一种基于MPPSK调制方式的抗脉冲干扰方法与流程

本发明属于通信系统中的信息解调领域，涉及数字通信抗干扰解调技术，具体涉及一种基于多元位置相移键控(mppsk)调制方式的抗脉冲干扰解调方法。

背景技术：

1、mppsk调制

频谱是不可再生的资源，承载着日益增长的各种无线业务，对世界各国都是宝贵的，如何更高效地使用有限的频谱资源对于我国现代化建设的可持续发展是至关重要的。多元位置相移键控(mppsk：m-arypositionphaseshiftkeying)是一种数字相位调制，通过对不同符号的信息调制出现在载波的不同时间位置来区分不同的码元，并且可实现频谱效率和功率效率的自由转换，具有较高的灵活性，在抗干扰通信方面具有较大的潜力，其m进制的调制波形表达式如下：

其中，fc为调制载波的频率，tc为载波周期，rg为符号保护间隔控制因子，且0≤rg＜1，由rg和整数m、n、k构成了改变mppsk信号带宽、传输效率和解调性能的“调制参数”。对于周期出现的保护间隔rg，其会在频率内引入额外的功率谱线谱，将严重影响mppsk调制的频谱利用率。

2、数字通信中的抗脉冲干扰技术

脉冲干扰主要是在时域短时内施放干扰，又称部分时间干扰。它作用时间较短，但突发的脉冲幅度很大，具有平坦的频谱特性，且其频谱覆盖整个信号带宽，其波形如图3(a)所示，图3(a)表示叠加了脉冲干扰和高斯白噪声的发送信号。

由于通信的迅速发展，出现了成熟的抗干扰技术，例如：扩频技术，实时选频技术，跳频技术，高频自适应技术等等，而现有的抗脉冲干扰技术主要是以下几种：

1)抗脉冲干扰一般采用限幅措施，利用脉冲干扰和有用信号的幅度在时域上的区别，借助限幅器的限幅特性来削弱干扰脉冲的幅度，这种限幅法发展成“宽—限—窄”抗干扰系统，该系统在限幅器之前利用宽带放大器放大脉冲干扰而又不把脉冲干扰展宽，在限幅器之后级联一个窄带滤波器，从频域进一步抑制脉冲干扰，但是限幅法本身不能克服抑制脉冲干扰和降低非线性拍频有害作用这一对矛盾，不利于随后的窄带滤波器抑制零频带干扰，同时，仅仅借助限幅器的特性削弱脉冲干扰的幅度，只要门限较低，虽然可以有限抑制脉冲干扰，但是处理后的接受信号中有用信号损失较大，不利于解调判决。

2)脉冲干扰熄灭法基于脉冲干扰与有用信号在幅度上的差异，利用门电路的开关特性来抑制脉冲干扰，在熄灭脉冲持续期间，熄灭器输出为零，其余时间无失真无衰减的传递信号，这种方法可以克服限幅法本身不能克服的非线性拍频有害作用，但是，为了有效抑制脉冲干扰，熄灭时间必须大于熄灭门处的脉冲干扰的持续时间，其大小决定于熄灭门前的带通滤波器的带宽和相应曲线的形状，而一般通信接受机中频放大器的滤波器瞬间响应不好，脉冲干扰被展宽的量比半功率点带宽的倒数大很多倍，性能不稳定。

3)脉冲干扰对消法利用脉冲干扰比有用信号幅度高这一特性，首先检测脉冲干扰，而后与原干扰相减或者倒相相加，以消除脉冲干扰，该方法实现复杂度较高，并且由于脉冲干扰的随机性，该方法不具备适用性，而且对通信接收机要求较高。本发明提出的抗脉冲干扰方法正好可以解决上述技术存在的不足，同时实现起来对硬件要求更低。

3、中值滤波算法和自适应滤波算法

中值滤波算法是一种非线性平滑技术，是基于排序统计理论的一种有效抑制散粒噪声的非线性信号处理技术，中值滤波的基本原理是把数字图像或时间数字序列中一点的值用其该点的一个邻域中各点值的中值代替，让该点周围的像素值接近的其真实值，从而消除孤立的噪声点。设在某一个时刻间窗口内的，信号样本为x(i-n)，…，x(i)，…，x(i+n)，其中x(i)为位于窗口中心的信号样本值。对这ln个信号样本值按从小到大的顺序排列序后，其中值在i处的样值，便定义为中值滤波的输出值，如下公式所示：

y(i)＝med(x(i-n),...x(i),...x(i+n))(2)

自适应滤波算法，就是利用前一时刻已以获得的滤波器参数的结果，自动的调节现时刻的滤波器参数，以适应信号和噪声未知的或随时间变化的统计特性，从而实现最优滤波。自适应滤波器实质上就是一种能调节其自身传输特性以达到最优的维纳滤波器。自适应滤波器，它不需要关于输入信号的先验知识，计算量小，特别适用于实时处理。由于无法预先知道信号和噪声的特性或者它们是随时间变化的，因此可设计自适应滤波器，以跟踪信号和噪声的变化。

4、svm

svm分类是针对线性可分情况进行分析，而对于线性不可分的情况，则通过非线性映射将低维输入空间线性不可分的样本转化到高维特征空间使其线性可分，从而使得在高维特征空间对样本的非线性特征进行线性分析成为可能。它基于结构风险最小化理论，在特征空间中建构最优分割超平面，使得学习器得到全局最优化，并在整个样本空间的期望风险以某个概率满足一定上界。

在小样本条件下，svm在解决非线性问题时具有良好的泛化和高维处理能力以及解的稀疏特性，同时，svm作为模式识别的分类工具，使得其在通信信号处理各个领域的应用已较为广泛，主要集中在数字调制方式识别和多用户检测等方面。

数字调制识别分为特征提取和分类两步，大多数方法在提取完特征(比如基于谱相关或者累积量)后将svm用作分类器，区别在于解决多分类问题上采用的策略不同，主要是得出最有可能的两种信号类型，再用svm进行二分类选择。

多用户检测问题把多址干扰看作具有一定结构的有效信息，在接收信号已知情况下，检测出目标用户所发送的信号。无噪声情况下线性svm收敛于线性最小均方误差接收机，并通过采用非线性高斯核函数，使检测性能接近最优的最大似然估计接收机。

技术实现要素：

为克服现有技术的缺点，本发明旨在提供一种基于mppsk调制方式的抗脉冲干扰方法，能有效抑制脉冲干扰，可极大提升在复杂的电磁对抗环境中的无线通信质量。

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于mppsk调制方式的抗脉冲干扰方法，包括以下步骤：

步骤1)将接收到的mppsk调制信号进行中值滤波处理；

优选的，所述mppsk调制信号采用mppsk双极性脉冲调制信号，且所述mppsk双极性脉冲调制信号的调制参数为m＝2,rg＝0,nc＝379,kc＝20。

步骤2)利用消波器对中值滤波处理后的所述mppsk调制信号进一步限幅以削弱干扰；

优选的，消波所采用的限幅器的阈值为所述mppsk调制信号波形最大值的1.5倍。

步骤3)采用自适应滤波器滤除消波后的所述mppsk调制信号中的残余脉冲干扰和信道噪声；

步骤4)将自适应滤波后的所述mppsk调制信号进行相干低通处理，即将自适应滤波后的所述mppsk调制信号乘以相干载波并进行低通滤波；

步骤5)在位同步指导下，利用svm分类器对相干低通处理后的所述mppsk调制信号判决以解调出发送码元。

优选的，步骤1)中，基于最小绝对误差原则，在进行所述中值滤波处理时需要选择合理的窗长，以达到窗内的脉冲干扰最大程度得到抑制的效果。

优选的，步骤3)中，所述自适应滤波器采用lms算法，基于最小均方准则，在训练和跟踪时应选择恰当的补偿因子、滤波器阶数及训练码元数据，以达到误差信号最小化的目的。

优选的，步骤5)中，所述svm分类器采用低复杂度的quadratic核函数，给定的码元信息数据是线性不可分的，利用该核函数将码元数据映射到高维空间中，接收端码元数据能够线性可分，最终达到分类的效果，同时，在对所述svm分类器采用部分训练数据得到相关参数后再对剩余码元进行判决输出。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明在接收端对mppsk调制信号所需要进行的中值滤波、消波以及自适应滤波处理，易于实现，大大降低对硬件的需求，节约资源。

2、本发明可实时将解调位置限定在一个可控范围之内，进而就可以减少发送端信号通过成型滤波约束带宽引起的码间干扰导致对码元位置的延迟。

3、本发明能够消除脉冲干扰的随机性，由于脉冲的随机性引起的解调性能的时好时坏的突发情况，相比经典解调方式，如匹配解调对位同步的要求非常严格，本发明所采用的svm判决只要输入码元信息的特征比较明显，利用码元波形的差异性，就可以准确判决，因此拥有较强的容错性和对判决位置的不敏感性。

4、相比传统的抗干扰技术，本发明利用自适应滤波和svm技术，有效抑制了高斯白噪声，大幅降低了干扰的随机性，解调性能优于匹配滤波约2db，sir＝-27db时，性能达到10e^-4，与幅度判决解调方案相比，本发明对于脉冲干扰性能明显优越。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1(a)是mppsk双极性脉冲码元调制波形。

图1(b)是mppsk双极性脉冲调制波形功率谱。

图2(a)是mppsk双极性脉冲基带成型信号。

图2(b)是mppsk双极性脉冲调制信号。

图3(a)是叠加了脉冲干扰和高斯白噪声的发送信号波形。

图3(b)是在接收端采用中值滤波和消波处理后的输出信号波形。

图4是经过自适应滤波处理后的输出信号波形。

图5是经过相干低通处理(即乘以相干载波并进行低通滤波)后的输出信号波形。

图6是送入svm分类器之前的mppsk调制信号眼图。

图7是本发明抗脉冲干扰方法的输出误码率结果。

图8是本发明的svm判决解调方法和经典解调方法的误码率曲线对比图。

图9是本发明的基于mppsk调制方式的抗脉冲干扰的解调方法步骤流程图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。此处所作说明用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

参见图9所示，一种基于mppsk调制方式的抗脉冲干扰方法，包括以下步骤：

步骤1)将接收到的mppsk调制信号进行中值滤波处理；

步骤2)利用消波器对中值滤波处理后的所述mppsk调制信号进一步限幅以削弱干扰；

步骤3)采用自适应滤波器滤除消波后的所述mppsk调制信号中的残余脉冲干扰和信道噪声；

步骤4)将自适应滤波后的所述mppsk调制信号进行相干低通处理，即将自适应滤波后的所述mppsk调制信号乘以相干载波并进行低通滤波；

步骤5)在位同步指导下，利用svm分类器对相干低通处理后的所述mppsk调制信号判决以解调出发送码元。

本发明的抗脉冲干扰方法是基于mppsk调制解调过程，相比于经典解调方案，在解调过程中，由于信号经过各种滤波处理，会发生延时，需要严格的实时位同步才能判决出输出，利用波形之间的特征直接采用svm判决输出。

本发明的基于mppsk调制方式的抗脉冲干扰方法应用如下：

1、mppsk调制信号

本发明引入了双极性脉冲，并在下文都以双极性脉冲为例进行介绍，参见图2(a)和图2(b)所示，图2(a)和图2(b)分别是本发明使用的mppsk双极性脉冲基带成型信号和调制信号，该调制信号采用的调制参数为m＝2,rg＝0,nc＝379,kc＝20。由于在很多实际应用中频谱资源的受限，线谱将严重影响mppsk调制的性能，故本发明中令rg＝0，取消相邻两个符号之间的保护间隔。为了适用于短波信道系统，将载波频率和波特率设为fc＝455khz,rb＝1.2kbaud。

双极性脉冲调制方式如下，其具体码元调制波形如图1(a)所示，具体调制波形功率谱如图1(b)所述。

2、mppsk数字接收机

接收机采用10倍频采样，所以采样率为4550khz。需要将接收到的mppsk调制信号进行限幅处理，即进行中值滤波和消波处理；消波后的输出信号需要再通过自适应滤波处理，消除残余的脉冲和噪声干扰；自适应滤波后的输出信号最后通过相干低通取包络之后便可根据波形特征输入svm判决输出并完成解调。具体步骤如下：

1)接收端接收到信号时，由于脉冲干扰的随机性较大，基于最小绝对误差原则，中值滤波需要选择合适的窗长，才能有效抑制落该窗之内的尖峰脉冲，但经中值滤波之后的该输出信号依旧含有残余脉冲干扰，所以需要对其消波，进行进一步限幅，限幅器阈值设置为调制波形的最大值的1.5倍。参见图3(b)所示，图3(b)表示进行中值滤波和消波处理后的输出信号波形。

2)从图3(b)中可以看出，中值滤波和消波处理后的输出波形依旧含有噪声和干扰，该残余噪声和干扰总体分布趋于平缓，随机性大大降低，因此可以利用lms自适应滤波处理，基于最小均方准则，该滤波器需要选择合理的步长，达到误差信号最小化的目的，并且需要对部分码元进行训练才可以得到合理的滤波器参数。即可用训练好的滤波器参数来对接收到的信号进行滤波处理，参见图4所示，图4表示经过自适应滤波处理后的输出信号波形。

本发明主要采用的基于lms自适应滤波算法，主要原理即输入信号x(n)通过参数可调数字滤波器后产生输出信号y(n)，将其与期望响应d(n)进行比较，形成误差信号e(n)，并以此通过某种自适应算法对滤波器参数进行调整，最终使e(n)的均方值最小。

3)从图4中可以看出，自适应滤波之后，输出信号波形总体特征与发送端信号差异性不大，说明上述处理对噪声和干扰抑制明显，接着对该信号进乘以相干载波后再低通滤波，从高频信号转化为基带信号，参见图5所示，图5表示相干低通处理后的输出信号波形。

4)参见图6所示，经过大量仿真结果表明，送入svm分类器之前的该mppsk调制信号的眼图特征较为明显，可以用匹配解调或者幅度判决解调，只有少组码元依然具有随机性，导致码元眼图畸变，因此很难精准取得位同步位置，而svm判决只需要输入码元的主要特征，并不需要实时取得位同步位置，因此完全可以解决脉冲干扰随机性带来的不确定性。

svm分类器采用低复杂度的quadratic核函数，给定的码元信息数据是线性不可分的，利用该核函数将码元数据映射到高维空间中，接收端码元数据能够线性可分，最终达到分类的效果，同时，在对所述svm分类器采用部分训练数据得到相关参数后再对剩余码元进行判决输出。

本发明同样是把svm作为分类器处理非线性问题，利用各种滤波算法去除脉冲干扰和噪声对mppsk调制信号的影响后，根据信号波形之间的特征直接送入svm分类器进行解调输出。

5)经过svm判决输出之后，解调结果参见图7所示，图7表示本发明抗脉冲干扰方法的解调性能。参见图8所示，图8表示经典解调方法和本发明的svm判决解调方法的误码率曲线对比图。从图8中可见，利用本发明的方法可有效抑制高斯白噪声、大幅降低干扰的随机性，解调性能优于匹配滤波约2db，sir＝-27db时，性能达到10e^-4，而幅度判决解调方案对于脉冲干扰性能明显性能较差。

以上结果表明，经典解调方法相较于本发明的方法性能较低，而且脉冲具有一定的随机性而导致解调结果的畸变性，可见，本发明提出的一种基于mppsk调制方式的抗脉冲干扰方法适用范围更为广泛，可有效地降低了脉冲干扰的影响，且不需要额外的处理位同步，解调性能更高，节约了成本，因此有望在未来的高效通信中“大显身手”。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。