一种盲源分离模块的抗干扰能力测试方法与流程

1.本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种通信模块的抗干扰能力测试方法。


背景技术：

2.盲源分离(blind source separation，bss)技术能够利用不同源信号之间的统计独立特性，从混叠的接收信号中分离出各源信号，可用于信号和干扰分离，提升通信系统的抗干扰能力。
3.以1路信号遭受1路干扰为例，盲源分离的工作原理如图1所示。设信号为s(t)，干扰为j(t)，经过信道传播后，等效为经过一个混合网络，乘以混合矩阵，并叠加a(t)噪声，得到混合后的2路信号y1(t)和y2(t)。
4.接收机利用信号和干扰的统计独立特性，采用盲源分离算法对混合信号进行处理，估计出分离矩阵b(t)。将混合信号与分离矩阵相乘，得到分离后的信号zs(t)和zj(t)，其中zs(t)的主要分量是信号，zj(t)的主要分量是干扰。
5.如果不采用盲源分离，接收机就从2路接收信号y1(t)和y2(t)中挑1路信干噪比最高的信号进行解调；当使用盲源分离时，则从分离信号中识别出zs(t)，对其进行解调。
6.由于盲源分离模块能有效地分离信号和干扰，分离信号zs(t)的信干比要远优于y1(t)和y2(t)。因此，相对于直接解调而言，先盲源分离再实施解调，系统的抗干扰能力更强。
7.通信系统的抗干扰能力与天线配置、编码方式、调制方式、信噪比、解调门限等众多因素有关，通常可以测出整个系统的抗干扰能力。但为了衡量盲源分离算法带来的好处，为算法研究和模块设计提供试验反馈，需要单独标定盲源分离模块的抗干扰增益。本发明将提供一种盲源分离模块的抗干扰能力测试方法。


技术实现要素：

8.为了解决通信系统中盲源分离模块抗干扰增益的标定问题，本发明提供了一种盲源分离模块的抗干扰能力测试方法。
9.一种盲源分离模块的抗干扰能力测试方法，其特征在于包括如下步骤：
10.步骤1)：根据测试要求，构建有线或者无线测试网络，包括信号源、干扰源、混合网络、具有盲源分离和非盲源分离两种工作模式的接收机；
11.步骤2)：根据业务要求，设置相应的信号源参数；
12.步骤3)：根据干扰样式，设置相应的干扰源参数；
13.步骤4)：发送端同时发送信号与干扰；
14.步骤5)：判定“是否完成当前干扰样式下无盲源分离的抗干扰能力测试”，若为“是”，直接执行步骤6)，若为“否”，跳转到步骤7)；
15.步骤6)：对n路接收信号进行盲源分离处理，输出n路分离信号；
16.步骤7)：根据信号特征对n路接收信号或者n路分离信号进行捕获，找出相关性最强信干噪比最大的一路信号；
17.步骤8)：对捕获后的信号支路进行解调，输出恢复的信息比特；
18.步骤9)：误码统计模块实施误码率统计；
19.步骤10)：判断当前的误码率是否刚刚满足系统的误码率门限要求，若为“否”，则跳转到步骤2)，重新设置信号源或干扰源的功率参数，调整干信比，若为“是”，执行步骤11)；
20.步骤11)：根据信号源功率、干扰源功率、混合网络衰减情况，计算接收机输入端多路信号中的最小干信比；
21.步骤12)：判断“是否完成当前干扰样式下盲源分离的抗干扰能力测试”，若为“否”，则跳转到步骤2)，进行当前干扰样式下带有盲源分离的接收机抗干扰能力测试；若为“是”，直接执行步骤13)；
22.步骤13)：计算当前干扰样式下盲源分离模块的抗干扰增益g
j，bs
；
23.步骤14)：是否完成测试要求规定的所有干扰样式的测试，若为“否”，跳转到步骤2)，重新设置信号源和干扰源参数，开始新干扰样式下的测试；
24.步骤15)：测试结束。
25.本发明是由信号源分别产生信号和干扰，通过混合网络将信号与干扰混合后送入接收机；接收机有两种工作模式，一是不采用盲源分离，接收信号直接送入解调模块，二是接收信号经过盲源分离处理后再送入解调模块；改变干扰信号的样式和强度，标定误码率门限时两种模式分别对应的干信比，计算各干扰样式下盲源分离的抗干扰增益。
附图说明
26.图1是盲源分离工作原理图，描述了信号和干扰经过混合网络混合后，由接收机通过分离矩阵进行分离的过程。
27.图2是盲源分离抗干扰能力测试系统连接关系图，描述了一种基于有线网络搭建的盲源分离抗干扰能力测试系统各设备和部件之间的连接关系。
28.图3是盲源分离模块抗干扰能力测试流程图，描述了盲源分离模块抗干扰能力测试的工作流程。
具体实施方式
29.下面介绍盲源分离抗干扰能力测试的一种具体实施方式。
30.如图3所示，一种盲源分离模块的抗干扰能力测试方法，包括如下步骤：
31.步骤1)：根据测试要求，构建有线或者无线测试网络，包括信号源、干扰源、混合网络、具有盲源分离和非盲源分离两种工作模式的接收机；
32.步骤2)：根据业务要求，设置相应的信号源参数；
33.步骤3)：根据干扰样式，设置相应的干扰源参数；
34.步骤4)：发送端同时发送信号与干扰；
35.步骤5)：判定“是否完成当前干扰样式下无盲源分离的抗干扰能力测试”，若为“是”，直接执行步骤6)，若为“否”，跳转到步骤7)；
36.步骤6)：对n路接收信号进行盲源分离处理，输出n路分离信号；
37.步骤7)：根据信号特征对n路接收信号或者n路分离信号进行捕获，找出相关性最
强信干噪比最大的一路信号；
38.步骤8)：对捕获后的信号支路进行解调，输出恢复的信息比特；
39.步骤9)：误码统计模块实施误码率统计；
40.步骤10)：判断当前的误码率是否刚刚满足系统的误码率门限要求，若为“否”，则跳转到步骤2)，重新设置信号源或干扰源的功率参数，调整干信比，若为“是”，执行步骤11)；
41.步骤11)：根据信号源功率、干扰源功率、混合网络衰减情况，计算接收机输入端多路信号中的最小干信比；
42.步骤12)：判断“是否完成当前干扰样式下盲源分离的抗干扰能力测试”，若为“否”，则跳转到步骤2)，进行当前干扰样式下带有盲源分离的接收机抗干扰能力测试；若为“是”，直接执行步骤13)；
43.步骤13)：计算当前干扰样式下盲源分离模块的抗干扰增益g
j，bs
；
44.步骤14)：是否完成测试要求规定的所有干扰样式的测试，若为“否”，跳转到步骤2)，重新设置信号源和干扰源参数，开始新干扰样式下的测试；
45.步骤15)：测试结束。
46.本发明的信号源能产生一种或多种不同制式的信号，并设置调制方式、编码方式、通信频率、符号速率的参数。
47.本发明的干扰源能产生频率、带宽、强度、样式可变的干扰波形，支持单音、多音、窄带、宽带、扫频、脉冲的多种干扰样式。
48.本发明的输入系统为1路信号和1路干扰，或多路信号和多个干扰；混合网络负责将信号和干扰进行混合；混合网络是由分路器、合路器、衰减器和线缆搭建而成的有线混合网络或由多个发射天线和多个接收天线之间的传输信道所构成的无线混合网络。
49.信号设为s(t)，干扰设为j(t)，混合网络的等效混合矩阵设为a(t)，混合信号设为x(t)，假设混合网络为线性瞬时混合模型，则混合信号为
[0050][0051]
a(t)矩阵的大小为n
×
2，其中2表示混合网络的输入信号数目，n表示输出的混合信号数目，即有n个接收支路，a(t)表示为
[0052][0053]
其中，a
ij
(t)表示混合网络的第i个输出和第j个输入之间的幅度关系，表示相应的相移；x(t)的第i路信号用xi(t)表示，表示为：
[0054][0055]
每路混合信号既包括信号分量，也包括干扰分量；
[0056]
混合信号叠加噪声后，用y(t)表示，表示为：
[0057]
y(t)＝x(t) n(t)
[0058]
其中，n(t)表示加性高斯白噪声，共包含n路噪声分量，分别对应n个接收支路，表示为：
[0059]
n(t)＝[n1(t)
ꢀ…ꢀnn
(t)]
t
[0060]
ni(t)表示第i路接收信号中包含的噪声分量；接收机对y(t)进行处理，目标是恢复出s(t)包含的信息。
[0061]
测定盲源分离模块的抗干扰增益，对有无盲源分离时系统的抗干扰能力进行对比；接收机需要支持两种工作模式，一是不采用盲源分离，对接收信号直接解调，二是采用盲源分离，对分离后的信号进行解调；
[0062]
若不采用盲源分离，解调模块首先根据信号特征对n路接收信号进行捕获，找出信干噪比最大的一路信号，进行解调；
[0063]
若采用盲源分离，分离模块依据信号和干扰的统计独立特性，对n路接收信号进行处理，估计出分离矩阵b(t)，b(t)的矩阵维度为n
×
n，然后将接收信号y(t)和分离矩阵b(t)相乘，得到分离后的信号z(t)，其维度为m
×
1，表示m路分离信号，其中包含以信号为主要分量的zs(t)和以干扰为主要分量的zj(t)；解调模块需要根据信号特征对n路分离信号进行捕获，找出相关性最强的一路信号zs(t)，对其进行解调。
[0064]
本发明的数据解调模块包括载波同步、符号同步、帧同步、差错控制译码，若采用扩频体制，还包括扩频码捕获和码跟踪功能，解调完成后输出恢复的信息比特；
[0065]
误码统计模块对解调器输出的信息比特进行误码率统计，通过调整信号功率或者干扰功率，改变接收信号的干信比，根据系统的误码率要求，找出误码率小于门限时对应的干信比；由于接收机有多路输入信号，干信比是多路信号中干信比的最小值；
[0066]
给定误码率门限，测定无盲源分离时的干信比m
j，unbs
以及有盲源分离时的干信比m
j，bs
，盲源分离模块的抗干扰增益g
j，bs
为
[0067]
[g
j，bs
]＝[m
j，bs
]-[m
j，unbs
]
[0068]
其中，[
·
]表示括号中变量对应的分贝值，
[0069]
改变干扰源产生的干扰样式，测得不同样式下盲源分离模块的抗干扰增益。
[0070]
误码率统计在接收端实施，将发送的信息比特设定为确知的周期序列，误码统计模块在序列同步后，将解调器输出的比特与确知序列进行比对，计算误码率。
[0071]
误码率统计也可以在收发双端联合实施，通过专用误码仪进行测试，误码仪产生的信息比特送往发送端，信号产生装置对这些信息比特进行封装打包，然后发送出去，接收机将解调恢复的信息比特传给误码仪，误码仪对发送的信息比特和接收机恢复的信息比特进行比对，计算出误码率。为了便于描述，以1路信号和1路干扰为例，但本专利提出的测试实施方法适用于多路信号和多个干扰的场景。
[0072]
如图2所示的测试系统的连接关系，包含1路信号和1路干扰。
[0073]
专用信号发生器作为信号源产生信号，通用信号源作为干扰源产生干扰，干扰的样式、带宽、功率可以设置。
[0074]
混合网络是通过分路器、合路器、衰减器和线缆等搭建的有线网络。
[0075]
信号源产生的信号s(t)通过分路器1产生两个副本，分别为a
d11
s(t)和a
d12
s(t)，其中a
d11
和a
d12
是复系数，表示分路器1引起的幅度衰减和相移。分路后的信号a
d11
s(t)经过可调衰减器1，得到信号a
t1ad11
s(t)，a
d12
s(t)经过可调衰减器2，得到信号a
t2ad12
s(t)。a
t1
和a
t2
表征可调衰减器1和2引起的幅度衰减和相移。
[0076]
干扰源产生的干扰j(t)经过分路器2后产生2个副本，分别为a
d21
j(t)和a
d22
j(t)，其中，a
d21
和a
d22
表征分路器2引起的幅度衰减和相移。分路后的干扰a
d21
j(t)经过可调衰减器3，得到干扰a
t3ad21
j(t)，a
d22
j(t)经过可调衰减器4，得到干扰a
t4ad22
j(t)。a
t3
和a
t4
表征可调衰减器3和4引起的幅度衰减和相移。
[0077]
可调衰减器1输出的信号a
t1ad11
s(t)和可调衰减器3输出的干扰a
t3ad21
j(t)经过合路器1，得到合路后的信号，即a
c11at1ad11
s(t) a
c12at3ad21
j(t)，其中a
c11
和a
c12
分别代表合路器1对信号和干扰引起的幅度衰减和相移。该合路信号被送入接收机入口1。
[0078]
可调衰减器2输出的信号a
t2ad12
s(t)和可调衰减器4输出的干扰a
t4ad22
j(t)经过合路器2，得到合路后的信号，即a
c21at2ad12
s(t) a
c22at4ad22
j(t)，其中a
c21
和a
c22
分别代表合路器2对信号和干扰引起的幅度衰减和相移。该合路信号被送入接收机入口2。
[0079]
考虑混合网络和接收机前端噪声的影响，送入接收机信号处理模块的2路信号y1(t)和y2(t)构成信号向量y(t)，可以表示为：
[0080][0081]
将上式中的噪声部分单独列出，如下式所示：
[0082][0083]
定义混合矩阵a，如下式所示：
[0084][0085]
定义噪声向量n(t)，表示送入接收机的两路噪声分量，如下式所示：
[0086][0087]
则
[0088][0089]
混合网络将信号与干扰混合，叠加噪声后送入接收机的信号处理模块。混合矩阵a每个元素包含3个分量，一是分路器引起的衰减和相移，二是可调衰减器引起的衰减和相移，三是合路器引起的衰减和相移，通过调整可调衰减器的衰减量，可以改变混合网络的衰减和相移，从而改变a矩阵，测量不同混合参数条件下系统的抗干扰能力。
[0090]
如果不采用盲源分离，接收机收到的2路信号直接送入信号捕获模块。根据信号特征，信号捕获模块对2路信号进行识别，找出信干噪比更大的1路信号送入数据解调模块。例如，信号中插入固定样式的导频序列，信号捕获模块可以利用本地产生的导频序列分别与2路接收信号做相关运算，找出相关峰大的1路信号，送入数据解调模块。
[0091]
如果采用盲源分离，两路接收信号y1(t)和y2(t)被送入盲源分离模块，用于分离矩阵的估计，以及信号和干扰的分离。目前解决盲源分离问题的主流算法有j.f.cardoso等人
提出的基于独立性的等变自适应分离算法(equivariant adaptive source separation via independence，easi)、s.amari提出的自然梯度算法(natural gradient algorithm，nga)、以及a.hyvarinen等人提出的快速不动点算法(fast fixed-point ica，fastica)等等。下面以easi算法为例，简要介绍盲源分离模块分离矩阵的估计过程。
[0092]
(1)初始化：令t＝0，初始化分离矩阵b(t＝0)，可以设成单位阵，也可以随机初始化；
[0093]
(2)设置迭代步长λ(t)，令y(t)＝[y1(t)，y2(t)]
t
，
[0094]
g(t)＝[tanh (y1(t))，tanh (y2(t))]
t
；
[0095]
(3)计算h(t)＝λ(t)[y(t)y
t
(t)-i-g(t)y
t
(t)-y(t)g
t
(t)]，i为单位阵；
[0096]
(4)b(t 1)＝b(t)-λ(t)h(t)b(t)；
[0097]
(5)t＝t 1，跳转到(2)。
[0098]
上式中，t表示迭代次数对应的时间索引，b(t)表示t时刻的分离矩阵。通过上述计算，可以得到分离矩阵b(t)，当估计结果收敛后，b(t)趋于稳定。需要补充说明的是，g(t)除了采用tanh函数外，也可以选用其它非线性函数，h(t)也不局限于以上这一种形式。
[0099]
将分离矩阵b(t)与接收的2路信号y(t)相乘，则得到分离后的信号z(t)，包含2路信号分量z1(t)和z2(t)，如下式所示。
[0100][0101]
如果不考虑噪声，且收敛后的分离矩阵b(t)与混合矩阵a相乘的结果为一个广义置换矩阵，即每一行每一列只有一个元素具有较大的幅度，其余的元素可近似为0，则分离后的信号z(t)包含的2路信号，一路以信号s(t)为主，另一路以干扰j(t)为主。通过以上操作，实现了信号与干扰的分离，使得以s(t)为主的信号分量中含有的干扰功率很小。
[0102]
根据盲源分离算法的性质，分离矩阵b(t)与混合矩阵a相乘的结果为广义置换矩阵。因此对于分离后的信号分量z1(t)和z2(t)，无法确定哪一路是以信号分量为主，哪一路是以干扰分量为主，需要通过后面的信号捕获模块进行区分。
[0103]
与直接解调时的信号捕获方法类似，根据信号的已知特征，信号捕获模块分别对分离后的信号z1(t)和z2(t)进行相关运算，将其中相关峰大的一路信号，送入后续的数据解调模块。
[0104]
数据解调模块对信号捕获模块送出的信号进行解调、译码等操作，恢复出信息比特。
[0105]
解调模块输出的信息比特送入误码统计模块。误码统计模块在完成比特序列同步后，将解调器输出的信息比特与本地产生的信息比特进行比较，实现误码率统计。
[0106]
根据系统的误码率要求，调整测试系统中干扰源的输出功率或者信号源的输出功率，或者调整可调衰减器，使得误码统计模块输出的误码率达到要求，并计算此时接收机入口多路信号中的最小干信比。
[0107]
在达到误码率门限要求的前提下，假设不采用盲源分离时，系统能够容忍的干信比为m
j，unbs
，采用盲源分离技术后能够容忍的干信比为m
j，bs
，则盲源分离模块的抗干扰增益为
[0108]
[g
j，bs
]＝[m
j，bs
]-[m
j，unbs
]
[0109]
其中，[x]表示参量x对应的分贝值。
[0110]
改变干扰源产生的干扰样式，可以测得盲源分离模块在不同干扰样式下的抗干扰增益。
[0111]
下面给出实际系统的一组测试数据。系统的信息速率是2.56kbps，差错控制编码是ldpc，采用bpsk 直接序列扩频调制，扩频比是511。没有干扰时，系统的解调门限信噪比是4db。干扰样式选用了不同频偏的单音干扰和不同带宽的部分频带干扰，除了直接序列扩频和盲源分离外，没有添加其它抗干扰措施，测试结果如下表所示。
[0112]
表1 盲源分离模块抗干扰能力测试结果
[0113][0114][0115]
从表1的测试结果可以看出，无论对于单音干扰、窄带干扰或者宽带干扰，本测试方法均能标定出盲源分离模块的抗干扰增益，为盲源分离的算法研究和模块优化设计提供实验反馈。