直擴系統的自適應窄帶干擾抑制技術研究及實現＊

王杰英 陸亭宇 章 鑄 趙小波

（1.92330部隊 青島 266102）（2.中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430205）

直擴系統的自適應窄帶干擾抑制技術研究及實現＊

王杰英1陸亭宇2章 鑄2趙小波2

（1.92330部隊 青島 266102）（2.中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430205）

直接序列擴頻通信系統因具有很強的抗干擾能力而受到廣泛關注，但存在強窄帶干擾或多窄帶干擾信號的情況下，其系統性能會急劇下降。為此，提出一種適合于強干擾應用環境的自適應窄帶干擾抑制算法，并分析和研究適用于直接序列擴頻通信系統的抗干擾措施。仿真和實現結果表明，采用自適應窄帶干擾抑制技術極大地抑制了外界干擾對傳輸信號的影響。

直接序列擴頻；自適應濾波；干擾抑制

Class NumberTN911

1 引言

直接序列擴頻通信系統一直以來都憑借其獨特的抗干擾能力以及安全性，在軍事通信領域備受青睞。但是在頻譜空間中，越來越擁擠和復雜的電磁環境情況下，僅靠擴頻增益不足以對干擾進行抑制。特別是軍用通信電磁環境相當復雜，存在模式多樣和統計特征時變的強干擾；尤其是高功率密度的窄帶干擾（Narrow Band Interference，NBI）已經成為破壞軍用通信系統失效的重要因素之一［1～2］。

存在強窄帶干擾或多窄帶干擾信號的情況下，為了在不增加擴頻增益的條件下進一步抑制窄帶干擾，有必要在解擴前采用信號處理技術抑制干擾，使系統接收端獲得較好的誤碼性能。因此，數字信號處理技術抑制窄帶干擾是非常必要的［3］。本文對存在窄帶干擾的直接序列擴頻通信系統的NBI統計特性進行分析，提出了一種自適應窄帶干擾抑制技術，并分析和研究適用于直接序列擴頻通信的抗干擾措施。

2 最小均方（LMS）算法

最小均方（Least Mean Square，LMS）是一種最小均方誤差算法，其結構簡單，且穩定性好，一直是自適應濾波經典算法之一，被廣泛地應用于直擴系統、自適應控制及數字信號處理等相關領域［4～5］。

LMS算法是用瞬態估計代替統計估計，沿著權值的負方向搜索達到均方誤差最小的自適應濾波算法。最小均方（LMS）算法的迭代公式如：

式中的W（n）為自適應濾波器在時刻n的權向量，X（n）為時刻n的輸入矢量信號，d（n）為期望輸出的值，e（n）是誤差信號，L為線性自適應濾波器的長度，μ為步長因子。LMS算法收斂條件是max（λ）＜μ＜1，其中max（λ）為輸入信號的自相關矩陣最大特征值。

LMS算法是自適應濾波算法，用來計算線性濾波器輸出對輸入信號的響應，通過比較輸出結果與期望響應產生的估計誤差，再根據所得的估計誤差自適應調整濾波器參數。上述過程一起工作組成了一個反饋環，線性自適應橫向濾波器框圖如圖1所示。

圖1 線性自適應橫向濾波器框圖

3 直擴系統中窄帶干擾抑制技術

直接序列擴頻信號在傳輸過程中會受到窄帶干擾信號的影響，在軟件仿真中的窄帶干擾形式為

inf＝A·exp（j·2π·（mf·N＋S·δ））

式中mf為窄帶干擾的中心頻率；δ窄帶干擾帶寬，δ值越大，其帶寬就越寬；S是N點的累加和值。窄帶干擾信號的幅度、帶寬和頻率可以根據要求任意改變其值。

直接序列擴頻系統中窄帶干擾抑制算法的方框圖如圖2所示，其中自適應權值算法采用的是最小均方（LMS）自適應濾波算法［6］。在擴頻接收端，將解擴并經過低通濾波后的信號重新擴頻后作為線性自適應濾波算法的期望信號，期望信號與自適應濾波器輸出信號相減得到誤差信號，所得誤差同線性自適應濾波器輸入向量一起調整自適應濾波器的權系數向量值，最終達到抑制直擴系統中窄帶干擾的目的［7～8］。

圖2 直擴系統的窄帶干擾抑制算法框圖

通過Matlab仿真對解擴重擴算法進行比較。直擴系統窄帶干擾抑制算法的方框圖中所采用的低通濾波器設計如圖3所示。該低通濾波器是為了形成自適應濾波算法的期望信號，低通濾波器使用的參數設計為：低通濾波器階數128，通帶截止頻率1／110，阻帶截止頻率3／110，阻帶衰減31dB。發送信號速率為Rb＝1.5kbit／s，擴頻碼采用m序列偽碼，周期為16，速率為Rc＝16kbit／s，采樣頻率為fs＝32kHz，其信干比S／R為0dB，在以上條件下的仿真結果如圖所示。其中，圖4為干擾抑制前的信號頻譜，圖5為干擾抑制后的信號頻譜，從圖中可以看出可以達到抑制窄帶干擾的目的。

圖3 擴頻信號解擴后的低通濾波器設計

圖4 干擾抑制前信號頻譜

圖5 干擾抑制后信號頻譜

4 窄帶干擾抑制算法的FPGA實現

自適應窄帶干擾抑制通過具體硬件優化頻域LMS算法，驗證了進行算法優化后的頻域LMS算法對于抑制擴頻通信中的強窄帶干擾的可行性［9］。算法使用FPGA設計實現時，主要分成自適應濾波器輸出、誤差形成和自適應濾波器權系數向量計算等模塊。直擴系統中窄帶干擾抑制算法的FPGA實現框圖如圖6所示。FPGA的模塊主要采用Verilog硬件描述語言在Xilinx ISE DesignSuite平臺上編程實現［10］。經過分析得知，每根譜線的干擾抑制在一個時鐘周期即可完成，算法效率較高，同時所占資源減少，適合采用FPGA來實現頻域LMS算法。

圖6 窄帶干擾抑制算法FPGA實現框圖

5 結語

在直接序列擴頻系統中存在大量的窄帶干擾信號，當遇到超過直擴系統的干擾容限時，系統性能會降低乃至不能正常工作。采用時域自適應濾波算法來調整自適應濾波器的權系數向量值，最終達到抑制窄帶干擾的目的。經過上述的理論分析、Matlab仿真以及FPGA實現表明，此直擴系統窄帶干擾抑制算法能夠有效地抑制直擴系統中存在的強窄帶干擾，提高了系統的窄帶干擾抑制能力，使直接序列擴頻通信系統在強干擾環境中仍然能夠有效地完成通信任務。

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Research and Realization of Adaptive Narrow－band Interference Suppression for DS System

WANG Jieying1LU Tingyu2ZHANG Zhu2ZHAO Xiaobo2
（1.No.92330Troops of PLA，Qingdao 266102）（2.No.722Research Institute of CSIC，Wuhan 430205）

Direct sequence spread spectrum communication has drawn wide attention because of the great ability of antiinterface.However，the strong and multiple narrow－band interference signal will cause the system performance degradation.In this paper，an adaptive narrow－band interference suppression algorithm in strong interference environment is proposed.The simulation results show that the algorithm can suppress the interference to the signals effectively.

direct sequence spread spectrum，adaptive filtering，interference suppression

TN911DOI：10.3969／j.issn.1672－9730.2015.11.021

2015年5月5日，

2015年6月27日

王杰英，男，高級工程師，研究方向：無線通信。陸亭宇，女，碩士，助理工程師，研究方向：無線通信。章鑄，男，碩士，助理工程師，研究方向：無線通信。趙小波，男，高級工程師，研究方向：無線通信。