抗干扰系统在北斗/GNSS监测接收机中的应用研究

摘   要：文章设计了一种抗干扰系统，应用于北斗/GNSS检测型接收机中，主要包含脉冲干扰和窄带干扰的检测和处理算法研究。通过整机测试，验证了算法的性能提升。

关键词：北斗/GNSS;监测接收机;脉冲干扰;窄带干扰

1    技术分析

由于监测接收机所处的工作环境日益复杂，外界环境的电磁干扰与人为压制式干扰相互交错，对卫星导航的精度、可用性、连续性和完好性都构成了严重威胁，导致监测接收机性能下降甚至无法工作。监测接收机的抗干扰能力成为其能否正常工作的关键问题。文章通过对成本、布板面积、功耗等综合考虑，采用一块XILINX公司的V7型FPGA来进行中频抗干扰预处理，如何在一块FPGA完成对全部通道卫星的抗干扰处理，这对抗干扰处理技术提出了更大的挑战。

2    脉冲干扰检测和处理

利用脉冲信号与宽带噪声的时间相关性差异，通过相关运算，达到抑制噪声、检测信号的目的[1]。图1为CW脉冲及线性调频脉冲信号检测流程，当第n个脉冲开始进入窗内，幅值高于阈值DT，记录当前时刻作为脉冲上升沿。在滑动窗经过脉冲的过程中，能量值一直是超过DT的较大值。当脉冲下降沿来临，当前帧的能量值会低于DT，记录当前时刻作为脉冲下降沿。利用上升沿和下降沿的位置给出第n个脉冲宽度估计。根据脉冲宽度提取脉冲中心的一帧数据所处的频谱，进行当前脉冲的中心频率估计。连续记录3～5个脉冲之后，进行周期的估计。

3    窄带干扰检测和处理

3.1  基带变化

将A/D采样得到任一频段的中频信号，经DDS下变频至基带信号，本振频率为信号的中心频率，该处理同时对信号进行了IQ分离，得到了两路正交的基带信号，经一级低通滤波器处理滤掉信号的高频分量，再对基带信号进行二次降频采样，采样频率为信号的调制带宽，根据奈奎斯特采样定理，采样后得到频率分辨率为信号半边带的基带信号，在后续步骤中仅对该频段信号进行抗干扰处理。

这种方式相比于直接对A/D采样的中频信号进行抗干扰处理具有以下优点。（1）通过低通滤波器和采样原理去除了无用的带外信号的影响，同时避免了信号混叠。（2）仅对信号的有用部分进行处理，降低了信号的检测带宽，在后续FFT频域抗干扰检测和处理中，在不增加阶数的情况下，将谱线分辨率提高了数倍至数十倍，对抗干扰性能有明显的改善。（3）基带处理方式同时大幅降低了FPGA的工作频率，对资源、功耗控制、时序收敛有很大的改善。

3.2  干扰门限计算

频域的干扰检测常用的算法有CME，FCME算法等，其特点都是通过对功率谱的迭代运算确定抗干扰门限，并对高于门限的信号进行置0处理。

图2为采集中频信号的频域。若以高门限作为单一门限，则存在将窄带干扰2当作多个干扰处理，同时对于图中的3个干扰均存在窄带干扰抑制不完全，残余窄带干扰仍然会对信号的恢复造成较大影响。而若以低门限作为单一门限，则有可能会将某些噪声信号误判为干扰，噪声信号的随机性使其有一定的概率超出所选择的门限。但对于双门限算法，首先，将高于低门限的相邻谱线组进行分簇，也就是说先经过低门限进行预判是否有可能是窄带干扰。其次，判断簇内是否存在高于高门限的谱线，此时如果簇内存在高于高门限的谱线，则认为该簇是窄带干扰。最后，对整个簇内的谱线值进行抑制处理。由于簇是依据低门限判断的，因此不会由于高门限的选择过高，而造成窄带干扰抑制不完全，且判断簇是否是窄带干扰是依据高门限的，克服了低门限过低造成有用信号误判为窄带干扰的问题。

具体实施步骤如下[2]。

（1）通过卫星天线接收两路卫星导航信号，经下变频后变为模拟中频信号，A/D采样中频卫星导航信号，输出数字中频信号。

（2）对数字中频信号进行FFT变换。

（3）通过双门限算法算出高低检测门限Th和Tl，运用低门限系数推导出虚警概率Aa。

（4）对频谱幅度集合Φ（k），k=1，…，N。

按升序进行排序，选择排序后较小的Q（Q

（5）将集合Φ‘（k）中谱线同低门限系数与门限均值的乘积Tl×E（Φ）比较，得到高于门限值和低于門限值的两个集合，同时将低于门限值的频点加入到更新门限集合。

（6）重新计算更新门限谱线集合中的E（Φ），重复步骤（2），直至剩余谱线集合中没有谱线的幅度小于门限值或达到最大迭代次数，操作停止。

（7）由上一步操作，可检测出许多一段段大于低门限的相邻谱线组，即“簇”。并根据高门限系数计算出高门限值Th×E（Φ），将每个簇里的最大幅度谱线与高门限比较，高于高门限则认为该簇是窄带干扰信号谱，否则认为是白噪声和有用信号谱。

（8）标记存在干扰的干扰谱线位置，将干扰谱线归类为簇，对于窄带干扰，干扰宽度即为所有存在干扰谱线的宽度之和。

（9）以带宽中心为干扰信号的中心频点，以步骤h的干扰谱线起始位置对应的频率加上带宽的一半获得干扰信号的中心频率。

（10）分析干扰中心频率谱线数据位，与A/D采样的峰值比较，即可计算出干扰功率值。

4    窄带干扰抑制

1/2重叠加窗频域处理抗干扰系统结构如图3所示，首先，将包含干扰的输入中频数字信号分为两路，一路延迟N/2点，N为一次FFT运算的长度，称为一帧。对两路信号分别进行加窗，FFT干扰抑制后，合路输出剔除干扰后的中频信号。

FFT干扰抑制模块的结构如图3所示。它通过FFT-IFFT的处理思想，先将时域信号变为频域信号，通过干扰门限实时估算，剔除凸起的干扰谱线后，再将噪声谱线通过IFFT变换恢复为时域信号后输出。

由于矩形窗存在载波信号的截断效应和数字信号的数据舍入精度影响，故对数字信号直接做N点的FFT变换，会存在不同程度的频谱泄漏问题。考虑实际情况的不确定性，在工程应用上，在FFT运算前必须采用信号加窗的处理方法，减小截断效应，解决频谱泄漏问题。其中，窗函数长度和FFT长度需保持一致。

常用的窗函数有汉明窗、海宁窗、布莱克曼窗、布莱克曼—海瑞斯窗。为了减小干扰的频谱泄漏，应选择旁瓣衰减比较大的窗函数，同时，为了减小干扰影响的频谱线数，应选择主瓣比较小的窗函数，这两点是相互矛盾的。研究表明布莱克曼—海瑞斯窗在这两点性能上具有较好的平衡效果[3]。

窗函数由于其运算特点，对一帧数据两端存在严重的衰减效果，这在卫导系统的体现是噪声损失带来的载噪比降低问题。可采用帧延迟的重叠加窗方法来解决：由于窗函数对一段数据帧的影响主要集中在前后1/4帧，故可采用对一帧数据分别延迟1/2帧后，再做抗干扰运算后叠加为一路的方法。

通过以上处理，针对接收机不同系统和频点，仅需修改混频的本振频率，二次采样采样频率，低通、带通滤波器参数，即可完成通道移植，具备良好的可移植性，降低了开发难度。

5    测试结果

本文设计的抗干扰系统已随监测接收机整机测试，完成性能验证的干扰检测与干扰抑制测试，测试情况如图4所示。

作者简介：胡霄（1988— ），男，陕西西安人，工程师，硕士;研究方向：信号处理方向。