基于FPGA的GNSS接收機抗干擾的設(shè)計

何 訸 張旭東

(電子科技大學(xué) 成都 611731)

1 引言

雖然如何擺脫敵方的干擾仍是一個很難解決的問題，但是經(jīng)過研究人員多年的研究，在如何解決抗干擾問題上取得了巨大的成果。其主要思想是將數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)用到衛(wèi)星導(dǎo)航接收機，通過數(shù)字信號處理技術(shù)對衛(wèi)星接收信號經(jīng)過濾波處理來抑制干擾，降低干擾對衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的威脅，從而提高衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾性能。其中包括應(yīng)用于窄帶干擾抑制的窄帶和應(yīng)用于寬帶干擾抑制的寬帶干擾抑制技術(shù)。

2 GNSS接收機抗干擾原理

對GNSS接收機產(chǎn)生影響主要是窄帶干擾和寬帶干擾，所以，可以分別使用頻域抗干擾和空域抗干擾技術(shù)分別對窄帶干擾和寬帶干擾進行抑制。

2.1 頻域抗干擾的基本原理

由于GNSS是擴頻信號，其功率要比噪聲的功率還要低30dB，也就是說信號完全被噪聲淹沒。所以，在沒有干擾的影響下，接收到的衛(wèi)星信號從頻譜上來看是平坦的。若接收到的信號含有干擾信號，特別是在含有強的窄帶干擾信號的情況下，接收到的衛(wèi)星信號的頻譜不會再是平坦的，在干擾頻點對應(yīng)的幅度譜線會很大。所以，通過計算接收機接收到的衛(wèi)星信號的頻譜，就能夠很容易的把窄帶干擾的信號頻點檢測出來。

頻域抗干擾的框圖如圖1所示。

圖1 頻域抗干擾原理圖

2.2 空域抗干擾的基本原理

頻域抗干擾技術(shù)能夠很好的抑制帶寬不是很寬的點頻干擾或者窄帶干擾，但如果干擾信號是一個寬帶信號，頻域抗干擾技術(shù)就起不到應(yīng)有的作用。因此，我們可以采用空間濾波器對干擾信號進行抑制。

在數(shù)字信號處理中，可以利用橫向濾波器對離散時間信號進行濾波，可以使信號的某些期望頻率成分通過濾波器，抑制其它頻率成分，類似地，利用空域濾波器處理陣列接收信號，通過改變?yōu)V波器的權(quán)值，可以使某些期望方向的信號通過濾波器，同時抑制其它方向的濾波器，如圖2所示。

圖2 空域濾波器框圖

3 GNSS接收機抗干擾模塊設(shè)計方案

頻域抗干擾和空域抗干擾有各自的優(yōu)缺點，頻域抗干擾對窄帶干擾抑制明顯，對寬帶干擾抑制效果不好，而空域抗干擾對寬帶干擾有很好的抑制效果，但同時空域抗干擾對期望信號與干擾信號之間的夾角有要求，當(dāng)干擾信號與期望信號之間夾角很小時，抑制干擾信號的同時也會使期望信號的功率受到衰減。而頻域抗干擾沒有角度的要求。所以采用單一的抗干擾技術(shù)無法應(yīng)付所有類型的干擾。應(yīng)該把這些抗干擾技術(shù)有效的結(jié)合起來，使接收機在復(fù)雜的環(huán)境下進行有效的抑制干擾。

3.1 頻域和空域的級聯(lián)方案及仿真

3.1.1 頻域和空域的級聯(lián)方案

進入陣列的信號首先經(jīng)過頻域抗干擾將窄帶干擾濾除，而寬帶干擾則由空間濾波器來濾除。在這種級聯(lián)的方式下，兩個抗干擾模塊之間的分工很明確，頻域抗干擾技術(shù)抑制窄帶干擾，而空間濾波器抑制寬帶干擾，這樣可以避免用空域干擾來抑制與期望信號夾角比較小的窄帶信號，減少接收到的有用信號的衰減，這種級聯(lián)的方式有效的發(fā)揮頻域和空域抗干擾的各自優(yōu)勢，并且盡量避免這兩種抗干擾技術(shù)的缺點。其框圖見圖3。

圖3 頻域-空域聯(lián)合抗干擾框圖

3.1.2 Matlab仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可以得出級聯(lián)的方案是可行的，能夠很好的抑制干擾。

3.2 頻域抗干擾的模塊的算法設(shè)計

頻域抗干擾模塊是基于圖1設(shè)計的。

圖4 頻域與空域級聯(lián)方案仿真圖

3.2.1 加窗重疊的FFT算法

FFT變換隱含了對長度為N的截斷序列進行周期拓展，如果截斷后序列在邊界不連續(xù)，則會導(dǎo)致信號經(jīng)過FFT變換之后出現(xiàn)能量泄露，從而使窄帶干擾信號的能量對臨近的頻譜產(chǎn)生嚴重的污染。為了減輕FFT變換的能量泄露問題，常用的方法是在對信號進FFT之前進行加窗，在方案中我們選用1024點海明窗函數(shù)，窗函數(shù)的引入使得截斷序列的邊界變得平滑，因此，可以減少FFT變換帶來的能量泄露問題。但是，由于窗函數(shù)的引入也使得信號波形產(chǎn)生失真，在此采用N/2重疊相加法來減輕加窗給信號波形帶來的失真。

3.2.2 干擾抑制算法

由于該接收機是工作在強干擾的情況下，故本方案頻域抗干擾抑制模塊采用門限檢測算法，它只對高于門限值的譜線進行處理，當(dāng)輸入信號沒有干擾的時候，就不會存在高于門限的譜線，門限不會對譜線做任何處理，所以不會對信號產(chǎn)生失真。同時該算法也很容易硬件實現(xiàn)。

3.2.3 Matlab仿真結(jié)果

由圖5可以看出，頻域抗干擾模塊很好的完成了窄帶干擾的抑制。

圖5 Matlab仿真結(jié)果

3.3 空域抗干擾模塊的算法

寬帶干擾的一種干擾抑制方式就是利用數(shù)字波束形成的方法，即采用空域濾波的方法在寬帶干擾信號的方向上形成零點。Gecan 和Zoltowski［3，4］提出利用功率最小化準則的自適應(yīng)調(diào)零天線方案，采用標準的空域濾波方案，并優(yōu)化了這類算法，提出直接估計梯度的算法，加速算法的收斂，使其適用于移動環(huán)境。

功率倒置算法不需要任何的先驗信息，它是將輸入信號的加權(quán)作為誤差信號，使輸出的均方誤差最小，該算法對低于噪聲的信號不敏感，但能在干擾信號的來向上產(chǎn)生零陷，且干擾信號越強，零陷越深。同時它對期望信號不會產(chǎn)生太大的衰減，所以在空域抗干擾模塊中采用功率倒置算法。后面的仿真也驗證了功率倒置算法能夠有效的抑制干擾。

3.3.1 功率倒置算法

M元功率倒置自適應(yīng)陣結(jié)構(gòu)如圖2所示，陣列輸入信號矢量為 x=［x1，x2，…，xM］T，ωi為各路加權(quán)系數(shù)，權(quán)系數(shù)矢量為 ω =［ω1，ω2，…，ωM］T，陣列輸出信號為y=ωxH，陣列輸出功率為:

其中，Rxx=E(xxH)為接收信號矢量的自相關(guān)矩陣。功率倒置算法是基于線性約束最小方差準則建立起來的，其約束條件為 ωHs0=1，其中 s0=［1，0，…，0］T，則其約束條件變成ω1=1，即要求第1支路的加權(quán)系數(shù)始終為1，這樣就保證了在輸出功率為最小的情況下，不會得到加權(quán)系數(shù)全為零的無意義解。

根據(jù)以上分析，功率倒置算法的加權(quán)系數(shù)ω要滿足:

為了避免矩陣求逆運算，可以先設(shè)置一個加權(quán)系數(shù)初值ω(0)，然后利用最陡梯度下降算法，沿著Pout減小最快的方向自適應(yīng)調(diào)整ω，最終可以得到功率倒置算法的遞推公式:

3.3.2 Matlab仿真結(jié)果

本方案陣列天線采用四元加芯Y陣，仿真了兩種干擾情形:a.接收信號中含有兩個干擾信號，其方位角和仰角分別為(30°，20°)和(130°，50°);b.接收信號中含有三個干擾信號，其方位角和仰角分別為(30°，20°)、(130°，50°)和(330°，50°)，形成的干擾抑制立體圖見圖6(a)和圖6(b)。

從仿真的結(jié)果可以看出，功率倒置算法對強干擾信號抑制大約55dB左右，使得干擾功率也可以下降到噪聲功率以下。由此可知，功率倒置算法可以適合作為空域抗干擾的算法。

圖6 不同干擾下的方向圖

4 抗干擾模塊的FPGA實現(xiàn)

抗干擾模塊是在GNSS接收機的基帶信號處理板上實現(xiàn)的。方案中采用的FPGA芯片是ALTERA公司的EP2S90F780I4N。

4.1 頻域抗干擾算法的FPGA實現(xiàn)

首先把窗函數(shù)存放在ROM中，然后讀出數(shù)據(jù)與輸入數(shù)據(jù)相乘，得到的結(jié)果進行FFT變換，F(xiàn)FT變換可以調(diào)用ALTERA公司的IPCORE?？梢钥s短設(shè)計的時間。

圖9 IFFT的時序圖

4.2 空域抗干擾算法的FPGA實現(xiàn)

空域抗干擾采用的是功率倒置算法.主要是由權(quán)值更新子模塊和加權(quán)子模塊來實現(xiàn)，圖10顯示了由Synplify綜合后得到的RTL級電路圖，權(quán)值更新模塊是電路中最核心的部分，功率倒置算法主要在它的內(nèi)部實現(xiàn)，圖11顯示了權(quán)值更新的RTL級電路圖。

4.3 空頻聯(lián)合抗干擾的FPGA實現(xiàn)

前文分別論述了頻域抗干擾的FPGA和空域抗干擾的FPGA實現(xiàn)，以及已經(jīng)給出的頻域空域級聯(lián)的方案。只需要把頻域和空域抗干擾模塊組合起來就可以實現(xiàn)既定的功能。四路經(jīng)過DDC的數(shù)據(jù)首先分別送到四個頻域抗干擾模塊，抑制窄帶干擾，然后送到空域抗干擾模塊進行寬帶干擾抑制。

圖12 硬件實現(xiàn)與仿真方向圖對比

將經(jīng)過抗干擾模塊處理過的信號送到捕獲跟蹤程序中，能夠正確的捕獲和跟蹤到GNSS信號，這說明抗干擾模塊起到了抗干擾作用，達到了預(yù)期的效果。

5 結(jié)束語

GNSS抗干擾接收機是GNSS接收機研究領(lǐng)域的一個熱點問題，存在不少難點。利用本文提出的空域-頻域級聯(lián)的抗干擾方案可以有效的抑制干擾，可以為后續(xù)的定位解算功能提供干凈的衛(wèi)星信號。但是，本方案還是有缺點，特別是針對寬帶干擾與期望信號夾角很小的時候，功率倒置法在衰減信號的同時也會損失期望信號的功率，倒置信號的信噪比下降，為后續(xù)的處理帶來難度。

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