劉　燕，何明亮，姚建國(guó),3

(1.南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003;2.上海貝爾股份有限公司 無(wú)線產(chǎn)品部，江蘇 南京 210003;3.南京郵電大學(xué) 江蘇省無(wú)線通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210003)

?

北斗導(dǎo)航接收機(jī)空時(shí)自適應(yīng)干擾抑制算法研究

劉燕1，何明亮2，姚建國(guó)1,3

(1.南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003;2.上海貝爾股份有限公司 無(wú)線產(chǎn)品部，江蘇 南京 210003;3.南京郵電大學(xué) 江蘇省無(wú)線通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210003)

導(dǎo)航接收機(jī)常工作于復(fù)雜的電磁環(huán)境下，易受到電磁等干擾，導(dǎo)致其導(dǎo)航定位功能的精確度降低。針對(duì)這一問(wèn)題，提出了空時(shí)自適應(yīng)干擾抑制算法。該算法在不增加陣元的前提下，通過(guò)時(shí)間抽頭來(lái)增加天線陣列的自由度，由此增加可處理干擾的數(shù)目，增強(qiáng)對(duì)寬帶干擾和窄帶干擾的抑制能力。通過(guò)MATLAB仿真驗(yàn)證了該算法的有效性。

北斗導(dǎo)航接收機(jī)；空時(shí)自適應(yīng)；干擾抑制算法；MATLAB仿真

引用格式：劉燕，何明亮，姚建國(guó). 北斗導(dǎo)航接收機(jī)空時(shí)自適應(yīng)干擾抑制算法研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(18)：19-21,25.

0　引言

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，用于現(xiàn)代科技、軍事等各個(gè)領(lǐng)域。導(dǎo)航接收機(jī)常工作于復(fù)雜的電磁環(huán)境下，易受到電磁等干擾[1]，雖然其本身具有一定的抗干擾能力，但由于抑制寬帶干擾所需的自由度比窄帶干擾信號(hào)要多，傳統(tǒng)陣列信號(hào)處理不能很好地對(duì)寬帶干擾進(jìn)行有效抑制，因此提出了空時(shí)自適應(yīng)算法。該算法是將傳統(tǒng)的空域和時(shí)域抗干擾算法相結(jié)合，在不增加陣元的前提下，通過(guò)增加時(shí)間抽頭來(lái)提高天線陣列的自由度[2-3]，從而增強(qiáng)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的抗寬帶干擾的能力，使其能在復(fù)雜的電磁環(huán)境下發(fā)揮重要作用。

1　空時(shí)自適應(yīng)濾波技術(shù)

空時(shí)自適應(yīng)濾波建立在空域?yàn)V波的基礎(chǔ)上，結(jié)合了空域和時(shí)域?yàn)V波兩種算法，在不增加天線陣元的前提下，在已有的天線陣列后加上若干個(gè)延遲單元，從而增加可處理干擾的數(shù)目，增強(qiáng)對(duì)寬帶干擾和窄帶干擾的抑制能力。從每個(gè)陣元通道來(lái)看，各級(jí)延時(shí)相當(dāng)于時(shí)域?yàn)V波器，可以在時(shí)域?yàn)V除干擾；從相同的延時(shí)節(jié)點(diǎn)看，不同的陣元構(gòu)成了空域的自適應(yīng)濾波，可以分辨不同空間分布的干擾源[4-7]。

空時(shí)自適應(yīng)算法系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　空時(shí)自適應(yīng)算法系統(tǒng)框圖

信號(hào)進(jìn)入天線后，經(jīng)過(guò)HPF(高通濾波器)進(jìn)行去直流處理，然后將去直流后的信號(hào)送入一個(gè)NCO(數(shù)控振蕩器)，NCO將送來(lái)的有效頻譜搬移到基帶，接著接入一個(gè)FIR低通濾波器，將帶外干擾濾除，再將一系列處理后的信號(hào)進(jìn)行空時(shí)處理，最后將處理后的信號(hào)送入接收機(jī)。

設(shè)陣元數(shù)為M，延遲單元數(shù)為P，每個(gè)時(shí)間延遲單元的時(shí)間間隔為T，空時(shí)自適應(yīng)干擾抑制算法模塊圖如圖2所示。

圖2　空時(shí)自適應(yīng)干擾抑制算法模塊圖

經(jīng)過(guò)一系列處理過(guò)的信號(hào)進(jìn)入后，第k個(gè)陣元的第j個(gè)抽頭接收到的信號(hào)為：

xk(n-(j-1)T),k=1,2，…，M;j=1,2,…，p

(1)

其中，M表示陣元個(gè)數(shù)；k表示每個(gè)天線的延遲單元數(shù)；T表示每個(gè)抽頭的延時(shí)。

假設(shè)第k個(gè)陣元的第j個(gè)抽頭的權(quán)值為w，輸出y可以表示為：

(2)

寫成矩陣型式：

Y=WHX(n)

(3)

式中，定義權(quán)向量：

W=[w11,w12,…，w1p,…，wM1,wM2,…，wMp]T

X(n)=[x1(n),…，x1(n-(p-1)T,…，xM(n),…，xM(n-(p-1)T)]T

再將W和X(n)表示為:

(4)

(5)

其中，

Wi=[wi1,wi2,…,wip]T

Xi(n)=[xi(n),xi(n-T),…,xi(n-(p-1)T]T

i=1,2,…，M

令d(n)表示所期望的輸入信號(hào)，定義誤差信號(hào)e(n):

(6)

將誤差信號(hào)寫成矩陣形式，即為:

e(n)=d(n)-WTX(n)=d(n)-XT(n)W

(7)

誤差信號(hào)平方為

e2(n)=d2(n)-2d(n)XT(n)W+WTX(n)XT(n)W

(8)

等式兩邊取數(shù)學(xué)期望，即得均方誤差:

E[e2(n)]=E[d2(n)]-2E[d(n)XT(n)]W+

WTE[X(n)X(n)T]W

(9)

定義互相關(guān)函數(shù):

(10)

自相關(guān)函數(shù):

(11)

則誤差函數(shù)可表示為:

(12)

由上述公式可知，誤差函數(shù)是權(quán)系數(shù)W的二次函數(shù)，且是一個(gè)上凹的拋物面，由此可知，誤差函數(shù)存在最小值，使誤差函數(shù)取最小值的權(quán)系數(shù)即為最佳。

根據(jù)二次函數(shù)求最小值的方法，對(duì)誤差函數(shù)求導(dǎo)數(shù)(梯度)，即可求得最佳權(quán)系數(shù)。因此，對(duì)均方誤差求梯度為：

(13)

(14)

W(n+1)=W(n)-rwL

(15)

其中，r表示步長(zhǎng)因子，取正值。

(16)

梯度估計(jì)表示為：

(17)

即用瞬時(shí)誤差梯度來(lái)估計(jì)均方誤差梯度，式中，

(18)

將式(18)帶入式(15)，則權(quán)值更新公式為：

W(n+1)=W(n)-re(n)x(n)

(19)

2　空時(shí)自適應(yīng)算法性能仿真分析

前面研究了空時(shí)自適應(yīng)干擾抑制算法，下面用MATLAB對(duì)該算法進(jìn)行仿真分析，仿真條件如下：天線陣列數(shù)為4，天線每個(gè)抽頭的延時(shí)為1，天線的延遲單元數(shù)為8；實(shí)驗(yàn)頻點(diǎn)：B3頻點(diǎn)，干擾數(shù)：3，干擾強(qiáng)度：65 dB，輸入信號(hào)：4路，輸入信號(hào)頻率：1 268.52 MHz，輸出中頻信號(hào)的中心頻率：46.52 MHz。

圖3表示輸入信號(hào)的幅度和頻譜。

圖4表示的是經(jīng)空時(shí)濾波之后的信號(hào)的幅度和頻譜，容易看出，由于干擾的存在，在進(jìn)行空時(shí)自適應(yīng)干擾抑制之前，對(duì)于同一采樣點(diǎn)而言，干擾信號(hào)的幅度相對(duì)較大，經(jīng)過(guò)空時(shí)自適應(yīng)干擾抑制后，干擾信號(hào)的幅度有較為明顯的降低。并計(jì)算得相消比為22.48 dB。這說(shuō)明，空時(shí)自適應(yīng)干擾抑制算法對(duì)干擾有顯著的抑制效果。

表1對(duì)不同的延遲單元數(shù)對(duì)應(yīng)的相消比進(jìn)行了歸納。圖5表示不同的延遲單元數(shù)對(duì)應(yīng)的相消比，從圖中可以看出，隨著延遲單元數(shù)目的增加，相消比相對(duì)增加了，達(dá)到某個(gè)延遲單元數(shù)時(shí)，相消比會(huì)達(dá)到一個(gè)最優(yōu)值，之后，隨著延遲單元數(shù)的增加，相消比不但不增加，反而略微地下降。

表1　不同的延遲單元數(shù)對(duì)應(yīng)的相消比

圖3　輸入信號(hào)幅度和頻譜

圖4　輸出信號(hào)幅度和頻譜

因此，根據(jù)此次的研究數(shù)據(jù)可知，隨著延遲單元數(shù)的增加，頻率的分辨率越來(lái)越高，窄帶干擾形成的零點(diǎn)會(huì)越來(lái)越窄，部分頻帶干擾所形成的零點(diǎn)范圍也越來(lái)越接近真

實(shí)頻率范圍，所以相消比會(huì)越來(lái)越大，但由于自身性能的限制，延遲單元數(shù)達(dá)到一定值后，相消比已達(dá)到最上限，之后再增加延遲單元數(shù)，相消比改善并不明顯，反而有略微的減小。由此可知，不同的干擾源和干擾數(shù)目，適當(dāng)?shù)难舆t單元數(shù)，對(duì)干擾的抑制也很重要。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)空時(shí)自適應(yīng)算法進(jìn)行了研究和分析，并用MATLAB對(duì)算法進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明，空時(shí)自適應(yīng)算法在不增加陣元的前提下，通過(guò)時(shí)間抽頭來(lái)增加天線陣列的自由度，能夠增加可處理干擾的數(shù)目，有效抑制干擾。

圖5　延遲單元對(duì)干擾相消比的影響

[1] 王曉君，張偉，杜萌萌. 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用及其抗干擾技術(shù)[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，31(3):234-238.

[2] 姚銳. 北斗接收機(jī)空時(shí)聯(lián)合抗干擾算法研究[J]. 西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，28(1):147-149.

[3] 黃喆. 北斗接收機(jī)的空時(shí)二維抗干擾算法的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2014.

[4] 翟永剛. 導(dǎo)航接收機(jī)空域自適應(yīng)干擾抑制技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2009.[5] 盧丹，馮青，吳仁彪. 基于空時(shí)自適應(yīng)處理的GPS寬帶干擾抑制技術(shù)[J]. 中國(guó)民航大學(xué)學(xué)報(bào)，2007， 25(4):672-674.

[6] 呂翠改. 基于空時(shí)域的北斗導(dǎo)航抗干擾接收算法研究[D]. 石家莊：河北科技大學(xué)，2013.

[7] FANTE R L, VACCARO J J. Wideband cancellation of interference in a GPS receive array[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2000, 36(2): 549-564.

[8] 俞志斌. 基于空時(shí)聯(lián)合的衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗干擾性能研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2009.

劉燕(1991- )，女，碩士研究生，主要研究方向：陣列信號(hào)處理。

何明亮(1979- )，男，主任工程師，主要研究方向：無(wú)線產(chǎn)品。

姚建國(guó)(1965- )，男，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：移動(dòng)通信理論與關(guān)鍵技術(shù)。

Research on interference suppression algorithm for Beidou navigation receiver based on space-time adaptive processing

Liu Yan1,He Mingliang2,Yao Jianguo1,3

(1.College of Telecommunications and Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China; 2.Wireless Product Division, Alcatel-Lucent Shanghai Bell Co.,Ltd.,Nanjing 210003, China; 3. Jiangsu Key Laboratory of Wireless Communications, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China)

The navigation receiver often works in complex electromagnetic environment，and it is susceptible to electromagnetic interference,so it reduces the accuracy of the navigation and positioning function. Aiming at this problem, a space time adaptive interference suppression algorithm is proposed. The algorithm can increase the degree of freedom of the antenna array by using the time tap without increasing the array element, which can increase the number of the interference, and enhance the ability to suppress wideband interference and narrowband interference. The validity of the algorithm is verified by MATLAB simulation.

Beidou navigation receiver; space time adaptive; interference suppression algorithm; MATLAB simulation

TN967.1

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.18.005

2016-04-21)