擴頻導航接收機抗干擾技術(shù)研究

王迪

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2010-5640-0817

摘? 要：本文提出了基于FADP（頻域幅值處理技術(shù)）的抗干擾方法，并把該方法應用在擴頻導航接收機中，提高導航系統(tǒng)的抗干擾能力。FADP是根據(jù)統(tǒng)計判決理論，利用局部最優(yōu)檢測思想得到了一個非線性函數(shù)，通過這個非線性函數(shù)對干擾進行抑制。把FADP應用在常規(guī)平方和偽碼捕獲結(jié)構(gòu)中，它能夠根據(jù)非高斯干擾的統(tǒng)計特性來消除干擾以提高擴頻系統(tǒng)信噪比。仿真結(jié)果證明了本文提出的這種干擾抑制結(jié)構(gòu)能夠有效自適應的消除擴頻導航接收機中的窄帶干擾，提高擴頻系統(tǒng)的檢測性能。

關(guān)鍵詞：FADP? 局部最佳檢測? 擴頻系統(tǒng)? 抗干擾技術(shù)? 檢測概率

中圖分類號：TN967.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）01（c）-0095-03

On the Anti Jamming Technology of Spread Spectrum Navigation Receiver

WANG Di

（Unit 61081， Beijing，100094 China）

Abstract： This paper presents an anti-jamming method based on FADP （frequency domain amplitude processing technology）， and applies this method to spread spectrum navigation receiver to improve the anti-jamming ability of navigation system. FADP is based on statistical decision theory， using the idea of local optimal detection to obtain a nonlinear function， through which interference can be suppressed. When FADP is applied to the conventional square sum PN code acquisition structure， it can eliminate the interference according to the statistical characteristics of non Gaussian interference， so as to improve the signal-to-noise ratio of spread spectrum system. The simulation results show that the interference suppression structure proposed in this paper can effectively and adaptively eliminate the narrowband interference in the spread spectrum navigation receiver and improve the detection performance of the spread spectrum system.

Key Words： FADP; Local optimum detection; Spread spectrum system; Anti jamming technology; Detection probability

擴頻通信是目前在軍事和民用領(lǐng)域廣為應用的一種通信方式，因為它有很多的優(yōu)點，尤其是抗干擾方面。擴頻系統(tǒng)自身所固有的擴頻增益可以提供足夠的抗干擾能力，但當干擾功率超過干擾容限的時候，系統(tǒng)性能急劇下降。如今在通信中包括很多有意無意的干擾，其中無意干擾來自自然的干擾，這些干擾是客觀存在的，只能對其削弱并不能完全消除，而有意干擾指人為的干擾，這種干擾可以削弱或者能夠消除，隨著電磁環(huán)境越來越來惡化，有意無意的干擾功率相對于信號功率變得越來越大的時候，這種干擾造成的影響將足以使接收機不能正常工作，因此研究有效的信號處理技術(shù)來抑制干擾就變得越來越迫切。

本文針對在特定的頻段內(nèi)存在多個干擾的情況，提出了一種基于頻域幅值信號處理的抗干擾技術(shù)。當多個干擾集中在特定的頻段時，由統(tǒng)計學理論中的極限定理也可知此時的觀測噪聲分布可以近似用高斯分布，結(jié)果它們疊加在一起時的概率密度也呈現(xiàn)高斯特性，對于這樣的結(jié)果，時域的幅值信號處理濾波就不能從高斯噪聲中分辨多個干擾源，但是多個干擾的頻譜與高斯白噪聲的不同，因此，干擾信號加高斯白噪聲在頻域更容易檢測和消除。本文介紹局部最優(yōu)檢測原理，給出其非線性函數(shù);接著把頻域幅值信號處理技術(shù)應用在二維捕獲結(jié)構(gòu)中，得到基于頻域幅值處理的檢測器結(jié)構(gòu)，本文提出的頻域幅值處理技術(shù)對強功率的連續(xù)波窄帶干擾進行抑制并仿真，而且仿真了將頻域幅值信號處理應用在檢測結(jié)構(gòu)時的檢測性能;最后給出結(jié)論。

1? 應用FADP技術(shù)的接收機捕獲結(jié)構(gòu)

頻域幅值處理技術(shù)（FADP）是在頻域里應用幅值信號處理技術(shù)，幅值域信號處理濾波技術(shù)是基于Capon和Neyman-Pearson所做工作的一種統(tǒng)計檢測判決理論，它是局部最優(yōu)檢測思想的一個簡化的可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)。在擴頻導航系統(tǒng)中，接收機接收到的信號中存在多個干擾，而這些干擾在時域里不能被分辨出多個干擾源，但是大部分的干擾集中在一些特定的頻率范圍，所以頻域的數(shù)字信號處理會更有效。本文提出的頻域幅值信號處理技術(shù)，對于抑制擴頻導航系統(tǒng)中的多個干擾效果更明顯，所以把頻域幅值處理技術(shù)應用在擴頻接收機中是非常有意義。

在實際擴頻系統(tǒng)工作環(huán)境中，天線接收端觀測噪聲的概率密度函數(shù)（PDF）是無法確定的，而在這種情況下，通常的解決方案是假定接收觀測噪聲為加性高斯白噪聲，因此，此時采用的最佳檢測方式為相關(guān)累加器捕獲環(huán)路。但這種捕獲方式在實際非加性噪聲模型下的工作性能會變差甚至無法捕獲到信號。因此，需要研究未知信道模型下的近似最佳捕獲結(jié)構(gòu)，其中觀測噪聲PDF估計將是解決上述難題的關(guān)鍵。常用的PDF估計方式主要有兩種：連續(xù)多項式近似算法和離散柱狀圖統(tǒng)計方式。由于后一種方式計算量相對較少，執(zhí)行結(jié)構(gòu)相對簡單，所以本文采用離散柱狀圖統(tǒng)計方法來估計噪聲的概率密度估計，但是用這種方法得到的PDF是基于實時統(tǒng)計估計的是離散的，而實際信號檢測所需的PDF是連續(xù)的，所以需要增加濾波環(huán)節(jié)來平滑所統(tǒng)計到的采樣信號的概率密度函數(shù)曲線。

但是實時統(tǒng)計估計兩獨立分布通道的概率密度函數(shù)仍然非常困難。所以上面兩通路檢測結(jié)構(gòu)這樣的結(jié)構(gòu)實際應用起來仍有困難，因為必須要同時知道兩支路的聯(lián)合噪聲分布函數(shù) ，然而頻域幅值信號處理技術(shù)則根據(jù)輸入信號的統(tǒng)計判決理論對接收信號幅值（強干擾信號和有用信號的混合信號）進行一個非線性優(yōu)化處理來提高跟蹤環(huán)路輸入信號信噪比。主要將這個的最優(yōu)檢測函數(shù)的應用從笛卡爾坐標系轉(zhuǎn)換到極坐標系，這樣就只需要對信號幅值作這個非線性處理。應用幅值信號處理思想的檢測回路結(jié)構(gòu)圖如圖1。

這樣從射頻到基帶轉(zhuǎn)換后的輸入信號被解析成兩正交支路，經(jīng)過數(shù)字采樣再轉(zhuǎn)換為極坐標的幅值和相角形式。原來的非線性幅值信號處理函數(shù)就相應的變成了：

這個非線性函數(shù)就是基于采樣輸出的信號幅值的概率密度函數(shù)的。因為輸入信號相對于干擾來說非常的小，所采樣輸出信號幅值的概率密度函數(shù)幾近于干擾加噪聲的概率密度函數(shù)。時域幅值處理濾波器對于高斯白噪聲和擴頻導航信號是透明的，如果有很多干擾信號出現(xiàn)的頻譜中，由統(tǒng)計學理論中的中心極限定理可知此時觀測噪聲的分布可以近似用高斯分布表示，結(jié)果它們疊加在一起的概率密度函數(shù)可出現(xiàn)高斯特性，這時時域幅值處理濾波器不能從高斯噪聲中分辨出多個干擾，但是多個干擾在頻域里能被檢測出，因為它們的頻譜會和高斯噪聲完全不同，即通過FFT變換可以很清晰的分辨時域上難以區(qū)分的多非高斯干擾，因此將輸入信號首先進行FFT變化，然后再進行幅值信號處理濾波，最后IFFT變換得到干擾抑制后的信號，將大大提高直擴系統(tǒng)的非高斯干擾抑制能力。

2? 仿真分析

2.1 信號產(chǎn)生

為了便于對比現(xiàn)有的檢測及抗干擾方法的性能區(qū)別，采用最為常用的擴頻系統(tǒng)作為仿真系統(tǒng)信號以及干擾信號及參數(shù)，即民用GPS中的C/A碼產(chǎn)生擴頻信號。C/A碼也叫粗碼，它由兩個M序列產(chǎn)生，是gold碼的一種。它是1023個chirp組成的序列。本次仿真中采用碼速率1M/s，因此一個碼序列周期為1ms，采樣周期為20MHz。因為作為偽隨機信號，嚴格的理論上講它的傅立葉變換條件是不滿足的，所以不能夠?qū)λM行FFT變換，所以這里都采用功率密度譜即單位頻率內(nèi)的信號功率來表征其頻域信號結(jié)構(gòu)。

2.2 仿真結(jié)果及分析

本文針對擴頻系統(tǒng)常見的強功率的脈沖干擾（PWI），對其進行干擾抑制，該干擾是最常見的一種干擾了。最終頻域幅值信號處理濾波器是要插入到現(xiàn)有的擴頻系統(tǒng)捕獲結(jié)構(gòu)中，提高擴頻系統(tǒng)的抗干擾性能，提高信噪比，使系統(tǒng)能更好的檢測到信號，它將采樣信號結(jié)構(gòu)重新變換到對于傳統(tǒng)平方和檢測器最優(yōu)的特征，也即是高斯分布特征，最終能夠在強窄帶等干擾情況下提高檢測概率。將頻域幅值信號處理技術(shù)應用在檢測結(jié)構(gòu)中，其檢測性能如圖2。

在圖2中（a）圖是沒有經(jīng)過頻域幅值處理環(huán)節(jié)的檢測器，已經(jīng)不能分辨相關(guān)譜峰，出現(xiàn)了很多相關(guān)值很高的偽峰，而（b）圖是通過幅值信號處理，極大的衰減強窄帶干擾，并且信噪比損失不大，所以能夠恢復傳統(tǒng)檢測器在高斯背景下的檢測狀況。

3? 結(jié)語

本文將幅值信號處理算法擴展到了頻域進行，形成了頻域幅值信號處理，它跟幅值信號處理過程非常相似，只是在采樣信號處理之前先將它轉(zhuǎn)換到頻域，經(jīng)過幅值信號處理再轉(zhuǎn)換回來，這使得它在頻域具有更好的分辨能力。通過對擴頻系統(tǒng)常見干擾的仿真，證明頻域幅值信號處理對于脈沖干擾有很明顯的衰減，而對信噪比的損失相對也比較小，在-3dB以內(nèi)。通過將它插入到傳統(tǒng)平方和檢測器中，它能夠使傳統(tǒng)的擴頻捕獲結(jié)構(gòu)獲得較強的干擾能力，在強干擾時提高偽碼捕獲性能。

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