李平博，嚴(yán)玉國(guó)

(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，陜西西安710077)

GNSS衛(wèi)星距離地面兩萬(wàn)多千米，到達(dá)地面的信號(hào)非常微弱，通常功率僅為-150 dBW，比接收機(jī)熱噪聲低20～30 dBW。同時(shí)，GNSS接收機(jī)的實(shí)際工作環(huán)境又存在著復(fù)雜多變的電磁干擾，尤其是隨著衛(wèi)星導(dǎo)航、通信等技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，人為壓制式干擾成為GNSS接收機(jī)亟需解決的問(wèn)題。

衛(wèi)星信號(hào)使用擴(kuò)頻技術(shù)具有了一定的抗干擾能力，其抗干擾能力與擴(kuò)頻增益成正比。然而系統(tǒng)的擴(kuò)頻增益受帶寬和設(shè)備實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度的限制不可能太高，尤其是存在強(qiáng)窄帶干擾的情況下，單純的提高增益是行不通的。根據(jù)擴(kuò)頻信號(hào)和窄帶干擾頻譜特性的不同，頻域抗干擾方法［1-3］能很好地抑制強(qiáng)窄帶干擾，具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、硬件資源占用少和處理速度快等優(yōu)點(diǎn)。

1 頻域抗干擾技術(shù)

頻域抗干擾接收機(jī)原理如圖1所示。

由于對(duì)每幀數(shù)據(jù)直接進(jìn)行FFT變換會(huì)產(chǎn)生頻譜泄漏，在FFT變換之前，進(jìn)行加窗［4］處理，以減小頻譜損失。但是加窗處理同時(shí)帶來(lái)了信號(hào)失真，所以在FFT反變換之后，進(jìn)行重疊處理，以減輕加窗對(duì)信號(hào)帶來(lái)的影響。

頻域處理對(duì)干擾的檢測(cè)是以幅度譜為對(duì)象的。FFT變換后，信號(hào)幅度譜超過(guò)某一門限則認(rèn)為疊加了干擾，而后對(duì)干擾頻譜進(jìn)行處理。由于對(duì)干擾頻譜一般采用衰減或者截?cái)鄽w零等處理方式，在抑制干擾的同時(shí)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)也會(huì)造成部分衰減和影響，所以干擾門限的設(shè)定和對(duì)干擾頻譜的處理方式是頻域抗干擾方法的關(guān)鍵問(wèn)題。

2 頻域抗干擾算法

2.1 傳統(tǒng)方法簡(jiǎn)析

傳統(tǒng)的頻域干擾檢測(cè)算法［5-8］根據(jù)信號(hào)頻譜幅度的大小設(shè)定門限Th，門限的設(shè)定一般由Xk的統(tǒng)計(jì)特性確定，Xk的期望和方差為

一階矩門限定義為式中:θ為門限優(yōu)化因子，一階矩門限的關(guān)鍵即優(yōu)化因子的確定。

二階矩門限定義為

式中:β為門限優(yōu)化因子，一般由對(duì)干擾的能量和帶寬估計(jì)而來(lái)。

文獻(xiàn)［5］指出，門限的選擇也可以根據(jù)Xk中幅值較大頻點(diǎn)的個(gè)數(shù)或者其所占頻點(diǎn)百分比確定，即K-bins算法及其變形算法。包括文獻(xiàn)［6］所提及的自適應(yīng)算法，其實(shí)也是此類算法的衍生。

傳統(tǒng)算法門限的確定是以一段數(shù)據(jù)幀為研究對(duì)象的，同一個(gè)幀上頻譜門限相同。當(dāng)某一幀上存在干擾，尤其是強(qiáng)窄帶干擾和部分寬帶干擾，干擾的存在會(huì)對(duì)當(dāng)前幀的期望和方差產(chǎn)生很大影響，從而影響當(dāng)前幀門限值的確定。

中值濾波算法［7］具有較好的清除脈沖干擾的能力，對(duì)頻寬大于窗寬的干擾抑制效果較差，對(duì)信號(hào)本身也會(huì)帶來(lái)失真。文獻(xiàn)［8］提出的改進(jìn)型中值濾波算法較傳統(tǒng)中值濾波算法有很大改進(jìn)，效果較好。

2.2 本文主要算法

由于干擾的存在，門限確定時(shí)如果采用傳統(tǒng)思路，則一定會(huì)不同程度地受到干擾的影響。本文不以幀為處理對(duì)象，也不同于中值法以更小的塊為處理對(duì)象，而是直接以單個(gè)頻點(diǎn)為對(duì)象，對(duì)每個(gè)頻點(diǎn)設(shè)置相應(yīng)的門限，檢測(cè)干擾的存在并對(duì)其進(jìn)行抑制，進(jìn)而減輕干擾頻點(diǎn)對(duì)其他頻點(diǎn)門限確定時(shí)的影響，從而從根本上減輕干擾對(duì)門限確定時(shí)的影響。

具體流程如圖2所示。

圖2 逐點(diǎn)算法流程圖

時(shí)域信號(hào)先經(jīng)過(guò)分段，而后進(jìn)行FFT變換。本文算法對(duì)每幀信號(hào)的頻點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，單個(gè)頻點(diǎn)的門限是由檢測(cè)塊的特性決定的。所以，算法開(kāi)始應(yīng)該先取到合理的初始檢測(cè)塊并對(duì)其進(jìn)行干擾檢測(cè)和抑制。而后以檢測(cè)塊為門限確定單元，得到下一個(gè)頻點(diǎn)干擾檢測(cè)的門限，最終處理完整幀數(shù)據(jù)。具體步驟如下:

1)取初始檢測(cè)塊并對(duì)初始檢測(cè)塊進(jìn)行干擾檢測(cè)和抑制。一般取前M個(gè)頻點(diǎn)作為初始檢測(cè)塊，M的大小既要足夠大以表征擴(kuò)頻信號(hào)的頻譜特性，又不能太大使算法效率低下。經(jīng)多次仿真試選，一般取M=0．1N效果較好。

檢測(cè)塊的初始化即為檢測(cè)塊本身的干擾檢測(cè)和抑制。為了防止檢測(cè)塊中強(qiáng)單音干擾的影響，干擾檢測(cè)前先對(duì)檢測(cè)塊進(jìn)行野值剔除［6］，即認(rèn)為幅值超過(guò)均值5倍以上的頻點(diǎn)為干擾，直接置為均值。然后對(duì)剔除野值之后的所有頻點(diǎn)求均值，采用一階矩門限法進(jìn)行初始化，即檢測(cè)塊門限Th=θ·μ，θ取2。干擾抑制算法采用均值鉗位法，即超出門限的頻點(diǎn)置為均值。

2)檢測(cè)塊初始化完成后，認(rèn)為檢測(cè)塊數(shù)據(jù)可以用來(lái)估計(jì)下個(gè)頻點(diǎn)的門限，即可由當(dāng)前檢測(cè)塊的統(tǒng)計(jì)特性確定下一個(gè)頻點(diǎn)門限，從而對(duì)當(dāng)前頻點(diǎn)進(jìn)行干擾檢測(cè)。門限的確定可由一階矩門限法、二階矩門限法得到。這里采用一階矩門限法，θ取2，干擾抑制算法采用均值鉗位法，即超出門限的頻點(diǎn)置為均值。

3)當(dāng)前頻點(diǎn)處理完成后，檢測(cè)塊向后平移一個(gè)頻點(diǎn)，即檢測(cè)塊中的頻點(diǎn)數(shù)目保持不變，頻點(diǎn)由初始的第0到M-1個(gè)頻點(diǎn)變換為第1到M個(gè)頻點(diǎn)。以此類推。然后逐點(diǎn)進(jìn)行干擾的檢測(cè)和抑制。由此，整幀數(shù)據(jù)即可全部處理。

3 新算法相關(guān)分析

3.1 新算法特點(diǎn)

新算法以點(diǎn)為處理對(duì)象，摒除了傳統(tǒng)算法對(duì)一段頻點(diǎn)采用單一門限的不足，充分利用信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性及各個(gè)頻點(diǎn)自身特性，確定門限，為最優(yōu)門限的選取提供了更大可能。同時(shí)，對(duì)于傳統(tǒng)算法對(duì)部分寬帶干擾的檢測(cè)效果不理想，新算法可以從理論上檢測(cè)出一切干擾頻點(diǎn)，前提是初始檢測(cè)塊的選取理想，各個(gè)干擾頻點(diǎn)的抑制算法理想。通過(guò)仿真可以看出，新算法對(duì)部分寬帶干擾仍然可以檢測(cè)并抑制，至于部分寬帶干擾的帶寬，由干擾類型和抑制算法是否得當(dāng)決定。同時(shí)，新算法中初始?jí)K的干擾門限確定及干擾抑制算法，以及后面各個(gè)頻點(diǎn)的門限確定及干擾抑制算法均可以使用其他的相關(guān)算法完成，對(duì)于不同的干擾類型和實(shí)際的需求，新算法具有較強(qiáng)的可移植性。

3.2 初始化問(wèn)題

由上可以看出，新算法中初始化對(duì)算法性能的影響很大。初始檢測(cè)塊中沒(méi)有干擾，則門限設(shè)置較理想，有干擾，則同傳統(tǒng)方法一樣，門限受到干擾的影響較大。所以，判斷初始檢測(cè)塊中是否存在干擾比較重要。

這里采用比較法進(jìn)行判斷。即先計(jì)算整幀數(shù)據(jù)的均值μ0，然后計(jì)算初始檢測(cè)塊的均值μ1，比較μ0，μ1，如果μ0＜μ1，即初始檢測(cè)塊的均值大于整幀數(shù)據(jù)的均值，則認(rèn)為檢測(cè)塊中存在干擾且干擾幅度百分比大于整幀干擾幅度百分比，則此初始檢測(cè)塊不可用。那么初始檢測(cè)塊向后平移M個(gè)頻點(diǎn)，即初始檢測(cè)塊由第0到M-1個(gè)頻點(diǎn)變換為由第M到2M-1個(gè)頻點(diǎn)組成，然后計(jì)算新檢測(cè)塊的均值μ2，用同樣方法進(jìn)行比較，如果不可用，則繼續(xù)向后平移檢測(cè)塊，直至檢測(cè)塊均值小于整幀數(shù)據(jù)均值，則認(rèn)為檢測(cè)塊中沒(méi)有干擾或者干擾較少，可以作為初始檢測(cè)塊進(jìn)行下個(gè)頻點(diǎn)的門限確定。

3.3 運(yùn)算量問(wèn)題

運(yùn)算量的大小決定了算法的優(yōu)劣。每幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為N，初始檢測(cè)塊長(zhǎng)度為M，初始檢測(cè)塊選擇第M到2M-1個(gè)頻點(diǎn)，即認(rèn)為第一段檢測(cè)塊有干擾不可用。以C+表示需要的加法次數(shù)，Cx表示需要的乘法次數(shù)。

當(dāng)采用一階矩門限法時(shí)，分析如下:

對(duì)于傳統(tǒng)算法，均值確定時(shí)，C+=N－1，Cx=1，故總的運(yùn)算量為C=N－1+1=N。

對(duì)于新算法，對(duì)于單個(gè)檢測(cè)塊均值，C+=M－1，Cx=1，則檢測(cè)塊初始化總的運(yùn)算量為C=(N－1+1)+2(M－1+1)=N+2M，對(duì)于后面N－M個(gè)頻點(diǎn)，每個(gè)頻點(diǎn)均值的計(jì)算只需將檢測(cè)塊中均值加入一個(gè)頻點(diǎn)再減去一個(gè)頻點(diǎn)即可，則C+=2，Cx=1，總的運(yùn)算量C=3(N－M)，故新算法的運(yùn)算量為C=N+2M+3N－3M=4NM，N為每幀數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，M=0．1N，新算法的運(yùn)算量比傳統(tǒng)方法大，但是由于一般N較小，故運(yùn)算量的增加可以接受。

當(dāng)采用二階矩門限法時(shí)，分析如下:

對(duì)于傳統(tǒng)算法，對(duì)于均值同一階矩法，C=N，對(duì)于方差，C+=N+N－1=2N－1，CX=N+1 ，故總的運(yùn)算量C=N+2N－1+N+1=4N。

對(duì)于新算法，檢測(cè)塊的初始化同一階矩法，對(duì)于均值，C=N+2M，對(duì)于方差，C+=2M－1，Cx=M+1，故檢測(cè)塊初始化總的運(yùn)算量C=N+2M+2M－1+M+1=N+5M。對(duì)于后面的N－M個(gè)頻點(diǎn)，均值的計(jì)算同一階矩法，C=3(N－M)，方差不變，原因是當(dāng)干擾存在時(shí)，信號(hào)方差變大，而期望信號(hào)的方差不變大，即期望沒(méi)有干擾，并且當(dāng)干擾被檢測(cè)出來(lái)后，通過(guò)抑制算法，對(duì)本檢測(cè)塊方差基本無(wú)影響。故新算法總的運(yùn)算量為C=N+5M+3(NM)=4N+2M，同傳統(tǒng)算法相比，運(yùn)算量基本不變。

4 算法仿真

為了驗(yàn)證新算法性能，用MATLAB對(duì)不同類型干擾抑制前后頻譜對(duì)比圖做仿真，仿真參數(shù)為:PN碼采用127位的m序列，通過(guò)BPSK調(diào)制，載波頻率為70 MHz，數(shù)據(jù)加漢明窗，F(xiàn)FT長(zhǎng)度取1 024點(diǎn)，單音干擾為頻率分別為1 MHz和2 MHz的正弦信號(hào)，部分寬帶干擾采用高斯白噪聲通過(guò)理想帶通濾波器產(chǎn)生，帶寬為6 MHz，信干比SJR均為-12 dB，重疊處理為50%重疊相加。

圖3為單音干擾抑制前后頻譜對(duì)比圖，由圖可知，新算法對(duì)單音干擾抑制效果較好。圖4為部分寬帶干擾抑制前后頻譜對(duì)比圖，且初始檢測(cè)塊無(wú)干擾，由圖可知，新算法對(duì)于部分寬帶干擾的檢測(cè)效果較理想，由于抑制時(shí)采用均值鉗位法，所以干擾功率基本全部抑制，但同時(shí)對(duì)原擴(kuò)頻信號(hào)產(chǎn)生了影響，這主要是由抑制算法決定的。圖5為單音干擾和部分寬帶干擾并存時(shí)干擾抑制前后頻譜對(duì)比圖，且初始檢測(cè)塊無(wú)干擾，由圖知，新算法對(duì)混合干擾依然具有檢測(cè)抑制作用。圖6為初始檢測(cè)塊有單音干擾時(shí)混合干擾抑制前后頻譜對(duì)比圖，由圖知，當(dāng)初始檢測(cè)塊有干擾時(shí)，新算法對(duì)干擾的檢測(cè)抑制效果與圖5基本相同，其原因?yàn)槌跏蓟瘯r(shí)的檢測(cè)塊對(duì)比選擇，即選擇可用的檢測(cè)塊作為初始檢測(cè)塊。

5 結(jié)論

新算法不同于傳統(tǒng)算法思路，以單個(gè)頻點(diǎn)為處理單元，減輕了干擾對(duì)門限確定的影響，使門限能夠更好地檢測(cè)干擾和保留信號(hào)。對(duì)于部分寬帶干擾，新算法也具有較好的干擾檢測(cè)抑制效果，這對(duì)于傳統(tǒng)算法來(lái)講是不可能實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，新算法具有較好的可移植性，算法思路可以應(yīng)用于其他干擾抑制算法中，以提高頻域干擾抑制算法性能。當(dāng)然，由于本文新算法在門限設(shè)定和對(duì)頻譜處理時(shí)采用簡(jiǎn)單干擾設(shè)置，故新算法優(yōu)點(diǎn)不能很好地體現(xiàn)，若針對(duì)特殊干擾形式設(shè)置門限和頻譜處理方式，新算法性能可明顯體現(xiàn)出來(lái)。

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