变换域自适应抗干扰方法及其ＦＰＧＡ实现 孙峰 ，金炜东 ，王博。 （１．西南交通大学信息科学与技术学院，成都，６１００３１； ２．西南交通大学信息电气工程学院，成都，６１００３１２； ３．卫星导航应用国家工程研究中心，北京，１００１７６） 摘 要：针对卫星扩频通信中的强窄带干扰，提出了一种基于频域处理的自适应窄带干 扰抑制技术。该方法是将时域信号通过傅立叶变换形成一组近似正交的分量，在不相关的各 频率点上分别进行ＬＭＳ滤波。采用ＦＰＧＡ芯片ＥＰ２Ｓ６０Ｆ４８４１４完成自适应滤波器设计。结 果表明：该频域算法运算量以及收敛性都优于时域滤波，具有很好的抗干扰性能。 关键词：窄带干扰；自适应算法；最小均方（ＬＭＳ）；ＦＰＧＡ 中图分类号：Ｐ２２５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００８—９２６８（２００８）０６－００３７－０４ 引言 直接序列扩频通信可以有效地抵制来自信道 中的窄带干扰。但如果窄带干扰的功率很强，只靠 接收端的相关运算对强窄带干扰的抑制效果并不 理想，甚至无法进行通信。为了提高扩频通信系统 的可靠性，必须在接收端加入窄带干扰抑制模块。 窄带干扰抑制模块一般位于接收机的解调模块之 后，解扩模块之前。扩频信号与大功率的窄带干扰 在功率谱密度上的显著差异：窄带干扰所在之处， 功率谱密度分布呈现峰值；除此之外，功率谱密度 分布非常平坦。频域算法主要利用窄带干扰的功 率谱集中在很窄的频带内这一特性，通过ＦＦＴ变 带干扰同时存在的情况下稳定工作，克服时域ＦＩＲ 自适应算法的性能局限，使干扰得到有效抑制［１］。 这种算法结构简单、运算量小。本文将针对卫 星扩频通信系统中抑制强窄带干扰的问题，建立频 域算法结构，并提出了算法优化的关键所在；在此 基础上论述该算法在ＡＬＴＥＲＡ公司ＳＴＲＡＴＩＸ Ⅱ系列ＥＰ２Ｓ６０Ｆ４８４１４芯片的实现方法。仿真结 果表明，此算法可实现对强窄带干扰的抑制，并完 全满足系统的实时性要求。 １抑制窄带干扰频域算法 １．１频域自适应ＬＭＳ算法结构 抑制扩频通信中窄带干扰的频域自适应滤波 器基本结构如图１所示。 换将信号变换到频域，然后采用ＬＭＳ算法对每个 离散频率点进行陷波处理，它能够在多个大功率窄 图１频域自适应滤波器基本结构图 收稿Ｅｔ期：２００８—０７—１５ ２００８。６／全球定位系统 ・３７・ 首先，将时域的Ｎ个连续采样值 （７／＂，１），ｚ （ ，２），…，Ｘ（ ，Ｎ）进行串并转换成一帧；然后作 Ｎ点快速傅立叶变换得到一组近似正交的分量 ｚ＾（，ｚ）， ，＇（，２），…，ｚ （ ），每个分量由的自 适应滤波器控制，从而在频域上完成了自适应抑 抑制程度越深。最后，对［１一ｗｋ（ ）］ｚ （ ）求傅 立叶逆变换即可获得窄带干扰已被抑制的扩频信 号。 １．２频域算法的改进 由于扩频通信系统本身就具有抗窄带干扰的 能力，因此，自适应滤波器主要考虑的是抑制多强 制 下： 。对于一个特定的权仞 ，权值迭代公式如 ｔｃ （ ＋１）一Ｗ （ ）４－２ （ ） ＊（ ） （１） 窄带干扰，即让自适应算法对弱信号不敏感，而对 强窄带干扰大幅度抑制。为达到这一目的，我们引 入权值泄漏因子ａ，Ｏ＜ｎ＜１。则权值迭代公式可 以表示为： 其中，８ｊｋ（ ）可表示为 （ ）一ｚ （ ）～Ｗ＾（ ）ｚ强（ ）一 ［１一Ｗ （ ）］ （ ） 示为 （２） Ｗ （ ＋１）一口 （ ）＋２，ｕ １一Ｗ （７２）］０ ｚ （ ）ｌｌ。 （４） 把式（２）代人式（１），则权值迭代公式又可表 分析（４）式，可以看出权值泄漏因子ａ的作用： 在对大功率信号抑制足够大的前提下，对小功率信 号的抑制大大减小。即若某一谱线的功率很小，则 权值的增量趋于０，又泄漏因子０％ａ￣ｌ，使权值经 多次迭代后趋于０，由此可达到对输入信号的抑制 趋于０；若该谱线的功率很大，则权值增量相当大， 会抵消泄漏因子的作用，并使权值经多次迭代后趋 于１，实现了对输入信号近乎完全抑制。图２给出 了抑制直扩信号中大功率窄带干扰的频域算法框 图。 （３） （ ＋１）一Ｗ （ ）＋２ ［１一叫＾（ ）］ｌ ｌｚ （ ）ｌ ｌ由此可见在上述的频域自适应算法中，权值 Ｗｋ（ ＋１）的变化与幅度谱的平方Ｉ１．ｚ （ ）Ｉｌ。有 关。当 足够大时Ｗ （ ）将随着ｌｌ （ ）ＪＩ。的增 加而趋向于１，而在高ＪＳＲ的窄带干扰所占有的频 带ｌ１ ３２ （ ）ｌｊ。内具有很大的值，此时若用各个加 权因子１一硼 （ ）与对应的ｚ （ ）相乘（Ｏ≤１一 （ ）≤１），就等效于在频域实现了对窄带干扰的抑 制，因此，Ｉ Ｉｚ （，ｚ）『 越大，Ｗ （ｌ ）越趋向１，干扰 图２ ＬＭＳ滤波器结构图 ３ 自适应滤波器的ＦＰＧＡ实现及抗 干扰性能 在软件的设计上，整个系统主要分为三个模 块：ＦＦＴ模块，ＬＭＳ滤波模块和ＩＦＦＴ模块。输入 息。ＦＦＴ模块完成串行数据的傅立叶变换。系统 工作频率为３９ＭＨｚ，考虑到频率分辨率以及芯片 资源，取傅立叶变换点数为１０２４点，每当其完成一 帧点的变换，此模块发出握手信号通知下一模块。 ＬＭＳ滤波模块是整个系统的核心运算部分， 其中包括一个数据存储器，用以储存每次迭代更新 的权值，并在下一帧数据到达时取出参加运算，迭 ＧＮＳＳ Ｗｏｒｌｄ ｏｆ Ｃｈｉｎａ／２００８．６ 输出信号皆为８ｂｉｔ，考虑到提高精度，把信号扩展 为１６ｂｉｔ后再进行处理，并在处理后还原为８ｂｉｔ信 ・３８・ 代出新的权值。整个迭代运算需要６个周期，因此 辑运算单元，１０７５２个寄存器，４６个ＤＳＰ运算单 读地址比写地址要提前６个周期。由于数据采集 元。输入端接收实际的ＧＰＳ信号，经过下变频到 端有ＡＧＣ可以调节信号增益，适当选择值以保证 基带后，信息带宽１．０２３ＭＨｚ。Ａ／Ｄ采样速率为 干扰得到有效抑制。处理后的频域信号经ＩＦＦＴ ３９ＭＨｚ。人为加上２个单频干扰信号，其频谱见 模块变换后还原为时域信号。 图３。经过滤波处理后频谱如图４。可以看到，叠 硬件采用ＡＬＴＥＲＡ公司的ＳＴＲＡＴＩＸ ＩＩ系 加在有用信号中的窄带干扰已经被抑制掉。 列ＥＰ２Ｓ６０Ｆ４８４１４芯片，使用的资源为：１１５８３个逻 图３被干扰信号频谱 图４抗干扰滤波后信号频谱 ３测试方法及结果 ４结论 采用二分路器输入干扰信号和实际的ＧＰＳ信 目前扩频通信在军事和民用领域都有着广泛 号，输出为两者的叠加信号，并将此叠加信号输入 的应用，尤其在军事领域，窄带干扰抑制的好坏将 表１ 添加抗干扰模块前后的搜星数量对比 直接影响扩频通信接收机的性能。结合具体硬件 干扰信号功率添加抗干扰模块 添加抗干扰模块 优化频域ＬＭＳ算法，验证了优化后的频域ＬＭＳ ／ｄＢｍ 前搜星数量 前后的搜星数量 算法对于抑制扩频通信中的强窄带干扰是可行的。 一９Ｏ 参考文献 一８Ｏ ［１］ Ｍａｓｒｙ Ｅ，Ｍｉｌｓｔｅｉｎ Ｌ．Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ＤＳ Ｓｐｒｅａｄ ——７０ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｕｐｐｒｅｓ— —６５ ｓｉｏｎ Ｆｉｌｔｅｒｓ Ｕｎｄｅ Ｗｏｒｓｔｃａｓｅ Ｊａｍｍｉｎｇ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ［Ｊ］． —６Ｏ ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｃｏｍｍｕｎ．１９８６，３４（１）：１３—２１． 一５Ｏ ［２］ Ｓａｕｌｎｉｅｒ Ｇｒａｙ Ｊ．Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ ｎａｒｒｏｗ ｂａｎｄ Ｊａｍｍｅｒｓ 一４５ ｉｎ ａ ｓｐｒｅａｄ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｕｓｉｎｇ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｄｏｍａｉｎ ４０ ａｄａｐｔｉｖｅ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ Ｉ－ｊ］．ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｎ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ａｒｅａｓ ｉｎ Ｃｏｍｍｕｎ．１９９２，１０（４）：７４２—７４５． 接收机的射频接收端。干扰信号频率为１５７５．４２ －Ｉ３］Ｓｉｍｏｎ Ｈａｙｋｉｎ．自适应滤波器原理北京［Ｍ］ 电子工 ＭＨｚ的单频正弦信号。通过添加抗干扰模块前后 业出版社，２００３． 的搜星数量对比，验证此方法的抗于扰性能，如表 作者简介： ｌ所示。 孙峰（１９８２一），男，江苏徐州人，硕士研究 测试结果表明：在ＦＰＧＡ中添加了抗干扰模 生，从事ＧＰＳ，ＧＬＯＮＡＳＳ，北斗一代系统的基带信 块后，系统的抗干扰能力有了很大的提高。 号处理研究 ２００８．６／全球定位系统 ・３９・ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ Ｄｏｍａｉｎ Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｎｇ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｉｔｓ ＦＰＧＡ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ＳＵＮ Ｆｅｎｇ ，ＪＩＮ Ｗｅｉ—ｄｏｎ ，ＷＡＮＧ Ｂｏ。 （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ，６１００３１，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ，６１００３１，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，１００１７６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｓｔｒｏｎｇ ｎａｒｒｏｗ—ｂａｎｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ—ｓｐｒｅａｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔ— ｉｏｎ，ａｎ ａｄａｐｔｉｖｅ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｄｏｍａｉｎ ｆｏｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｈｅｒｅ．Ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｓｉｇｎａｌ ｉｎｔｏ ａｎ ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ ｇｒｏｕｐ，ａｎｄ ｄｏ ＬＭＳ ｆｉｌｔｅｒ ｉｎ ｅａｃｈ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｄｏｔ．Ｔｈｅ ＬＭＳ ｆｉｌｔｅｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｕｓｉｎｇ ＦＰＧＡ ｃｈｉｐ ＥＰ２Ｓ６０Ｆ４８４１４．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｗｏｒｋｓ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｃｏｎｖｅｒｇｅｓ ｍｏｒｅ ｑｕｉｃｋｌｙ ｔｈａｎ ｔｉｍｅ－ｄｏｍａｉｎ ｆｉｌｔｅｒ，ａｎｄ ｈａｓ ｓｔｒｏｎｇ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｃａ— ｐａｂｉｌｉｔｉｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｎａｒｒｏｗ－ｂａｎｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ；ａｄａｐｔｉｖｅ ｍｅｔｈｏｄ；ＬＭＳ（１ｅａｓｔ ｍｅａｎ ｓｑｕａｒｅ）；ＦＰＧＡ ＧＮＳＳ接谨粕 Ｔｒｉｍｂｌｅ公司最近推出一款ＧＮＳＳ接收机，这款名为ＧＰＳ探路者ＰｒｏＸＲＴ的接收机可用来探测地下 管线和电缆；并可精确探测地下文物和重要设施。该接收机把Ｈ Ｓｔａｒｔ技术和ＯｍｎｉＳＴＡＲ技术安装在双 频ＧＰＳ接收机顶部的可选的ＧＬＯＮＡＳＳ的支持集成为一体，用户可利用无线通信技术将接收机连接到 当地的ＶＲＳ网络或建立自己所需的灵活基站系统，Ｈ Ｓａｒｔ技术将定位精度提高到分米级或亚英尺级，无 论是实时差分还是后处理差分均如此。该接收机可通过电台方式、ＮＴＲＩＰ方式、使用蜂窝电话连接ＶＲＳ 网络得到差分改正。ＯｍｎｉｓＴＡＲＴ能够支持ＯｍｎｉＳＴＡＲＴ下的ＸＰ服务（２０ｃｍ精度）和ＶＢＳ服务（实时 亚米级精度）。 单片多频段ＧＮＳＳ射频接收机 ＮｅｍｅｒｉＸ Ｓ ＮＸ４单片多频段接收机是Ｎｅｍｅｒｉｘ公司推出的获得专利技术的射频接收机，它可使 ＧＮＳＳ设备获得ＧＰＳ、ＧＬＯＮＡＳＳ和Ｇａｌｉｌｅｏ系统的所有频段的各个平行信号。这款高度集成的接收机通 过一个射频前端接收机同步接收多达三种不同的频段，用于减少硅芯片面积以降低成本。基于这种能力 的可编程合成器、可调整为三种接收频段包括滤波等级、变频方案，它为终端应用提供机动性，同一设备为 用户提供不同的市场需求。该技术的研制最初瞄准高端和空间市场，它将为用户提供有效的不同频段的 应用，如对商业ＧＰＳ／ＧＮＳＳ的应用，支持Ｌ２Ｃ频段的改进性能。 ・４０・ ＧＮＳＳ Ｗｏｒｌｄ ｏｆ Ｃｈｉｎａ／２００８．６
