一種逐點處理的頻域抗干擾新算法

李平博，嚴玉國

(空軍工程大學信息與導航學院，陜西西安710077)

GNSS衛(wèi)星距離地面兩萬多千米，到達地面的信號非常微弱，通常功率僅為-150 dBW，比接收機熱噪聲低20～30 dBW。同時，GNSS接收機的實際工作環(huán)境又存在著復雜多變的電磁干擾，尤其是隨著衛(wèi)星導航、通信等技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應用，人為壓制式干擾成為GNSS接收機亟需解決的問題。

衛(wèi)星信號使用擴頻技術(shù)具有了一定的抗干擾能力，其抗干擾能力與擴頻增益成正比。然而系統(tǒng)的擴頻增益受帶寬和設備實現(xiàn)復雜度的限制不可能太高，尤其是存在強窄帶干擾的情況下，單純的提高增益是行不通的。根據(jù)擴頻信號和窄帶干擾頻譜特性的不同，頻域抗干擾方法［1-3］能很好地抑制強窄帶干擾，具有實現(xiàn)簡單、硬件資源占用少和處理速度快等優(yōu)點。

1 頻域抗干擾技術(shù)

頻域抗干擾接收機原理如圖1所示。

由于對每幀數(shù)據(jù)直接進行FFT變換會產(chǎn)生頻譜泄漏，在FFT變換之前，進行加窗［4］處理，以減小頻譜損失。但是加窗處理同時帶來了信號失真，所以在FFT反變換之后，進行重疊處理，以減輕加窗對信號帶來的影響。

頻域處理對干擾的檢測是以幅度譜為對象的。FFT變換后，信號幅度譜超過某一門限則認為疊加了干擾，而后對干擾頻譜進行處理。由于對干擾頻譜一般采用衰減或者截斷歸零等處理方式，在抑制干擾的同時對衛(wèi)星信號也會造成部分衰減和影響，所以干擾門限的設定和對干擾頻譜的處理方式是頻域抗干擾方法的關(guān)鍵問題。

2 頻域抗干擾算法

2.1 傳統(tǒng)方法簡析

傳統(tǒng)的頻域干擾檢測算法［5-8］根據(jù)信號頻譜幅度的大小設定門限Th，門限的設定一般由Xk的統(tǒng)計特性確定，Xk的期望和方差為

一階矩門限定義為式中:θ為門限優(yōu)化因子，一階矩門限的關(guān)鍵即優(yōu)化因子的確定。

二階矩門限定義為

式中:β為門限優(yōu)化因子，一般由對干擾的能量和帶寬估計而來。

文獻［5］指出，門限的選擇也可以根據(jù)Xk中幅值較大頻點的個數(shù)或者其所占頻點百分比確定，即K-bins算法及其變形算法。包括文獻［6］所提及的自適應算法，其實也是此類算法的衍生。

傳統(tǒng)算法門限的確定是以一段數(shù)據(jù)幀為研究對象的，同一個幀上頻譜門限相同。當某一幀上存在干擾，尤其是強窄帶干擾和部分寬帶干擾，干擾的存在會對當前幀的期望和方差產(chǎn)生很大影響，從而影響當前幀門限值的確定。

中值濾波算法［7］具有較好的清除脈沖干擾的能力，對頻寬大于窗寬的干擾抑制效果較差，對信號本身也會帶來失真。文獻［8］提出的改進型中值濾波算法較傳統(tǒng)中值濾波算法有很大改進，效果較好。

2.2 本文主要算法

由于干擾的存在，門限確定時如果采用傳統(tǒng)思路，則一定會不同程度地受到干擾的影響。本文不以幀為處理對象，也不同于中值法以更小的塊為處理對象，而是直接以單個頻點為對象，對每個頻點設置相應的門限，檢測干擾的存在并對其進行抑制，進而減輕干擾頻點對其他頻點門限確定時的影響，從而從根本上減輕干擾對門限確定時的影響。

具體流程如圖2所示。

圖2 逐點算法流程圖

時域信號先經(jīng)過分段，而后進行FFT變換。本文算法對每幀信號的頻點數(shù)據(jù)進行處理，單個頻點的門限是由檢測塊的特性決定的。所以，算法開始應該先取到合理的初始檢測塊并對其進行干擾檢測和抑制。而后以檢測塊為門限確定單元，得到下一個頻點干擾檢測的門限，最終處理完整幀數(shù)據(jù)。具體步驟如下:

1)取初始檢測塊并對初始檢測塊進行干擾檢測和抑制。一般取前M個頻點作為初始檢測塊，M的大小既要足夠大以表征擴頻信號的頻譜特性，又不能太大使算法效率低下。經(jīng)多次仿真試選，一般取M=0．1N效果較好。

檢測塊的初始化即為檢測塊本身的干擾檢測和抑制。為了防止檢測塊中強單音干擾的影響，干擾檢測前先對檢測塊進行野值剔除［6］，即認為幅值超過均值5倍以上的頻點為干擾，直接置為均值。然后對剔除野值之后的所有頻點求均值，采用一階矩門限法進行初始化，即檢測塊門限Th=θ·μ，θ取2。干擾抑制算法采用均值鉗位法，即超出門限的頻點置為均值。

2)檢測塊初始化完成后，認為檢測塊數(shù)據(jù)可以用來估計下個頻點的門限，即可由當前檢測塊的統(tǒng)計特性確定下一個頻點門限，從而對當前頻點進行干擾檢測。門限的確定可由一階矩門限法、二階矩門限法得到。這里采用一階矩門限法，θ取2，干擾抑制算法采用均值鉗位法，即超出門限的頻點置為均值。

3)當前頻點處理完成后，檢測塊向后平移一個頻點，即檢測塊中的頻點數(shù)目保持不變，頻點由初始的第0到M-1個頻點變換為第1到M個頻點。以此類推。然后逐點進行干擾的檢測和抑制。由此，整幀數(shù)據(jù)即可全部處理。

3 新算法相關(guān)分析

3.1 新算法特點

新算法以點為處理對象，摒除了傳統(tǒng)算法對一段頻點采用單一門限的不足，充分利用信號的統(tǒng)計特性及各個頻點自身特性，確定門限，為最優(yōu)門限的選取提供了更大可能。同時，對于傳統(tǒng)算法對部分寬帶干擾的檢測效果不理想，新算法可以從理論上檢測出一切干擾頻點，前提是初始檢測塊的選取理想，各個干擾頻點的抑制算法理想。通過仿真可以看出，新算法對部分寬帶干擾仍然可以檢測并抑制，至于部分寬帶干擾的帶寬，由干擾類型和抑制算法是否得當決定。同時，新算法中初始塊的干擾門限確定及干擾抑制算法，以及后面各個頻點的門限確定及干擾抑制算法均可以使用其他的相關(guān)算法完成，對于不同的干擾類型和實際的需求，新算法具有較強的可移植性。

3.2 初始化問題

由上可以看出，新算法中初始化對算法性能的影響很大。初始檢測塊中沒有干擾，則門限設置較理想，有干擾，則同傳統(tǒng)方法一樣，門限受到干擾的影響較大。所以，判斷初始檢測塊中是否存在干擾比較重要。

這里采用比較法進行判斷。即先計算整幀數(shù)據(jù)的均值μ0，然后計算初始檢測塊的均值μ1，比較μ0，μ1，如果μ0＜μ1，即初始檢測塊的均值大于整幀數(shù)據(jù)的均值，則認為檢測塊中存在干擾且干擾幅度百分比大于整幀干擾幅度百分比，則此初始檢測塊不可用。那么初始檢測塊向后平移M個頻點，即初始檢測塊由第0到M-1個頻點變換為由第M到2M-1個頻點組成，然后計算新檢測塊的均值μ2，用同樣方法進行比較，如果不可用，則繼續(xù)向后平移檢測塊，直至檢測塊均值小于整幀數(shù)據(jù)均值，則認為檢測塊中沒有干擾或者干擾較少，可以作為初始檢測塊進行下個頻點的門限確定。

3.3 運算量問題

運算量的大小決定了算法的優(yōu)劣。每幀數(shù)據(jù)長度為N，初始檢測塊長度為M，初始檢測塊選擇第M到2M-1個頻點，即認為第一段檢測塊有干擾不可用。以C+表示需要的加法次數(shù)，Cx表示需要的乘法次數(shù)。

當采用一階矩門限法時，分析如下:

對于傳統(tǒng)算法，均值確定時，C+=N－1，Cx=1，故總的運算量為C=N－1+1=N。

對于新算法，對于單個檢測塊均值，C+=M－1，Cx=1，則檢測塊初始化總的運算量為C=(N－1+1)+2(M－1+1)=N+2M，對于后面N－M個頻點，每個頻點均值的計算只需將檢測塊中均值加入一個頻點再減去一個頻點即可，則C+=2，Cx=1，總的運算量C=3(N－M)，故新算法的運算量為C=N+2M+3N－3M=4NM，N為每幀數(shù)據(jù)的長度，M=0．1N，新算法的運算量比傳統(tǒng)方法大，但是由于一般N較小，故運算量的增加可以接受。

當采用二階矩門限法時，分析如下:

對于傳統(tǒng)算法，對于均值同一階矩法，C=N，對于方差，C+=N+N－1=2N－1，CX=N+1 ，故總的運算量C=N+2N－1+N+1=4N。

對于新算法，檢測塊的初始化同一階矩法，對于均值，C=N+2M，對于方差，C+=2M－1，Cx=M+1，故檢測塊初始化總的運算量C=N+2M+2M－1+M+1=N+5M。對于后面的N－M個頻點，均值的計算同一階矩法，C=3(N－M)，方差不變，原因是當干擾存在時，信號方差變大，而期望信號的方差不變大，即期望沒有干擾，并且當干擾被檢測出來后，通過抑制算法，對本檢測塊方差基本無影響。故新算法總的運算量為C=N+5M+3(NM)=4N+2M，同傳統(tǒng)算法相比，運算量基本不變。

4 算法仿真

為了驗證新算法性能，用MATLAB對不同類型干擾抑制前后頻譜對比圖做仿真，仿真參數(shù)為:PN碼采用127位的m序列，通過BPSK調(diào)制，載波頻率為70 MHz，數(shù)據(jù)加漢明窗，F(xiàn)FT長度取1 024點，單音干擾為頻率分別為1 MHz和2 MHz的正弦信號，部分寬帶干擾采用高斯白噪聲通過理想帶通濾波器產(chǎn)生，帶寬為6 MHz，信干比SJR均為-12 dB，重疊處理為50%重疊相加。

圖3為單音干擾抑制前后頻譜對比圖，由圖可知，新算法對單音干擾抑制效果較好。圖4為部分寬帶干擾抑制前后頻譜對比圖，且初始檢測塊無干擾，由圖可知，新算法對于部分寬帶干擾的檢測效果較理想，由于抑制時采用均值鉗位法，所以干擾功率基本全部抑制，但同時對原擴頻信號產(chǎn)生了影響，這主要是由抑制算法決定的。圖5為單音干擾和部分寬帶干擾并存時干擾抑制前后頻譜對比圖，且初始檢測塊無干擾，由圖知，新算法對混合干擾依然具有檢測抑制作用。圖6為初始檢測塊有單音干擾時混合干擾抑制前后頻譜對比圖，由圖知，當初始檢測塊有干擾時，新算法對干擾的檢測抑制效果與圖5基本相同，其原因為初始化時的檢測塊對比選擇，即選擇可用的檢測塊作為初始檢測塊。

5 結(jié)論

新算法不同于傳統(tǒng)算法思路，以單個頻點為處理單元，減輕了干擾對門限確定的影響，使門限能夠更好地檢測干擾和保留信號。對于部分寬帶干擾，新算法也具有較好的干擾檢測抑制效果，這對于傳統(tǒng)算法來講是不可能實現(xiàn)的。同時，新算法具有較好的可移植性，算法思路可以應用于其他干擾抑制算法中，以提高頻域干擾抑制算法性能。當然，由于本文新算法在門限設定和對頻譜處理時采用簡單干擾設置，故新算法優(yōu)點不能很好地體現(xiàn)，若針對特殊干擾形式設置門限和頻譜處理方式，新算法性能可明顯體現(xiàn)出來。

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