GPS干扰源抑制中的多用户检测技术

作者：信息来源:电子市场 2007-5-22

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GPS干扰源抑制中的多用户检测技术蒋海丽，郑建生（武汉大学电子信息学院，湖北武汉430079）摘要：本文讨论了GPS干扰源抑制中的多用户检测技术。多用户检测技术将GPS信号中的窄带数字干扰作为多用户信号进行检测，从而在多个干扰源中提取出GPS卫星信号。文中首先给出了CDMA系统中的多用户信号模型，然后具体介绍了3种多...

GPS干扰源抑制中的多用户检测技术

蒋海丽，郑建生

（武汉大学电子信息学院，湖北武汉430079）

　　摘　要：本文讨论了GPS干扰源抑制中的多用户检测技术。多用户检测技术将GPS信号中的窄带数字干扰作为多用户信号进行检测，从而在多个干扰源中提取出GPS卫星信号。文中首先给出了CDMA系统中的多用户信号模型，然后具体介绍了3种多用户检测器，并分析了它们的信号干扰比和比特误码率。
　　关键词：多用户检测;GPS;窄带干扰;扩展频谱

Multi-User Detection Technology in GPS Interference Source Suppression

JIANG Hai-li，ZHENG Jian-sheng

（College of Electronics Information,Wuhan University，Wuhan430079，China）

　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：The technology of multi-user detection(MUD) in GPS interference source suppression is discussed.The multi-user detection technology makes the narrowband interference as multi-user signal to be detected，hence，GPS signal can be obtained from many interference sources.The multi-user signal model in CDMA system is presented and three kinds of multi-user detectors are introduced in detail，then their SIR and BER are analyzed.
　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：MUD;GPS;Narrowband interference;Spread spectrum

一、引言
　　线性多用户检测技术（MUD）最初在多扩展频谱用户检测中提出的，后来Rusch 和Poor成功地将此技术应用于窄带数字干扰抑制中。虽然扩频通信对于传统通信中的窄带干扰（NBI）本来就有抑制作用，因此在解扩和解调之前可以利用有效的NBI抑制来获得更好的实际性能增益。
　　GPS采用直接序列扩频（DSSS）进行BPSK调制，所有卫星信号都采用同一载波频率（L1和L2）进行传输，导航数据以C/A码和P码形式50 bps速率传输。C/A码是码率为1．023 MHz、码为1 023位的Gold序列，且它的周期为1 ms，每个数据位有20个周期的扩展码。P码是一种伪随机码，码速率为10．23 MHz，周期为1周。由于GPS信号一般采用扩频方法，因此可以采用多用户检测技术将GPS信号源中的窄带数字干扰作为多用户信号进行检测，从而在多个干扰源中提取出GPS卫星信号，提高GPS抗干扰能力。

二、多用户信号模型
　　全球定位系统（GPS）是一个码分多址（CDMA）的下行链路系统，因此假设一个系统具有一个GPS信号和一个在另外一个AWGN通道里传输窄带双向通信信号。GPS信号的每个数据位都由K=20个周期的伪随机信号（PRN）签名序列进行调制（每个入口是一个码片，每一个PRN周期是一个区）。假设窄带数字信号同GPS信号是同步的，那么每个NBI边缘滞后于GPS PRN周期边缘。此外，假设窄带用户的k位对应于GPS信号的一位。因此，窄带用户的每一位跨越l=K/k个区，里只考虑l为整数，且l∈{1,2,4,5,10,20}。因此，根据虚拟用户划分的方法，我们可以将窄带数字干扰看作很多个虚拟正交用户，建立一个多用户信号模型。例如：将数字信号看作m个虚拟用户，每个用户信号就是仅位于n＝K/m个连续区内的信号，即用一个或多个用户来代表每个窄带干扰位，如图1所示。

　　那么所有用户信号与GPS信号间的互相关矢量ρ为
　　
　　这里ρ₀为第一个虚拟用户信号同GPS信号间的互相关系数。
　　假设T_g为GPS信号的位持续时间，w_i为在一个GPS信号位间隔内接收到的窄带干扰信号能量，w_s为在同样的位间隔内接收到的GPS信号能量（包括进程增益），在间隔（0，T_g）窄带干扰数据位为b=［b₁b₂…b_m］^T，GPS位为b₀，当用户都同步时，在一个GPS信号位间隔内接收到的信号为
　　
　　这里n(t)是单位功率谱密度的附加白高斯噪声，σ²是噪声方差，s_o(t)是GPS信号归一化的信号波形。互相关ρ=［ρ₁ρ₂…ρ_m］^T，这里ρ_j是第j个虚拟用户和GPS信号间的互相关系数，定义为
　　若I_m表示m×m维矩阵，那么虚拟多用户系统的互相关矩阵R具有一个简单的结构：
　　

三、线性检测器
　　建立了信号模型后，下面对各种线性检测器进行GPS信号检测，同时比较这些检测器的性能。线性检测器的原理框图如图2所示。

1.传统的检测器（CD）
　　在本文中，接收到的信号直接发送到同传输码相匹配的单一滤波器中，那么滤波器输出同原始信号比较得到的GPS位估计，如果：
　　
　　那么位误差率（BER）为
　　
的干扰位矢量序列中的一个。
2.去相关检测器（DD）
　　去相关检测器由互相关矩阵R的逆矩阵决定，见（4）式：
　　
　　GPS位估计包括这个逆矩阵的第一行，如果：
　　 
　　从式（9）和（10）可以明显地看出，去相关检测器的性能是独立于窄带干扰的能量的。
3.线性最小均方误差检测器（MMSE）
　　线性最小均方误差检测器（MMSE）具有如下的形式：
　　
　　这里，c (t)用来最小化均方误差，它为
　　
　　BER为
　　
　　那么MMSE检测器输出的信号干扰比（SIR）为
　　
　　从上式我们可以清楚地看到MMSE检测器的BER和SIR都是虚拟用户数m的函数。
　　下面我们研究一下m对于不同检测器性能的影响。互相关矢量有m个相等元素ρ_j（j＝1，2，…，
　　
关检测器的性能与虚拟用户数无关。然而，对MMSE检测器来说，BER和SIR都是m的函数。

四、实验结果
　　这里我们将比较上述所阐述的各种技术对于窄带干扰的抑制能力。在GPS信号的每个数据位中有20个扩频码周期。扩频码是码长为1 023比特的Gold序列即C/A码。因此，互相关系数ρ₀为ρ₀
　　假设数字窄带干扰和GPS信号同步，噪声功率为σ²＝－15 dB，干扰功率从0～40 dB变化。图3描述了当用户数m=2时不同检测器的BER性能比较，同时说明了所有的窄带干扰抑制技术都比传统的检测器要好。虽然从式（14）和式（10）中可以清楚地知道MMSE检测器应该比去相关检测器具有更好的性能，但是这一点在图3中不明显，因为ρ^Tρ的值很小。从式（14）和式（10）中也可以清楚地知道，当噪声功率非常小或干扰功率非常大时，这两种检测器应该具有几乎相同的性能。

五、结论
　　本文讨论了GPS干扰源抑制中的多用户检测技术，结果表明由于GPS中很大的扩展增益，因此所有检测器的性能几乎一样，但是它们都比传统检测器要好。增加虚拟用户数来代替窄带干扰并不一定会提高检测器的性能。考虑检测器的复杂性，因此去相关检测器被认为是GPS中数字窄带干扰抑制的最好检测器。

考文献

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