一种逐点处理的频域抗干扰新算法

李平博，严玉国

(空军工程大学信息与导航学院，陕西西安710077)

GNSS卫星距离地面两万多千米，到达地面的信号非常微弱，通常功率仅为-150 dBW，比接收机热噪声低20～30 dBW。同时，GNSS接收机的实际工作环境又存在着复杂多变的电磁干扰，尤其是随着卫星导航、通信等技术在军事领域的应用，人为压制式干扰成为GNSS接收机亟需解决的问题。

卫星信号使用扩频技术具有了一定的抗干扰能力，其抗干扰能力与扩频增益成正比。然而系统的扩频增益受带宽和设备实现复杂度的限制不可能太高，尤其是存在强窄带干扰的情况下，单纯的提高增益是行不通的。根据扩频信号和窄带干扰频谱特性的不同，频域抗干扰方法［1-3］能很好地抑制强窄带干扰，具有实现简单、硬件资源占用少和处理速度快等优点。

1 频域抗干扰技术

频域抗干扰接收机原理如图1所示。

由于对每帧数据直接进行FFT变换会产生频谱泄漏，在FFT变换之前，进行加窗［4］处理，以减小频谱损失。但是加窗处理同时带来了信号失真，所以在FFT反变换之后，进行重叠处理，以减轻加窗对信号带来的影响。

频域处理对干扰的检测是以幅度谱为对象的。FFT变换后，信号幅度谱超过某一门限则认为叠加了干扰，而后对干扰频谱进行处理。由于对干扰频谱一般采用衰减或者截断归零等处理方式，在抑制干扰的同时对卫星信号也会造成部分衰减和影响，所以干扰门限的设定和对干扰频谱的处理方式是频域抗干扰方法的关键问题。

2 频域抗干扰算法

2.1 传统方法简析

传统的频域干扰检测算法［5-8］根据信号频谱幅度的大小设定门限Th，门限的设定一般由Xk的统计特性确定，Xk的期望和方差为

一阶矩门限定义为式中:θ为门限优化因子，一阶矩门限的关键即优化因子的确定。

二阶矩门限定义为

式中:β为门限优化因子，一般由对干扰的能量和带宽估计而来。

文献［5］指出，门限的选择也可以根据Xk中幅值较大频点的个数或者其所占频点百分比确定，即K-bins算法及其变形算法。包括文献［6］所提及的自适应算法，其实也是此类算法的衍生。

传统算法门限的确定是以一段数据帧为研究对象的，同一个帧上频谱门限相同。当某一帧上存在干扰，尤其是强窄带干扰和部分宽带干扰，干扰的存在会对当前帧的期望和方差产生很大影响，从而影响当前帧门限值的确定。

中值滤波算法［7］具有较好的清除脉冲干扰的能力，对频宽大于窗宽的干扰抑制效果较差，对信号本身也会带来失真。文献［8］提出的改进型中值滤波算法较传统中值滤波算法有很大改进，效果较好。

2.2 本文主要算法

由于干扰的存在，门限确定时如果采用传统思路，则一定会不同程度地受到干扰的影响。本文不以帧为处理对象，也不同于中值法以更小的块为处理对象，而是直接以单个频点为对象，对每个频点设置相应的门限，检测干扰的存在并对其进行抑制，进而减轻干扰频点对其他频点门限确定时的影响，从而从根本上减轻干扰对门限确定时的影响。

具体流程如图2所示。

图2 逐点算法流程图

时域信号先经过分段，而后进行FFT变换。本文算法对每帧信号的频点数据进行处理，单个频点的门限是由检测块的特性决定的。所以，算法开始应该先取到合理的初始检测块并对其进行干扰检测和抑制。而后以检测块为门限确定单元，得到下一个频点干扰检测的门限，最终处理完整帧数据。具体步骤如下:

1)取初始检测块并对初始检测块进行干扰检测和抑制。一般取前M个频点作为初始检测块，M的大小既要足够大以表征扩频信号的频谱特性，又不能太大使算法效率低下。经多次仿真试选，一般取M=0．1N效果较好。

检测块的初始化即为检测块本身的干扰检测和抑制。为了防止检测块中强单音干扰的影响，干扰检测前先对检测块进行野值剔除［6］，即认为幅值超过均值5倍以上的频点为干扰，直接置为均值。然后对剔除野值之后的所有频点求均值，采用一阶矩门限法进行初始化，即检测块门限Th=θ·μ，θ取2。干扰抑制算法采用均值钳位法，即超出门限的频点置为均值。

2)检测块初始化完成后，认为检测块数据可以用来估计下个频点的门限，即可由当前检测块的统计特性确定下一个频点门限，从而对当前频点进行干扰检测。门限的确定可由一阶矩门限法、二阶矩门限法得到。这里采用一阶矩门限法，θ取2，干扰抑制算法采用均值钳位法，即超出门限的频点置为均值。

3)当前频点处理完成后，检测块向后平移一个频点，即检测块中的频点数目保持不变，频点由初始的第0到M-1个频点变换为第1到M个频点。以此类推。然后逐点进行干扰的检测和抑制。由此，整帧数据即可全部处理。

3 新算法相关分析

3.1 新算法特点

新算法以点为处理对象，摒除了传统算法对一段频点采用单一门限的不足，充分利用信号的统计特性及各个频点自身特性，确定门限，为最优门限的选取提供了更大可能。同时，对于传统算法对部分宽带干扰的检测效果不理想，新算法可以从理论上检测出一切干扰频点，前提是初始检测块的选取理想，各个干扰频点的抑制算法理想。通过仿真可以看出，新算法对部分宽带干扰仍然可以检测并抑制，至于部分宽带干扰的带宽，由干扰类型和抑制算法是否得当决定。同时，新算法中初始块的干扰门限确定及干扰抑制算法，以及后面各个频点的门限确定及干扰抑制算法均可以使用其他的相关算法完成，对于不同的干扰类型和实际的需求，新算法具有较强的可移植性。

3.2 初始化问题

由上可以看出，新算法中初始化对算法性能的影响很大。初始检测块中没有干扰，则门限设置较理想，有干扰，则同传统方法一样，门限受到干扰的影响较大。所以，判断初始检测块中是否存在干扰比较重要。

这里采用比较法进行判断。即先计算整帧数据的均值μ0，然后计算初始检测块的均值μ1，比较μ0，μ1，如果μ0＜μ1，即初始检测块的均值大于整帧数据的均值，则认为检测块中存在干扰且干扰幅度百分比大于整帧干扰幅度百分比，则此初始检测块不可用。那么初始检测块向后平移M个频点，即初始检测块由第0到M-1个频点变换为由第M到2M-1个频点组成，然后计算新检测块的均值μ2，用同样方法进行比较，如果不可用，则继续向后平移检测块，直至检测块均值小于整帧数据均值，则认为检测块中没有干扰或者干扰较少，可以作为初始检测块进行下个频点的门限确定。

3.3 运算量问题

运算量的大小决定了算法的优劣。每帧数据长度为N，初始检测块长度为M，初始检测块选择第M到2M-1个频点，即认为第一段检测块有干扰不可用。以C+表示需要的加法次数，Cx表示需要的乘法次数。

当采用一阶矩门限法时，分析如下:

对于传统算法，均值确定时，C+=N－1，Cx=1，故总的运算量为C=N－1+1=N。

对于新算法，对于单个检测块均值，C+=M－1，Cx=1，则检测块初始化总的运算量为C=(N－1+1)+2(M－1+1)=N+2M，对于后面N－M个频点，每个频点均值的计算只需将检测块中均值加入一个频点再减去一个频点即可，则C+=2，Cx=1，总的运算量C=3(N－M)，故新算法的运算量为C=N+2M+3N－3M=4NM，N为每帧数据的长度，M=0．1N，新算法的运算量比传统方法大，但是由于一般N较小，故运算量的增加可以接受。

当采用二阶矩门限法时，分析如下:

对于传统算法，对于均值同一阶矩法，C=N，对于方差，C+=N+N－1=2N－1，CX=N+1 ，故总的运算量C=N+2N－1+N+1=4N。

对于新算法，检测块的初始化同一阶矩法，对于均值，C=N+2M，对于方差，C+=2M－1，Cx=M+1，故检测块初始化总的运算量C=N+2M+2M－1+M+1=N+5M。对于后面的N－M个频点，均值的计算同一阶矩法，C=3(N－M)，方差不变，原因是当干扰存在时，信号方差变大，而期望信号的方差不变大，即期望没有干扰，并且当干扰被检测出来后，通过抑制算法，对本检测块方差基本无影响。故新算法总的运算量为C=N+5M+3(NM)=4N+2M，同传统算法相比，运算量基本不变。

4 算法仿真

为了验证新算法性能，用MATLAB对不同类型干扰抑制前后频谱对比图做仿真，仿真参数为:PN码采用127位的m序列，通过BPSK调制，载波频率为70 MHz，数据加汉明窗，FFT长度取1 024点，单音干扰为频率分别为1 MHz和2 MHz的正弦信号，部分宽带干扰采用高斯白噪声通过理想带通滤波器产生，带宽为6 MHz，信干比SJR均为-12 dB，重叠处理为50%重叠相加。

图3为单音干扰抑制前后频谱对比图，由图可知，新算法对单音干扰抑制效果较好。图4为部分宽带干扰抑制前后频谱对比图，且初始检测块无干扰，由图可知，新算法对于部分宽带干扰的检测效果较理想，由于抑制时采用均值钳位法，所以干扰功率基本全部抑制，但同时对原扩频信号产生了影响，这主要是由抑制算法决定的。图5为单音干扰和部分宽带干扰并存时干扰抑制前后频谱对比图，且初始检测块无干扰，由图知，新算法对混合干扰依然具有检测抑制作用。图6为初始检测块有单音干扰时混合干扰抑制前后频谱对比图，由图知，当初始检测块有干扰时，新算法对干扰的检测抑制效果与图5基本相同，其原因为初始化时的检测块对比选择，即选择可用的检测块作为初始检测块。

5 结论

新算法不同于传统算法思路，以单个频点为处理单元，减轻了干扰对门限确定的影响，使门限能够更好地检测干扰和保留信号。对于部分宽带干扰，新算法也具有较好的干扰检测抑制效果，这对于传统算法来讲是不可能实现的。同时，新算法具有较好的可移植性，算法思路可以应用于其他干扰抑制算法中，以提高频域干扰抑制算法性能。当然，由于本文新算法在门限设定和对频谱处理时采用简单干扰设置，故新算法优点不能很好地体现，若针对特殊干扰形式设置门限和频谱处理方式，新算法性能可明显体现出来。

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