第31卷第12期2010年12月
宇 航 学 报
Journa l of A stronauti cs
V o.l 31Dece m ber
N o .12
2010
卫星导航接收机陷波器级联抑制窄带
干扰研究
龚文飞1
,孙 昕1
,吴嗣亮
2
(1.北京交通大学电子信息工程学院,北京100044;2.北京理工大学信息与电子学院,北京100081)
摘 要:为了在有用信号失真较小的情况下有效抑制具有一定带宽的窄带干扰,本文首先推导了IIR 陷波带宽控制参数 与陷波带宽和陷波深度的定量表达式,在统筹考虑陷波频率、陷波带宽、陷波深度和实时性基础上提出了基于多级开环IIR 陷波器级联的滤波算法。每一级II R 滤波器负责抑制一个子带内的干扰,在保证陷波深度的条件下实现较为陡峭的带阻特性,在窄带干扰被有效抑制的情况下使有用信号失真达到最小。仿真结果验证了算法的有效性。
关键词:
II R 陷波器;级联;陷波频率;陷波带宽;陷波深度
中图分类号:TN 914.42 文献标识码:A 文章编号:1000 1328(2010)12 2704 07DO I :10.3873/.j issn .1000 1328.2010.12.013
R esearch on the Suppressi on of Narro w Band Interferences Based on Cascade
Open L oop II R N otch Filters i n Satellite Navi gati on R eceiver
GONG W en fe i 1
,SUN X i n 1
,WU Si liang
2
(1.S chool ofE l ectronics and In f or m ati on Engineeri ng Beijing J i aotong Un i vers i ty ,Beiji ng 100044,Ch i na ;
2.S chool of In f or m ati on and E lectron ics Beiji ng I n stitute of Technology ,B eiji ng 100081,Ch i na)
Abstrac t :A n express i on of no tch band w i dth para m eter w it h no tch band w i dth and notch depth is der i ved i n this paper for full suppressi on of na rrow band i nterferences w it h certa i n bandw i dth .T hen a nove lm ethod i s proposed ,on the basis o f cascade the open l oop II R l a ttice no tch filters under overall consi dera ti on o f notch frequency ,notch bandw idt h ,no tch depth and rea l ti m e prope rt y .Each notch filter is responsi b l e for full s uppression o f the narrow band i nterfe rence i n one sub band .T hus t he sing le notch filter can have better no tch property under t he cond i tion o f enough notch depth .Ana l y si s and resu lts o f the experi m ent show that the proposed m ethod m i ni m izes t he disto rti on o f the signa l i n the full suppression of na r row band i nterfe rences .
K ey word s :II R notch filte rs ;C ascad i ng ;N o tch frequency ;N o tch band w idt h ;N o tch depth
收稿日期:2009 10 05; 修回日期:2010 09 28
0 引 言
卫星导航系统以其连续、实时的定位、测速、通信与授时等优良特性,在现代军事、民用领域中发挥着越来越重要的作用。正是由于卫星导航系统的这种优良特性,人们对其重视程度越来越高,其易于受到干扰的问题日益显现出来。卫星信号到达地面用
户接收机时相当微弱(GPS 卫星信号大约为-160dB W )
[1]
,比接收机热噪声还要低约30dB ,尽管
现代卫星导航系统采用了DSSS (D irect Sequence Spread Spectr um )技术,但系统的扩频增益有限,因此其干扰的能力还是很低,所以很容易被敌意或非敌意的电磁信号干扰。如1W 辐射功率的干扰机在无遮蔽情况下就能干扰10-20km 范围内的所有C /
A 码GPS 接收机[2]
,卫星导航系统对干扰抑制能力
的强弱已经成为其是否能够发挥作用的关键。
在现有的众多抑制窄带干扰的信号处理手段中,时域自适应陷波干扰抑制技术具有实现简单、抗干扰性能好等优点而受到人们的广泛重视
[3-5]
。
II R 陷波器按照结构可以分为直接型和格型两种。相比自适应直接型II R 陷波器,自适应格型II R 陷波器不仅可以准确地控制滤波器的陷波频率,也可以准确地调整陷波器的带宽,同时具有更好的收敛特性以及更为准确的频率估计
[6]
,且对有限字长效
应敏感性比较低,成为近来研究较多的窄带干扰抑制方法。R egalia 提出一种非梯度搜索的格型自适应算法
[7]
,运算量较小,然而该方法在收敛后,陷波频率存在偏移,影响了陷波性能。文献[8]采用全局输出信号作为参数调整的反馈信号,降低陷波频率偏移的影响。Cho i 等
[9]
通过调整陷波器的陷波
深度来提高系统的抗干扰性能。上述方法分别从运算量、陷波频率和陷波深度的角度研究了陷波器的性能,对最优陷波带宽的选择上却未曾提及。
针对一定带宽的窄带干扰信号,统筹考虑陷波频率、陷波带宽、干噪比和实时性,提出了基于开环时域陷波器级联的滤波算法,可以在保证陷波深度及较为陡峭的带阻特性的基础上有效地抑制掉所有频点的窄带干扰,提高了卫星导航接收机的抗窄带干扰能力。仿真结果表明该算法可以在有用信号失真较小的情况下实现窄带干扰的有效抑制。1 II R 格型陷波器干扰抑制原理
二阶II R 格型陷波器的传递函数H (z)为H (z )=1+
21-2 z -1
+z -2
1- (1+ )z -1+ z -2
(1)
其对应的结构如图1
所示。
图1 二阶格型II R 陷波器F i g.1 Second o rder II R latti ce no tch filter
设经过A /D 采样后接收中频信号由3部分组成,即
r (n)=s(n )+n(n )+i(n)
(2)
式中,r (n)是接收到的含有窄带干扰的和加性高斯白噪声的导航信号,s(n )是卫星导航信号,n (n)是高斯加性白噪声,i(n)是窄带干扰。这里取单频信号作为窄带干扰模型,表达式如下:
i(n )=A co s ( 0n +!)
(3)
接收信号经过II R 陷波器之后,输出信号的功
率可表示为
?=12#
#
-#
|H (e j )|2?rr (e j
)d
(4)
式中,|H (e j
)|2
是系统响应函数的模平方,?rr (e j
)是接收到含有窄带干扰的和加性高斯白噪声的卫星导航信号的功率谱,它们分别可表示为
[10]
|H (e j )|2
=
14(1+ )2
(cos - )
2
(1+ )2
(cos - )2+(1- )2si n 2
(5)?rr (e j
)=?ss (e j
)+%2n
+A
2
4
&( 0)
(6)
式中,?ss (e j
)为卫星信号的功率谱密度,%2
n 是加性高斯白噪声的方差。
由于卫星信号的功率和加性高斯白噪声的功率谱密度相比干扰的功率谱密度小很多,这里假定?ss (e j
)=0,%2
n =0。则输出信号的功率可以表示为
?=A
2
16(1+ )2
(cos 0- )2
(1+ )2
(cos 0- )2+(1- )2sin 2 0
(7)
因为所采用的是II R 窄带陷波器,在输入信号功率一定的情况下,通过改变不同的陷波位置,也即改变参数 ,输出信号的功率?应该存在最小值。由式(7)可知, =cos 0可使输出功率最小。
考虑到实际工作中,干扰信号的频率难以做到很精确的估计,所以选择陷波带宽要包含频率估计的误差区间。设频率估计的误差区间为 1< < 2,对应的干噪比为J NR ,为了达到干扰的完全抑制,当 1< < 2,应有如下不等式成立
(1+ )2(cos 0- )2
(1+ )2(cos 0- )2+(1- )2sin 2
!10-J NR /10
(8)
2705
第12期龚文飞等:卫星导航接收机陷波器级联抑制窄带干扰研究
为了在干扰完全抑制的情况下做到有用信号失真最小,可令陷波带宽? = 2- 1,则当 = 1和 = 2时,式(8)的等号成立,从而可以求得
=
10-JNR /20
-1-10
-J NR /10
tan
? 2
10
-JNR /20
+
1-10-J NR /10tan
? 2(9)
由式(9)可以看出,陷波带宽系数 是陷波带宽? 单调函数,在一定信干比J NR 条件下,随着 逐渐接近于1,陷波器的带宽逐渐减小;干扰检测模块检测到没有干扰存在时,可以设置 =1,此时滤波器变成一个直通滤波器,对有用信号没有损失。2 基于开环II R 陷波器级联窄带干扰抑制方法
单个时域陷波器可以有效地抑制连续波干扰,但是对于占用卫星信号一部分带宽的窄带干扰,陷波器的滤波效果将则不太理想。若陷波带宽过大会导致陷波器的带阻特性不够陡峭,有用信号失真较大;若陷波带宽较窄,虽然具有较为陡峭的带阻特性,但有可能无法将整个窄带干扰都滤除掉。为此本节首先分析了陷波带宽控制参数 与陷波带宽和陷波深度的关系,进而提出了实时性较高的开环II R 陷波器级联的窄带干扰抑制方法。2.1 陷波带宽控制参数 取值分析
由于窄带干扰只占用极小一部分信号带宽,所以功率谱密度较宽带干扰可以做得更高,设信号带宽为B s ,瞄准式窄带干扰在有用信号带内的信号功率为P NB I ,所占用有用信号的带宽为B NB I ,则窄带干扰的功率谱密度为N NBI =P N BI /B NB I ,设带内噪声的功率谱密度为N 0。要有效抑制带宽B N BI 内所有窄带干扰信号,则需要设计的陷波器的陷波带宽覆盖B NB I ,陷波深度至少要可以把剩余干扰信号的功率谱密度抑制到噪声功率谱密度以下,同时为了尽量减少有用信号的失真,设计的陷波器的带阻特性要足够陡峭。为此,根据式(9)具体讨论一下如何选择合适的陷波带宽和陷波深度来抑制有一定带宽的窄带干扰。陷波器带宽控制参数 随陷波带宽和陷波深度的变化如图2所示。
由图可见,同样的陷波深度, 越小,陷波带宽越大;同样的陷波带宽, 越小,陷波深度越深。参数 决定陷波器的陡峭程度, 越小
,陷波器的开口越
大。陷波器的开口越大,对有用信号的失真也就越
(a)参数 与陷波带宽和陷波深度的关系曲面图
(b)参数 与陷波带宽和陷波深度的等高线图图2 参数 与陷波带宽和陷波深度的函数关系图F ig .2 The var i ation o f vs notch band w i dth and dep t h
大,为了使有用信号失真尽量小,就要求参数 必须尽量大。但 越大,同样陷波深度条件下的陷波带宽就越窄,可能就无法有效抑制整个带宽B N BI 内的干扰,采用多个陷波器级联的形式则可以解决这个矛盾。
2.2 开环II R 陷波级联结构实现
由上一节分析可知参数 越大对有用信号失真越小,为了实现较大 下的窄带干扰的有效抑制提出基于多个二阶开环时域II R 格型陷波器级联的滤波算法。实现结构框图如图3所示。
II R 格型陷波器的结构见图1。接收信号经A /D 变换后分为两路,分别送入频域处理模块和时域处理模块。时域处理部分仅做II R 陷波处理,干扰信号频率估计及陷波器参数设计等较为复杂的过程均由频域处理来完成,这样做可充分提高实时性。多个陷波器硬件实现时,可以考虑采用提高时钟频率,流水复用的形式实现,以节省硬件资源。尽管当
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第31卷
前用于时域陷波的II R 陷波器系数是由前一时间单位接收到的数据块估计得到的,但在实际电磁环境中,干扰信号的变化一般较这段估计的滞后要小得多,所以对干扰抑制效果几乎不会产生影响。与传统的时域或频域干扰抑制方法相比,其复杂度大大降低,
而实时性却有较大提高。
图3 基于开环时域陷波器级联窄带干扰抑制框图F i g .3 The cascaded architect ure o f suppressi ng narrow band
i nterferences based on open loop IIR no tch filters
将窄带干扰信号的带宽B NB I 分为N -1个带宽为B NB I /(N -1)子带,每一个II R 格型陷波器负责抑制一个子带内的窄带干扰。通过FFT 变换估计出窄带干扰功率谱密度超过门限的起始频率 0和截止频率 N -1,从而计算出? 。
? =
N -1- 0
N -1
(10)
为了简单起见,各个开环时域II R 陷波带宽统一设成? ,由式(9)可以求对应的陷波带宽控制参数 ,其中J NR 控制陷波在频率 i
?
2
处的陷波深度。为了使有用信号失真较小,陷波器的陷波特性尽可能陡峭,参照单频干扰, 通常取经验值 ?0.9
[11-12]
。
联合式(9)和式(10)可确定级联滤波器的个数为N =
N -1
- 0
2arctan
(1
-
)10-JNR /20
(1+ )
1-10
-J NR /10
+1
(11)
式中#表示向上取整。
式(11)计算级联滤波器个数较为复杂,由于陷波带宽远小于整个信号带宽,即? 比较小,所以tan ? /2?? /2,从而由式(9)可以得出
? =
2(1- )(1+ )
10
J NR /10
-1
(12)
从而级联滤波器个数N 为
N =
( N -1- 0)(1+ )10
JNR /10
-1
2(1- )
+1(13)
各级陷波器幅频响应的示意图如图4所示,图中A 点对应的频率为 0+? /2。
图4 各级陷波器幅频响应示意图
F i g .4 T he Schema ti c diagra m of a m plitude frequency
response o f each no tch filter i n different leve ls
由式(12)可以求单个陷波器在陷波带宽? 处的陷波深度为
L =10lg
2(1- )(1+ )?
2
+1(14)
分析式(14)可知,陷波深度超过10dB 时,式(14)可以近似为
L =20lg
2(1- )
1+
-20lg ?
(15)
即L 随? 呈对数规律变化,所以可以近似假定采用多级陷波器级联后在陷波频率范围 0~ N -1内总幅频响应在A 点的陷波深度最浅。多级陷波器级联后A 点所对应频率处的陷波深度可以表示为
L A =10l g
2(1- )
(1+ )?
2
+1+
%N -1
i=1
10lg
2(1- )
(1+ )(2i -1)? 2
+1(16)
由式(16)可得
L A ?20l g
2(1- )(1+ )? 2
+1
(17)
结合式(14)和式(17)可知
L A ?2L
(18)
所以单个陷波器的陷波深度为窄带干扰的功率谱密度与噪声的功率谱密度比值的二分之一即可,即L =J NR /2,考虑相邻和非相邻级陷波器的影响,在级联滤波器的交叠处陷波深度则至少可以将窄带
2707第12期龚文飞等:卫星导航接收机陷波器级联抑制窄带干扰研究
干扰功率谱密度抑制到噪声功率谱密度之下。
各个II R 陷波器的陷波频率为
i = i-1+? (i =1,2,&,N -1)(19) 由此,可以确定对应的陷波器系数 i =cos i 。3 性能仿真
为了验证本节所提出基于开环陷波器级联窄带干扰抑制方法的性能,对其进行了如下仿真。
仿真条件设置如下:输入信号为含有窄带干扰的和加性高斯白噪声的卫星导航信号,窄带干扰的要求干扰带宽小于等于导航信号带宽的10%,信号带宽为20.46MH z ,取干扰带宽为1MH z 。干信比为60dB ,信噪比为-37dB ,扩频码取GPS 的P 码,码速率为10.23MH z 。信号采样频率为64MH z ,中频频率为15.5MH z
。
图5 不同级联滤波器个数下的参数 和
输出信干噪比
F i g .5
and SJ NR v s t he nu m be r o f no tch filters
图5给出了陷波带宽控制参数 和陷波输出信干噪比(SJ N R)随级联滤波器个数的变化关系曲线。 由图5可见,在级联陷波个数比较少时,单级陷波器的陷波带宽就相对较大,则参数 相对较小。随着级联滤波器个数的增加,单级陷波器的陷波带宽逐渐减小,参数 越接近于1,即陷波器带阻特性越来越陡峭,陷波性能也越来越好。参数 接近于0.90所需要的陷波器的个数为8,与采用式(13)计算结果相符。此时陷波器输出的输出信干噪比较为稳定,随级联滤波器个数的增加,输出信干噪比的改善不是很明显。
图6给出了8个II R 陷波器级联等效的幅频响应曲线、单个II R 陷波器幅频响应曲线以及5系数开环FI R 陷波器
[13]
幅频响应曲线。8个II R 级联可
以实现陷波带宽1MH z 、陷波深度超过30dB 带阻特性较为陡峭的陷波器,由知在 >0的情况下单个II R 无法实现陷波带宽1MH z 且陷波深度超过30dB 的陷波特性。图中给出 =0.5时单个II R 陷波带宽1MH z 、陷波深度15dB 的陷波器的幅频响应,此时陷波器的带阻特性已经不理想,会对有用信号造成很大的失真。5系数开环FI R 陷波器虽然可以在1MH z 带宽内提供足够深的陷波深度,同样,陷波器
的带阻特性不理想。
图6 8个II R 级联等效幅频响应和1个IIR 幅频响应F i g .6 T he amp litude frequency response o f cascaded
architecture of 8II R filters and 1II R filter
图7(a)、(b)、(c)和(d)分别给出了干扰抑制
前和不同陷波方法窄带干扰抑制后信号的归一化频
谱。5系数开环FI R 陷波方法虽然可以有效抑制窄带干扰,但陷波器的带阻特性不够陡峭;1个II R 陷波器的陷波深度和带阻特性均不理想,无法实现带
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第31卷
限窄带干扰的有效抑制;8个II R 陷波器级联方法不仅具有较深陷波深度而且具有较为陡峭的带阻特
性,实现带限窄带干扰有效抑制的同时减小了卫星
导航信号的失真。
图7 干扰抑制前后信号的频谱
F i g .7 T he si gnal spectru m be f o re and a fter anti ja mm i ng processi ng
图8给出了本文提出的开环II R 陷波级联算法、单个II R 陷波器陷波算法和5系数开环FI R 滤波算法的性能比较。可以看出单个II R 陷波器由于无法做到干扰的完全抑制因而输出误码率随着输入干信比的增加而逐渐增加。5系数开环FI R 滤波算法虽然有效地抑制了窄带干扰,但由于其带阻特性不理想,滤波性能低于本文算法。本文算法在有用信号失真较小的情况下实现窄带干扰的有效抑制。4 结 论
本文首先推导了单级II R 陷波器的陷波带宽控制参数 与陷波带宽和陷波深度的定量表达式,分析了参数 与陷波的陡峭程度之间内在联系,针对具有一定带宽的窄带干扰,提出了多级开环II R 陷波器级联的滤波方法。该方法采用时域频域并行处
理,在频域上完成陷波参数估计等复杂过程,时域仅
图8 不同时域窄带干扰抑制算法性能比较F ig .8 The pe rf o r m ance of d ifferen tm ethods o f
suppress i ng narrow band i nte rferences
做时域陷波处理,减少了收敛时间,提高了实时性。同时可采用流水复用的形式来完成多个陷波器级联
2709
第12期龚文飞等:卫星导航接收机陷波器级联抑制窄带干扰研究
的硬件实现,以降低对资源的需求。仿真结果表明,该方法较单个II R陷波器和5系数开环FI R滤波器性能有了明显的改善,提高了接收机在窄带干扰环境下的工作性能,是一种工程实用性较高的抗窄带干扰方法。
参 考 文 献
[1] Pratap M,Per E.G lobal pos i ti on i ng syste m:S ignals,m easure
m en ts,and p erf or m ance second ed ition[M].L i ncoln M ass:
Ganga Ja muna Press,2006.
[2] 任超,吴嗣亮,王菊.一种新的GPS接收机宽带干扰抑制方
法[J].电子与信息学报,2008,30(8):1977-1980.[Ren
Chao,W u S i li ang,W ang J u.A novel w i deband i n terference
cancell ati on m ethod f or GPS recei ver[J].J ournal of E lectron i cs
&In f or m ati on Tec hno l ogy,2008,30(8):1977-1980.] [3] 郭艺,王世练,张尔扬.适应开环FI R滤波器抗窄带干扰方法
研究[J].电子与信息学报,2007,29(4):959-962.[Guo
Y,i W ang Shi li an,Zhang E r yang.S t udy on open-l oop ad ap
tive FI R filter app roach for i nterf eren ce s uppression[J].J ou rnal
of E lectron ic&In f or m ati on Technol ogy,2007,29(4):959-
962.]
[4] 张春海,朱江,王世练,等.可用于DSSS系统时变干扰抑制
的II R滤波器设计[J].信号处理,2007,23(4):495-499.
[Zhang Chun ha,i Zhu J i ang,W ang Sh i li an,et a.l The desi gn
of II R filters f or ti m e vary i ng i n terferen ce s uppression i n DSSS
co mmun icati on s yste m s[J].S i gnal Process i ng,2007,23(4):
495-499.]
[5] Q i n P,Ca iP.A novel al gori thm of adapti ve II R l attice notch fil
ter and perf or m ance anal ysis[J].Journal of ShanghaiUn ivers i ty
(Englis h E d i ti on),2007,11(5):485-489.
[6] Cho N,Lee S.On the adap tive lattice notc h fil ter f or t he d etec
tion of s i nusoi d s[J].I EEE T ransacti on s on C ircu its and Sys
te m s,1993,40(7):405-416.
[7] Regalia P A.An i m p roved lattice based adapti ve II R notc h fil ter
[J].IEEE T ransacti on s on S i gna l Process i ng,1991,39(9):
2124-2128.
[8] 张世平,赵永平,张绍卿,等.一种改进的自适应格型陷波算
法及其收敛性分析[J].电子学报,2004,32(2):338-341.
[Zhang Sh i p i ng,Zhao Y ong p i ng,Zhang Shao q i ng,et a.l A
m od ifi ed adapti ve al gorith m of l atti ce notch filter and i ts conver
gen ce ana l ysis[J].Act a E lectron ica S i n i ca,2004.32(2):338
-341.]
[9] W on J,Cho N.Narrow band i nterf eren ce s upp ress i on i n d irect
sequen ce spread spectrum s yste m s us i ng a l attice IIR not ch fil ter
[C].In Proc.I EEE I CASSP?2001,S alt Lake C it y,2001,4:
2236-2240.
[10] H irano K,N i sh i m u ra S,M itra S.Design of d i gital n otch filt ers
[J].IEEE Transacti ons on C o mm un i cati on s,1974,22(7):964
-970.
[11] X i a C J,An J P,W ang A H.Ne w techn i qu e for es ti m ati ng and
suppressi ng narro w band i n t erferen ce i n DSSS syste m s[J].J our
nal of Beijing Insti tu t e ofTechnol ogy,2007,16(3):284-289.
[12] Bori o D,C a m oriano L,Savast a S,et a.l T i m e frequen cy excision
f or GNSS app li cati on s[J].I EEE Syste m s J ourna,l2008,2(1):
27-37.
[13] Am in G M.I n terferencem iti gation i n s p read spectrum co mmun i
cati on syste m s us i ng T i m e Frequency d istri buti on s[J].I EEE
T ransacti on s on S i gnal Processi ng,1997,45(1):90-101.
作者简介:龚文飞(1981-),男,北京交通大学博士后,研究
方向卫星导航定位及抗干扰技术。
通信地址:北京交通大学思源楼913房间(100044)
电话:(010)68918295
E m ai:l i se_m atlab@163.co m
(编辑:余 未)
2710 宇航学报第31卷
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:
卫星导航抗干扰技术应用 发表时间：2018-11-15T20:03:58.540Z 来源：《基层建设》2018年第28期作者：倪大森 [导读] 摘要：抗干扰技术一直是卫星导航领域的研究热点。 天津七六四通信导航技术有限公司天津 300210 摘要：抗干扰技术一直是卫星导航领域的研究热点。在众多的抗干扰方法中，采用基于空时联合处理的阵列天线抗干扰是目前最有效且应用最广的一种方法。而对于阵列天线抗干扰，权值精度和权值更新速度是决定其抗干扰性能优劣的重要因素。当采用相同的自适应算法时，权值精度越高，权值更新速度越快，则抗干扰处理的效果越好。为此，在接下来的文章中，将围绕卫星导航抗干扰技术应用方面展开详细分析，希望能够给相关人士提供重要的参考价值。 关键词：卫星导航；抗干扰技术 引言：卫星导航定位系统提供精确的位置、时间和速度的同时，存在着信号微弱，易受干扰的天然弱点。在定位导航过程中，导航接收机的抗干扰能力是决定导航定位服务可用性的关键因素，伴随着卫星导航的推广应用和深入研究，抗干扰技术不断迭代更新。文章对卫星导航系统的抗干扰接收技术进行分析。 1.抗干扰技术分析 抗干扰是指设备能够防止经过天线输入端，设备的外壳以及沿电源线作用于设备的电磁干扰。雷达往往工作在复杂的电磁环境中，雷达抗干扰性能的优劣直接决定了整个雷达系统的性能。然而，如何评价雷达抗干扰性能的优劣，至今还没有公认的标准。因此人们难以把握雷达抗干扰能力的好坏，严重阻碍了雷达抗干扰技术和战术的发展。目前对于雷达抗干扰性能的评估，已经有了部分研究成果，但存在以下缺点：第一，干扰和抗干扰性能分开评估，没有把两者联系起来，这不符合实际情况；第二，由于雷达系统的复杂性，往往不能表征整个雷达的抗干扰性能，而仅从雷达采取的抗干扰措施或雷达本身固有的特性来研究；第三，度量值具有不可测性，计算繁琐 1.1虚拟卫星法 虚拟卫星法是在卫星导航抗干扰接收系统中广泛应用的一种方法，利用小型无人机或者地基发射装置播发模拟卫星信号，增强导航接收机的接收信号进而改善信噪比，从而实现抗干扰的目的。 1.2天线抗干扰法 天线抗干扰法是卫星导航抗干扰系统中的关键技术，其应用具有多种优势，技术操作简单，成本相对较低。天线抗干扰法可以通过提升波速发生量的方式来完成天线阵元的加权工作，从而将外界干扰信号的强度控制在较小的范围，减小或避免对导航接收机的影响。 1.3扩展频谱抗干扰法 这种方法可使导航接收机有效抑制干扰信号。采用直接序列扩频，当接收机解扩之后将有用的信号变成了窄带信号，原来一些频带比较窄的干扰信号就会变成宽带信号，从而使得信号中的大部分能量都被窄带滤波器滤除掉，提高了信干比。当前扩展频谱抗干扰法的应用十分广泛，尤其是在工业领域普及程度很高。 1.4光通信技术 光通信技术是卫星导航干扰接收系统的主要技术之一，是结合现代科学技术产生的一种新技术。与传统的卫星导航抗干扰技术相比较而言，光通信技术更高效、科学，但是其原理相对复杂，应用成本相对较高，当前还处于推广阶段。 1.5编码调制技术 编码调制技术在卫星导航抗干扰接收系统中的应用，可以借助卫星导航系统的修正、调整、编排优势，增强抗干扰接收系统稳定工作的持续性。 2.抗干扰导航接收机实现 2.1波束形成抗干扰方法 形成抗干扰波束并借助惯性测量数据或者卫星历史数据，可以抵御和消除外界的干扰信号，从而提高导航接收机的抗干扰能力。卫星信号和干扰信号都会通过全向天线阵列进入大动态射频转换器前端，大动态射频转换器对射频信号进行初步处理再移交后端的数模转换器。大动态射频转换器的设计，可以采用自动增益控制技术，在射频与中频之间设置多个程控衰减器，每一个衰减器都会使得信号逐渐衰减变小，而且信号是逐级衰减，防止其中的敏感元件出现饱和状态。这种衰减结构是比较灵活的，可以对进入模数转换器的信号电平进行精确控制，实现对信号与噪声之间的比值的优化。当射频转换器把信号变成中频的时候，数字化中频信号就会进入波束形成算法模块，同时，在惯性测量数据可用的情况下，还可以从惯性测量数据获得自身的姿态信息，并且可以结合卫星历史数据，通过波束控制模块产生波束自适应控制权值，然后将该值传输到波束形成算法模块中，波束形成算法模块根据波束自适应控制权值，对数字化中频信号进行自适应滤波，可以降低或者消除进入导航接收机的干扰信号影响。波束形成算法模块可以对输入的数字中频数据进行处理，并且可以得到所有通道的数字波束总和，根据这个值再进入导航接收机的捕获跟踪模块。在整个传输过程中，波束形成算法模块可以同时对都不同方向的波束进行控制，在卫星信号中如果存在干扰信号，则该模块可以对数据中的干扰成分进行降低或者完全消除，从而减少干扰信号对卫星信号带来的影响，得到更准确的定位结果。 2.2自适应零陷抗干扰方法 如果缺乏惯性导航设备、电磁罗经等设备的惯性测量数据，导航接收机很难确定卫星接收天线的姿态。此种情况下，自适应零陷抗干扰方法更合适，这种方法的基本原理是功率倒置算法，确保期望信号增益为常数时输出的功率最小。按照功率倒置算法所形成的天线方向图，可以在各个干扰方向上产生对应的零陷，零陷与干扰信号的强度成正比。当卫星信号从空中传输到导航接收机的天线时，信号电平会衰减得十分微弱，甚至低于噪声，所以算法不会剔除有效的卫星信号。算法在强干扰方向上产生零陷，可以有效抑制干扰信号的影响，提高导航接收机的信噪比[1]。 2.3抗干扰导航接收机实现技术 从抗干扰导航接收机的结构来看，卫星导航系统的抗干扰导航接收机主要有两个模块，一个是自适应抗干扰模块，一个是基带接收机模块。自适应抗干扰模块中一共有7组天线，这些天线的数据经过采集之后，可以通过FPGA的SRAM存储器将数据转存送入DSP中，再对数字进行加权计算，另外也可以利用上次计算所得到的权值在FPGA中对当前采样的数据做波束形成或者零陷滤波处理，最终生成I、Q两
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
浅谈卫星导航抗干扰技术的发展 【摘要】卫星导航在现在的军事领域起到了至关重要的作用，本文介绍了卫星的干扰类型和工作原理。然后介绍了现有的几种抗干扰技术、工作原理和特点。最后，对卫星导航的抗干扰技术进行了预测。 【关键词】卫星导航；干扰技术；抗干扰技术 卫星导航在社会生活和军事领域当中起到了越来越多的作用，从日常的定位，到军用的精确制导，都离不开卫星导航。然而，在实际应用当中，由于种种原因，卫星系统会受到干扰，影响了使用国和用户的。因此，如何提高卫星系统的抗干扰的技术是当前各国研究者重点的研究课题[1]。本文介绍了干扰的类型和工具原理，抗干扰技术的分类和发展动向，为我国的卫星导航抗干扰技术的发展提供借鉴。 1.干扰的类型 对卫星的导航一般主要分为干扰型和压制型两种，由于卫星导航也是电子系统的一个集成，因此，一般的电子干扰技术也能用在对卫星的干扰上。 1.1压制式干扰 压制式的干扰就是利用特殊的发射装置对卫星发射电磁信号，让卫星不能正常的接受和发射信号，也无法进行导航。这种干扰方式的特点是技术难度低，使用相对简单，功率大的。但这种干扰方式也会使本方的导航通讯出现不畅，因此，使用范围比较受限制[2]。 1.2干扰型干扰 与压制式干扰不同，干扰型干扰向卫星发射假的信号，造成卫星的导航信息不准确，或者发出错误的信号，起不到应有的导航作用。这种干扰方式的特点是技术难度比较高，需要知道所要干扰的卫星系统的具体工作参数，虽然效果要比压制式干扰好，且不影响本方正常的通讯，但是掌握难度非常的高。 2.抗干扰技术的发展 所谓的抗干扰就是利用特定的手段对卫星的信息接收，传送方式和功率等进行处理，使卫星能够分辨有用和无用信号，正确的接收所需要的信号。在卫星抗干扰技术中主要有以下几种。 2.1伪卫星法 伪卫星法就是在地面设定发射装置，或者发射无人驾驶飞行器，或者小卫星
卫星导航系统接收机抗干扰关键技术综述 卫星导航系统，就是用于对目标定位、导航、监管，提供目标位置、速度等相关信息的卫星系统。卫星导航系统具有很多优点，定位精度非常高，如美国的GPS（全球定位系统）精度可达厘米和毫米级；效率高，体现在观测时间短，可随时定位；全天候的连续实时提供导航服务。因此，卫星导航系统广泛应用于各个领域，发展前景十分广阔。但是，卫星导航系统有一个缺点，就是卫星信号的功率比较低，信道容易受到其他形式的各种干扰，导致卫星导航接收机的性能下降。因此，为了提升我国的卫星导航系统的抗干扰能力，本文主要研究探讨了卫星导航系统接收机抗干扰的关键技术。 1 卫星导航系统抗干扰技术 卫星导航系统接收机的干扰主要有三种形式，欺骗式干扰、压制式干扰、欺骗式/压制式组合干扰。欺骗式干扰有针对民码的干扰和针对军码的干扰；压制式干扰有宽带压制式干扰和窄带压制式干扰。为了应对各种干扰，卫星导航系统使用扩频技术，扩频技术具有很好的隐蔽性，能够精密测距，并且可以实现多址通信，抗干扰能力大大增加。而对于连续波干扰、窄带干扰，就要采用带阻频谱滤波方法滤掉干扰信号。而对于宽带干扰，这些方法效果都不理想，一般选择自适应阵列天线技术，这种技术能够根据外部的信号强弱，自动改变各个针元的加权系数，从而对准干扰信号方向。 1.1 自适应滤波技术 自适应滤波技术是随着自适应滤波理论与算法的发展而发展起来的，最小均方算法和最小二乘算法对自适应滤波技术起到的非常大的作用。除此以外，采样矩阵求逆算法也属于另一种自适应算法，直接矩阵求逆算法使得系统处理速度大大提升。 1.2 卡尔曼滤波技术 卡尔曼滤波技术是卡尔曼在20世纪60年代提出的，卡尔曼滤波技术是在被提取信号的相关测量中利用实时递推算法来估计所需信号的一种滤波技术。这种技术的理论基础是随机估计理论，在估计过程中，用观测方程、系统状态方程以及白噪声激励的特性作为滤波算法。卡尔曼滤波技术不仅用于估计一维的平稳的随机过程，而且可以用于多维的非平稳随机过程估计。卡尔曼滤波技术实质上属于一种最优估计方法。虽然卡尔曼滤波技术操作简单，应用范围十分广泛，但有一个基本要求，就是必须在计算机上实现。 2 抗压制式宽带干扰技术 2.1 压制式宽带干扰的工作原理 所谓压制式干扰，就是指干扰信号的强度远远高于经过扩散后的卫星信号强度，进而使卫星导航系统接收机无法获取准确信号，从而达到干扰卫星导航系统的目的。压制式干扰有窄带压制式和宽带压制式干扰。窄带单频连续波干扰，是一台干扰机对卫星导航系统发射单频信号，当单频信号与用伪码调制的宽带进行混频后，就输出宽带干扰信号。宽带扩频相关干扰，原理是利用卫星信号的伪码序列与干扰信号的伪码序列的强关联性来干扰接收机的接受能力。这种干扰可以以较小的干扰功率就能达到有效干扰目的。 2.2 自适应阵列天线技术 阵列天线的结构决定抗干扰性能，阵列天线的几何结构对抗干扰性能的影响主要体现在三个方面。第一，阵列天线的阵元间隔。第二，阵列天线的几何布局。第三，阵列天线的阵元个数。确定阵元间的相对距离，要考虑的因素有，较小的阵元之间的间隔形成的互藕效应，和半波长的阵元间隔形成的旁瓣。一般的阵元间隔选择半波长，能够有效避免大的旁瓣的产生，并且此时的互藕效应最小。阵列天线的几何结构布局不同，对应的最佳阵元的个数就不同。所以在进行干扰抑制性能的量化比较时，不能将阵元个数相同的，但阵元几何结构不同
1. 导航战及GPS干扰 导航战是指在战场环境下,用电子干扰的方法对敌方导航系统进行干扰或攻击,使其不能正常导航或降低导航精度,并对敌方对己方导航系统所实施的干扰进行抗干扰,使其在干扰条件下仍能高精度地工作。 GPS干扰: (1) 瞄准式阻塞干扰 保证阻塞式干扰在GPS 接收机的带宽内产生均匀的干扰频谱(梭状和连续波) , 在时域上呈等幅包络, 该干扰信号的功率达到一定程度时, 便可对GPS 信号产生全面的阻塞作用. (2) 伪随机噪声阻塞干扰 人为地产生伪随机码噪声, 这些伪随机码噪声在被GPS 接收机相关解扩过程后的信号功率只要大于GPS 接收机的干信比, 就足以有效干扰GPS接收机. (3) 转发式欺骗干扰 将某一区域内GPS 卫星信号通过一些特殊的设备(如DRFM) 进行降频、采样、存储、延时、调制、再升频后转发出去. 这样在空中就形成与GPS接收机真实信号相参性很好的欺骗信号, 通过GPS接收机相关解扩后, 起到欺骗使用. 这些信号人为地改变了在空中的传输时间、相位和频率. 最终使得GPS 接收机的定位精度产生很大误差. (4) 组合干扰 由于每一种干扰方式的优缺点不尽相同, 为了取长补短, 我们可以同时采用两种或两种以上的干扰方式, 以求达到更好的干扰效果. 如伪随机噪声阻塞干扰与转发式欺骗干扰的组合. 2. GPS抗干扰措施 由于GPS空间卫星的设计起点主要考虑战争环境下导航和定位的军事安全，而没有把干扰环境下的工作能力提到突出的位置。实际上，GPS卫星信号到达地面用户时其信号很弱，信噪比很低，从而导致了GPS用户接收机很容易遭受欺骗性干扰和压制性干扰。加上导航战中民用频段的军用化，导致美国与其敌对双方突出较量于战场，迫使其GPS系统不得不采取抗干扰措施或者改革其体制。为此，美军正在从GPS卫星、地面控制站、用户接收设备等方面采取措施，提高该系统的抗干扰能力。其中主要包括：①提高GPS星座后续星的发射功率，研制第三代GPS卫星；②军用GPS接收机采用保密结构、自适应调零天线、抗干扰信号处理技术；③在武器应用方面，特别强调复合使用GPS与惯性制导系统（INS），“联合直接攻击弹药”（JDAM）就是如此；④研制GPS干扰源探测定位系统。 2.1 美国GPS抗干扰技术研究现状： 一、研制抗干扰GPS 接收机天线。 美国陆军航空与导弹司令部导弹研究发展与工程中心将投资“创新研究”工程,研制小型廉价的GPS 接收机天线,用于各种导弹和火箭弹上的GPS 接收机。目前这类弹药上的GPS 接收机天线对干扰信号的跟踪和抑制过程需要50 秒,而有效制导多管火箭炮和陆军战术导弹系统要求该过程不能超过10 毫秒,所以必须使用小于10 ×10 ×2. 5cm3 的天线。“创新研究”计划的目标是研制一种可抗连续波、宽带噪声、脉冲等多种干扰的抗干扰GPS 接收机天线,并用其取代现有天线。如果获得成功,将制造10 套天线用于飞行等各种试验。
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