北斗導航接收機空時自適應干擾抑制算法研究

劉　燕，何明亮，姚建國,3

(1.南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003;2.上海貝爾股份有限公司 無線產(chǎn)品部，江蘇 南京 210003;3.南京郵電大學 江蘇省無線通信重點實驗室，江蘇 南京 210003)

?

北斗導航接收機空時自適應干擾抑制算法研究

劉燕1，何明亮2，姚建國1,3

(1.南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003;2.上海貝爾股份有限公司 無線產(chǎn)品部，江蘇 南京 210003;3.南京郵電大學 江蘇省無線通信重點實驗室，江蘇 南京 210003)

導航接收機常工作于復雜的電磁環(huán)境下，易受到電磁等干擾，導致其導航定位功能的精確度降低。針對這一問題，提出了空時自適應干擾抑制算法。該算法在不增加陣元的前提下，通過時間抽頭來增加天線陣列的自由度，由此增加可處理干擾的數(shù)目，增強對寬帶干擾和窄帶干擾的抑制能力。通過MATLAB仿真驗證了該算法的有效性。

北斗導航接收機；空時自適應；干擾抑制算法；MATLAB仿真

引用格式：劉燕，何明亮，姚建國. 北斗導航接收機空時自適應干擾抑制算法研究[J].微型機與應用，2016,35(18)：19-21,25.

0　引言

北斗導航系統(tǒng)是我國自主研制的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，用于現(xiàn)代科技、軍事等各個領域。導航接收機常工作于復雜的電磁環(huán)境下，易受到電磁等干擾[1]，雖然其本身具有一定的抗干擾能力，但由于抑制寬帶干擾所需的自由度比窄帶干擾信號要多，傳統(tǒng)陣列信號處理不能很好地對寬帶干擾進行有效抑制，因此提出了空時自適應算法。該算法是將傳統(tǒng)的空域和時域抗干擾算法相結合，在不增加陣元的前提下，通過增加時間抽頭來提高天線陣列的自由度[2-3]，從而增強衛(wèi)星導航接收機的抗寬帶干擾的能力，使其能在復雜的電磁環(huán)境下發(fā)揮重要作用。

1　空時自適應濾波技術

空時自適應濾波建立在空域濾波的基礎上，結合了空域和時域濾波兩種算法，在不增加天線陣元的前提下，在已有的天線陣列后加上若干個延遲單元，從而增加可處理干擾的數(shù)目，增強對寬帶干擾和窄帶干擾的抑制能力。從每個陣元通道來看，各級延時相當于時域濾波器，可以在時域濾除干擾；從相同的延時節(jié)點看，不同的陣元構成了空域的自適應濾波，可以分辨不同空間分布的干擾源[4-7]。

空時自適應算法系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　空時自適應算法系統(tǒng)框圖

信號進入天線后，經(jīng)過HPF(高通濾波器)進行去直流處理，然后將去直流后的信號送入一個NCO(數(shù)控振蕩器)，NCO將送來的有效頻譜搬移到基帶，接著接入一個FIR低通濾波器，將帶外干擾濾除，再將一系列處理后的信號進行空時處理，最后將處理后的信號送入接收機。

設陣元數(shù)為M，延遲單元數(shù)為P，每個時間延遲單元的時間間隔為T，空時自適應干擾抑制算法模塊圖如圖2所示。

圖2　空時自適應干擾抑制算法模塊圖

經(jīng)過一系列處理過的信號進入后，第k個陣元的第j個抽頭接收到的信號為：

xk(n-(j-1)T),k=1,2，…，M;j=1,2,…，p

(1)

其中，M表示陣元個數(shù)；k表示每個天線的延遲單元數(shù)；T表示每個抽頭的延時。

假設第k個陣元的第j個抽頭的權值為w，輸出y可以表示為：

(2)

寫成矩陣型式：

Y=WHX(n)

(3)

式中，定義權向量：

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

再將W和X(n)表示為:

(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)表示所期望的輸入信號，定義誤差信號e(n):

(6)

將誤差信號寫成矩陣形式，即為:

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

(7)

誤差信號平方為

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

(8)

等式兩邊取數(shù)學期望，即得均方誤差:

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

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

(9)

定義互相關函數(shù):

(10)

自相關函數(shù):

(11)

則誤差函數(shù)可表示為:

(12)

由上述公式可知，誤差函數(shù)是權系數(shù)W的二次函數(shù)，且是一個上凹的拋物面，由此可知，誤差函數(shù)存在最小值，使誤差函數(shù)取最小值的權系數(shù)即為最佳。

根據(jù)二次函數(shù)求最小值的方法，對誤差函數(shù)求導數(shù)(梯度)，即可求得最佳權系數(shù)。因此，對均方誤差求梯度為：

(13)

(14)

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

(15)

其中，r表示步長因子，取正值。

(16)

梯度估計表示為：

(17)

即用瞬時誤差梯度來估計均方誤差梯度，式中，

(18)

將式(18)帶入式(15)，則權值更新公式為：

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

(19)

2　空時自適應算法性能仿真分析

前面研究了空時自適應干擾抑制算法，下面用MATLAB對該算法進行仿真分析，仿真條件如下：天線陣列數(shù)為4，天線每個抽頭的延時為1，天線的延遲單元數(shù)為8；實驗頻點：B3頻點，干擾數(shù)：3，干擾強度：65 dB，輸入信號：4路，輸入信號頻率：1 268.52 MHz，輸出中頻信號的中心頻率：46.52 MHz。

圖3表示輸入信號的幅度和頻譜。

圖4表示的是經(jīng)空時濾波之后的信號的幅度和頻譜，容易看出，由于干擾的存在，在進行空時自適應干擾抑制之前，對于同一采樣點而言，干擾信號的幅度相對較大，經(jīng)過空時自適應干擾抑制后，干擾信號的幅度有較為明顯的降低。并計算得相消比為22.48 dB。這說明，空時自適應干擾抑制算法對干擾有顯著的抑制效果。

表1對不同的延遲單元數(shù)對應的相消比進行了歸納。圖5表示不同的延遲單元數(shù)對應的相消比，從圖中可以看出，隨著延遲單元數(shù)目的增加，相消比相對增加了，達到某個延遲單元數(shù)時，相消比會達到一個最優(yōu)值，之后，隨著延遲單元數(shù)的增加，相消比不但不增加，反而略微地下降。

表1　不同的延遲單元數(shù)對應的相消比

圖3　輸入信號幅度和頻譜

圖4　輸出信號幅度和頻譜

因此，根據(jù)此次的研究數(shù)據(jù)可知，隨著延遲單元數(shù)的增加，頻率的分辨率越來越高，窄帶干擾形成的零點會越來越窄，部分頻帶干擾所形成的零點范圍也越來越接近真

實頻率范圍，所以相消比會越來越大，但由于自身性能的限制，延遲單元數(shù)達到一定值后，相消比已達到最上限，之后再增加延遲單元數(shù)，相消比改善并不明顯，反而有略微的減小。由此可知，不同的干擾源和干擾數(shù)目，適當?shù)难舆t單元數(shù)，對干擾的抑制也很重要。

3　結束語

本文對空時自適應算法進行了研究和分析，并用MATLAB對算法進行了仿真，結果表明，空時自適應算法在不增加陣元的前提下，通過時間抽頭來增加天線陣列的自由度，能夠增加可處理干擾的數(shù)目，有效抑制干擾。

圖5　延遲單元對干擾相消比的影響

[1] 王曉君，張偉，杜萌萌. 北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的應用及其抗干擾技術[J].河北科技大學學報，2014，31(3):234-238.

[2] 姚銳. 北斗接收機空時聯(lián)合抗干擾算法研究[J]. 西安電子科技大學學報，2015，28(1):147-149.

[3] 黃喆. 北斗接收機的空時二維抗干擾算法的研究與實現(xiàn)[D]. 成都：電子科技大學，2014.

[4] 翟永剛. 導航接收機空域自適應干擾抑制技術研究及實現(xiàn)[D]. 成都：電子科技大學，2009.[5] 盧丹，馮青，吳仁彪. 基于空時自適應處理的GPS寬帶干擾抑制技術[J]. 中國民航大學學報，2007， 25(4):672-674.

[6] 呂翠改. 基于空時域的北斗導航抗干擾接收算法研究[D]. 石家莊：河北科技大學，2013.

[7] FANTE R L, VACCARO J J. Wideband cancellation of interference in a GPS receive array[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2000, 36(2): 549-564.

[8] 俞志斌. 基于空時聯(lián)合的衛(wèi)星通信系統(tǒng)抗干擾性能研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2009.

劉燕(1991- )，女，碩士研究生，主要研究方向：陣列信號處理。

何明亮(1979- )，男，主任工程師，主要研究方向：無線產(chǎn)品。

姚建國(1965- )，男，碩士生導師，主要研究方向：移動通信理論與關鍵技術。

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)