重疊加窗下衛星直序擴頻通信干擾非線性抑制方法

摘" 要： 由于離散傅里葉變換是通過對整個窗口內的信號進行頻域變換，如果信號在窗口的兩端產生不連續性，會導致頻譜泄漏。而重疊加窗技術能夠通過窗口的重疊部分來平滑信號，在不同時間窗口之間實現平滑過渡，減小頻率泄漏和旁瓣效應的影響。因此，為提高通信性能，文中研究重疊加窗下衛星直序擴頻通信干擾非線性抑制方法。將衛星直序擴頻通信信號分成兩路，通過改進升余弦窗函數，分別進行1/2重疊加窗處理；利用調制離散傅里葉變換算法變換加窗后的兩路擴頻通信時域信號，得到頻域信號；采用自適應門限干擾檢測算法非線性干擾抑制兩路頻域信號；由改進自適應幅度恢復非對稱算法還原抑制后的頻域信號，并對其進行逆變換處理，得到時域信號；按照1/2重疊加窗思想，融合兩路時域信號，完成通信干擾非線性抑制。實驗結果證明：該方法可有效重疊加窗處理衛星直序擴頻通信時域信號，避免了旁瓣效應的影響，準確地抑制了衛星直序擴頻通信干擾。

關鍵詞： 重疊加窗； 衛星直序； 擴頻通信干擾； 非線性抑制； 窗函數； 傅里葉變換； 門限干擾； 幅度恢復

中圖分類號： TN914.42?34""""""""""""""""""""""" 文獻標識碼： A""""""""""""""""""""""" 文章編號： 1004?373X（2024）09?0016?05

Nonlinear suppression method of satellite direct sequence spread spectrum communication interference under overlapping windowing

WANG Jianpeng1， CHEN Ye1， CAO Desheng2

（1. North University of China， Taiyuan 030051， China;

2. School of Computing， North China Institute of Science and Technology， Langfang 101601， China）

Abstract： Since the discrete Fourier transform （DFT） involves frequency domain transformation of the signals in the entire window， it may lead to spectrum leakage if discontinuity occurs to the signals at both ends of the window. The overlapping windowing technology can smooth the signals by the overlapping parts of the window， achieve smooth transitions among different time windows， and reduce the impact of frequency leakage and sidelobe effects. Therefore， a nonlinear suppression method for satellite direct sequence spread spectrum communication interference under overlapping windowing is studied in order to improve communication performance. The satellite direct sequence spread spectrum communication signals are divided into two channels， and 1/2 overlapping windowing processing is performed by improving the raised cosine window function. The modulation DFT algorithm is used to transform the windowed 2?channel spread spectrum communication time?domain signals and obtain the frequency?domain signals. Adaptive threshold interference detection algorithm is adopted to interference and suppress 2?channel frequency?domain signals nonlinearly. The improved adaptive amplitude recovery asymmetric algorithm is used to restore the suppressed frequency?domain signals， which is then subjected to inverse transformation processing to obtain the time?domain signals. According to the idea of 1/2 overlapping windowing， 2?channel time?domain signals are fused to achieve the nonlinear suppression of communication interference. The experimental results have shown that the proposed method can effectively fulfill overlapping windowing to process time?domain signals in satellite direct sequence spread spectrum communication， which avoids the influence of sidelobe effects and accurately suppresses the interference of satellite direct sequence spread spectrum communication.

Keywords： overlapping windowing; satellite direct sequence; spread spectrum communication interference; nonlinear suppression; window function; Fourier transform; threshold interference; amplitude recovery

DOI：10.16652/j.issn.1004?373x.2024.09.004

引用格式：王建鵬，陳曄，曹德勝.重疊加窗下衛星直序擴頻通信干擾非線性抑制方法[J].現代電子技術，2024，47（9）：16?20.

收稿日期：2024?02?19"""""""""" 修回日期：2024?03?12

基金項目：國家自然科學基金項目：采動覆巖壓拉應變轉換區時空連續信息感知與變形破壞機理研究（42377200）

0" 引" 言

直序擴頻通信作為衛星通信中的一種重要方式被廣泛應用[1]。然而，在實際應用中，由于各種干擾的存在[2]，直序擴頻通信的性能受到了一定的影響。其中，非線性干擾是一種常見的干擾形式，其影響尤為嚴重[3]。因此，研究非線性抑制方法非常重要。

文獻[4]通過改進的變分模態分解算法對衛星直序擴頻信號進行分解，有效提取出信號中的非線性成分，并采取相應措施進行抑制。實驗結果表明，該方法在抑制衛星直序擴頻通信干擾方面具有較好的效果，提高了通信系統的性能和穩定性。但變分模態分解算法對噪聲較為敏感，如果信號中存在噪聲，會影響非線性成分的提取效果。文獻[5]利用低通濾波器對衛星直序擴頻信號進行處理，濾除其中的高頻干擾成分，從而實現對非線性干擾的抑制。實驗結果表明，該方法在抑制衛星直序擴頻通信干擾方面具有一定的效果，但對于某些高頻率的非線性干擾成分，該方法則無法完全濾除。文獻[6]結合液晶矩陣的并行處理能力和遺傳算法的優化搜索能力，對衛星直序擴頻信號中的非線性干擾進行抑制。通過液晶矩陣實現信號的并行預處理，降低計算復雜度，然后利用遺傳算法對非線性干擾進行優化抑制。但該方法對大規模非線性干擾處理能力有限。文獻[7]利用深度無監督學習技術學習衛星直序擴頻信號的特征，實現對非線性干擾的有效抑制。在無標簽數據的情況下，該方法能夠自適應地提取信號中的有用信息，并自動識別和抑制非線性干擾。雖然深度無監督學習能夠自適應地提取信號特征并識別非線性干擾，但對于某些復雜的非線性干擾，該方法的抑制效果不夠理想。利用離散傅里葉變換（Discrete Fourier Transform， DFT）[8?10]對信號進行頻域分析過程中，DFT會將信號轉換為周期性的頻譜表示，而通過重疊加窗技術可以進一步減小DFT的旁瓣效應，提高頻域信號的分辨率，從而更精確地識別和抑制非線性干擾。為此，本文提出重疊加窗下衛星直序擴頻通信干擾非線性抑制方法。

1nbsp; 衛星直序擴頻通信干擾非線性抑制方法

通過對衛星直序擴頻通信信號進行1/2重疊加窗處理，可以令非線性干擾的旁瓣降至有效信號主瓣以下，達到降低非線性干擾頻譜泄漏對有效信號頻譜影響的目的。為此，依據1/2重疊加窗思想，設計衛星直序擴頻通信干擾非線性抑制方法，該方法的實現過程如圖1所示。

重疊加窗下衛星直序擴頻通信干擾非線性抑制的具體步驟如下：

步驟1：將衛星直序擴頻通信信號分成兩路，分別進行1/2重疊加窗，并對兩路直序擴頻通信信號展開頻域干擾非線性抑制處理[11]，實現重疊加窗。

步驟2：通過窗函數加窗處理兩路衛星直序擴頻通信信號，并對加窗后的兩路衛星直序擴頻通信信號分別進行DFT轉換，將衛星直序擴頻通信信號從時域變換至頻域。

步驟3：對兩路衛星直序擴頻通信頻域信號[12]展開自適應門限干擾檢測，完成干擾非線性抑制。

步驟4：通過自適應幅度恢復非對稱改進算法，處理干擾非線性抑制后的頻譜信號，并對其進行IDFT逆變換處理，將頻譜信號還原回時域。

步驟5：按照1/2重疊加窗思想，對非線性干擾抑制后的兩路衛星直序擴頻通信時域信號展開信號融合，即選取兩路時域信號內各段加窗內的中心1/2部分時域信號重新組合，得到完整的非線性干擾抑制后的衛星直序擴頻通信信號。

1.1" 重疊加窗下DFT的擴頻通信信號頻域變換

在DFT利用變換擴頻通信信號頻域的過程中，重疊加窗通過將信號劃分為多個時間窗口并進行重疊處理，能夠在時域上增加信號的平滑性，從而減小頻率泄漏和旁瓣效應。因此，利用重疊加窗下DFT優化擴頻通信信號頻域變換結果。

常用的窗函數有升余弦窗[cn]、改進升余弦窗[cn]、二階升余弦窗[cn]。其中，改進升余弦窗[cn]在頻域上具有更窄的主瓣以及更快的旁瓣衰減速度，相比于普通的升余弦窗和二階升余弦窗，改進升余弦窗能夠更好地控制旁瓣泄漏的影響，減小頻譜泄漏，保證較高的頻譜分辨率。為此，通過綜合考慮上述影響，選擇[cn]為最終的窗函數。

令衛星直序擴頻通信信號是[xg]，則針對一個[G]點的DFT為：

[Xk=g=0G-1xgexp-2πkcn] （1）

式中，[k=0，1，…，g，…，G-1]。將[G]點的衛星直序擴頻通信頻譜分割成[H]個子帶，各子帶中均包含[b]個頻點，因此，式（1）變為：

[Xk=XkH] （2）

此時，將[G]個衛星直序擴頻通信信號采樣點分割成[B]段，各段均包含[l]個不間斷的采樣點。則重疊加窗下DFT的擴頻通信信號頻域變換結果為：

[Xk=Xkexp-2πBlH] （3）

1.2" 基于自適應門限干擾檢測的干擾非線性抑制

由于改進升余弦窗口的限制和頻域變換引起的泄漏效應，導致信號能量泄漏到其他頻率，使得頻域變換后的信號可能會受到旁瓣干擾影響，即在目標頻率以外的頻率出現干擾信號，影響信號檢測和識別。為此，利用自適應門限干擾檢測算法，對1.1節重疊加窗下DFT變換后的衛星直序擴頻通信頻域信號[Xk]進行干擾非線性抑制。

在該算法中，令衛星直序擴頻通信干擾非線性抑制的原假設是[Q0]，在檢驗統計量[s=0]的情況下，[Q0]成立，則代表衛星直序擴頻通信頻域信號內無干擾信號，可直接對譜線展開IDFT逆變換[13?14]，獲取衛星直序擴頻通信時域信號。在[sgt;0]的情況下，備選假設[Q1]成立，則代表衛星直序擴頻通信頻域信號內存在干擾信號，對其展開裁剪或置零處理，并再次計算[Z]，重新檢驗，以無滿足[Q1]的譜線存在為止。具體步驟如下：

步驟1：計算衛星直序擴頻通信頻域信號內[η]根譜線幅度平方的均值[Z]，公式如下：

[Z=Xk+Vk2η] （4）

式中[Vk]為衛星直序擴頻通信頻域信號內的背景噪聲。

步驟2：計算檢測門限閾值[ε=5Z]。

步驟3：統計衛星直序擴頻通信頻域信號內[η]根譜線，求解[s]，得到干擾非線性抑制后的衛星直序擴頻通信頻域信號[X]；若[sgt;0]，那么對衛星直序擴頻通信頻域信號幅度取平方值，超過[ε]的譜線，實施裁剪或置零處理。

步驟4：跳轉至步驟1，再次檢驗完成處理的譜線，以[Q0]成立為止，完成衛星直序擴頻通信干擾非線性抑制。

1.3" 衛星直序擴頻通信頻域信號還原

即使進行了干擾非線性抑制，也可能導致信號失真或部分信息丟失。因此，為了提高衛星直序擴頻通信數據傳輸的完整性和準確性，減少誤碼率，確保接收到的數據信息準確無誤，利用改進自適應幅度恢復非對稱算法對1.2節干擾非線性抑制后的衛星直序擴頻通信頻域信號進行還原，得到無干擾狀態的衛星直序擴頻通信頻域信號。通過此過程，盡量恢復信號原有的頻譜特性和信號質量，減小信號處理過程中引入的失真。

令有無干擾情況下的監測門限閾值是[ε]、[ε]，則放大系數為：

[a=εε] （5）

將干擾非線性抑制后的衛星直序擴頻通信頻域信號[X]和[a]相乘，此時[X]與[Vk]均被放大了[a2]倍，則放大后的衛星直序擴頻通信頻域信號為：

[X=1.76+6.02X+20lg a] （6）

在IDFT逆變換前，將干擾非線性抑制后的衛星直序擴頻通信頻域信號截短了低[u0]位寬，那么還原的衛星直序擴頻通信頻域信號為：

[Y=1.76+6.02X-u0+20lg a] （7）

通過式（7）獲取的衛星直序擴頻通信頻域信號內已無干擾信號，至此完成衛星直序擴頻通信干擾非線性抑制。

2" 實驗分析

以某衛星接收機為實驗對象，該衛星接收機的相關參數如表1所示。

表1" 衛星接收機的相關參數

[參數名稱""""" 參數值""" 接收頻率范圍/MHz""""" 950～2 150""""" 符號率范圍/（Msps）" 0.4～15""" 加密方式"""""" 支持ABS?S標準加密，同時支持CI+和CA接口" 電源要求"""""" AC 100～240 V，50/60 Hz""" ]

該衛星接收機的實際現場情況如圖2所示。

利用本文方法對該衛星接收機的衛星直序擴頻通信時域信號進行1/2重疊加窗處理，1/2重疊加窗后的衛星直序擴頻通信時域信號如圖3所示。

分析圖3a）可知，未經1/2重疊加窗處理前，衛星直序擴頻通信時域信號無法呈現其變化趨勢，且存在斷斷續續的問題。分析圖3b）可知，經過本文方法1/2重疊加窗處理后，衛星直序擴頻通信時域信號可以清晰呈現其變化趨勢且連續。綜合分析可知，本文方法可有效處理衛星直序擴頻通信時域信號，提升信號的連續性。證實了本文方法利用改進升余弦窗在重疊加窗下進行DFT的擴頻通信信號頻域變換，能夠有效地改善信號處理過程中的頻譜特性，提高信號的頻域分辨率和準確性。

利用本文方法將衛星直序擴頻通信時域信號轉換至頻域，得到擴頻通信頻域信號，轉換結果如圖4所示。

分析圖4可知，本文方法可有效將衛星直序擴頻通信時域信號變換至頻域內，得到頻域信號，但頻域信號內存在干擾信號，導致其存在大幅度振蕩現象。利用本文方法對頻域信號進行干擾非線性抑制，非線性抑制結果如圖5所示。

分析圖5可知，本文方法可有效對衛星直序擴頻通信頻域信號進行干擾非線性抑制，經過干擾非線性抑制后，頻域信號內已無任何干擾，可清晰呈現頻域信號的變化趨勢，且無振蕩現象。

3" 結" 論

隨著衛星通信的快速發展，非線性干擾問題日益突出，對衛星直序擴頻通信干擾非線性抑制方法的研究具有重要的實際意義。為此，重疊加窗下衛星直序擴頻通信干擾非線性抑制方法通過選擇合適的窗函數，有效降低了濾波器的邊緣效應，實現對非線性干擾的有效抑制，提高了信號的保真度。

注：本文通訊作者為曹德勝。

參考文獻

[1] 李向群，伍亞萍，莊旭菲，等.結合廣義S變換和快速獨立分量分析的局放信號中窄帶干擾抑制方法[J].現代電力，2022，39（5）：597?604.

[2] 高玉斌，岳顯昌，周慶，等.高頻地波雷達射頻干擾慢時域抑制方法[J].雷達科學與技術，2023，21（1）：53?63.

[3] 張育豪，朱圣棋，曾操，等.EPC?MIMO雷達主瓣距離欺騙式干擾抑制方法[J].系統工程與電子技術，2023，45（3）：690?698.

[4] 董丹丹，孫寧.基于改進變分模態分解的電力線寬帶載波通信干擾耦合協同抑制方法[J].電信科學，2023，39（5）：129?135.

[5] 陳飛強，劉哲，黃龍，等.衛星導航接收機中快掃頻干擾低復雜度抑制方法[J].國防科技大學學報，2023，45（5）：105?110.

[6] KROHN A， PACHNICKE S， HOEHER P A. Genetic optimization of liquid crystal matrix based interference suppression for VLC MIMO transmissions [J]. IEEE photonics journal， 2022， 14（1）： 1?5.

[7] MEHMOOD A， WAQAR O， RAHMAN M M U. Throughput maximization of an IRS?assisted wireless powered network with interference： A deep unsupervised learning approach [J]. Physical communication， 2022， 51： 101558.

[8] 劉曉軍，周廣，盧文龍，等.加窗加權插值離散傅里葉變換在波長掃描干涉儀中的應用[J].華中科技大學學報（自然科學版），2023，51（6）：41?47.

[9] 季金亮，馬慶勛，李紫薇.基于變換域的遙感測繪圖像條帶噪聲濾波方法[J].計算機仿真，2023，40（3）：206?209.

[10] 鄒曜璞，馮絢，韓昌佩，等.基于響應率修正的傅里葉變換光譜儀非線性校正算法研究[J].紅外與毫米波學報，2023，42（3）：369?376.

[11] 朱宏韜，符青松，楊萬里.一種基于射頻光傳輸技術的同址干擾抑制方法[J].光通信技術，2022，46（4）：73?76.

[12] 戚連剛，申振恒，王亞妮，等.基于周期截斷數據矩陣奇異值分解的干擾抑制技術[J].電子與信息學報，2022，44（6）：2143?2150.

[13] 張亮，杜慶磊，胡冰，等.基于FFT插值的Keystone變換實現方法[J].電光與控制，2023，30（10）：82?88.

[14] 侯艷麗，郭鑫，周安敉.通信測距復合系統中一種改進的時延估計算法[J].計算機應用與軟件，2023，40（7）：123?127.

作者簡介：王建鵬（1999—），男，山西朔州人，碩士在讀，主要從事衛星電源系統方面研究。

陳" 曄（1965—），男，山西太原人，博士，高級工程師，主要從事機電一體化及人工智能研究。

曹德勝（1971—），男，安徽霍山人，碩士，副教授，研究方向為數據庫、軟件工程。