翟曉東，張禛君

（上海司南衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司，上海）

引言

傳統(tǒng)的干擾消除方案[2]主要有兩種：第一種為數(shù)字信號在時域處理的干擾消除方案；第二種為數(shù)字信號在變換域處理的干擾消除方案。首先在時域的數(shù)字信號處理方案具有算法復(fù)雜度高、干擾消除延遲大兩大缺點(diǎn)；其次在變換域的干擾消除方案雖然具有干擾消除延遲小的優(yōu)點(diǎn)，但是技術(shù)實(shí)現(xiàn)比較困難。變換域干擾消除的技術(shù)方案[3]主要利用快速傅里葉變換（FFT）將信號從時域變換到頻域上，在頻域上統(tǒng)計每個頻點(diǎn)的能量，判斷每個頻點(diǎn)是否是干擾頻點(diǎn)的技術(shù)方案。與時域干擾消除方案相比，頻域干擾消除方案具有時間延遲小，可以消除任意類型干擾的優(yōu)點(diǎn)，在工程上一般都是使用該方案。

但是，在實(shí)際工程應(yīng)用中，傳統(tǒng)干擾消除系統(tǒng)存在干擾探測靈敏度差、干擾消除功耗大、干擾消除效率低三大缺點(diǎn)，所以針對傳統(tǒng)干擾消除系統(tǒng)的缺點(diǎn)，本文旨在通過新的設(shè)計方案，對以下幾點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化：

首先，對傳統(tǒng)干擾消除方案的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化來降低整體硬件實(shí)現(xiàn)功耗。

其次，對輸入中頻信號的相干積分法，提高干擾探測靈敏度，有效提高對弱干擾信號的消除效率。

最后，通過實(shí)時更新干擾判斷的門限閾值來實(shí)現(xiàn)干擾消除的自適應(yīng)能力。

1 傳統(tǒng)干擾消除方案

GNSS 衛(wèi)星信號的傳統(tǒng)干擾消除方案主要采用干擾探測器（CW Detector）和干擾消除器（CW Canceler）組成，分別是用來判斷信號中是否存在干擾和查找干擾頻點(diǎn)并消除。GNSS 衛(wèi)星信號干擾消除方案的典型的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 干擾消除典型結(jié)構(gòu)框圖

當(dāng)干擾探測器（CW Detector）檢測到信號中干擾存在時，使能打開后續(xù)的干擾消除器（CW Canceler），沒有檢測到干擾時關(guān)閉干擾消除器，直接旁路by pass通過數(shù)據(jù)。

干擾探測器（CW Detector）的功能是檢測信號中是否存在干擾，其核心部分是一個數(shù)字掃頻儀，組成結(jié)構(gòu)如圖2 所示。先后通過本地數(shù)控振蕩器NCO 和窗函數(shù)對輸入中頻信號做頻譜分析，從而完成濾波選頻，達(dá)到指定頻點(diǎn)抽取的目的，針對每一個抽取的頻點(diǎn)，計算復(fù)信號I/Q 兩路的模值，該模值一方面用于更新干擾探測器的閾值門限，另一方面用于統(tǒng)計所有頻點(diǎn)的最大值，并判斷最大值是否超過閾值門限，一旦信號中某個頻點(diǎn)的強(qiáng)度超過閾值，則認(rèn)為信號中存在干擾信號，從而使能打開后續(xù)的干擾消除器。

圖2 CW Detector 典型操作流程圖

干擾消除器（CW Canceler）的功能是為了準(zhǔn)確找到所有干擾頻點(diǎn)并將干擾頻點(diǎn)的頻譜能量置為0，從而達(dá)到消除干擾的目的，組成結(jié)構(gòu)如圖3 所示[4]。輸入中頻信號先通過重疊加窗函數(shù)，再通過快速傅里葉變換（FFT），將信號從時域變換到頻域，在頻域搜索超過閾值的干擾頻點(diǎn)，并將該頻點(diǎn)的頻譜能量置為0，再將干擾消除后的頻域信號通過逆傅里葉變換（IFFT）變換成時域信號，最后通過反加窗函數(shù)將還原成連續(xù)的時域信號并輸出。

2.2 兩組受試者血清IL-15、MCP-1、TGF-β水平之間的相關(guān)性分析 經(jīng)Pearson線性相關(guān)性分析，健康對照組受試者血清IL-15、MCP-1、TGF-β水平之間均無線性相關(guān)(P>0.05);骨關(guān)節(jié)結(jié)核患者血清IL-15、MCP-1、TGF-β水平之間亦無線性相關(guān)(P>0.05)。見表2。

圖3 CW Canceler 典型操作流程圖

在典型的干擾消除器中，一方面，干擾探測器用于檢測信號是否存在干擾，然而干擾消除器也需要對輸入中頻信號的所有頻點(diǎn)進(jìn)行再一次掃描，以確認(rèn)干擾頻點(diǎn)位置；另一方面，干擾探測器中確定是否存在干擾的閾值門限需要足夠的大，以防止干擾誤檢測；同理，干擾消除器中為防止檢測虛警，造成信號不必要的損失和衰減，也需要將干擾頻點(diǎn)的閾值門限設(shè)置在一個比較安全的范圍。所以傳統(tǒng)的干擾消除器存在以下缺點(diǎn)：

（1）干擾消除器包含了干擾探測器，對于重復(fù)的干擾探測器可以實(shí)時功耗性能可優(yōu)化。

（2）干擾探測器對于弱干擾信號（弱干擾信號）的檢測能力弱，不能有效的檢測出弱干擾信號，容易漏檢。

（3）干擾消除器不易搜索到弱干擾信號的干擾頻點(diǎn)，對弱干擾信號的魯棒性弱，干擾消除效率低。

2 弱干擾消除方案

在GNSS 衛(wèi)星信號干擾消除過程中，針對難以檢測的弱干擾信號消除問題，本文提案通過信號相干積分法提高弱干擾信號的干信比，從而有效的提高了弱干擾干擾信號的檢測和消除效率，提高新設(shè)備對弱干擾信號的魯棒性和靈敏性；并且通過優(yōu)化干擾消除器結(jié)構(gòu)，降低算法功耗，增強(qiáng)硬件資源使用率；在檢測干擾的同時，實(shí)時自動更新干擾檢測的閾值門限，可以對不同能量大小的干擾信號自適應(yīng)消除。

本文提案的干擾消除器的整體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。改進(jìn)型干擾消除器結(jié)構(gòu)優(yōu)化掉了干擾探測器，在干擾消除器中增加了信號相干積分模塊，所增加的模塊已經(jīng)在固件中完成，便于工程實(shí)現(xiàn)。

圖4 本文提案的新干擾消除結(jié)構(gòu)框圖

對于輸入的中頻衛(wèi)星信號IF Data，首先經(jīng)過重疊加窗模塊，得到加窗后信號；其次對加窗信號做快速傅里葉變換（FFT），將時域信號變換到頻域；然后，對頻域信號做相干累加，并判斷峰值是否超過閾值，返回干擾是否存在標(biāo)志和干擾頻點(diǎn)；如果干擾存在，則打開自適應(yīng)濾波模塊，實(shí)現(xiàn)干擾消除；如果干擾不存在，則不打開自適應(yīng)濾波模塊，輸入中頻信號直接按照By pass 支路輸出，其中頻譜相干積分累加一方面可以檢測信號中是否有干擾存在，通過相干積分累加可以逐漸突出干擾信號峰值的影響，以達(dá)到對弱干擾干擾信號檢測和頻點(diǎn)掃描的目的；另一方面可以輸出干擾頻點(diǎn)信息給后續(xù)的自適應(yīng)濾波模塊；同時還能自動更新自適應(yīng)干擾消除的門限閾值參數(shù)。經(jīng)過自適應(yīng)干擾消除后的頻域信號需要再經(jīng)過逆傅里葉變換（IFFT），將頻域信號轉(zhuǎn)換到時域信號，最后經(jīng)過反加窗函數(shù)，實(shí)現(xiàn)干擾自適應(yīng)消除后的信號與輸入信號的無縫連接，并輸出，本文提案所有模塊功能如圖5 所示。

圖5 本文提案干擾消除法中所有模塊功能示意圖

3 優(yōu)化方案

針對于本文提案設(shè)計思路，還可以對某些模塊進(jìn)一步優(yōu)化，以便降低硬件實(shí)現(xiàn)功耗，或則在增加硬件資源開銷的前提下，獲得對干擾靈敏度動態(tài)性的提升，這里列舉兩個不同方向的優(yōu)化設(shè)計方案：

優(yōu)化設(shè)計方案一：上述的FFT 和IFFT 算法，在硬件實(shí)現(xiàn)時，除了旋轉(zhuǎn)因子的區(qū)別外并沒有區(qū)別，所以重復(fù)利用FFT 實(shí)現(xiàn)IFFT 算法，以優(yōu)化硬件資源功耗，提升硬件系統(tǒng)性能。如圖6 所示。

圖6 基于FFT 重復(fù)利用的IFFT 等效實(shí)現(xiàn)框圖

中頻信號經(jīng)過加窗后順序輸入FFT 模塊，逆序輸出；經(jīng)過自適應(yīng)濾波模塊后，重新做一次逆序，得到順序頻譜信號，重新輸入FFT 模塊，逆序時域信號輸出，再做一次逆序，得到順序輸出的時域信號。即FFT 輸出信號經(jīng)過逆序、FFT、逆序的操作可以等價的得到IFFT 的輸出。

優(yōu)化設(shè)計方案二：在相干積分累加模塊，增加/減少傅里葉變換點(diǎn)數(shù)或相干積分長度，實(shí)現(xiàn)干擾消除靈敏度性能的動態(tài)變化。比如通過增加傅里葉變換的點(diǎn)數(shù)或則相干積分累加的長度，雖然硬件資源的開銷增多了，但是擴(kuò)大了頻點(diǎn)掃描范圍，同時增強(qiáng)了對弱干擾干擾信號的檢測能力。還可以根據(jù)需求適當(dāng)減少傅里葉變換的點(diǎn)數(shù)或則減少相干積分累加的長度，以節(jié)省硬件功耗。如果相干積分長度退化為1，則等價于最簡單的干擾探測器。

4 結(jié)論

本文主要在傳統(tǒng)干擾消除方案的基礎(chǔ)上，針對其缺點(diǎn)，提出新的干擾消除方案，詳細(xì)介紹了新干擾消除方案的技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，并且在新方案的基礎(chǔ)上提出了兩個新方案，一是利用傅里葉變換和逆傅里葉變換的特點(diǎn)優(yōu)化硬件資源利用率；二是利用相干積分技術(shù)提高干擾消除靈敏度技術(shù)。本文有效的拓展了干擾消除方案的設(shè)計思路，提高新干擾消除方案的可用性，為我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號的廣泛應(yīng)用提供技術(shù)保證。