一種改進的Smart AGC擴頻干擾抑制技術(shù)*

賴 平，陸銳敏，沈 俊，馬世旺

0 引言

直接序列擴頻(DSSS)系統(tǒng)［1］因具有許多獨特的優(yōu)點而被廣泛用于軍事和民用領(lǐng)域，但這種系統(tǒng)的帶寬比較寬，很容易受窄帶信號的干擾，尤其是惡意的人為干擾。為了增加系統(tǒng)的抗干擾能力通常要采用其他的信號處理技術(shù)。

Smart AGC技術(shù)［2］是一種基于時域信號包絡(luò)處理的新型干擾抑制技術(shù)，它和直接序列擴頻系統(tǒng)(DSSS)配合使用，可以有效提高系統(tǒng)的干擾容限。因此，DSSS與Smart AGC的結(jié)合技術(shù)在軍用衛(wèi)星通信抗干擾技術(shù)中得到充分的應(yīng)用［3］。

在數(shù)字信號處理系統(tǒng)中，信號的包絡(luò)通常有三種提取方法:檢波－濾波法［4］，高通絕對值解調(diào)法［5］和Hilbert幅值解調(diào)法［6］。檢波濾波法是對信號正半周中線的包絡(luò)，高通絕對值法是對信號中線的包絡(luò)，用這兩種方法得到的信號包絡(luò)失真都太嚴重，而Hilbert法解調(diào)出的包絡(luò)是對信號絕對值的包絡(luò)，其解調(diào)幅度代表的包絡(luò)更加真實，Hilbert法要優(yōu)于檢波濾波法和高通絕對值法。但希爾伯特變換法要求包絡(luò)是借助快速傅里葉變換(FFT)實現(xiàn)的，在信號的整個頻率區(qū)間上進行，抑制噪聲的能力差，并且由于原始信號的頻率成分不純凈，得到的包絡(luò)線也會有劇烈起伏。文獻［6］對DSSS結(jié)合Smart AGC技術(shù)的抗干擾性能進行了分析，表明該技術(shù)具有較好的抗強干擾性能，但沒有考慮噪聲和雜波干擾對系統(tǒng)的影響，采用的信號包絡(luò)提取方法正是Hilbert法，沒有篩選出更好的信號包絡(luò)分析方法。因此有必要進一步研究Smart AGC干擾抑制技術(shù)，在消除噪聲和雜波干擾的同時，能有效抑制強干擾并保持有用的邊沿信息。文中正是針對這些問題提出了一種改進的Smart AGC技術(shù)，該技術(shù)用于DSSS系統(tǒng)能夠有效抑制噪聲、雜波干擾和強干擾信號，提高輸出信噪比，改善干擾抑制性能。

1 傳統(tǒng)的Smart AGC技術(shù)

Smart AGC是一種射頻抗干擾技術(shù)，能夠以較小代價獲得較強的抗干擾性能，其主要思想是根據(jù)強干擾信號與直擴信號包絡(luò)特性的不同特點，通過自適應(yīng)包絡(luò)變換達到抑制強干擾的目的。工作框圖如圖1所示。

圖1 Smart AGC工作框Fig．1 Block－diagram of Smart AGC

當(dāng)原信號與干擾的復(fù)合信號進入Smart AGC后，復(fù)合信號分成兩路進行。其中一路經(jīng)過延時被送入零區(qū)設(shè)置模塊，等待實時的零區(qū)門限設(shè)置。另一路復(fù)合信號通過包絡(luò)檢波，提取復(fù)合信號的包絡(luò)，即復(fù)合包絡(luò)，復(fù)合包絡(luò)經(jīng)過濾波把干擾信號的包絡(luò)提取、跟蹤出來，再把干擾信號包絡(luò)送入零區(qū)設(shè)置模塊，實時的設(shè)置合適的零區(qū)門限，最后輸出有用信號，達到干擾抑制的目的。其中最下面一路的目的是為了檢測復(fù)合包絡(luò)中干擾的大小，經(jīng)過門限比較器模塊比較和判定，當(dāng)復(fù)合信號中的干擾較小或無干擾時，零區(qū)設(shè)置不設(shè)置零區(qū)，不進行包絡(luò)處理，相當(dāng)于線性放大器。當(dāng)復(fù)合信號中的干擾大于設(shè)置的門限時，即超過DSSS系統(tǒng)的干擾容限，此時包絡(luò)線性放大區(qū)右移，從而產(chǎn)生合適的零區(qū)，使盡量多的干擾落入零區(qū)而被消除，如圖2所示。

圖2 Smart AGC包絡(luò)變換Fig．2 Envelope transformation of Smart AGC

當(dāng)干擾越強時，Smart AGC對性能的改善程度越好，但當(dāng)干擾較小時，Smart AGC不起作用。傳統(tǒng)的Smart AGC技術(shù)采用Hilbert幅值解調(diào)法提取信號包絡(luò)，在沒有噪聲和雜波的影響下進行了性能分析［7］。而當(dāng)噪聲擾動或雜波干擾較多時，Hilbert提取信號包絡(luò)法局限太大，不僅包絡(luò)線起伏劇烈，而且包絡(luò)處理能力弱，Smart AGC不但無法消除噪聲和雜波，還可能會出現(xiàn)對強干擾信號檢測跟蹤偏差太大的問題。所以必須在復(fù)合信號進入包絡(luò)處理前，消除噪聲擾動和雜波干擾。因此，文中提出一種改進的Smart AGC技術(shù)。

2 改進的Smart AGC技術(shù)

改進的Smart AGC技術(shù)在包絡(luò)檢波模塊中，利用分段三次Hermite插值［8］多項式擬合曲線法獲取更加平滑的原始信號包絡(luò)，并通過包絡(luò)濾波算法對信號進行修正，消除噪聲和雜波，提高強干擾信號檢測和跟蹤的準確度，改善系統(tǒng)性能。

2． 1 基于三次Hermite插值法的信號包絡(luò)提取

插值法是一種古老的數(shù)學(xué)方法，有Taylor插值、Lanrange插值、Hermite插值等方法。Hermite插值與其它插值方法相比較而言，不僅與原函數(shù)在插值點上的值相等，還滿足相切，在節(jié)點上的導(dǎo)數(shù)值也相等?；诜侄稳蜨ermite插值多項式擬合曲線法獲得的包絡(luò)更為平滑，也更貼近原始信號。

包絡(luò)線就是信號的各個極大值點或者極小值點順序連接形成的包裹信號的上下兩條線，極大值點的連線為“上包絡(luò)線”，極小值點的連線為“下包絡(luò)線”。具體步驟如下:

1)首先確定原始信號的極值點。為了減小包絡(luò)曲線的起伏振蕩，我們規(guī)定當(dāng) y［n0－2］＜y［n0－1］＜y［n0］＞y［n0+1］＞y［n0+2］時，n0為局部極大值點，同理可得到局部極小值點。這樣我們就可以提取出極大值序列和極小值序列。

2)對極值序列進行分段三次Hermite插值。在節(jié)點xk(k=0，1，…，n)上除已知函數(shù)值外還給出導(dǎo)數(shù)值 f'k=mk(k=0，1，…，n)，在區(qū)間［xk，xk+1］上分段三次Hermite插值函數(shù)Ih(x)的表達式為

分別對極大值和極小值序列進行插值就可得到信號的上下包絡(luò)。圖3、圖4分別為利用Hilbert幅值解調(diào)法和分段三次Hermite插值法求得的信號上下包絡(luò)曲線?？梢娎梅侄稳蜨ermite插值法求得的信號包絡(luò)能正確反映信號的起伏特征，比希爾伯特變換法求得的包絡(luò)更平滑更貼近原始信號。

圖3 用Hilbert幅值解調(diào)法求得的信號包絡(luò)Fig．3 Obtained signal envelope by Hilbert amplitude demodulation method

圖4 用Hermite插值法求得的信號包絡(luò)Fig．4 Obtained signal envelope by Hermite interpolation method

2． 2 包絡(luò)濾波算法

對上下包絡(luò)線進行平均，可以有效抑制信號的波動，達到消除高頻波動平滑信號的效果。包絡(luò)濾波算法正是基于這個原理［9］，利用上下包絡(luò)線對信號進行分段修正，消除噪聲濾出雜波的一種濾波方法。具體實現(xiàn)步驟如圖5所示。

圖5 包絡(luò)濾波算法分析示意Fig．5 Analysis diagram of envelope filtering algorithm

1)尋找信號的極值點和包絡(luò)線。圖5中a為部分原始信號S，圖5中b為信號的上包絡(luò)為Ea，下包絡(luò)為 Eb。p1，p2，…，p5是極大值點，n1，n2，…，n5是極小值點。

2)修正包絡(luò)線。從圖5中b可見極值點p1和p2，p3和 p4，n2和 n3，n4和 n5之間的包絡(luò)線與原始信號差距比較小，而極值點p2和p3，p4和 p5，以及n1和n2，n3和n4之間的包絡(luò)線與原始信號差距較大。對包絡(luò)線與原始信號差距較小的區(qū)段，差距表示為:

對于一個給定的閾值TH，對差距較小區(qū)段分別用上下包絡(luò)對信號進行修正:

3)對修正后的上下包絡(luò)線Sa和Sb進行平均就可以得到包絡(luò)濾波結(jié)果:

圖5中c為經(jīng)包絡(luò)濾波算法修正以后的信號波形。

2． 3 Smart AGC包絡(luò)轉(zhuǎn)換處理

Smart AGC技術(shù)在DSSS中應(yīng)用的關(guān)鍵是對干擾包絡(luò)大小的準確、實時跟蹤以及調(diào)節(jié)零區(qū)的大小，使最多的干擾落入零區(qū)而被消除。文中通過帶通濾波器對干擾包絡(luò)進行提取、跟蹤，再通過最優(yōu)偏置門限算法［10］，自適應(yīng)包絡(luò)變換消除干擾成分，抑制干擾并保留相位信息，提高抗干擾性能。

包絡(luò)濾波后輸入信號的復(fù)合包絡(luò)可表示為:

其中 a ejθ(t)為有用信號包絡(luò)，A ejφ(t)為強干擾包絡(luò)，A＞＞a＞0。瞬時包絡(luò)為:

其中

將上式冪級數(shù)展開:

上式中第一項為強干擾的瞬時包絡(luò)，后兩項為有用小信號。因此，通過包絡(luò)轉(zhuǎn)換處理可以有效消除強干擾的瞬時包絡(luò)，從而改善輸出干信比。

Smart AGC技術(shù)對輸入復(fù)合包絡(luò)處理表達式為:

其中零區(qū)的門限為T1=A－a，線性區(qū)寬度設(shè)置為ΔTh=2a，如圖2所示，零區(qū)門限隨著干擾包絡(luò)的變化而實時變化，設(shè)置方法簡單可行。

3 仿真分析

現(xiàn)通過Matlab誤碼率仿真來說明文中對Smart AGC擴頻干擾抑制技術(shù)的改進效果。仿真中有用信號采用BPSK調(diào)制，偽隨機m序列的碼長度為L=80，即直擴系統(tǒng)的處理增益為10log L=19 dB，當(dāng)干信比大于19 dB時，直擴系統(tǒng)性能急劇下降。在不同信干比條件下文中首先分別對單音干擾和部分頻帶干擾用傳統(tǒng)的Smart AGC進行干擾抑制。然后考慮當(dāng)存在噪聲和雜波時，分別比較傳統(tǒng)和改進的Smart AGC的干擾抑制性能，如圖6和圖7所示。仿真表明Smart AGC擴頻干擾抑制技術(shù)能提供較強的抗干擾性能，但是當(dāng)存在噪聲和雜波時，傳統(tǒng)的Smart AGC不能有效的抑制干擾，誤碼率性能下降一個數(shù)量級左右，這主要是因為噪聲和雜波嚴重影響Smart AGC對干擾包絡(luò)的準確、實時檢測。而文中提出的改進的Smart AGC則能很好的消除噪聲、雜波的影響，誤碼率性能逼近無噪聲、雜波影響時傳統(tǒng)Smart AGC對強干擾的抑制性能曲線。

圖6 單音干擾時誤碼率性能比較Fig．6 Comparison chart of BER performance with tone interference

圖7 部分頻帶干擾時誤碼率性能比較Fig．7 Comparison chart of BER performance with partial－band interference

4 結(jié)語

傳統(tǒng)的Smart AGC用于直接序列擴頻系統(tǒng)可以很好的抑制強干擾，但傳統(tǒng)的Smar AGC技術(shù)對噪聲和雜波干擾處理能力不足，噪聲和雜波使得Smart AGC對強干擾信號的檢測和跟蹤失準，誤碼率性能急劇下降。文中提出的改進Smart AGC技術(shù)，利用分段三次Hermite插值多項式擬合曲線法獲取比希爾伯特變換法更加平滑的原始信號包絡(luò)，用包絡(luò)濾波算法對信號進行修正，消除幅度噪聲和雜波干擾帶來的影響。改進的Smart AGC技術(shù)可以明顯的改善強干擾抑制性能。

［1］ TORRIERI DON J．Principles of Spread－Spectrum Communication Systems［M］．London:Springer London，Limited，2010:21－22．

［2］ 郭慶，王振永，顧學(xué)邁，衛(wèi)星通信系統(tǒng)［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2010:247－248．

GUO Qing，WANG Zhen－yong，GU Xue－mai．Satelite Communication Systems［M］．Beijing:Electronic Industry Press，2010:247－248．

［3］ 王志軍，白旭平，劉瓊俐，等．衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的抗干擾技術(shù)研究［J］．通信技術(shù)，2012，45(07):10－13．

WANG Zhi－jun，BAI Xu－ping，LIU Qiong－li，et al．Study on Anti－interference Technology for Satellite Communication System［J］．Communications Technology，2012，45(07):10－13．

［4］ KAGAN OGUZ H，OLCUM S，Muhammed N Senlik，etc．Nonlinear Modeling of an Immersed Transmitting Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer for Harmonic Balanceanalysis［J］．Ultrasonics，F(xiàn)erroelectrics，and Frequency Control，IEEE Transactions on，2010，57(02):438－447．

［5］ 張曉穎，馬數(shù)林．?dāng)?shù)字包絡(luò)的實現(xiàn)［J］．長春理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2008，31(02):118－120．

ZHANG Xiao－yin，MA Shu－lin．The Realization of the Digital Envelope［J］．Journal of Changchun university of Science and Technology(Natural Science Edition)，2008，31(02):118－120．

［6］ PRINCE A，SENROY N，BALASUBRAMANIAN R．Modal Phase Identification from WAMSData Using Hilbert Transform and S－transform:A Comparative Study［C］//IEEE Recent Advances in Intelligent Computational Systems(RAICS)． Trivandrum， India:IEEE Press，2011:1831－1875．

［7］ 宋穎風(fēng)，陳軍，張晶晶．對DSSS結(jié)和 Smart AGC技術(shù)的抗干擾性能分析［J］．艦船電子工程，2008，28(04):73－75．

SONG Yin－feng，CHEN Jun，ZHANGJing－jing．Analysis on Anti－jamming Performance of DSSS Combined with Smart AGCTechnology［J］．Ship Electronic Engineering，2008，28(04):73－75．

［8］ ZHU Wei－fang，ZHAO He－ming，CHEN Xiao－ping．Improving Empirical Mode Decomposition with an Optimized Piecewise Cubic Hermite Interpolation Method［C］//DIEEE International Conference on Systems and Informatics(ICSAI)．Yantai，China:IEEE Press，2012:1689－1701．

［9］ 張輝，黃永強．包絡(luò)濾波算法及其在圖像去噪中的應(yīng)用［J］．信息技術(shù)，2008(02):1－4．

ZHANG Hui，HUANG Yong－qiang．Envelope Filtering Algorithm and Its Application in Image Denoising［J］．Information Technology，2008，2:1－4．

［10］ 李博，肖立民．基于最大輸出信噪比的自適應(yīng)置零陷波干擾抑制技術(shù)算法［J］．通信技術(shù)，2010，43(04):46－49．

LI Bo，XIAO Li－ming．Adaptive Zero－set Interferencesuppression Algorithm Based on Maximal SNR Output［J］．Communications Technology，2010，43(04):46－49．