摘 要:提出了空域?yàn)V波和空時(shí)濾波的優(yōu)缺點(diǎn),研究了他們的抗干擾性能,并在圓陣中進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明這兩種方法都可以用于GPS接收機(jī)抗干擾。其中,空時(shí)濾波結(jié)構(gòu)相對(duì)于空域?yàn)V波能增加系統(tǒng)的自由度,對(duì)于寬帶信號(hào)能提供更佳的抗干擾性能;價(jià)格相對(duì)較低的空域?yàn)V波結(jié)構(gòu)在普通干擾環(huán)境中(干擾數(shù)目較少)也是一種合適的選擇。
關(guān)鍵詞:GPS;自適應(yīng)算法;空時(shí)濾波;抗干擾
中圖分類號(hào):TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1004373X(2008)0316903
Study on Performance of Space and Space—time Filtering for GPS Receiver
WAN Rui 1,2,LAN Jialong1,LIU Tian 1
(1.School of Electronic Engineering,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu,610054,China;2.Research Institute of Electronic Science and Technology,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu,610054,China)
Abstract:The merits and disadvantages of space filtering and space—time filtering is put forward.In computer simulation,it is adopted in circular array to study their anti—jamming performance.The simulation result indicates that this two methods can be used for GPS receiver to achieve anti—jamming.Compared with space filtering,the structure of space—time filtering increases the freedoms of degree and gives a better anti—jamming capability for broadband signals.However,the structure of space filtering is a better choice in advantage of its relative lower price in the simple anti—jamming environment.
Keywords:GPS;adaptive algorithm;space—time filtering;anti—jamming
隨著GPS接收機(jī)的普遍應(yīng)用,GPS信號(hào)易受干擾的問(wèn)題顯得越來(lái)越突出,各國(guó)軍方正日益加強(qiáng)GPS 接收機(jī)抗干擾技術(shù)的研究。在空域上,GPS接收機(jī)的自適應(yīng)調(diào)零天線技術(shù)應(yīng)用性較強(qiáng),他主要使得天線增益圖中的主波束對(duì)準(zhǔn)信號(hào)方向,零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)干擾方向,從而保證輸出信號(hào)處于最佳狀態(tài),是衛(wèi)星通信中有效的抗干擾手段??諘r(shí)濾波技術(shù)是GPS接收機(jī)抗干擾技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一,他在不增加陣元的前提下,增加了陣的自由度,為最優(yōu)準(zhǔn)則的選取提供了更大的選擇余地。本文將針對(duì)以上兩種濾波方法的抗干擾性能做出相應(yīng)的分析比較。
1 空域自適應(yīng)抗干擾
對(duì)于空域?yàn)V波方法,文獻(xiàn)[1,2]提出利用功率最小化準(zhǔn)則的自適應(yīng)調(diào)零天線方案,采用標(biāo)準(zhǔn)的空域?yàn)V波方案。文獻(xiàn)[3]優(yōu)化了這類算法,提出直接估計(jì)梯度的算法,加速算法的收斂,使其適用于移動(dòng)環(huán)境。考慮到接收到的干擾數(shù)目以及干擾形式無(wú)法做到事先預(yù)知,信號(hào)的來(lái)向和數(shù)目也不能預(yù)知,在這種情況下功率倒置自適應(yīng)算法是比較合適的選擇。
功率倒置自適應(yīng)算法[4]是基于線性約束最小方差(LCMV)準(zhǔn)則建立的,也就是將自適應(yīng)陣列的輸出功率最小作為最佳化準(zhǔn)則。線性約束最小方差準(zhǔn)則的意義在于以保證有用信號(hào)方向的增益為常數(shù)的約束條件下,使得總的輸出功率最小卻不至于為零,同時(shí)也保證輸出的信噪比最大。功率倒置自適應(yīng)算法實(shí)質(zhì)上是一種具有嚴(yán)格約束條件的自適應(yīng)算法,其約束條件為WTs0=1,且s0=[1,0,…,0]T,也就是要求自適應(yīng)陣在任何時(shí)候均需保證第一個(gè)陣元天線的增益為常數(shù),即w1=1。這種自適應(yīng)陣列如圖1所示。
圖1 M元功率倒置自適應(yīng)陣
圖1中xi(t)為每個(gè)天線陣元接收到的信號(hào),可表示為X=[x1,x2,…,xM]T。wi為各個(gè)天線的加權(quán)系數(shù),可表示為W=[w1,w2,…,wn]T,其中w1=1。
通過(guò)選擇W的最佳值,在WTs0=1約束下,使陣列輸出功率E{|y(n)|2}最小,這是標(biāo)準(zhǔn)的LCMV準(zhǔn)則的情況,顯然最優(yōu)權(quán)仍由下列公式確定:
RxxWopt=as0(1)
根據(jù)LMS算法的加權(quán)遞推公式以及最大約束方向自適應(yīng)算法遞推公式可得功率倒置自適應(yīng)算法的遞推公式:
w(n+1)[WB]= w(n) - 2μ[I - (s0sT0)/(sT0s0)]#8226;[DW] x*(n)xT(n)w(n)[JY](2)
由此可見(jiàn),功率倒置自適應(yīng)算法在約束方向可保持一定的值,而從其他方向入射的信號(hào),不論是有用信號(hào)還是干擾信號(hào),都將受到不同程度的抑制。顯然,他并不需要知道有用信號(hào)的有關(guān)信息。
2 空時(shí)濾波方法
空時(shí)二維處理[5]是將一維的空域?yàn)V波推廣到時(shí)間與空間的二維域中,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。各陣元的信號(hào)下變頻到基帶后通過(guò)采樣得到I,Q信號(hào)進(jìn)行空時(shí)處理。設(shè)陣元數(shù)為M,每個(gè)陣元采N個(gè)點(diǎn),每個(gè)節(jié)拍的時(shí)間延時(shí)為T(T<1/B,B是信號(hào)帶寬),則每個(gè)陣元信號(hào)總的延時(shí)長(zhǎng)度為(N-1)T,要求能夠包括不同延時(shí)的干擾多徑[6]。
圖2 空時(shí)二維處理器的結(jié)構(gòu)
由圖2看出,xm(n)是第m個(gè)陣元采樣的數(shù)據(jù),即:
空時(shí)處理器的輸出功率為:
其中,X(n)和hx為除了參考點(diǎn)外的所有輸入數(shù)據(jù)和權(quán)向量,維數(shù)為(MN-1)×1。
因此,輸出功率為:
由于Kxx的維數(shù)較大,因此一些降維方法可用于對(duì)上式的遞推求解。
3 仿真研究
現(xiàn)分別對(duì)空域?yàn)V波和空時(shí)濾波算法的干擾抑制性能進(jìn)行仿真,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。仿真中采用7元圓陣,陣元間距為半波長(zhǎng),一個(gè)陣元位于圓心點(diǎn),其他陣元均勻分布在圓周上。統(tǒng)一設(shè)定有用信號(hào)的到達(dá)方向?yàn)?20°,40°),其中20°代表仰角,40°代表方位角。干信比均為60 dB,信噪比為-35 dB,寬帶干擾帶寬約20 MHz。
3.1 空域?yàn)V波仿真研究
(1) 當(dāng)存在1個(gè)寬帶干擾和5個(gè)窄帶干擾時(shí),其到達(dá)角分別為(35°,100°)、(40°,75°)、(40°,160°)、(50°,250°)、(25°,300°)、(35°,200°),形成的三維方向圖如圖3所示。
圖3 6個(gè)干擾時(shí)的方向圖
(2) 當(dāng)存在1個(gè)寬帶干擾和6個(gè)窄帶干擾時(shí),6個(gè)干擾的到達(dá)角同上,增加的一個(gè)干擾到達(dá)角為(60°,130°),此時(shí)的方向圖如圖4所示。
圖4 7個(gè)干擾時(shí)的方向圖
由仿真結(jié)果可見(jiàn),空域?yàn)V波可以準(zhǔn)確地在干擾方向形成零點(diǎn)。干擾數(shù)目較少時(shí),其抑制性能更好,干擾數(shù)目增多時(shí),由于受自由度的限制,其效果變差。如圖4所示,當(dāng)干擾數(shù)目大于6時(shí),出現(xiàn)了不能形成零點(diǎn)的情況,這符合自由度[6]的計(jì)算。
3.2 空時(shí)濾波仿真研究
考慮到空時(shí)濾波具有方位角、仰角和頻率三維結(jié)構(gòu),在仿真中為了便于分析和比較,將干擾信號(hào)和有用信號(hào)的仰角都統(tǒng)一設(shè)定為25°。
(1) 當(dāng)存在3個(gè)寬帶干擾時(shí), 其到達(dá)角分別為30°,300°,130°,其空時(shí)響應(yīng)圖如圖5所示。
圖5 3個(gè)寬帶干擾時(shí)的空時(shí)響應(yīng)圖
(2) 當(dāng)存在3個(gè)寬帶干擾和4個(gè)窄帶干擾時(shí), 其到達(dá)角分別為30°,300°,130°,200°,250°,80°,340°,且窄帶干擾的頻率分別為1 kHz,3 MHz,3 kHz,5 MHz,其幅頻響應(yīng)如圖6所示。
由結(jié)果可見(jiàn),空時(shí)結(jié)構(gòu)可以抑制多于天線陣元數(shù)目的干擾,干擾零點(diǎn)在相應(yīng)角度和頻點(diǎn)上出現(xiàn),即使窄帶干擾來(lái)自于相同的方向,只要頻率不同,空時(shí)濾波也能區(qū)分他們,這是空域?yàn)V波所不能實(shí)現(xiàn)的。另一方面,零點(diǎn)的深度同時(shí)受到受控零點(diǎn)數(shù)的限制,也就是說(shuō)形成的零點(diǎn)越多,耗費(fèi)的自由度數(shù)越多。比較空域?yàn)V波和空時(shí)濾波的仿真結(jié)果可知,由于空時(shí)濾波器的自由度數(shù)目大于空域?yàn)V波器,故形成的零點(diǎn)明顯較深,并且抑制寬帶干擾信號(hào)的性能較好,立體圖上寬帶干擾對(duì)應(yīng)于相應(yīng)的到達(dá)角為穿過(guò)整個(gè)帶寬的一個(gè)溝槽,而窄帶干擾在相應(yīng)的頻率和到達(dá)角處為一個(gè)深坑。
圖6 7個(gè)干擾時(shí)的空時(shí)響應(yīng)圖
4 結(jié) 語(yǔ)
本節(jié)的仿真結(jié)果說(shuō)明了空時(shí)濾波結(jié)構(gòu)相對(duì)于空域?yàn)V波能增加系統(tǒng)的自由度,抑制更多的滿帶干擾信號(hào),提供更佳的抗干擾性能。兩種陣形的選擇在性能和接收機(jī)成本之間存在折衷。所以,當(dāng)接收機(jī)工作在普通干擾環(huán)境即干擾數(shù)目較少時(shí),可以采用價(jià)格相對(duì)較低的空域?yàn)V波結(jié)構(gòu),當(dāng)然在復(fù)雜干擾環(huán)境中,空時(shí)濾波結(jié)構(gòu)是必然的選擇。
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作者簡(jiǎn)介 萬(wàn) 瑞 女,四川人,碩士研究生。研究方向?yàn)閿U(kuò)頻通信、無(wú)線通信中的抗干擾通信。
注:本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。