基于子空间跟踪的脉冲UWB通信系统干扰抑制方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103607217 A (43)申请公布日 2014.02.26 CN 103607217 A (21)申请号 201310473197.6 (22)申请日 2013.10.11 H04B 1/719(2011.01) (71)申请人中国人民解放军重庆通信学院地址 400035 重庆市沙坪坝区林园甲一号 (72)发明人钱林杰葛利嘉朱林张振宇罗健源郑鹤张君张昊韩辉 (74)专利代理机构重庆大学专利中心 50201 代理人王翔 (54) 发明名称基于子空间跟踪的脉冲 UWB 通信系统干扰抑制方法 (57) 摘要本发明涉及一种基于子空间跟踪的。

2、脉冲 UWB 通信系统干扰抑制与信号增强方法，该方法包括以下步骤： S1、对 UWB 系统接收信号采样信号后与本地脉冲模板信号进行相关运算，通过设定相关峰门限判定当前采样快拍信号处于发射脉冲工作期或是空闲期或是接收信号受干扰影响无法实现正常相关输出； S2、在相关检测值低于设定门限期间，对应接收信号快拍迭代跟踪数据子空间，利用投影能量检测估计干扰信号维数； S3、输入信号和本地脉冲模板分别投影到数据子空间中，实现干扰信号的抑制，同时改善脉冲相关检测性能。 (51)Int.Cl. 权利要求书 3 页说明书 6 页附图 2 页 (19)中华人民共和国国。

3、家知识产权局 (12)发明专利申请权利要求书3页说明书6页附图2页 (10)申请公布号 CN 103607217 A CN 103607217 A 1/3 页 2 1. 基于子空间跟踪的脉冲 UWB 通信系统干扰抑制方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 对 UWB 系统接收信号进行采样得到快拍数为 Nc的接收数据矢量 r(i) ； (2) 接收数据矢量 r(i) 与本地模板信号采样 (i) 进行互相关运算； (3) 设定相关峰值判决门限； (3.1)Z(i) ，说明本次采集信号中包含有用信号； (3.2)Z(i)，说明本次采集信号中包含强干扰信号或处于 UWB 信号传。

4、输空闲期； (4) 当 Z(i) 时，将当前采集信号送入数据子空间跟踪模块，通过数据迭代跟踪数据子空间 (5) 将接收信号矢量 r(i) 在数据子空间投影，完成干扰抑制； (6) 将本地接收模板信号 (i) 在数据子空间投影； (7) 形成相关检测输出； 2. 根据权利要求 l 所述基于子空间跟踪的脉冲 UWB 通信系统干扰抑制方法，其特征在于，步骤 (4) 通过数据迭代进行数据子空间跟踪按如下步骤进行： (1) 当 Z(i) 时，将当前采集信号送入数据子空间跟踪模块，通过数据迭代进行噪声子空间跟踪 (2) 初始化标准正交矩阵 Wn(0) ； (3) 令前一状态。

5、： Wn(i-1) ； (4) 根据 r(i) 的一个功率估计设定跟踪步长因子； (5) 通过 Householder 反射矩阵变换生成矩阵 Q(i) ； (6) 对矩阵 Q(i) 各列再进行归一化处理；权利要求书 CN 103607217 A 2 2/3 页 3 Wn(i)=Q(i)D(i)。 3. 根据权利要求 2 所述的基于子空间跟踪的脉冲 UwB 通信系统干扰抑制方法，其特征在于，步骤 (1) 对数据子空间跟踪中强干扰信号维数 l 的估计，按如下步骤进行： (1) 假设当前信号子空间的秩为 l，取 l2=l ； (2) 同时考虑相邻两个秩 l2=l2-1 和。

6、 l3=l2+1 对应的强信号子空间，应用数据迭对数据子空间进行跟踪，得到相应数据子空间估计 Wl1， W12， Wl3； (3) 分别形成数据子空间投影矩阵 Wl1。Wl2Wl3 (3.1) 将接收数据矢量 r(i) 在相应的数据子空间中进行投影； (32) 计算投影子空间中信号的能量； P_1(i)=Pro_1(i)HPro_1(i) P-2(i)=Pro_2(i)HPro_2(i) P_3(i)=Pro_3(i)HPro_3(i) (4) 引入遗忘因子，用于对过去数据能量指数加权，使迭代趋向于降低过去取样数据在当前能量数值中的比重； Pow_1(i)=Pow_1(i-。

7、1)+P_1(i) 2 Pow_2(i)=P0w_2(i-1)+P_2(i) 2 Pow_3(i)=Pow_3(i-1)+P_3(i) 2 (5) 根据接收信号中包含的噪声分量，设置门限，与当前估计信号能量分别进行比较，当估计能量小于等于，判断为 1，否则为 0 ； (6) 对 Judg_1， Judg_2， Judg_3 输出求和； Sum(i)=Judg_1+Judg_2+Judg_3 (6.1) 当 Sum(i)=0，说明当前估计信号子空间秩偏低，相应噪声子空间中仍包含除噪声外的信源能量，更新秩估计 l2=l2+2，以及相邻秩估计 l2=l2_1， l3=l2。

8、+1，并重复步骤 (2) ；权利要求书 CN 103607217 A 3 3/3 页 4 (6.2) 当 Sum(i)=1 时，说明当前秩估计 l2+1 能够反映当前信号子空间维数，更新秩估计 l 2=l2+1，以及相邻秩估计 l1=l2-1， l3=l2+1，并重复步骤 (2) ； (6.3) 当 Sum(i)=2 时，说明当前秩估计 l2能够反映当前信号子空间维数，维持当前秩估计，并将当前数据子空间估计 Wl2作为 Wn输出，同时提供当前信号子空间维数判断 l=l2； (6.4) 当 Sum(i)=3 时，说明当前估计信号子空间秩偏高，更新秩估计 l 。

9、2=l2-2，以及相邻秩估计 l 1=l2-l， l3=l2+1，并重复步骤 (2)。权利要求书 CN 103607217 A 4 1/6 页 5 基于子空间跟踪的脉冲 UWB 通信系统干扰抑制方法技术领域 0001 本发明属于信号处理技术领域，可以用于 UWB 接收机强干扰抑制和弱信号增强，方法运算复杂度低，能够实时动态跟踪干扰信号变化，实现干扰抑制的同时，接收脉冲模板信号的数据子空间投影，减轻了抑制干扰对有用信号的影响，提高了 UWB 接收机的检测性能。背景技术 0002 超宽带 (UWB) 无线通信技术通过使用低占空比的极窄脉冲，将信号发射能量扩展。

10、到很宽的频率范围，从而具有趋于噪声的发射功率谱密度。 UWB系统具有低复杂度、低成本、低功耗、可全数字化实现特点，具有较强的抗多径、抗侦听和抗截获能力，具有定位精确和较好的电磁兼容性，在短距离无线通信中具有更高数据传输速率和系统用户容量，因此 UWB 技术是未来短距离无线互联的主要手段之一，具有广阔的应用领域和市场前景。 0003 由于 UWB 系统占用带宽很宽，为了减少对频带共享的通信系统的干扰，美国联邦通信委员会 (Federal Communications Commission， FCC) 在公开认可该技术的同时，严格限制 UWB 在允许使用频谱范围内。

11、的发射功率 ( 小于 _413dBm MHz)。但另一方面，频谱资源共享注定 UWB 系统也同样容易受到各种干扰源的威胁。尽管窄带干扰 (narrow-band interference， NBI) 通常只占 UWB 系统整个通信频带的小部分，但当干扰信号功率远大于有用信号功率时，系统将会产生严重的误码特性恶化。因此研究 UWB 通信系统的窄带干扰抑制技术具有重要的意义。目前常见的UWB窄带干扰抑制技术有陷波技术、 RAKE接收技术、脉冲波形成形技术、变换域处理技术等。陷波技术通过使用基带横向陷波器、多阻带陷波器改善系统性能，具有系统稳定可靠的优势，但是陷波器在滤除。

12、干扰信号的同时也带来了有用信号和接收模板相关函数最大值损失，引起系统检测性能的下降。变换域滤波可以有效地抑制窄带干扰，但首先需要信号检测，区分有用信号和干扰信号，得到干扰信号的频域分布信息后，在干扰位置加入陷波器抑制掉窄带干扰信号，抑制干扰信号的同时也会抑制陷波位置的有用信号，从而导致较大的插入损耗，信号信噪比 (SNR) 降低，误码率增高。同时这种方法也很难动态调整陷波的位置，使得灵活性受到一定的限值。RAKE 结构是处理多径信号典型的接收机模型。由于 UWB 发射极窄的脉冲信号，有效分离并合并多径成分，可以提高输出信噪比，所以 RAKE 接收成为 U。

13、WB 系统中最广泛采用的一种接收形式。可以采用包括等增益合并或最大比合并等准则合并多径成分，前提是需要将本地产生的参考信号与多径成分对齐，所以需要获得每个径的到达时间；同时为了使输出信噪比最大以得到最大比合并，还要对每个径的幅度进行估计，以及对 UWB 的信道参数包括多径时延和多径衰减等参数都要正确的估计。脉冲波形成形技术，根据通信环境的变化，采取主动躲避干扰策略，在频域、时间一尺度域或其他抽象域中完成发射脉冲信号波形设计。基于频域频谱幅度确定干扰频点，构造一系列带陷滤波器抑制干扰。该方法需要对干扰信号特征量包括干扰信号的频率位置、带宽等参数的精确估计，。

14、会造成额外的系统开销，复杂度较高。说明书 CN 103607217 A 5 2/6 页 6 发明内容 0004 本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出了一种基于子空间跟踪投影的强干扰抑制与信号增强方法，利用 UWB 系统的瞬态特性，及脉冲持续时间远小于发射机静默时间的特质，通过数据迭代实时跟踪数据子空间，避免了矩阵分解的高运算复杂度，并通过将本地模板信号在数据子空间投影，提高后续相关检测的准确性。 0005 为实现上述目的，本发明方法包括如下步骤： 0006 (1) 设接收信号为 0007 0008 其中： s(t) 表示接收的 UWB 有用信号， Ii。

15、(t) 表示信道中的第 i 个干扰信号， n(t) 表示信道噪声。 0009 UWB 脉冲信号的数学表达式为： 0010 0011 式中， i为UWB信号数据帧中的第i个脉冲； p为UWB信号一帧中脉冲的个数； Ai为直接序列扩频伪随机序列；为 PAM 调制脉冲幅度； Tf为脉冲重复周期； ci为跳时扩频随机码； Tc为跳时扩频时移；为 PPM 调制脉冲时移； g(t) 为 UWB 脉冲信号波形，最常见的脉冲波形是高斯单脉冲。 0012 (2) 由采样器完成对 UWB 系统接收信号进行采样，接收信号 r(i) 与本地模板信号 (i) 进行互相关，得到相关输出 Z，。

16、 0013 0014 其中， Nc表示参与相关运算信号采样快拍数，设定相关峰值判决门限，若 0015 (2.1)Z ，说明本次采集信号中包含有用信号； 0016 (2.2)Z，说明本次采集信号中包含强干扰信号或处于 UWB 信号传输空闲期； 0017 (3) 由于 UWB 信号功率谱很低，频宽很宽，相对于窄带系统来说在频谱上类似于白噪声，因此将子空间跟踪中的噪声子空间在这里称作数据子空间。当 Z 时，将采集信号送入数据子空间跟踪模块，通过数据迭代进行数据子空间跟踪。 0018 (3.1) 初始化标准正交矩阵 Wn(0)， 0019 (3.2) 令前一状态： Wn(。

17、i-1)， 0020 (3.3) 根据 r(i) 的一个功率估计设定跟踪步长因子， 0021 0022 T(i)=Wn(i-1)-r(i)yH(i) 说明书 CN 103607217 A 6 3/6 页 7 0023 (3.4) 通过 Househo1der 反射矩阵变换生成矩阵 Q(i)， 0024 0025 0026 (3.5) 对矩阵 Q(i) 各列再进行归一化处理 0027 0028 Wn(i)=Q(i)D(i) 0029 (4) 根据跟踪数据子空间投影能量，判定干扰信号维数； 0030 (4.1) 假设当前信号子空间的秩为 l，为描述问题方便，令 l2=l ； 0031。

18、 (4.2) 同时考虑相邻两个秩 l1=l2-1 和 l3=l2+1 对应的信号子空间，应用子空间跟踪算法，对数据子空间进行跟踪，得到相应数据子空间估计 Wl1， Wl2， Wl3，分别形成噪声子空间投影矩阵 Wl1Wl2Wl3 0032 (4.3) 将接收数据矢量 r(i) 在相应的噪声子空间中进行投影； 0033 0034 0035 0036 (4.4) 计算投影子空间中信号的能量； 0037 P_1(i)=Pro_1(i)HPro_1(i) 0038 P_2(i)=Pro_2(i)HPro_2(i) 0039 P_3(i)=Pro_3(i)HPro_3(i) 0040 (。

19、4.5) 引入遗忘因子，用于对过去数据能量指数加权，使迭代趋向于降低过去取样数据在当前能量数值中的比重。 0041 Pow_1(i)=Pow_1(i-1)+P-1(i) 2 0042 Pow_2(i)=Pow_2(i-1)+P_2(i) 2 0043 Pow_3(i)=Pow_3(i-1)+P_3(i) 2 0044 (4.6) 根据接收信号中包含的噪声分量，设置门限，与当前估计信号能量分别进行比较，当估计能量小于等于，判断为 1，否则为 0 ； 0045 0046 0047 说明书 CN 103607217 A 7 4/6 页 8 0048 (4.7) 对 Jud。

20、g_1， Judg_2， Judg_3 输出求和； 0049 Sum(i)=Judg_1+Judg_2+Judg_3 0050 Sum(i) 的输出结果存在四种可能： 0051 1) 当 Sum(i)=0，说明当前估计信号子空间秩偏低，相应噪声子空间中仍包含除噪声外的信源能量，更新秩估计 l2=l2+2，以及相邻秩估计 l1=l2-1， l3=l2+1，并重新进行跟踪判断； 0052 2)当Sum(i)=1时，说明当前秩估计l2+1能够反映当前信号子空间维数，更新秩估计 l 2=l2+1，以及相邻秩估计 l1=l2-1， l3=l2+1，并跟踪子空间变化； 00。

21、53 3)当Sum(i)=2时，说明当前秩估计l2能够反映当前信号子空间维数，维持当前秩估计，并将当前噪声子空间估计 Wl2作为 Wn输出，同时提供当前信号子空间维数判断 l=l2； 0054 4) 当 Sum(i)=3 时，说明当前估计信号子空间秩偏高，更新秩估计 l 2=l2-2，以及相邻秩估计 l 1=l2-1， l3=l2+1，并重新进行跟踪判断。 0055 (5) 对接收数据 r(i) 进行子空间投影，得到抑制干扰后的数据 x(i) ； 0056 0057 (6) 同时对本地模板信号 (t) 也同样进行同样的投影处理，得到修正的接收模板信号 (i)，保证互。

22、相关 Z(0) 达到最大值，消除接收信号投影带来的负面影响。 0058 附图说明 0059 图 1 是本发明流程图 0060 图 2 是本发明数据子空间跟踪流程图 0061 图 3 是本发明干扰信号维数估计流程图具体实施方式 0062 参照图 1，本发明的实现具体步骤如下： 0063 (1) 对 UWB 系统接收信号进行采样得到快拍数为 Nc的接收数据矢量 r(i) ； 0064 (2) 接收数据矢量 r(i) 与本地模板信号采样 (i) 进行互相关运算； 0065 0066 (3) 设定相关峰值判决门限； 0067 (3.1)Z(i) ，说明本次采集信号中包含有用信号； 00。

23、68 (3.2)Z(i)，说明本次采集信号中包含强干扰信号或处于 UWB 信号传输空闲期； 0069 (4) 当 Z(i) 时，将当前采集信号送入数据子空间跟踪模块，通过数据迭代跟踪数据子空间 0070 (5) 将接收信号矢量 r(i) 在数据子空间投影，完成干扰抑制；说明书 CN 103607217 A 8 5/6 页 9 0071 0072 (6) 将本地接收模板信号 (i) 在数据子空间投影； 0073 0074 (7) 形成相关检测输出； 0075 0076 参照图 2，数据子空间跟踪具体步骤如下： 0077 (1) 当 Z(i) 时，将当前采集信号送入。

24、数据子空间跟踪模块，通过数据迭代进行数据子空间跟踪 0078 (2) 初始化标准正交矩阵 Wn(0) ； 0079 (3) 令前一状态： Wn(i-1) ； 0080 0081 (4) 根据 r(i) 的一个功率估计设定跟踪步长因子； 0082 0083 (5) 通过 Househo1der 反射矩阵变换生成矩阵 Q(i) ； 0084 0085 0086 (6) 对矩阵 Q(i) 各列再进行归一化处理； 0087 0088 Wn(i)=Q(i)D(i) 0089 参照图 3，干扰信号维数估计具体步骤如下： 0090 (1) 假设当前信号子空间的秩为 l，取 l2=l ； 00。

25、91 (2) 同时考虑相邻两个秩 l1=l2-1 和 l3=l2+1 对应的强信号子空间，应用数据迭代对数据子空间进行跟踪，得到相应数据子空间估计 Wl1， Wl2， Wl3； 0092 (3) 分别形成数据子空间投影矩阵 Wl1Wl2Wl3 0093 (3.1) 将接收数据矢量 r(i) 在相应的数据子空间中进行投影； 0094 0095 0096 0097 (3.2) 计算投影子空间中信号的能量； 0098 P_1(i)=Pro_1(i)HPro_1(i) 0099 P_2(i)=Pro_2(i)HPro_2(i) 0100 P_3(i)=Pro_3(i)HPro_3(i) 说。

26、明书 CN 103607217 A 9 6/6 页 10 0101 (4) 引入遗忘因子，用于对过去数据能量指数加权，使迭代趋向于降低过去取样数据在当前能量数值中的比重； 0102 Pow_1(i)=Pow_1(i-1)+P_1(i) 2 0103 Pow_2(i)=Pow_2(i-1)+P_2(i) 2 0104 PoW_3(i)=Pow_3(i-1)+P_3(i) 2 0105 (5) 根据接收信号中包含的噪声分量，设置门限，与当前估计信号能量分别进行比较，当估计能量小于等于，判断为 1，否则为 0 ； 0106 0107 0108 0109 (6) 对 Jud。

27、g_1， Judg_2， Judg_3 输出求和； 0110 Sum(i)=Judg_1+Judg_2+Judg_3 0111 (6.1) 当 Sum(i)=0，说明当前估计信号子空间秩偏低，相应噪声子空间中仍包含除噪声外的信源能量，更新秩估计 l2=l2+2，以及相邻秩估计 l1=l2-1， l3=l2+1，并重复步骤 (2) ； 0112 (6.2) 当 Sum(i)=1 时，说明当前秩估计 l2+1 能够反映当前信号子空间维数，更新秩估计 l 2=l2+1，以及相邻秩估计 l1=l2-1， l3=l2+1，并重复步骤 (2) ； 0113 (6.3) 当 Sum(i)=2 时，说明当前秩估计 l2能够反映当前信号子空间维数，维持当前秩估计，并将当前数据子空间估计 Wl2作为 Wn输出，同时提供当前信号子空间维数判断 l=l2； 0114 (6.4) 当 Sum(i)=3 时，说明当前估计信号子空间秩偏高，更新秩估计 l 2=l2-2，以及相邻秩估计 l 1=l2-1， l3=l2+1，并重复步骤 (2)。说明书 CN 103607217 A 10 1/2 页 11 图 1 图 2 说明书附图 CN 103607217 A 11 2/2 页 12 图 3 说明书附图 CN 103607217 A 12 。

摘要
申请专利号：	CN201310473197.6	申请日：	2013.10.11
公开号：	CN103607217A	公开日：	2014.02.26
当前法律状态：	授权	有效性：	有权
法律详情：	授权\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):H04B 1/719申请日:20131011\|\|\|公开
IPC分类号：	H04B1/719(2011.01)I	主分类号：	H04B1/719
申请人：	中国人民解放军重庆通信学院
发明人：	钱林杰; 葛利嘉; 朱林; 张振宇; 罗健源; 郑鹤; 张君; 张昊; 韩辉
地址：	400035 重庆市沙坪坝区林园甲一号
优先权：
专利代理机构：	重庆大学专利中心 50201	代理人：	王翔
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内容摘要

本发明涉及一种基于子空间跟踪的脉冲UWB通信系统干扰抑制与信号增强方法，该方法包括以下步骤：S1、对UWB系统接收信号采样信号后与本地脉冲模板信号进行相关运算，通过设定相关峰门限判定当前采样快拍信号处于发射脉冲工作期或是空闲期或是接收信号受干扰影响无法实现正常相关输出；S2、在相关检测值低于设定门限期间，对应接收信号快拍迭代跟踪数据子空间，利用投影能量检测估计干扰信号维数；S3、输入信号和本地脉冲模板分别投影到数据子空间中，实现干扰信号的抑制，同时改善脉冲相关检测性能。

权利要求书

权利要求书
1.  基于子空间跟踪的脉冲UWB通信系统干扰抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对UWB系统接收信号进行采样得到快拍数为Nc的接收数据矢量r(i)；
(2)接收数据矢量r(i)与本地模板信号采样ψ(i)进行互相关运算；
Z(i)=Σk=1Ncr(i)ψ(i-k)]]>
(3)设定相关峰值判决门限η；
(3.1)Z(i)≥η，说明本次采集信号中包含有用信号；
(3.2)Z(i)<η，说明本次采集信号中包含强干扰信号或处于UWB信号传输空闲期；
(4)当Z(i)<η时，将当前采集信号送入数据子空间跟踪模块，通过数据迭代跟踪数据子空间
(5)将接收信号矢量r(i)在数据子空间投影，完成干扰抑制；
x(i)=WnWnHr(i)]]>
(6)将本地接收模板信号ψ(i)在数据子空间投影；
ψ′(i)=WnWnHψ(i)]]>
(7)形成相关检测输出；
Z′(i)=Σk=1Ncx(i)ψ′(i-k).]]>

2.  根据权利要求l所述基于子空间跟踪的脉冲UWB通信系统干扰抑制方法，其特征在于，步骤(4)通过数据迭代进行数据子空间跟踪按如下步骤进行：
(1)当Z(i)<η时，将当前采集信号送入数据子空间跟踪模块，通过数据迭代进行噪声子空间跟踪
(2)初始化标准正交矩阵Wn(0)；
(3)令前一状态：Wn(i-1)；
y(i)=WnH(i-1)r(i)]]>
(4)根据r(i)的一个功率估计设定跟踪步长因子μ；
T(i)=WnH(i-1)-μr(i)yH(i)]]>
(5)通过Householder反射矩阵变换生成矩阵Q(i)；
a(i)=y(i)-||y(i)||ej(angle(e1Hy(i)))e1]]>
Q(i)=T(i)-2||a(i)||2[T(i)a(i)]aH(i)]]>
(6)对矩阵Q(i)各列再进行归一化处理；
D(i)=(diag(QH(i)Q(i)))-12]]>
Wn(i)=Q(i)D(i)。

3.  根据权利要求2所述的基于子空间跟踪的脉冲UwB通信系统干扰抑制方法，其特征在于，步骤(1)对数据子空间跟踪中强干扰信号维数l的估计，按如下步骤进行：
(1)假设当前信号子空间的秩为l，取l2=l；
(2)同时考虑相邻两个秩l2=l2-1和l3=l2+1对应的强信号子空间，应用数据迭℃对数据子空间进行跟踪，得到相应数据子空间估计Wl1，W12，Wl3；
(3)分别形成数据子空间投影矩阵Wl1。Wl2Wl3
(3.1)将接收数据矢量r(i)在相应的数据子空间中进行投影；
Pro_1(i)=Wl1Wl1Hr(i)]]>
Por_2(i)=Wl2Wl2Hr(i)]]>
Por_3(i)=Wl3Wl3Hr(i)]]>
(3．2)计算投影子空间中信号的能量；
P_1(i)=Pro_1(i)H·Pro_1(i)
P-2(i)=Pro_2(i)H·Pro_2(i)
P_3(i)=Pro_3(i)H·Pro_3(i)
(4)引入遗忘因子β，用于对过去数据能量指数加权，使迭代趋向于降低过去取样数据在当前能量数值中的比重；
Pow_1(i)=[β·Pow_1(i-1)+P_1(i)／2
Pow_2(i)=[β·P0w_2(i-1)+P_2(i)]／2
Pow_3(i)=[β·Pow_3(i-1)+P_3(i)]／2
(5)根据接收信号中包含的噪声分量，设置门限ε，与当前估计信号能量分别进行比较，当估计能量小于等于ε，判断为1，否则为0；
Judg_1=1,Pow_1(i)≤ϵ0,otherwise]]>
Judg_2=1,Pow_2(i)≤ϵ0,otherwise]]>
Judg_3=1,Pow_3(i)≤ϵ0,otherwise]]>
(6)对Judg_1，Judg_2，Judg_3输出求和；
Sum(i)=Judg_1+Judg_2+Judg_3
(6.1)当Sum(i)=0，说明当前估计信号子空间秩偏低，相应噪声子空间中仍包含除噪声外的信源能量，更新秩估计l′2=l2+2，以及相邻秩估计l′2=l′2_1，l′3=l′2+1，并重复步骤(2)；
(6.2)当Sum(i)=1时，说明当前秩估计l2+1能够反映当前信号子空间维数，更新秩估计l′2=l2+1，以及相邻秩估计l′1=l′2-1，l′3=l′2+1，并重复步骤(2)；
(6.3)当Sum(i)=2时，说明当前秩估计l2能够反映当前信号子空间维数，维持当前秩估计，并将当前数据子空间估计Wl2作为Wn输出，同时提供当前信号子空间维数判断l=l2；
(6.4)当Sum(i)=3时，说明当前估计信号子空间秩偏高，更新秩估计l′2=l2-2，以及相邻秩估计l′1=l′2-l，l′3=l′2+1，并重复步骤(2)。

说明书

说明书基于子空间跟踪的脉冲UWB通信系统干扰抑制方法
技术领域
本发明属于信号处理技术领域，可以用于UWB接收机强干扰抑制和弱信号增强，方法运算复杂度低，能够实时动态跟踪干扰信号变化，实现干扰抑制的同时，接收脉冲模板信号的数据子空间投影，减轻了抑制干扰对有用信号的影响，提高了UWB接收机的检测性能。
背景技术
超宽带(UWB)无线通信技术通过使用低占空比的极窄脉冲，将信号发射能量扩展到很宽的频率范围，从而具有趋于噪声的发射功率谱密度。UWB系统具有低复杂度、低成本、低功耗、可全数字化实现特点，具有较强的抗多径、抗侦听和抗截获能力，具有定位精确和较好的电磁兼容性，在短距离无线通信中具有更高数据传输速率和系统用户容量，因此UWB技术是未来短距离无线互联的主要手段之一，具有广阔的应用领域和市场前景。
由于UWB系统占用带宽很宽，为了减少对频带共享的通信系统的干扰，美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission，FCC)在公开认可该技术的同时，严格限制UWB在允许使用频谱范围内的发射功率(小于_41．3dBm／MHz)。但另一方面，频谱资源共享注定UWB系统也同样容易受到各种干扰源的威胁。尽管窄带干扰(narrow-band interference，NBI)通常只占UWB系统整个通信频带的小部分，但当干扰信号功率远大于有用信号功率时，系统将会产生严重的误码特性恶化。因此研究UWB通信系统的窄带干扰抑制技术具有重要的意义。目前常见的UWB窄带干扰抑制技术有陷波技术、RAKE接收技术、脉冲波形成形技术、变换域处理技术等。陷波技术通过使用基带横向陷波器、多阻带陷波器改善系统性能，具有系统稳定可靠的优势，但是陷波器在滤除干扰信号的同时也带来了有用信号和接收模板相关函数最大值损失，引起系统检测性能的下降。变换域滤波可以有效地抑制窄带干扰，但首先需要信号检测，区分有用信号和干扰信号，得到干扰信号的频域分布信息后，在干扰位置加入陷波器抑制掉窄带干扰信号，抑制干扰信号的同时也会抑制陷波位置的有用信号，从而导致较大的插入损耗，信号信噪比(SNR)降低，误码率增高。同时这种方法也很难动态调整陷波的位置，使得灵活性受到一定的限值。RAKE结构是处理多径信号典型的接收机模型。由于UWB发射极窄的脉冲信号，有效分离并合并多径成分，可以提高输出信噪比，所以RAKE接收成为UWB系统中最广泛采用的一种接收形式。可以采用包括等增益合并或最大比合并等准则合并多径成分，前提是需要将本地产生的参考信号与多径成分对齐，所以需要获得每个径的到达时间；同时为了使输出信噪比最大以得到最大比合并，还要对每个径的幅度进行估计，以及对UWB的信道参数包括多径时延和多径衰减等参数都要正确的估计。脉冲波形成形技术，根据通信环境的变化，采取主动躲避干扰策略，在频域、时间一尺度域或其他抽象域中完成发射脉冲信号波形设计。基于频域频谱幅度确定干扰频点，构造一系列带陷滤波器抑制干扰。该方法需要对干扰信号特征量包括干扰信号的频率位置、带宽等参数的精确估计，会造成额外的系统开销，复杂度较高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出了一种基于子空间跟踪投影的强干扰抑制与信号增强方法，利用UWB系统的瞬态特性，及脉冲持续时间远小于发射机静默时间的特质，通过数据迭代实时跟踪数据子空间，避免了矩阵分解的高运算复杂度，并通过将本地模板信号在数据子空间投影，提高后续相关检测的准确性。
为实现上述目的，本发明方法包括如下步骤：
(1)设接收信号为
r(t)=s(t)+Σi=1MIi(t)+n(t)]]>
其中：s(t)表示接收的UWB有用信号，Ii(t)表示信道中的第i个干扰信号，n(t)表示信道噪声。
UWB脉冲信号的数学表达式为：

式中，i为UWB信号数据帧中的第i个脉冲；p为UWB信号一帧中脉冲的个数；Ai为直接序列扩频伪随机序列；为PAM调制脉冲幅度；Tf为脉冲重复周期；ci为跳时扩频随机码；Tc为跳时扩频时移；为PPM调制脉冲时移；g(t)为UWB脉冲信号波形，最常见的脉冲波形是高斯单脉冲。
(2)由采样器完成对UWB系统接收信号进行采样，接收信号r(i)与本地模板信号ψ(i)进行互相关，得到相关输出{Z}，
Z=Σi=1Ncr(i)ψ(i-τ)]]>
其中，Nc表示参与相关运算信号采样快拍数，设定相关峰值判决门限η，若
(2.1)Z≥η，说明本次采集信号中包含有用信号；
(2.2)Z<η，说明本次采集信号中包含强干扰信号或处于UWB信号传输空闲期；
(3)由于UWB信号功率谱很低，频宽很宽，相对于窄带系统来说在频谱上类似于白噪声，因此将子空间跟踪中的噪声子空间在这里称作数据子空间。当Z<η时，将采集信号送入数据子空间跟踪模块，通过数据迭代进行数据子空间跟踪。
(3.1)初始化标准正交矩阵Wn(0)，
(3.2)令前一状态：Wn(i-1)，
(3.3)根据r(i)的一个功率估计设定跟踪步长因子μ，
y(i)=WnH(i-1)r(i)]]>
T(i)=Wn(i-1)-μr(i)yH(i)
(3.4)通过Househo1der反射矩阵变换生成矩阵Q(i)，
a(i)=y(i)-||y(i)||ej(angle(e1Hy(i)))e1]]>
Q(i)=T(i)-2||a(i)||2[T(i)a(i)]aH(i)]]>
(3.5)对矩阵Q(i)各列再进行归一化处理
D(i)=(diag(QH(i)Q(i)))-12]]>
Wn(i)=Q(i)D(i)
(4)根据跟踪数据子空间投影能量，判定干扰信号维数；
(4.1)假设当前信号子空间的秩为l，为描述问题方便，令l2=l；
(4.2)同时考虑相邻两个秩l1=l2-1和l3=l2+1对应的信号子空间，应用子空间跟踪算法，对数据子空间进行跟踪，得到相应数据子空间估计Wl1，Wl2，Wl3，分别形成噪声子空间投影矩阵Wl1Wl2Wl3
(4.3)将接收数据矢量r(i)在相应的噪声子空间中进行投影；
Pro_1(i)=Wl1Wl1Hr(i)]]>
Por_2(i)=Wl2Wl2Hr(i)]]>
Por_3(i)=Wl3Wl3Hr(i)]]>
(4.4)计算投影子空间中信号的能量；
P_1(i)=Pro_1(i)H·Pro_1(i)
P_2(i)=Pro_2(i)H·Pro_2(i)
P_3(i)=Pro_3(i)H·Pro_3(i)
(4.5)引入遗忘因子β，用于对过去数据能量指数加权，使迭代趋向于降低过去取样数据在当前能量数值中的比重。
Pow_1(i)=[β·Pow_1(i-1)+P-1(i)]／2
Pow_2(i)=[β·Pow_2(i-1)+P_2(i)]／2
Pow_3(i)=[β·Pow_3(i-1)+P_3(i)]／2
(4.6)根据接收信号中包含的噪声分量，设置门限ε，与当前估计信号能量分别进行比较，当估计能量小于等于ε，判断为1，否则为0；
Judg_1=1,Pow_1(i)≤ϵ0,otherwise]]>
Judg_2=1,Pow_2(i)≤ϵ0,otherwise]]>
Judg_3=1,Pow_3(i)≤ϵ0,otherwise]]>
(4.7)对Judg_1，Judg_2，Judg_3输出求和；
Sum(i)=Judg_1+Judg_2+Judg_3
Sum(i)的输出结果存在四种可能：
1)当Sum(i)=0，说明当前估计信号子空间秩偏低，相应噪声子空间中仍包含除噪声外的信源能量，更新秩估计l′2=l2+2，以及相邻秩估计l′1=l′2-1，l′3=l′2+1，并重新进行跟踪判断；
2)当Sum(i)=1时，说明当前秩估计l2+1能够反映当前信号子空间维数，更新秩估计l′2=l2+1，以及相邻秩估计l′1=l′2-1，l′3=l′2+1，并跟踪子空间变化；
3)当Sum(i)=2时，说明当前秩估计l2能够反映当前信号子空间维数，维持当前秩估计，并将当前噪声子空间估计Wl2作为Wn输出，同时提供当前信号子空间维数判断l=l2；
4)当Sum(i)=3时，说明当前估计信号子空间秩偏高，更新秩估计l′2=l2-2，以及相邻秩估计l′1=l′2-1，l′3=l′2+1，并重新进行跟踪判断。
(5)对接收数据r(i)进行子空间投影，得到抑制干扰后的数据x(i)；
x(i)=WnWnHr(i)]]>
(6)同时对本地模板信号ψ(t)也同样进行同样的投影处理，得到修正的接收模板信号ψ′(i)，保证互相关Z(0)达到最大值，消除接收信号投影带来的负面影响。
ψ′(i)=WnWnHψ(i)]]>
附图说明
图1是本发明流程图
图2是本发明数据子空间跟踪流程图
图3是本发明干扰信号维数估计流程图
具体实施方式
参照图1，本发明的实现具体步骤如下：
(1)对UWB系统接收信号进行采样得到快拍数为Nc的接收数据矢量r(i)；
(2)接收数据矢量r(i)与本地模板信号采样ψ(i)进行互相关运算；
Z(i)=Σk=1Ncr(i)ψ(i-k)]]>
(3)设定相关峰值判决门限η；
(3.1)Z(i)≥η，说明本次采集信号中包含有用信号；
(3.2)Z(i)<η，说明本次采集信号中包含强干扰信号或处于UWB信号传输空闲期；
(4)当Z(i)<η时，将当前采集信号送入数据子空间跟踪模块，通过数据迭代跟踪数据子空间
(5)将接收信号矢量r(i)在数据子空间投影，完成干扰抑制；
x(i)=WnWnHr(i)]]>
(6)将本地接收模板信号ψ(i)在数据子空间投影；
ψ′(i)=WnWnHψ(i)]]>
(7)形成相关检测输出；
Z′(i)=Σk=1Ncx(i)ψ′(i-k)]]>
参照图2，数据子空间跟踪具体步骤如下：
(1)当Z(i)<η时，将当前采集信号送入数据子空间跟踪模块，通过数据迭代进行数据子空间跟踪
(2)初始化标准正交矩阵Wn(0)；
(3)令前一状态：Wn(i-1)；
y(i)=WnH(i-1)r(i)]]>
(4)根据r(i)的一个功率估计设定跟踪步长因子μ；
T(i)=WnH(i-1)-μr(i)yH(i)]]>
(5)通过Househo1der反射矩阵变换生成矩阵Q(i)；
a(i)=y(i)-||y(i)||ej(angle(e1Hy(i)))e1]]>
Q(i)=T(i)-2||a(i)||2[T(i)a(i)]aH(i)]]>
(6)对矩阵Q(i)各列再进行归一化处理；
D(i)=(diag(QH(i)Q(i)))-12]]>
Wn(i)=Q(i)D(i)
参照图3，干扰信号维数估计具体步骤如下：
(1)假设当前信号子空间的秩为l，取l2=l；
(2)同时考虑相邻两个秩l1=l2-1和l3=l2+1对应的强信号子空间，应用数据迭代对数据子空间进行跟踪，得到相应数据子空间估计Wl1，Wl2，Wl3；
(3)分别形成数据子空间投影矩阵Wl1Wl2Wl3
(3.1)将接收数据矢量r(i)在相应的数据子空间中进行投影；
Pro_1(i)=Wl1Wl1Hr(i)]]>
Por_2(i)=Wl2Wl2Hr(i)]]>
Por_3(i)=Wl3Wl3Hr(i)]]>
(3.2)计算投影子空间中信号的能量；
P_1(i)=Pro_1(i)H·Pro_1(i)
P_2(i)=Pro_2(i)H·Pro_2(i)
P_3(i)=Pro_3(i)H·Pro_3(i)
(4)引入遗忘因子β，用于对过去数据能量指数加权，使迭代趋向于降低过去取样数据在当前能量数值中的比重；
Pow_1(i)=[β·Pow_1(i-1)+P_1(i)]／2
Pow_2(i)=[β·Pow_2(i-1)+P_2(i)]／2
PoW_3(i)=[β·Pow_3(i-1)+P_3(i)]／2
(5)根据接收信号中包含的噪声分量，设置门限ε，与当前估计信号能量分别进行比较，当估计能量小于等于ε，判断为1，否则为0；
Judg_1=1,Pow_1(i)≤ϵ0,otherwise]]>
Judg_2=1,Pow_2(i)≤ϵ0,otherwise]]>
Judg_3=1,Pow_3(i)≤ϵ0,otherwise]]>
(6)对Judg_1，Judg_2，Judg_3输出求和；
Sum(i)=Judg_1+Judg_2+Judg_3
(6.1)当Sum(i)=0，说明当前估计信号子空间秩偏低，相应噪声子空间中仍包含除噪声外的信源能量，更新秩估计l′2=l2+2，以及相邻秩估计l′1=l′2-1，l′3=l′2+1，并重复步骤(2)；
(6.2)当Sum(i)=1时，说明当前秩估计l2+1能够反映当前信号子空间维数，更新秩估计l′2=l2+1，以及相邻秩估计l′1=l′2-1，l′3=l′2+1，并重复步骤(2)；
(6.3)当Sum(i)=2时，说明当前秩估计l2能够反映当前信号子空间维数，维持当前秩估计，并将当前数据子空间估计Wl2作为Wn输出，同时提供当前信号子空间维数判断l=l2；
(6.4)当Sum(i)=3时，说明当前估计信号子空间秩偏高，更新秩估计l′2=l2-2，以及相邻秩估计l′1=l′2-1，l′3=l′2+1，并重复步骤(2)。