北斗导航接收机空时自适应干扰抑制算法研究

刘　燕，何明亮，姚建国,3

(1.南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003;2.上海贝尔股份有限公司 无线产品部，江苏 南京 210003;3.南京邮电大学 江苏省无线通信重点实验室，江苏 南京 210003)



北斗导航接收机空时自适应干扰抑制算法研究

刘燕1，何明亮2，姚建国1,3

(1.南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003;2.上海贝尔股份有限公司 无线产品部，江苏 南京 210003;3.南京邮电大学 江苏省无线通信重点实验室，江苏 南京 210003)

导航接收机常工作于复杂的电磁环境下，易受到电磁等干扰，导致其导航定位功能的精确度降低。针对这一问题，提出了空时自适应干扰抑制算法。该算法在不增加阵元的前提下，通过时间抽头来增加天线阵列的自由度，由此增加可处理干扰的数目，增强对宽带干扰和窄带干扰的抑制能力。通过MATLAB仿真验证了该算法的有效性。

北斗导航接收机；空时自适应；干扰抑制算法；MATLAB仿真

引用格式：刘燕，何明亮，姚建国. 北斗导航接收机空时自适应干扰抑制算法研究[J].微型机与应用，2016,35(18)：19-21,25.

0　引言

北斗导航系统是我国自主研制的卫星导航系统，用于现代科技、军事等各个领域。导航接收机常工作于复杂的电磁环境下，易受到电磁等干扰[1]，虽然其本身具有一定的抗干扰能力，但由于抑制宽带干扰所需的自由度比窄带干扰信号要多，传统阵列信号处理不能很好地对宽带干扰进行有效抑制，因此提出了空时自适应算法。该算法是将传统的空域和时域抗干扰算法相结合，在不增加阵元的前提下，通过增加时间抽头来提高天线阵列的自由度[2-3]，从而增强卫星导航接收机的抗宽带干扰的能力，使其能在复杂的电磁环境下发挥重要作用。

1　空时自适应滤波技术

空时自适应滤波建立在空域滤波的基础上，结合了空域和时域滤波两种算法，在不增加天线阵元的前提下，在已有的天线阵列后加上若干个延迟单元，从而增加可处理干扰的数目，增强对宽带干扰和窄带干扰的抑制能力。从每个阵元通道来看，各级延时相当于时域滤波器，可以在时域滤除干扰；从相同的延时节点看，不同的阵元构成了空域的自适应滤波，可以分辨不同空间分布的干扰源[4-7]。

空时自适应算法系统框图如图1所示。

图1　空时自适应算法系统框图

信号进入天线后，经过HPF(高通滤波器)进行去直流处理，然后将去直流后的信号送入一个NCO(数控振荡器)，NCO将送来的有效频谱搬移到基带，接着接入一个FIR低通滤波器，将带外干扰滤除，再将一系列处理后的信号进行空时处理，最后将处理后的信号送入接收机。

设阵元数为M，延迟单元数为P，每个时间延迟单元的时间间隔为T，空时自适应干扰抑制算法模块图如图2所示。

图2　空时自适应干扰抑制算法模块图

经过一系列处理过的信号进入后，第k个阵元的第j个抽头接收到的信号为：

xk(n-(j-1)T),k=1,2，…，M;j=1,2,…，p

(1)

其中，M表示阵元个数；k表示每个天线的延迟单元数；T表示每个抽头的延时。

假设第k个阵元的第j个抽头的权值为w，输出y可以表示为：

(2)

写成矩阵型式：

Y=WHX(n)

(3)

式中，定义权向量：

W=[w11,w12,…，w1p,…，wM1,wM2,…，wMp]T

X(n)=[x1(n),…，x1(n-(p-1)T,…，xM(n),…，xM(n-(p-1)T)]T

再将W和X(n)表示为:

(4)

(5)

其中，

Wi=[wi1,wi2,…,wip]T

Xi(n)=[xi(n),xi(n-T),…,xi(n-(p-1)T]T

i=1,2,…，M

令d(n)表示所期望的输入信号，定义误差信号e(n):

(6)

将误差信号写成矩阵形式，即为:

e(n)=d(n)-WTX(n)=d(n)-XT(n)W

(7)

误差信号平方为

e2(n)=d2(n)-2d(n)XT(n)W+WTX(n)XT(n)W

(8)

等式两边取数学期望，即得均方误差:

E[e2(n)]=E[d2(n)]-2E[d(n)XT(n)]W+

WTE[X(n)X(n)T]W

(9)

定义互相关函数:

(10)

自相关函数:

(11)

则误差函数可表示为:

(12)

由上述公式可知，误差函数是权系数W的二次函数，且是一个上凹的抛物面，由此可知，误差函数存在最小值，使误差函数取最小值的权系数即为最佳。

根据二次函数求最小值的方法，对误差函数求导数(梯度)，即可求得最佳权系数。因此，对均方误差求梯度为：

(13)

(14)

W(n+1)=W(n)-rwL

(15)

其中，r表示步长因子，取正值。

(16)

梯度估计表示为：

(17)

即用瞬时误差梯度来估计均方误差梯度，式中，

(18)

将式(18)带入式(15)，则权值更新公式为：

W(n+1)=W(n)-re(n)x(n)

(19)

2　空时自适应算法性能仿真分析

前面研究了空时自适应干扰抑制算法，下面用MATLAB对该算法进行仿真分析，仿真条件如下：天线阵列数为4，天线每个抽头的延时为1，天线的延迟单元数为8；实验频点：B3频点，干扰数：3，干扰强度：65 dB，输入信号：4路，输入信号频率：1 268.52 MHz，输出中频信号的中心频率：46.52 MHz。

图3表示输入信号的幅度和频谱。

图4表示的是经空时滤波之后的信号的幅度和频谱，容易看出，由于干扰的存在，在进行空时自适应干扰抑制之前，对于同一采样点而言，干扰信号的幅度相对较大，经过空时自适应干扰抑制后，干扰信号的幅度有较为明显的降低。并计算得相消比为22.48 dB。这说明，空时自适应干扰抑制算法对干扰有显著的抑制效果。

表1对不同的延迟单元数对应的相消比进行了归纳。图5表示不同的延迟单元数对应的相消比，从图中可以看出，随着延迟单元数目的增加，相消比相对增加了，达到某个延迟单元数时，相消比会达到一个最优值，之后，随着延迟单元数的增加，相消比不但不增加，反而略微地下降。

表1　不同的延迟单元数对应的相消比

图3　输入信号幅度和频谱

图4　输出信号幅度和频谱

因此，根据此次的研究数据可知，随着延迟单元数的增加，频率的分辨率越来越高，窄带干扰形成的零点会越来越窄，部分频带干扰所形成的零点范围也越来越接近真

实频率范围，所以相消比会越来越大，但由于自身性能的限制，延迟单元数达到一定值后，相消比已达到最上限，之后再增加延迟单元数，相消比改善并不明显，反而有略微的减小。由此可知，不同的干扰源和干扰数目，适当的延迟单元数，对干扰的抑制也很重要。

3　结束语

本文对空时自适应算法进行了研究和分析，并用MATLAB对算法进行了仿真，结果表明，空时自适应算法在不增加阵元的前提下，通过时间抽头来增加天线阵列的自由度，能够增加可处理干扰的数目，有效抑制干扰。

图5　延迟单元对干扰相消比的影响

[1] 王晓君，张伟，杜萌萌. 北斗卫星导航系统的应用及其抗干扰技术[J].河北科技大学学报，2014，31(3):234-238.

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[4] 翟永刚. 导航接收机空域自适应干扰抑制技术研究及实现[D]. 成都：电子科技大学，2009.[5] 卢丹，冯青，吴仁彪. 基于空时自适应处理的GPS宽带干扰抑制技术[J]. 中国民航大学学报，2007， 25(4):672-674.

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刘燕(1991- )，女，硕士研究生，主要研究方向：阵列信号处理。

何明亮(1979- )，男，主任工程师，主要研究方向：无线产品。

姚建国(1965- )，男，硕士生导师，主要研究方向：移动通信理论与关键技术。

Research on interference suppression algorithm for Beidou navigation receiver based on space-time adaptive processing

Liu Yan1,He Mingliang2,Yao Jianguo1,3

(1.College of Telecommunications and Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China; 2.Wireless Product Division, Alcatel-Lucent Shanghai Bell Co.,Ltd.,Nanjing 210003, China; 3. Jiangsu Key Laboratory of Wireless Communications, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China)

The navigation receiver often works in complex electromagnetic environment，and it is susceptible to electromagnetic interference,so it reduces the accuracy of the navigation and positioning function. Aiming at this problem, a space time adaptive interference suppression algorithm is proposed. The algorithm can increase the degree of freedom of the antenna array by using the time tap without increasing the array element, which can increase the number of the interference, and enhance the ability to suppress wideband interference and narrowband interference. The validity of the algorithm is verified by MATLAB simulation.

Beidou navigation receiver; space time adaptive; interference suppression algorithm; MATLAB simulation

TN967.1

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.18.005

2016-04-21)