卫星扩频通信窄带干扰抑制的FPGA实现
摘要：介绍了卫星扩频通信中的强窄带干扰抑制的基本原理，采用FPGA实现了一种基于频域处理的窄带干扰抑制平台。系统采用流水线、乒乓操作及多时钟等技术，使得在占用面积及最高处理速度上达
到最优化。
关键词：窄带干扰抑制流水线乒乓操作多时钟 FPGA
由于卫星通信的路径损耗大，接收功率低，容易受到各种大功率窄带信号的干扰。当窄带干扰较重时，解扩后的干扰电平很高，系统性能下降较大。因此，卫星扩频通信中应采用窄带干扰抑制措施，以提高通
信质量。
1卫星扩频通信窄带干扰抑制原理
Oppenheim A V发现信号所包含的主要信息保留在频谱的相位谱中，幅度谱只表征信号的功率，仅需保留信号的大部分相位信息即可有效地恢复信号。在卫星扩频通信系统中，接收信号中的窄带干扰带宽小，功率谱密度高，而宽带扩频信号和噪声带宽大，功率谱密度低。因此，只需对窄带干扰严重的部分带宽限幅并保持其相位即可抑制窄带干扰的大部分能量。同时，由于保留了干扰谱的相位，这些谱中有用信号的部分能量得以保留，扩频信号的损失也较小。由于频域抗干扰措施具有无需窄带干扰跟踪时间和非线性抗
干扰滤波器实现比较简单等特点，这种抗干扰措施广泛应用于卫星通信中。
文献中提出了一种简化的窄带干扰抑制方法，通过对干扰谱线的线性衰减实现窄带干扰的抑制。这
种方法只需做比较和移位，占用的资源较少，适合采用FPGA实现。
2 窄带干扰抑制的FPGA实现
窄带干扰抑制系统主要由输入延时、加窗、FFT、干扰抑制、IFFT、去重叠等部分组成，如图1所示。
[2][1]
由于DFT假设了一个长度为有限序列的周期延拓，如果输入序列的各样点在DFT的观察窗口内不是周期性的，那么在DFT块的边沿间产生不连续性就会造成频谱泄漏。为减小频谱泄漏效应，必须对输入信号
进行加窗，以平滑在FFT块边缘的不连续，减小频谱泄漏。
由于加窗，在FFT块边缘的有用信号扭曲大、信号能量损失较多。为减小因加窗产生的信号扭曲，采用重叠技术增加一路信号处理通道，其中第二路延迟1/2FFT 块长。每一路进行IFFT后，在去重叠模块中把前后各1/4 FFT块长的样点抛弃，只保留中间信号扭曲较小的样点，输出时把两路数据合成一路，实现
数据的顺序流输出。
图1中必须采用两路FFT、IFFT和抗干扰模块，且占用的资源太多。FPGA设计中通过数据组合模块，提高后面模块的时钟速率，采用时间复用方式使加窗后的两路输入数据分时在一路模块中处理，可以大大
减少FPGA实现占用的资源，具体如图2所示。
[3]
下面主要针对输入缓冲、数据组合、干扰抑制等对时序要求比较严格的模块进行分析。
2.1 输入缓冲模块
由于系统采用重叠技术，在输入端必须采用两输入缓冲模块，两模块间的相同数据相差1/2 FFT块长度。为便于后续的数据组合模块能组合出连续的数据流，必须使输入缓冲模块的输出时钟为输入时钟的两倍。在FPGA设计中采用多时钟设计技术，通过采用双端口存储单元(DPRAM)隔离其输入数据与输出数据之
间的时钟联系，使输入与输出时钟采用不同的时钟源。
同时，为了保证DPRAM数据读写不冲突，应控制DPRAM的读写使能信号，只有当输入数据已经占DPRAM
容量的1/2后才开始读操作，在写完输入缓冲模块的同时这些数据也全部读出。输入缓冲模块的具体实现如图3所示。
图3中，flag信号是输出计数器CNT_out的计数使能信号，由输入计数器
CNT_in产生，为CNT_in的最高位。当输入数据达到1/2FFT块长度后，flag的
电平由低变高，控制CNT_out计数产生DPRAM的读出地址。采用这种方式读出数据不丢失，同时也不会产生DPRAM的读写冲突。fout与flag一样，应用于后续处理中。
延时1/2块长度的输入缓冲的实现方式与输入缓冲相似，只是输入计数器的初始计数值不同。
2.2 数据组合模块
在重叠变换中，输入信号通过输入缓冲和延时1/2 FFT块长度的输入缓冲模块变为时间上不重叠的两路突发块信号，这两路信号相互交叠1/2 FFT长度。为了节省后续模块占用的硬件资源，FPGA实现时可以
采用乒乓操作把两路突发块信号合并为一路连续输出信号。
由于采用FPGA实现基于流FFT需要较多资源，设计的系统无法提供足够的资源，所以具体实现时，采用基于突发块的FFT ，以减少FPGA芯片资源的开销。但是，采用突发块的FFT在相同时钟速率条件下的处理时间大于数据的输入时间，必须提高FFT的处理时钟速率，使数据组合模块的输出时钟为输入时钟的
两倍。
数据组合模块采用乒乓操作实现两路数据合并功能，通过DPRAM实现输出时钟倍频功能，具体原理图
如图4所示。 [4]
图4中，flag信号是输入缓冲模块fout信号延时产生的，控制CNT_in_1计数器计数产生第一路缓冲模块(DPRAM_1)的写入地址和写使能信号Wen_1，产生第二路缓冲模块(DPRAM_2)的读使能信号Ren_2。/flag信号为flag信号的反相信号，控制CNT_in_2计数器计数产生第二路缓冲模块(DPRAM_2)的写入地址和写使能信号Wen_2，产生第一路缓冲模块(DPRAM_1)的读使能信号Ren_1。
DPRAM_1、DPRAM_2缓冲模块的写使能是flag与/flag两信号，读使能分别为CNT_in_2、CNT_in_1计数器的最高位。Start信号由两读使能信号
相或生成，控制输入在1/2～1 FFT块长度之间产生读地址。
通过两个读使能Ren_2、Ren_1交叉控制读DPRAM_1和DPRAM_2，同时采用/flag控制输出数据选择模块(Data_sel)，可以实现乒乓操作。当flag=1时，数据输入到DPRAM_1，/flag=0控制数据从DPRAM_2输出。当start=1，Ren_2=1时，数据以输入数据的两倍输出，同时实现了乒乓操作和时钟倍频功能。当flag=0 时，可以类推。
2.3 干扰抑制算法
文献中提出的干扰抑制算法根据AD输入数据实时估计噪声包络，并在此基础上得出干扰与噪声之间
的阈值。下面为自适应噪声包络估计算法： [2]
其中，N为扩频信号带宽内的频点数。
窄带干扰线性衰减的干扰抑制算法如下：
由于上式需要计算S(k)的模值，存在乘法和开方等运算，运算复杂度较大，直接实现占用的资源很多。
采用FPGA实现时，可以采用下式的方法近似实现： [5]
采用上式的近似算法，最大误差仅为4%，对噪声估计算法影响很小，而且省去了求模的乘法和开放运
算，大大减少了硬件实现占用的资源。
为了确保衰减后谱线的相位基本保持一致，尽量减小FPGA实现对有用信号的扭曲，在硬件实现时混合
采用干扰线性衰减和干扰谱线置零两种不同的干扰抑制方法，通过控制信号选择。
由于干扰抑制算法比较复杂，在FPGA实现中采用流水线技术，用以提高算法的最高时钟速率。具体流
程图如图5所示。
图5中，第一级流水的CMP模块实现(6)式的功能，求出实部和虚部的绝对值，并比较得出绝对值大的X和小的Y。第二级流水的移位模块对X、Y移位得到需要移位的几个值，同时该级流水的比较模块对X、Y比较，得到sel1，决定采用(5)式中的哪一个公式计算谱线的模值。第三级流水的幅值模块得出谱线的模值。第四级流水的比较模块比较谱线模值与当前阈值之间的关系，得出sel2，决定采用(4)式中的哪一个移位衰减公式,同时输出X。第五级流水的阈值估计/算法选择模块并行实现两项功能。算法选择通过sel2和X来决定ARITH_SEL的值，控制下一级流水的干扰消除采用的算法。阈值估计通过sel2决定(2)式的结果，并计算得出下一数据块干扰与噪声的阈值。阈值估计模块采用状态机设计实现，根据三个不同状态S0、
S1、S2分别做(3)式的求和部分，计算(3)式得出包络值，计算下次的阈值等三部分工作。
由于干扰抑制算法采用了流水线实现，每一流水的运算都比较简单，算法的最高运行时钟超过120MHz。
从宏观看，每一个谱线的干扰抑制在一个时钟周期就可以完成，硬件利用效率很高。
3 系统的干扰抑制性能
FPGA实现中，选择Altera公司的Stratix系列的EP2S60。用VHDL语言编程，并在QuautusII 4.1上
进行逻辑综合与时序分析，得到了满足设计要求的可编程卫星扩频通信窄带干扰抑制模块。
在窄带干扰抑制模块性能测试中，笔者在卫星扩频通信发信机的扩频信号中叠加一个窄带干扰，然后
通过笔者的窄带干扰抑制模块，得到抗干扰模块处理前后的信号频谱分别如图6和图7所示。
由以上两图可见，窄带干扰信号被窄带干扰抑制模块有效抑制。
在窄带干扰抑制模块造成的接收信噪比恶化测试中，设定发射端信号峰峰值为30mV，干扰峰峰值为
600mV，同时改变信道噪声的能量，得到图8的性能曲线。
从图8可以看出，在接收机有效接收范围内，窄带干扰抑制模块造成的信噪比损失小于2dB，接近理
论分析值。 [2]
参考文献
1 Oppenheim A V, Lim J S. The importance of phase in signals.Proceedings of the IEEE,1981；69(5)
2 梁继业. 卫星扩频通信中一种简化的窄带干扰在抑制方法. 电路与系统学
报,2004;9(6)
3 Capozza P T. A single-chip narrow-band frequencydomain excisor for a global positioning
system(GPS) receiver.IEEE Journal of Solid-State Circuits,2000;35(3)
4 Jiye Liang, Qianyi Ren, Genqing Yang. An Efficient Control of Data and Coefficient Memory
Addressing for High-perfor-mance FFT Processors, to be submitted
5 Kaplan E D. GPS原理与应用.北京：电子工业出版社
第8卷 第1期2009年2月常 州 信 息 职 业 技 术 学 院 学 报Jou rnal of Changz hou V ocati on alC oll ege of In f or m ati on T echnology Vo.l 8N o .1 Feb .2009 收稿日期:2008-11-13 作者简介:虞建华(1958-),男,高级工程师,从事研究方向:通信技术、计算机应用注:2007年常州市第十三批科技计划项目(CE2007046) 扩频通信中窄带干扰抑制技术的研究 虞建华1 张国俊2 潘之俊 1 (1.常州无线电厂有限公司 江苏常州 213001 2.常州信息职业技术学院 江苏常州 213164) 摘 要:将常用的窄带干扰抑制技术进行了较为系统的研究,给出了基于时域预测滤波的窄带干扰抑制模型,重点讨论了变 换域窄带干扰各种常用方法的特点,并给出了性能仿真。 关键词:窄带干扰;线性预测;变换域;门限法 中图分类号:TN 914.42 文献标志码:A 文章编号:1672-2434(2009)01-0006-04 Study on Narrow -band Interference Rejecti on i n Spread Spectru m Syste m s YU Ji a n-hua 1 Z HANG Guo -j u n 2 PAN Zh-i j u n 1 (1.Chang z hou R ad i o P l ant Co.,L td .,Changzhou 213001 2.Changzhou College o f In f o r m ati on T echno l ogy ,Chang zhou 213164,Chi na) Abstrac t:The paper g i ves a syste m atic study on N BI re j ection techno l ogy ,sho w s the m ode l o f NB I re jecti on i n ti m e doma i n ,ma i n l y discusses the features of d ifferent m ethods o f NB I suppression i n transf o r m dom ai n ,and show s t he perfor m ance si m ulation . K ey word s:narrowband i nter f e rence ; li near prediction ;transfor m do m a i n ;m et hod o f t hresho ld 0.引言 虽然在许多情况下,扩频系统本身所固有的扩频增益可以提供足够的抗干扰能力,但在有些强干扰情况下,例如,对直接序列扩频系统,在其扩展频谱的中心频率附近,利用高功率电平的单音连续波 干扰或多音干扰,可以使系统性能严重恶化。从理论上讲,通过提高扩频系统的处理增益可以得到任意等级的抗干扰能力,但为此所付出的代价是传输带宽的增加。 在实际应用中,也不可能无限制地提高处理增益,许多因素诸如发送/接收机的复杂性以及可用带宽等都限制了处理增益的提高。因此,必须考虑用信号处理技术来弥补扩频处理增益的不足,在不增 加带宽的情况下提高系统处理增益,增强系统的干 扰抑制能力。 1.域窄带干扰抑制方法的研究 基于时域的窄带干扰抑制技术的基本思想就是利用窄带信号和宽带信号在可预测上的差异而达到抑制窄带干扰的目的。因为窄带干扰是非高斯的,样值间有很强的相关性,可以从过去样值来估计当前样值,而扩频信号频谱平坦,其样值之间几乎不相关。当接收信号同时包含宽带有用信号和窄带干扰时,对接收信号进行预测,预测值将主要是窄带信号的预测值。所以在解扩之前从当前信号中减去预测值,将大大减小接收信号中的窄带干扰。主要有两类结构 [1] ,如图1所示:
为什么扩频信号能够有效的抑制窄带干扰？ 答：扩频信号对窄带干扰的抑制作用在于接收机对信号的解扩的同时，对干扰信号的扩频， 这降低了干扰信号的功率谱密度。扩频后的干扰和载波相乘、积分大大削弱了他对信号的干 扰，因此在采样器的输出信号受干扰的影响将大大减小输出的采样只会比较稳定。 什么是同频干扰？是如何产生的？如何减少？ 答：同频干扰：是指相同载频电台之间的干扰 如何产生的：蜂窝小区的结构产生的。 如何减少：合理的选定蜂窝结构与频率规划，表现为系统设计中队同频道干扰因子的选择。 若载波MHz f 8000=，移动台速度h km v /60=，求最大多普勒频移。 解：αλcos v f d = Hz c vf v f d 4.443600103108001060/8630max =?????===∴λ 说明多径衰落对数字移动通信系统的主要影响。 答：①信息信号分散，信噪比低，传输语音和数据质量不佳； ②可能引入尖锐的噪声，照成传输数据大量出错； ③不同路径传来的信号互相相关，难以直接叠加。增加接收电路单元的复杂度，从而提 高系统的建设和运营成本。 多选题：请将下列每道题中包含正确答案的字母A 、B 、C 、D 填入题目相应的（ ）中。错选、漏选、多选均不得分。 1、移动通信系统包括（ ABCD ）等。 A 、无绳电话 B 、无线寻呼 C 、陆地蜂窝移动通信 D 、卫星移动通信 2、电波传播环境中，以下哪些一般属于阴影衰落？（ AB ） A 、山地起伏 B 、高低各异的建筑物 C 、雷电雨雪等恶劣天气 D 、茂密的林木等 3、电波传播环境中，以下哪些一般属于多径衰落？（ AC ） A 、高大建筑 B 、各种电磁干扰 C 、通信体快速运动 D 、发射功率不稳定 4、目前移动通信中常见的微观分集的方式是哪三种？（ ABC ） A 、时间分集 B 、频率分集 C 、空间分集 D 、以上都不是 5、目前移动通信中应用的多址方式有（ ABC ）及它们的混合应用方式。 A 、FDMA B 、TDMA C 、CDMA D 、SDMA 6、在FDMA 中主要的干扰有（ ABC ）。 A 、互调干扰 B 、邻道干扰 C 、同频干扰 D 、以上都不是 7、GSM 的越区切换主要有（ ABD ）。 A 、同一BSC 内不同小区间的切换
北斗卫星导航接收机抗窄带干扰技术研究 抗干扰技术一直是卫星导航通信方向研究的前沿,特别是在军事领域的应用,是决定信息化战争成败的关键因素之一。虽然我国卫星导航系统起步晚,但发展迅速。 对干扰抑制技术的不断研究会在更加完善的第三代北斗卫星导航系统(Beidou Navigation Satellite System,BDS)中发挥不可或缺的作用。接收机天线收到的导航信号微弱,容易受到周围电磁波和干扰的破坏。 窄带干扰(Narrowband Interference,NBI)是接收机常见的干扰类型。为了提高接收机抗窄带干扰的性能,有必要在接收机中加入窄带干扰抑制模块。 本文主要深入的研究了时域和频域的自适应抑制窄带干扰的方法,并选择了一种频域自适应门限算法进行了硬件实现。以接收机收到的卫星导航信号和噪声、干扰的混合信号为前提,本文主要完成了以下工作:(1)介绍了卫星导航系统中采用的扩频通信技术,以直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)系统为例,对窄带干扰下扩频前后的误码率曲线进行了仿真,由结果对比分析了 其抗干扰性能。 接着根据北斗信号和窄带干扰的结构,给出了数学模型,并阐述了导航接收 机原理和自适应滤波技术理论。(2)从自适应预测估计角度,研究了时域抑制窄带干扰技术。 详细介绍了最小均方(Least Mean Square,LMS)、递归最小二乘(Recursion Least Square,RLS)以及改进的可变步长最小二乘(Variable Step-size Least Mean Square,VSLMS)算法,对比了各算法抑制窄带干扰前后的仿真结果图,分析 了算法的收敛性。从滤波器结构角度对IIR陷波器进行了改进,并对改进前后进
摘要：本文分析直接序列扩频系统通信中的基于时域和变换域等传统干扰抑制方法存在的不足,提出一种基于离散傅立叶变换(D FT)的时域自适应陷波技术。当干扰为时变窄带干扰时,基于D FT的时域陷波技术优于传统时域和变换域的窄带干扰抑制技术。针对基于加窗离散傅里叶变换(DFT) 的直接序列扩频(DSSS) 系统窄带干扰抑制工程实现中的关键技术,分析了重叠相加法减小加窗对接收信号失真的效果, 并首次提出一种基于频域谱线的模平方服从指数分布假设条件下的干扰检测和处理算法——自适应多门限检测干扰抑制算法, 分析和仿真的结果表明, 该算法有较强的自适应性能, 可抑制扩频系统中存在的多种窄带干扰。 关键词：直接序列扩频；窄带干扰抑制；陷波器；自适应多门限检测；子带判决门限 Abstract：This text analyzes the traditional interference suppression method shortcomings that based on time-domain and transform domain of the direct sequence spread spectrum system communication, as proposed Time-domain adaptive notch technology based on discrete Fourier transform (D FT). When the interference becomes narrow-band interference, the time-domain notch technology based on the D FT is superior to the narrowband interference suppression techniques of the traditional time-domain and transform domain technology. For key technologies of the direct sequence spread spectrum (DSSS) system narrow-band interference suppression project based on the windowed discrete Fourier transform (DFT) , the text analysis the effect of overlap-add and reduces windowed method to the received signal .For the first time proposed a method of Interference detection and processing algorithms under the assumption of Modulus square based on frequency domain spectrum obey exponential distribution- adaptive multi-threshold detection interference suppression algorithms, analysis and simulation results show that the algorithm has a strong adaptive properties, can inhibit a variety of narrow-band interference exist in the spread-spectrum systems . Keywords: direct sequence spread spectrum; narrowband interference suppression; notch filter; adaptive multi-threshold detection; sub-band Decision Threshold 1 引言 由于扩频通信具有抗干扰能力强、信息信号隐蔽、便于加密、任意选址、以及易于组网等独特优点，近几年来世界各国对扩频技术的研究已形成高潮，因而扩频通信作为一种新型通信方式得到了迅速发展和广泛应用。也由于扩频通信在可靠性和抗毁性等方面具备了常规有线通信无法提供的优势，因此扩频通信成为对可靠性敏感的商业及工业机构建立专网的重要手段。 扩频通信的研究和应用之所以在近年来能够进入一个更广泛的领域，表现出很强的抗干扰能力，一方面是因为其本身具有独特的工作方式，在抗干扰方面性能卓著；另一方面是因为在这些特有的工作方式基础上，又采用了先进的干扰抑制技术，能够不断解决通信中存在的难题。 在许多情况下,扩频系统本身所固有的扩频增益可以提供足够的抗干扰能力,但在强干扰存在的情形下,扩频通信系统性能会严重恶化。因此,用信号处理技术来弥补扩频处理增益的不足,通过信号处理的技术在不提高系统处理增益的情况下增强系统的干扰抑制能力是一种行之有效的方法。 由于直接序列扩频(DSSS) 通信系统有良好的保密性、灵活的信道分配以及较强的抗多址