述信号识别单元还对识别出的干扰信号的特征参数进行分析。—种扩频通信系统，包括信号发送端和信号接收端，所述信号接收端包括上述任意一种扩展频谱信号的接收装置。本发明将盲源分离与扩频通信的固有特征相结合，可以在最少仅需两根天线的情况下，利用盲源分离技术实现有用信号与干扰信号的有效分离，增强了扩频通信的抗干扰能力，提高了输出信干比。相比现有技术，本发明具有以下优点本发明可以将扩频信号与干扰信号彼此分离，当干扰信号与扩频信号频谱重叠且功率远远强于扩频信号时(例如梳状干扰、部分频带阻塞干扰)，这一点是非常有利的；本发明可以在两根天线的情况下实现多用户扩频信号与干扰信号的有效分离，从而降低了系统硬件及安装调试的成本，具有极高的实用性；本发明可以实现扩频信号与多种干扰信号的有效分离。改变了传统抗干扰方法需要针对不同干扰类型采取不同抗干扰方法的不便，增强了系统的灵活性。
图1为本发明的点对点扩频通信系统结构示意图，其中虚线框中为扩展频谱信号的接收装置；图2为本发明的多用户组网扩频通信系统结构示意图，其中虚线框中为扩展频谱信号的接收装置；图3为盲源分离的原理示意图；图4为fastICA盲源分离算法流程图；图5为点对点扩频通信受到部分频带阻塞干扰时，采用本发明方法的效果示意图，图中由上至下依次为跳频信号频谱图、部分频带阻塞干扰的频谱图、两路混合接收信号的频谱图以及两路分离信号的频谱图；图6为点对点扩频通信受到梳状干扰时，采用本发明方法的效果示意图，图中由上至下依次为跳频信号频谱图、梳状干扰的频谱图、两路混合接收信号的频谱图以及两路分离信号的频谱图；图7为点对点扩频通信受到扫频干扰时，采用本发明方法的效果示意图，图中由 (a)至(f)依次为跳频信号的时频图、梳状干扰的时频图、两路混合接收信号的时频图以及两路分离信号的时频图；图8为多用户组网跳频扩频通信受到部分频带阻塞干扰、扫频干扰和梳状干扰时，分别采用本发明接收方法和传统接收方法所得到的误码率随信号与干扰功率比关系曲线.
一入 ，图9为多用户组网DS-CDMA通信受到相关干扰时，分别采用本发明接收方法和传统接收方法所得到的误码率随信号与干扰功率比关系曲线。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明本发明的思路是将盲源分离技术引入扩频通信的接收端，通过至少两路信号接收通道分别接收扩频信号，然后利用盲源分离技术将有用信号与干扰信号进行分离，从而提高扩频通信的抗干扰能力。盲源分离(blind source separation, BSS)是当前信号处理和神经网络领域的研究热点，指源信号和传输通道完全未知或仅有少量先验知识情况下，仅利用传感器输出的观测混合信号对源信号及传输通道进行估计的理论与技术。盲源分离在极大化(或极小化)某种对照函数前提下，将线性或非线性混合信号分离开来，从而降低了信号之间的相互影响。盲源分离可以将时域、频域重叠或不重叠的信号分离开来。如果能够利用盲源分离技术将扩频信号与干扰信号分离开来，就可在不增加信号带宽(或减少传输容量)条件下，明显提高扩频通信的抗干扰能力。为便于公众理解本发明技术方案，下面先对盲源分离的基本原理作一简要介绍考虑多维源信号s (t) = [Sl(t),s2(t),L,sn(t)]T,Si(t)为第 i个(1 彡 i 彡η)源信号列向量，[·]τ表示矩阵转置。设接收端存在m个传感器，传感器接收信号为源信号的某种混合形式，设接收信号为x(t) = [X1 (t)，x2 (t)，L，xffl (t)]T, Xj (t)为第j个(1彡j彡m) 传感器的接收信号列向量。接收信号x(t)可写成如下形式x(t) = ξ (s(t))+n(t)(1)式(1)中，ξ (·)表示源信号与混合信号之间的混合情况，即从i "空间到i m空间的映射，该映射关系既可以是线性的，也可以是非线性的。n(t)表示噪声信号。盲源分离的主要任务是在仅仅知道混合信号x(t)的情况下，对源信号s (t)及混合情况ξ (·)进行估计。如果能够估计出ξ ( ·)的逆映射，设为Ψ ( ·)，将接收混合信号从i m空间变换为源信号的i "空间，即可实现源信号的有效估计。z(t) = Ψ (χ (t))(2)当源信号Si (t)和~ (t) (1 ^ i ^ n, 1 ^ j ^ n, i ^ j)互相统计独立时，盲源分离问题也称为独立分量分析。1994年，P. Comon发表著名文章建立了盲源分离的理论体系，他指出盲源分离问题可以等价为某种对照函数下的动态寻优过程。盲源分离通常在极大化(或极小化)某些对照函数(设为f(z(t)))情况下对逆映射Ψ(·)进行估计，其原理如图3所示。盲源分离的对照函数主要包括似然函数、熵、互信息和非高斯性等，其中一些对照函数在数学上具有等价性。盲源分离的动态寻优过程包括梯度法和固定点法等迭代方法。盲源分离由于没有或较少先验信息可供利用，存在限定条件，一般要求接收传感器数目不得少于源信号数目。对于传感器数目远远少于源信号数目的盲源分离问题，目前尚未找到较好的解决办法。对于点对点的扩频通信，由于只有一路扩频信号和一路干扰信号，接收端设置两根天线即可满足盲源分离的适定条件，因此可采用如图1所示的扩频通信系统，该系统包括发送端和接收端，发送端将信源提供的源信号进行编码、调制-扩频后发送；接收端如图中虚线框中所示，包括并联的两路天线、盲源分离单元、信号识别单元、解扩-解调单元、译码单元；两路天线分别接收发送端发送的扩频信号；盲源分离单元以这两路扩频信号作为观测信号进行盲源分离，分离出的两路信号传送至信号识别单元；信号识别单元从分离信号中识别出有用信号和干扰信号，将有用信号传送至解扩-解调单元，并对识别出的干扰信号的特征参数(功率、带宽等)进行分析以便发送端据以进行干扰规避；解扩-解调单元、译码单元依次对识别出的有用信号进行解扩-解调和译码，得到源信号，并将源信号发送给信宿。对于多用户组网的扩频通信，由于用户信号数量远大于接收端可能设置的天线数量，因此无法如上述方案一样，直接对少量天线接收的信号进行盲源分离。对于此种情况， 本发明的扩频通信系统结构如图2所示，包括发送端和接收端，发送端将信源提供的源信号进行编码、调制-扩频后发送；接收端如图中虚线框中所示，包括两路分别由天线和解扩-解调单元构成的信号接收通道，两路通道分别接收发送端发送的扩频信号并对其进行解扩-解调，以获取基带信号，解扩-解调后的基带信号送入盲源分离单元；盲源分离单元以解扩-解调后的两路信号作为观测信号进行盲源分离，分离出的两路信号传送至信号识别单元；信号识别单元从分离信号中识别出有用信号和干扰信号，将有用信号传送至译码单元；译码单元对有用信号进行译码即可得到发送端发送的源信号，并将其送至信宿。下面对本发明如何对扩频信号和干扰信号进行盲源分离进行进一步详细说明。当扩频通信以点对点方式工作时，源信号经编码、调制及扩频后成为扩频信号 s (t)，假设干扰方发起一路干扰信号J (t)，两者在无线信道中混合在一起。在接收端设置两根天线，由于每根天线的接收信号中均含有干扰信号，扩频通信性能受到干扰的影响。以线性瞬时混合为例，两路接收信号可表示为
权利要求
1.一种扩展频谱信号的接收方法，其特征在于，该方法包括利用至少两根天线分别接收扩展频谱信号的步骤；以接收的至少两路信号作为观测信号进行盲源分离的步骤；以及对盲源分离得到的分离信号进行识别，识别出有用信号和干扰信号的步骤。
2.如权利要求1所述扩展频谱信号的接收方法，其特征在于，具体包括以下步骤 步骤1、利用至少两根天线分别接收扩展频谱信号；步骤2、对接收到的至少两路扩展频谱信号分别进行解扩-解调处理；步骤3、以解扩-解调后的至少两路信号作为观测信号进行盲源分离，得到两路分离信号；步骤4、对盲源分离得到的两路分离信号进行识别，识别出有用信号和干扰信号；然后对有用信号进行译码，得到源信号。
3.如权利要求1所述扩展频谱信号的接收方法，其特征在于，所述扩展频谱信号为单用户信号，所述接收方法具体包括以下步骤步骤1、利用至少两根天线分别接收扩展频谱信号；步骤2、以接收到的至少两路扩展频谱信号作为观测信号进行盲源分离，得到两路分离信号；步骤3、对盲源分离得到的两路分离信号进行识别，识别出有用信号和干扰信号； 步骤4、对有用信号进行解扩-解调、译码，得到源信号。
4.如权利要求1所述扩展频谱信号的接收方法，其特征在于，所述扩展频谱信号的接收方法具体包括以下步骤步骤1、利用至少两根天线分别接收扩展频谱信号； 步骤2、对接收到的至少两路扩展频谱信号分别进行解扩处理； 步骤3、以解扩后的至少两路信号作为观测信号进行盲源分离，得到两路分离信号； 步骤4、对盲源分离得到的两路分离信号进行识别，识别出有用信号和干扰信号；然后对有用信号进行解调、译码，得到源信号。
5.如权利要求1所述扩展频谱信号的接收方法，其特征在于，采用以下方法对有用信号和干扰信号进行识别分别判断盲源分离得到的两路信号中是否包含预先约定的特定信息，包含该特定信息的信号为有用信号，另一路信号为干扰信号；所述特定信息由信号发送端预先在发送的源信号中插入。
6.如权利要求3所述扩展频谱信号的接收方法，其特征在于，该方法还包括对识别出的干扰信号的特征参数进行分析并将分析结果反馈给信号发送端的步骤。
7.一种扩展频谱信号的接收装置，其特征在于，该装置包括依信号流向顺次连接的至少两路并联的信号接收通道，以及盲源分离单元、信号识别单元、译码单元；所述信号接收通道包括天线和解扩-解调单元，用于接收扩展频谱无线信号并解扩-解调；所述盲源分离单元以解扩-解调后的至少两路信号作为观测信号进行盲源分离；所述信号识别单元对盲源分离单元分离出的信号进行识别，识别出有用信号和干扰信号；所述译码单元对识别出的有用信号进行译码，得到源信息，并将源信息发送给信宿。
8.一种扩展频谱信号的接收装置，所述扩展频谱信号为单用户信号，其特征在于，该装置包括依信号流向顺次连接的至少两根天线、盲源分离单元、信号识别单元、解扩-解调单元、译码单元；所述至少两根天线分别接收扩展频谱无线信号；所述盲源分离单元以接收到的至少两路扩展频谱信号作为观测信号进行盲源分离；所述信号识别单元对盲源分离单元分离出的信号进行识别，识别出有用信号和干扰信号；所述解扩-解调单元和译码单元分别对识别出的有用信号进行解扩-解调、译码，得到源信息，并将源信息发送给信宿。
9.如权利要求8所述扩展频谱信号的接收装置，其特征在于，所述信号识别单元还对识别出的干扰信号的特征参数进行分析。
10.一种扩频通信系统，包括信号发送端和信号接收端，其特征在于，所述信号接收端包括如权利要求7、8或9所述扩展频谱信号的接收装置。
全文摘要
本发明公开了一种扩展频谱信号的接收方法，属于扩频通信技术领域。该方法包括利用至少两根天线分别接收扩展频谱信号的步骤；以接收的至少两路信号作为观测信号进行盲源分离的步骤；以及对盲源分离得到的分离信号进行识别，识别出有用信号和干扰信号的步骤。本发明还公开了一种扩展频谱信号的接收装置以及一种扩频通信系统。本发明有效增强了扩频通信的抗干扰性能，提高了输出信干比，具有较高的实用性和灵活性。
文档编号H04B1/7097GK102215048SQ201110211870
公开日2011年10月12日 申请日期2011年7月27日 优先权日2011年7月27日
发明者于淼, 范菊莉 申请人:中国人民解放军总参谋部第六十三研究所, 南京航空航天大学