一种适用于扩频通信系统的干扰实时感知装置及方法

本技术属于通信系统的信号感知，更具体地，涉及一种适用于扩频通信系统的干扰实时感知装置及方法。

背景技术：

1、扩频通信技术是信息时代高速传输的信息处理技术之一，于20世纪40年代被提出，具有抗干扰能力强、隐蔽性好、能实现码分多址等优点，目前普遍采用宽带扩频通信技术提高通信系统的抗干扰性能。但扩频通信系统存在一定的干扰容限，当遇到高功率干扰信号超出了系统本身所能承受的干扰容限时，系统的通信将遭受严重的破坏，扩频通信系统的抗感性能下降。此时必须采取相应措施提高系统的抗干扰能力，干扰检测技术则是有效的解决方案。

2、干扰检测通过获得干扰信号是否存在、干扰信号的能量大小、干扰作用的频段以及干扰信号类型等信息，为通信系统进行干扰抑制工作提供必要的信息，最终消除干扰信号对系统通信的影响。目前针对干扰检测技术开展了大量研究，其中能量检测法不需要干扰信号的先验知识，适用于所有类型的干扰信号检测，但是能量检测法易受背景噪声的影响，在低信噪比时检测性能大大降低。匹配滤波法检测时间短，但是需要准确的信号的先验知识，实用性不高。循环平稳检测利用了信号的循环平稳特性进行检测，在低信噪比的场景下鲁棒性高，但是计算复杂度高。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本技术的目的在于提供一种适用于扩频通信系统的干扰实时感知装置及方法，旨在解决复杂环境下干扰检测鲁棒性较差的问题。

2、为实现上述目的，第一方面，本技术提供了一种适用于扩频通信系统的干扰实时感知装置，包括：关键帧提取模块、离线训练模块、倒谱处理模块、相关处理模块、在线判决模块和参数设置模块；

3、关键帧提取模块的输出端连接离线训练模块的输入端；离线训练模块的输出端连接参数设置模块和在线判决模块的输入端；倒谱处理模块的输出端和相关处理模块的输出端连接在线判决模块的输入端；

4、关键帧提取模块用于在离线状态下提取链路信号的倒谱特征和时域互相关特征；

5、离线训练模块用于基于在离线状态下获取的倒谱特征和时域互相关特征，结合决策树的判决方法，通过网格搜索法优化权重参数；

6、倒谱处理模块用于在线实时提取链路信号的倒谱特征，并将其作为第一检测统计量；

7、相关处理模块用于在线实时提取链路信号的时域互相关特征，并将其作为第二检测统计量；

8、在线判决模块用于将第一检测统计量和第二检测统计量与门限进行比较，完成扩频通信系统干扰实时感知；

9、参数设置模块用于根据扩频系统的抗干扰容限和最优权重参数调整门限。

10、进一步优选地，适用于扩频通信系统的干扰实时感知装置还包括数据预处理模块，其输入端连接接收链路，数据预处理模块的第一输出端连接至关键帧提取模块，其第二输出端连接至倒谱处理模块和相关处理模块的输入端；数据预处理模块用于将采集的链路信号依次进行下变频、滤波和降采样，以滤除链路信号中的冗余信息和干扰信息，并减少运算量。

11、进一步优选地，数据预处理模块包括顺次相连的混频单元、数字滤波单元、降采样单元和归一化单元；

12、混频单元用于对采集的链路信号进行混频处理，将链路信号由射频搬移至基带；

13、数字滤波单元用于对混频处理后的信号进行数字滤波处理，滤除本振以及带外干扰；

14、降采样单元用于根据扩频通信系统信号特点，对滤除后的信号进行降采样处理，将链路信号的采样率降至通信信号带宽一致，去除链路信号中的冗余信息；

15、归一化单元用于将降采样后的信号进行功率归一化。

16、进一步优选地，功率归一化公式为：

17、

18、其中，x(n)为采样的链路信号；n为采样点数。

19、进一步优选地，适用于扩频通信系统的干扰实时感知装置还包括声光报警模块，其输入端连接在线判决模块的输出端，用于将干扰感知结果以图形化方式输出。

20、第二方面，本技术提供了一种适用于扩频通信系统的干扰实时感知方法，包括以下步骤：

21、步骤一：在离线状态下提取链路信号的倒谱特征和时域互相关特征；

22、步骤二：根据步骤一获取的倒谱特征参数和时域互相关特征构造目标函数，结合基于决策树的判决方法，通过网格搜索法优化权重参数；

23、步骤三：在在线状态下实时采集链路信号的倒谱特征和时域互相关特征分别作为第一检测统计量和第二检测统计量；

24、步骤四：结合最优权重参数，根据通信系统工作模式选择门限，并调用对应工作模式下的干扰检测方法；

25、步骤五：基于步骤四中的干扰检测方法，将第一检测统计量和第二检测统计量与门限对比，判断实时链路信号中是否存在干扰，输出判决结果。

26、进一步优选地，适用于扩频通信系统的干扰实时感知方法，在步骤一之前还包括以下步骤：

27、对采集的链路信号进行混频处理，将链路信号由射频搬移至基带；

28、将混频处理后的信号进行数字滤波处理，滤除本振以及带外干扰；

29、根据扩频通信系统信号特点，对滤波后的信号进行降采样处理，将链路信号的采样率降至与通信信号带宽一致，去除链路信号中的冗余信息；

30、将降采样后的信号进行功率归一化。

31、进一步优选地，步骤一具体包括以下步骤：

32、对链路信号引入不同信噪比的白噪声，获取不同信噪比的通信信号；

33、将不同信噪比的通信信号分段并分别求每段信号的倒谱和时域互相关值，再分别求平均值，将平均值作为通信信号的倒谱特征和时域互相关特征参数。

34、进一步优选地，倒谱特征的计算公式为：

35、c(t)＝|fft{lg|fft[r(t)]|2}|2

36、其中，r(t)为链路信号；fft为傅里叶变换；

37、时域互相关特征的计算公式为：

38、rrz(τ)＝rsz(τ)+rjz(τ)+rn(τ)

39、其中，rrz(τ)为链路信号与参考信号的互相关参数；rsz(τ)为链路信号中的直扩信号与参考信号的相关函数；rjz(τ)为干扰信号与参考信号的相关函数；rn(τ)为噪声的自相关函数；参考信号为本地通信信号，其与链路信号中的直扩信号参数相同。

40、进一步优选地，步骤二中的目标函数为：

41、f＝0.5(p{jc>γor ja≤λ|h0}+p{jc≤γ&ja>λ|h1})

42、其中，jc为倒谱统计量，ja为时域互相关统计量；λ为设置的时域互相关门限；γ为设置的倒谱门限；p{*}表示*为真的概率；h0表示没有通信信号存在；h1表示有通信信号存在。

43、进一步优选地，基于决策树的判决方法包括以下步骤：

44、步骤a：根据实时采集的链路信号，计算第一检测统计量和第二检测统计量；

45、步骤b：对比第一检测统计量与倒谱门限，若第一检测统计量大于倒谱门限，则判定当前链路信号中存在0～4000khz的干扰信号；若第一检测统计量小于等于倒谱门限，则判定当前链路信号中存在大于4000khz的干扰信号或者直扩信号，转至步骤c；

46、步骤c：对比第二检测统计量与时域互相关门限，若第二检测统计量小于等于时域互相关门限，则判定当前链路信号中存在大于4000khz的干扰信号；若第二检测统计量大于时域互相关门限，则判定当前链路信号为直扩信号。

47、进一步优选地，干扰实时感知方法还包括步骤六，具体为：

48、对步骤五输出的判决结果数据流进行封装，并以函数调取的方法，将判决结果基于pyqt设计可视化界面，以图形化方式给出实时数据流感知结果。

49、总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

50、本技术提供了一种适用于扩频通信系统的干扰实时感知装置，其中，采用倒谱处理模块和相关处理模块在线实时提取链路信号中的倒谱特征和时域互相关特征，同时结合决策树进行检测判决，即实时数据帧在线计算与判决，可以极大提高干扰感知的速度。另一方面，本技术充分考虑对抗环境下扩频通信系统特点，可以根据系统工作模式选择门限以及工作模式下的干扰检测方法，通过提取倒谱特征和时域互相关特征，并结合机器学习“离线训练+在线判决”思想，相比于传统的干扰检测算法，本技术可以实现不同大动态多样式干扰信号实时感知。

51、本技术提供了一种适用于扩频通信系统的干扰实时感知装置，其中，接收链路采用软件无线电的思想，采用数据预处理模块中的混频单元直接将射频信号转换为基带信号进行处理，采用降采样单元降低数据存储量，提高干扰检测带宽。