直扩系统的自适应窄带干扰抑制技术研究及实现＊

王杰英 陆亭宇 章 铸 赵小波

（1.92330部队 青岛 266102）（2.中国船舶重工集团公司第七二二研究所 武汉 430205）

直扩系统的自适应窄带干扰抑制技术研究及实现＊

王杰英1陆亭宇2章 铸2赵小波2

（1.92330部队 青岛 266102）（2.中国船舶重工集团公司第七二二研究所 武汉 430205）

直接序列扩频通信系统因具有很强的抗干扰能力而受到广泛关注，但存在强窄带干扰或多窄带干扰信号的情况下，其系统性能会急剧下降。为此，提出一种适合于强干扰应用环境的自适应窄带干扰抑制算法，并分析和研究适用于直接序列扩频通信系统的抗干扰措施。仿真和实现结果表明，采用自适应窄带干扰抑制技术极大地抑制了外界干扰对传输信号的影响。

直接序列扩频；自适应滤波；干扰抑制

Class NumberTN911

1 引言

直接序列扩频通信系统一直以来都凭借其独特的抗干扰能力以及安全性，在军事通信领域备受青睐。但是在频谱空间中，越来越拥挤和复杂的电磁环境情况下，仅靠扩频增益不足以对干扰进行抑制。特别是军用通信电磁环境相当复杂，存在模式多样和统计特征时变的强干扰；尤其是高功率密度的窄带干扰（Narrow Band Interference，NBI）已经成为破坏军用通信系统失效的重要因素之一［1～2］。

存在强窄带干扰或多窄带干扰信号的情况下，为了在不增加扩频增益的条件下进一步抑制窄带干扰，有必要在解扩前采用信号处理技术抑制干扰，使系统接收端获得较好的误码性能。因此，数字信号处理技术抑制窄带干扰是非常必要的［3］。本文对存在窄带干扰的直接序列扩频通信系统的NBI统计特性进行分析，提出了一种自适应窄带干扰抑制技术，并分析和研究适用于直接序列扩频通信的抗干扰措施。

2 最小均方（LMS）算法

最小均方（Least Mean Square，LMS）是一种最小均方误差算法，其结构简单，且稳定性好，一直是自适应滤波经典算法之一，被广泛地应用于直扩系统、自适应控制及数字信号处理等相关领域［4～5］。

LMS算法是用瞬态估计代替统计估计，沿着权值的负方向搜索达到均方误差最小的自适应滤波算法。最小均方（LMS）算法的迭代公式如：

式中的W（n）为自适应滤波器在时刻n的权向量，X（n）为时刻n的输入矢量信号，d（n）为期望输出的值，e（n）是误差信号，L为线性自适应滤波器的长度，μ为步长因子。LMS算法收敛条件是max（λ）＜μ＜1，其中max（λ）为输入信号的自相关矩阵最大特征值。

LMS算法是自适应滤波算法，用来计算线性滤波器输出对输入信号的响应，通过比较输出结果与期望响应产生的估计误差，再根据所得的估计误差自适应调整滤波器参数。上述过程一起工作组成了一个反馈环，线性自适应横向滤波器框图如图1所示。

图1 线性自适应横向滤波器框图

3 直扩系统中窄带干扰抑制技术

直接序列扩频信号在传输过程中会受到窄带干扰信号的影响，在软件仿真中的窄带干扰形式为

inf＝A·exp（j·2π·（mf·N＋S·δ））

式中mf为窄带干扰的中心频率；δ窄带干扰带宽，δ值越大，其带宽就越宽；S是N点的累加和值。窄带干扰信号的幅度、带宽和频率可以根据要求任意改变其值。

直接序列扩频系统中窄带干扰抑制算法的方框图如图2所示，其中自适应权值算法采用的是最小均方（LMS）自适应滤波算法［6］。在扩频接收端，将解扩并经过低通滤波后的信号重新扩频后作为线性自适应滤波算法的期望信号，期望信号与自适应滤波器输出信号相减得到误差信号，所得误差同线性自适应滤波器输入向量一起调整自适应滤波器的权系数向量值，最终达到抑制直扩系统中窄带干扰的目的［7～8］。

图2 直扩系统的窄带干扰抑制算法框图

通过Matlab仿真对解扩重扩算法进行比较。直扩系统窄带干扰抑制算法的方框图中所采用的低通滤波器设计如图3所示。该低通滤波器是为了形成自适应滤波算法的期望信号，低通滤波器使用的参数设计为：低通滤波器阶数128，通带截止频率1／110，阻带截止频率3／110，阻带衰减31dB。发送信号速率为Rb＝1.5kbit／s，扩频码采用m序列伪码，周期为16，速率为Rc＝16kbit／s，采样频率为fs＝32kHz，其信干比S／R为0dB，在以上条件下的仿真结果如图所示。其中，图4为干扰抑制前的信号频谱，图5为干扰抑制后的信号频谱，从图中可以看出可以达到抑制窄带干扰的目的。

图3 扩频信号解扩后的低通滤波器设计

图4 干扰抑制前信号频谱

图5 干扰抑制后信号频谱

4 窄带干扰抑制算法的FPGA实现

自适应窄带干扰抑制通过具体硬件优化频域LMS算法，验证了进行算法优化后的频域LMS算法对于抑制扩频通信中的强窄带干扰的可行性［9］。算法使用FPGA设计实现时，主要分成自适应滤波器输出、误差形成和自适应滤波器权系数向量计算等模块。直扩系统中窄带干扰抑制算法的FPGA实现框图如图6所示。FPGA的模块主要采用Verilog硬件描述语言在Xilinx ISE DesignSuite平台上编程实现［10］。经过分析得知，每根谱线的干扰抑制在一个时钟周期即可完成，算法效率较高，同时所占资源减少，适合采用FPGA来实现频域LMS算法。

图6 窄带干扰抑制算法FPGA实现框图

5 结语

在直接序列扩频系统中存在大量的窄带干扰信号，当遇到超过直扩系统的干扰容限时，系统性能会降低乃至不能正常工作。采用时域自适应滤波算法来调整自适应滤波器的权系数向量值，最终达到抑制窄带干扰的目的。经过上述的理论分析、Matlab仿真以及FPGA实现表明，此直扩系统窄带干扰抑制算法能够有效地抑制直扩系统中存在的强窄带干扰，提高了系统的窄带干扰抑制能力，使直接序列扩频通信系统在强干扰环境中仍然能够有效地完成通信任务。

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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，高级工程师，研究方向：无线通信。陆亭宇，女，硕士，助理工程师，研究方向：无线通信。章铸，男，硕士，助理工程师，研究方向：无线通信。赵小波，男，高级工程师，研究方向：无线通信。