付晶晶，左啟耀，彭 元

(北京自動化控制設(shè)備研究所，北京100074)

GPS信號FFT自適應(yīng)抗干擾技術(shù)的FPGA工程實現(xiàn)

付晶晶，左啟耀，彭 元

(北京自動化控制設(shè)備研究所，北京100074)

針對自適應(yīng)抗干擾技術(shù)展開研究，提出了易于FPGA實現(xiàn)的FFT自適應(yīng)窄帶抗干擾技術(shù)。這種方法減小了數(shù)字信號處理部分的計算量，提高了系統(tǒng)處理的實時性，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。實驗表明在有寬帶干擾存在的情況下，使用所提出的方法可以自適應(yīng)檢測并剔除窄帶干擾。與GPS接收機的對接測試表明，該技術(shù)能大大提高接收機的抗干擾能力。

FFT；FPGA；自適應(yīng)抗干擾；窄帶干擾抑制

0 引言

抗窄帶干擾技術(shù)主要有時域處理技術(shù)和變換域處理技術(shù)，時域處理技術(shù)對參數(shù)的敏感度較高，變換域處理技術(shù)具有魯棒性強、收斂速度快、能有效抑制時變干擾等特點。其中，基于FFT變換域(頻域)處理技術(shù)就是這樣一種便于工程實現(xiàn)的技術(shù)[1-3]，其干擾過程如圖1所示。

圖1 FFT抗干擾結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 The structure of FFT anti-jamming

這種技術(shù)可用于有界窄帶和連續(xù)波帶內(nèi)干擾源及強帶外干擾源，特別是對窄帶信號具有很高的抑制度，試驗數(shù)據(jù)表明，在干擾為連續(xù)單頻波時，抑制度可達60dB。圖1中干擾剔除算法是FFT抗干擾技術(shù)的關(guān)鍵，目前常用的窄帶干擾抑制算法有K譜線法、N-sigma算法、最大似然法、自適應(yīng)多門限檢測算法。其中后三種均屬于門限檢測算法。

K譜線法是將頻域中模值最大的K根譜線歸零，以達到抑制窄帶干擾的目的。然而K的值不易確定，K值過大會對信號衰減太大反而會降低信噪比；當干擾所占帶寬較大時，K值過小又達不到抑制干擾的目的。

N-sigma算法的原理是：當無干擾存在時，接收信號的大部分譜線均小于均值與標準差之和；而當存在窄帶干擾時，均值會隨著接收信號高斯部分中心的變化而變化，標準差則會隨著干擾分量的增多而變大。這樣就可以通過選取合適的接近均值的門限從而保留高斯部分(信號所在部分)，消除非高斯部分(窄帶干擾所在部分)。門限檢測算法中最關(guān)鍵的一點是如何設(shè)置門限，顯然固定門限靈活性不強，很難適應(yīng)復(fù)雜多變的電磁環(huán)境。

δ2最大似然法原理對連續(xù)M個數(shù)據(jù)塊的同一頻點的均值和方差做出估計，然后再求出N根譜線的方差的均值，以此作為門限。當干擾為單音干擾時該算法具有很好的抗干擾效果，且對信號損失最??；當干擾為多音干擾時，如果各個干擾頻率間隔很近，各個干擾頻率的泄露與相鄰主譜線疊加，使得相鄰數(shù)據(jù)塊干擾譜線方差增大，從而導(dǎo)致最終的檢測門限升高，干擾大量殘留。

自適應(yīng)多門限檢測算法可以克服上述不足，該算法具體步驟如下。

步驟一：對N根譜線的模平方求取均值，作為1/λ的估計值。

步驟二：求5/λ。

步驟三：對N根譜線進行統(tǒng)計，若有模平方超過5/λ的譜線則認為其中存在著窄帶干擾可以將其置零。

步驟四：返回步驟一，注意是對所有未歸零的譜線求取平均值，已歸零譜線不計算在內(nèi)。重復(fù)以上過程直到?jīng)]有超過門限的譜線。

該算法除了對頻域內(nèi)所有譜線求平均外，還要對連續(xù)的多個數(shù)據(jù)塊譜線求方差，計算量較大，不易于在FPGA芯片上面實現(xiàn)，此外，需要連續(xù)計算多個數(shù)據(jù)塊才能得到門限，因此難以抗時變窄帶干擾。

本文在自適應(yīng)多門限檢測法的基礎(chǔ)上提出一種基于FPGA的自適應(yīng)抗干擾算法，這種算法可以自適應(yīng)地抑制點頻、窄帶干擾，抑制點隨干擾信號頻率的移動而移動，用戶不但可以規(guī)定FFT相關(guān)參數(shù)，還可以規(guī)定刪除門限和寬度，計算量小，易于在FPGA上實現(xiàn)，并有著很高的性價比。

1 自適應(yīng)抗干擾剔除算法

1.1 干擾剔除算法

擴頻信號可以近似看作一個白噪聲，而信道噪聲又是服從高斯分布的白噪聲。在大的擴展比情況下，期望信號淹沒在信道噪聲中，可以認為有用信號加高斯白噪聲服從高斯分布。另外FFT變換可以看成是一組歸一化中心頻率為2πk/N(k=1,2,…，N)的窄帶濾波器組，在無窄帶干擾的情況下可以認為接收序列的FFT變換后的N根譜線是包絡(luò)服從瑞利分布，包絡(luò)平方服從指數(shù)分布，相位服從均勻分布的隨機變量。則自適應(yīng)干擾剔除算法門限Thre的遞推公式為

(1)

式中，k為一變量，通過調(diào)節(jié)k的大小可以對門限進行調(diào)節(jié)；Pi為當前點前項第i個點的功率，下一時鐘P0=P(P為當前點功率)，Pi+1=Pi，因此式(1)可以表示為

Thre=Thre+P0-Pk

(2)

式中，Thre、P0和Pk的初值為0。

綜上，自適應(yīng)干擾剔除算法分為以下5個步驟。

2)求和：計算相鄰k個點的頻域功率和，作為干擾剔除門限Thre。

3)比較：比較當前點功率P與該點前k個點的功率和Thre的大小，當功率P小于Thre時，Thre=Thre+P0-Pk，置Jam_flag為0；當功率P大于Thre時，Thre保持不變，置Jam_flag為1。

4)干擾剔除：當Jam_flag=1時，表明此點為干擾點，置Xn_re=0，Xn_im=0，剔除干擾；當Jam_flag=0時，Xn_re=Xk_re，Xn_im=Xk_im。

5)進行下一個點P與Thre的比較。

1.2 干擾剔除算法優(yōu)化

在實際調(diào)試測試過程中發(fā)現(xiàn)如下問題：1)窄帶干擾頻譜不平穩(wěn)，在干擾譜內(nèi)會出現(xiàn)1個或幾個點低于門限Thre，如圖2中a所示，干擾剔除時需要把這幾個點剔除，并且保持Thre的大小不變；2)由于噪底或干擾源發(fā)生變化，造成某一時刻干擾沒有被識別，使干擾剔除不徹底，如圖2中b所示，干擾剔除時需要判斷干擾沒有被識別的原因，并判斷是否需要進行干擾剔除；3)點頻干擾需要剔除的干擾點有限，過多地剔除干擾點會對有用信號造成不必要的影響，如圖2中c所示，干擾剔除時需要進行相應(yīng)的補償；4)干擾信號過寬，如果剔除全部干擾會使信號衰減太大降低信噪比，如圖2中d所示，干擾剔除時需要對干擾剔除的點數(shù)進行控制。

在此基礎(chǔ)上對FFT自適應(yīng)干擾剔除算法進行了優(yōu)化，針對問題1)加入了延時等待功能，當連續(xù)出現(xiàn)6個點P值小于Thre時，停止干擾剔除，啟動Thre累加器，否則繼續(xù)干擾剔除，Thre的值保持不變；針對問題2)加入了干擾剔除記憶功能，如果連續(xù)5次干擾沒有被識別，則認為此頻段干擾消失，不進行干擾剔除，否則依據(jù)記憶進行干擾剔除；針對問題3)加入了干擾剔除點前項平移功能，使點頻干擾頻譜完全落在干擾剔除點框圖內(nèi)；針對問題4)加入了抗干擾帶寬限制功能，使系統(tǒng)最多可以抗10%帶寬的窄帶信號。

圖2 自適應(yīng)干擾剔除示意圖Fig.2 The diagram of adaptive anti-jamming

2 FPGA實現(xiàn)

2.1 自適應(yīng)干擾剔除算法的FPGA實現(xiàn)

圖3為自適應(yīng)干擾剔除算法優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)圖。

1)信號I、Q經(jīng)FFT變換后分為兩路，一路作為PWR模塊的輸入，另一路作為Delay_Fifo模塊的輸入。

3)平移求和模塊：通過平移求和的方式計算出相鄰k個點的頻域功率和，作為干擾剔除門限Thre。

4)比較模塊：比較當前點功率P與該點前k個點的功率和Thre的大小，當功率P大于Thre時，Thre保持不變，置Cpm_flag=1，F(xiàn)lag_Cnt開始計數(shù)；當功率P小于Thre且Cpm_flag=0時，Thre=Thre+P0-Pk，置Cpm_flag=0；當功率P小于Thre且Cpm_flag=1時，Delay_Cnt開始計數(shù)，保持Thre

不變、Cpm_flag=1；當連續(xù)6次P小于Thre或Flag_Cnt計到最大值時，置Cpm_flag=0，F(xiàn)lag_Cnt=0，Delay_Cnt=0。

5)Pre_Ram模塊：用于記錄前面4組FFT變換Cpm_flag的狀態(tài)。

6)判斷模塊：用于判斷Jam_flag置0還是置1，當Cpm_flag=1時，置Jam_flag=1；當Cpm_flag=0且前面4組FFT變換相應(yīng)位置的Cpm_flag全為0(即Pre_Flag=4’b0000)時， 置Jam_flag=0，否則置Jam_flag=1。

7)通過Delay_Fifo的深度控制干擾剔除點前項平移的點數(shù)，使點頻和窄帶干擾頻譜完全落在干擾剔除點框圖內(nèi)。

8)當Jam_flag=1時，表明此點為干擾點，置Xn_re=0，Xn_im=0，剔除干擾；當Jam_flag=0時，Xn_re=Xk_re，Xn_im=Xk_im。

9)進行下一個點P與Thre的比較。

圖3 自適應(yīng)干擾剔除結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structure of adaptive anti-jamming

2.2 自適應(yīng)干擾系統(tǒng)的FPGA實現(xiàn)

圖4 FFT抗窄帶干擾算法方案實施原理圖Fig.4 The scheme of FFT narrowband interference suppression

實際系統(tǒng)以14MHz采樣率對中頻1.42MHz、帶寬2MHz的信號進行采樣，然后在FPGA內(nèi)進行自適應(yīng)濾波，系統(tǒng)的頻率分辨率為14M/1024=13.67kHz。硬件平臺的主要組成為：ADC采用ADI公司的AD9252，實際測試有效位數(shù)為14bit；FPGA芯片采用Xilinx 公司的XC5VSX95T-1FF1136I，在Xilinx的ISE12.1編程工具中實現(xiàn)，算法中用到的FFT和IFFT運算使用ISE自帶的IP核實現(xiàn)；數(shù)據(jù)處理長度選為1024。FPGA的資源消耗為：Slice Registers 21.903個，約37%;Slice LUTs 22.975個，約38%；BlockRAM/FIFO 33個，約13%；DSP48E乘法器138個，約21%。

3 試驗分析

實驗一、對消比性能測試：測試采用注入式測試方法，信號源向FFT自適應(yīng)抗干擾天線注入不同形式和強度的干擾信號，使用對消控制開關(guān)來控制自適應(yīng)抗干擾算法是否工作，用頻譜儀記錄不經(jīng)過對消和經(jīng)過對消兩種情況下輸出的干擾信號功率。圖5為信號源向FFT自適應(yīng)抗干擾天線分別注入點頻、200k帶寬和300k帶寬抗干擾前后的頻譜圖，當干擾為點頻或小于等于200k帶寬

的窄帶干擾時，可以得到很好的抑制，最大對消比可以達到50dBm；當干擾帶寬大于200k時，干擾剔除帶寬得到限制，滿足設(shè)計要求。

(a)點頻干擾頻譜

(b)點頻干擾抑制頻譜

(c)200k帶寬干擾頻譜

(d)200k帶寬干擾抑制頻譜

(e)300k帶寬干擾頻譜

(f)300k帶寬干擾抑制頻譜圖5 各種頻率干擾抑制前后的頻譜Fig.5 The frequency spectrums of interference suppression

實驗二、抗干擾性能測試：采用合路器把干擾信號與實際的GPS信號疊加，信號經(jīng)FFT模塊自適應(yīng)窄帶濾波后從天線系統(tǒng)輸出端口輸出到普通接收機。信號源通過合路器向自適應(yīng)天線系統(tǒng)注入不同形式和強度的干擾信號，使用對消控制開關(guān)來控制FFT模塊是否工作，記錄增加了FFT自適應(yīng)抗干擾算法和沒有FFT自適應(yīng)抗干擾算法情況下接收機的捕星個數(shù)，如表1所示。

表1 增加FFT自適應(yīng)抗干擾算法和沒有FFT自適應(yīng)抗干擾算法情況下接收機的捕星狀態(tài)

信號源分別產(chǎn)生功率可調(diào)的中心頻率為1575.24MHz的點頻、200k帶寬和掃頻(帶寬2M，1574.42MHz～1576.42MHz，掃頻1k，101點)的干擾信號，干擾功率從-80dBm開始，以5dBm為間隔逐漸增加到-5dBm，每個功率點停留時間為30s。由測試結(jié)果可以看出，普通GPS接收機在干擾功率為-50dBm時已經(jīng)失鎖無法正常工作；增加了FFT自適應(yīng)抗干擾算法的接收機，在干擾功率達到-5dBm時開始出現(xiàn)失鎖，已經(jīng)達到了FFT自適應(yīng)抗干擾能力的上限。

4 結(jié)論

文章研究了GPS信號FFT自適應(yīng)窄帶抗干擾技術(shù)，通過FPGA軟件化設(shè)計芯片，采用全數(shù)字化處理，具有較強的適應(yīng)性、穩(wěn)定性和可移植性。由測試結(jié)果可見，F(xiàn)FT自適應(yīng)抗干擾技術(shù)可以有效抑制點頻、窄帶、掃頻信號，對于改善GPS接收機的抗干擾性能具有顯著效果。此外，這種技術(shù)不僅可以用于GPS接收機，只要改變射頻通道的中心頻率和帶寬，就可以用于北斗、GLONASS等其他系統(tǒng)，目前已在某抗干擾接收機中應(yīng)用。

目前，沒有任何一種抗干擾措施可以對抗所有形式的干擾，在導(dǎo)航戰(zhàn)中，干擾技術(shù)和抗干擾技術(shù)都是在不斷地發(fā)展和創(chuàng)新[5]。文章中研究的FFT自適應(yīng)抗干擾技術(shù)易于與其他抗干擾技術(shù)相結(jié)合，如與功率倒置算法相結(jié)合可以發(fā)揮更大的抗干擾效果。

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Realization of GPS Signals FFT Adaptive Anti-jamming Algorithm on FPGA

FU Jing-jing, ZUO Qi-yao，PENG Yuan

(Beijing Institute of Automatic Control Equipment，Beijing 100074，China)

The adaptive anti-jamming algorithm is researched in the paper, a FFT adaptive anti-jamming algorithm on FPGA is proposed. Due to the new method, the performance of the system is improved while the structure is simplified. Experiment indicates that when wideband interference exists, narrowband interference can be detected and eliminated using the proposed method.

FFT; FPGA; Adaptive anti-jamming; Narrowband interference suppression

10.19306/j.cnki.2095-8110.2016.05.012

2014-10-11；

2015-04-10。

付晶晶(1982 - )，女，碩士，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾算法與實現(xiàn)研究。E-mail:fujingjing10@126.com

TP273

A

2095-8110(2016)05-0060-06