一种改进的Smart AGC扩频干扰抑制技术*

赖 平，陆锐敏，沈 俊，马世旺

0 引言

直接序列扩频(DSSS)系统［1］因具有许多独特的优点而被广泛用于军事和民用领域，但这种系统的带宽比较宽，很容易受窄带信号的干扰，尤其是恶意的人为干扰。为了增加系统的抗干扰能力通常要采用其他的信号处理技术。

Smart AGC技术［2］是一种基于时域信号包络处理的新型干扰抑制技术，它和直接序列扩频系统(DSSS)配合使用，可以有效提高系统的干扰容限。因此，DSSS与Smart AGC的结合技术在军用卫星通信抗干扰技术中得到充分的应用［3］。

在数字信号处理系统中，信号的包络通常有三种提取方法:检波－滤波法［4］，高通绝对值解调法［5］和Hilbert幅值解调法［6］。检波滤波法是对信号正半周中线的包络，高通绝对值法是对信号中线的包络，用这两种方法得到的信号包络失真都太严重，而Hilbert法解调出的包络是对信号绝对值的包络，其解调幅度代表的包络更加真实，Hilbert法要优于检波滤波法和高通绝对值法。但希尔伯特变换法要求包络是借助快速傅里叶变换(FFT)实现的，在信号的整个频率区间上进行，抑制噪声的能力差，并且由于原始信号的频率成分不纯净，得到的包络线也会有剧烈起伏。文献［6］对DSSS结合Smart AGC技术的抗干扰性能进行了分析，表明该技术具有较好的抗强干扰性能，但没有考虑噪声和杂波干扰对系统的影响，采用的信号包络提取方法正是Hilbert法，没有筛选出更好的信号包络分析方法。因此有必要进一步研究Smart AGC干扰抑制技术，在消除噪声和杂波干扰的同时，能有效抑制强干扰并保持有用的边沿信息。文中正是针对这些问题提出了一种改进的Smart AGC技术，该技术用于DSSS系统能够有效抑制噪声、杂波干扰和强干扰信号，提高输出信噪比，改善干扰抑制性能。

1 传统的Smart AGC技术

Smart AGC是一种射频抗干扰技术，能够以较小代价获得较强的抗干扰性能，其主要思想是根据强干扰信号与直扩信号包络特性的不同特点，通过自适应包络变换达到抑制强干扰的目的。工作框图如图1所示。

图1 Smart AGC工作框Fig．1 Block－diagram of Smart AGC

当原信号与干扰的复合信号进入Smart AGC后，复合信号分成两路进行。其中一路经过延时被送入零区设置模块，等待实时的零区门限设置。另一路复合信号通过包络检波，提取复合信号的包络，即复合包络，复合包络经过滤波把干扰信号的包络提取、跟踪出来，再把干扰信号包络送入零区设置模块，实时的设置合适的零区门限，最后输出有用信号，达到干扰抑制的目的。其中最下面一路的目的是为了检测复合包络中干扰的大小，经过门限比较器模块比较和判定，当复合信号中的干扰较小或无干扰时，零区设置不设置零区，不进行包络处理，相当于线性放大器。当复合信号中的干扰大于设置的门限时，即超过DSSS系统的干扰容限，此时包络线性放大区右移，从而产生合适的零区，使尽量多的干扰落入零区而被消除，如图2所示。

图2 Smart AGC包络变换Fig．2 Envelope transformation of Smart AGC

当干扰越强时，Smart AGC对性能的改善程度越好，但当干扰较小时，Smart AGC不起作用。传统的Smart AGC技术采用Hilbert幅值解调法提取信号包络，在没有噪声和杂波的影响下进行了性能分析［7］。而当噪声扰动或杂波干扰较多时，Hilbert提取信号包络法局限太大，不仅包络线起伏剧烈，而且包络处理能力弱，Smart AGC不但无法消除噪声和杂波，还可能会出现对强干扰信号检测跟踪偏差太大的问题。所以必须在复合信号进入包络处理前，消除噪声扰动和杂波干扰。因此，文中提出一种改进的Smart AGC技术。

2 改进的Smart AGC技术

改进的Smart AGC技术在包络检波模块中，利用分段三次Hermite插值［8］多项式拟合曲线法获取更加平滑的原始信号包络，并通过包络滤波算法对信号进行修正，消除噪声和杂波，提高强干扰信号检测和跟踪的准确度，改善系统性能。

2． 1 基于三次Hermite插值法的信号包络提取

插值法是一种古老的数学方法，有Taylor插值、Lanrange插值、Hermite插值等方法。Hermite插值与其它插值方法相比较而言，不仅与原函数在插值点上的值相等，还满足相切，在节点上的导数值也相等。基于分段三次Hermite插值多项式拟合曲线法获得的包络更为平滑，也更贴近原始信号。

包络线就是信号的各个极大值点或者极小值点顺序连接形成的包裹信号的上下两条线，极大值点的连线为“上包络线”，极小值点的连线为“下包络线”。具体步骤如下:

1)首先确定原始信号的极值点。为了减小包络曲线的起伏振荡，我们规定当 y［n0－2］＜y［n0－1］＜y［n0］＞y［n0+1］＞y［n0+2］时，n0为局部极大值点，同理可得到局部极小值点。这样我们就可以提取出极大值序列和极小值序列。

2)对极值序列进行分段三次Hermite插值。在节点xk(k=0，1，…，n)上除已知函数值外还给出导数值 f'k=mk(k=0，1，…，n)，在区间［xk，xk+1］上分段三次Hermite插值函数Ih(x)的表达式为

分别对极大值和极小值序列进行插值就可得到信号的上下包络。图3、图4分别为利用Hilbert幅值解调法和分段三次Hermite插值法求得的信号上下包络曲线。可见利用分段三次Hermite插值法求得的信号包络能正确反映信号的起伏特征，比希尔伯特变换法求得的包络更平滑更贴近原始信号。

图3 用Hilbert幅值解调法求得的信号包络Fig．3 Obtained signal envelope by Hilbert amplitude demodulation method

图4 用Hermite插值法求得的信号包络Fig．4 Obtained signal envelope by Hermite interpolation method

2． 2 包络滤波算法

对上下包络线进行平均，可以有效抑制信号的波动，达到消除高频波动平滑信号的效果。包络滤波算法正是基于这个原理［9］，利用上下包络线对信号进行分段修正，消除噪声滤出杂波的一种滤波方法。具体实现步骤如图5所示。

图5 包络滤波算法分析示意Fig．5 Analysis diagram of envelope filtering algorithm

1)寻找信号的极值点和包络线。图5中a为部分原始信号S，图5中b为信号的上包络为Ea，下包络为 Eb。p1，p2，…，p5是极大值点，n1，n2，…，n5是极小值点。

2)修正包络线。从图5中b可见极值点p1和p2，p3和 p4，n2和 n3，n4和 n5之间的包络线与原始信号差距比较小，而极值点p2和p3，p4和 p5，以及n1和n2，n3和n4之间的包络线与原始信号差距较大。对包络线与原始信号差距较小的区段，差距表示为:

对于一个给定的阈值TH，对差距较小区段分别用上下包络对信号进行修正:

3)对修正后的上下包络线Sa和Sb进行平均就可以得到包络滤波结果:

图5中c为经包络滤波算法修正以后的信号波形。

2． 3 Smart AGC包络转换处理

Smart AGC技术在DSSS中应用的关键是对干扰包络大小的准确、实时跟踪以及调节零区的大小，使最多的干扰落入零区而被消除。文中通过带通滤波器对干扰包络进行提取、跟踪，再通过最优偏置门限算法［10］，自适应包络变换消除干扰成分，抑制干扰并保留相位信息，提高抗干扰性能。

包络滤波后输入信号的复合包络可表示为:

其中 a ejθ(t)为有用信号包络，A ejφ(t)为强干扰包络，A＞＞a＞0。瞬时包络为:

其中

将上式幂级数展开:

上式中第一项为强干扰的瞬时包络，后两项为有用小信号。因此，通过包络转换处理可以有效消除强干扰的瞬时包络，从而改善输出干信比。

Smart AGC技术对输入复合包络处理表达式为:

其中零区的门限为T1=A－a，线性区宽度设置为ΔTh=2a，如图2所示，零区门限随着干扰包络的变化而实时变化，设置方法简单可行。

3 仿真分析

现通过Matlab误码率仿真来说明文中对Smart AGC扩频干扰抑制技术的改进效果。仿真中有用信号采用BPSK调制，伪随机m序列的码长度为L=80，即直扩系统的处理增益为10log L=19 dB，当干信比大于19 dB时，直扩系统性能急剧下降。在不同信干比条件下文中首先分别对单音干扰和部分频带干扰用传统的Smart AGC进行干扰抑制。然后考虑当存在噪声和杂波时，分别比较传统和改进的Smart AGC的干扰抑制性能，如图6和图7所示。仿真表明Smart AGC扩频干扰抑制技术能提供较强的抗干扰性能，但是当存在噪声和杂波时，传统的Smart AGC不能有效的抑制干扰，误码率性能下降一个数量级左右，这主要是因为噪声和杂波严重影响Smart AGC对干扰包络的准确、实时检测。而文中提出的改进的Smart AGC则能很好的消除噪声、杂波的影响，误码率性能逼近无噪声、杂波影响时传统Smart AGC对强干扰的抑制性能曲线。

图6 单音干扰时误码率性能比较Fig．6 Comparison chart of BER performance with tone interference

图7 部分频带干扰时误码率性能比较Fig．7 Comparison chart of BER performance with partial－band interference

4 结语

传统的Smart AGC用于直接序列扩频系统可以很好的抑制强干扰，但传统的Smar AGC技术对噪声和杂波干扰处理能力不足，噪声和杂波使得Smart AGC对强干扰信号的检测和跟踪失准，误码率性能急剧下降。文中提出的改进Smart AGC技术，利用分段三次Hermite插值多项式拟合曲线法获取比希尔伯特变换法更加平滑的原始信号包络，用包络滤波算法对信号进行修正，消除幅度噪声和杂波干扰带来的影响。改进的Smart AGC技术可以明显的改善强干扰抑制性能。

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