淺析針對(duì)全球衛(wèi)星信號(hào)的弱干擾消除方案

翟曉東，張禛君

（上海司南衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司，上海）

引言

傳統(tǒng)的干擾消除方案[2]主要有兩種：第一種為數(shù)字信號(hào)在時(shí)域處理的干擾消除方案；第二種為數(shù)字信號(hào)在變換域處理的干擾消除方案。首先在時(shí)域的數(shù)字信號(hào)處理方案具有算法復(fù)雜度高、干擾消除延遲大兩大缺點(diǎn)；其次在變換域的干擾消除方案雖然具有干擾消除延遲小的優(yōu)點(diǎn)，但是技術(shù)實(shí)現(xiàn)比較困難。變換域干擾消除的技術(shù)方案[3]主要利用快速傅里葉變換（FFT）將信號(hào)從時(shí)域變換到頻域上，在頻域上統(tǒng)計(jì)每個(gè)頻點(diǎn)的能量，判斷每個(gè)頻點(diǎn)是否是干擾頻點(diǎn)的技術(shù)方案。與時(shí)域干擾消除方案相比，頻域干擾消除方案具有時(shí)間延遲小，可以消除任意類(lèi)型干擾的優(yōu)點(diǎn)，在工程上一般都是使用該方案。

但是，在實(shí)際工程應(yīng)用中，傳統(tǒng)干擾消除系統(tǒng)存在干擾探測(cè)靈敏度差、干擾消除功耗大、干擾消除效率低三大缺點(diǎn)，所以針對(duì)傳統(tǒng)干擾消除系統(tǒng)的缺點(diǎn)，本文旨在通過(guò)新的設(shè)計(jì)方案，對(duì)以下幾點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化：

首先，對(duì)傳統(tǒng)干擾消除方案的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化來(lái)降低整體硬件實(shí)現(xiàn)功耗。

其次，對(duì)輸入中頻信號(hào)的相干積分法，提高干擾探測(cè)靈敏度，有效提高對(duì)弱干擾信號(hào)的消除效率。

最后，通過(guò)實(shí)時(shí)更新干擾判斷的門(mén)限閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)干擾消除的自適應(yīng)能力。

1 傳統(tǒng)干擾消除方案

GNSS 衛(wèi)星信號(hào)的傳統(tǒng)干擾消除方案主要采用干擾探測(cè)器（CW Detector）和干擾消除器（CW Canceler）組成，分別是用來(lái)判斷信號(hào)中是否存在干擾和查找干擾頻點(diǎn)并消除。GNSS 衛(wèi)星信號(hào)干擾消除方案的典型的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 干擾消除典型結(jié)構(gòu)框圖

當(dāng)干擾探測(cè)器（CW Detector）檢測(cè)到信號(hào)中干擾存在時(shí)，使能打開(kāi)后續(xù)的干擾消除器（CW Canceler），沒(méi)有檢測(cè)到干擾時(shí)關(guān)閉干擾消除器，直接旁路by pass通過(guò)數(shù)據(jù)。

干擾探測(cè)器（CW Detector）的功能是檢測(cè)信號(hào)中是否存在干擾，其核心部分是一個(gè)數(shù)字掃頻儀，組成結(jié)構(gòu)如圖2 所示。先后通過(guò)本地?cái)?shù)控振蕩器NCO 和窗函數(shù)對(duì)輸入中頻信號(hào)做頻譜分析，從而完成濾波選頻，達(dá)到指定頻點(diǎn)抽取的目的，針對(duì)每一個(gè)抽取的頻點(diǎn)，計(jì)算復(fù)信號(hào)I/Q 兩路的模值，該模值一方面用于更新干擾探測(cè)器的閾值門(mén)限，另一方面用于統(tǒng)計(jì)所有頻點(diǎn)的最大值，并判斷最大值是否超過(guò)閾值門(mén)限，一旦信號(hào)中某個(gè)頻點(diǎn)的強(qiáng)度超過(guò)閾值，則認(rèn)為信號(hào)中存在干擾信號(hào)，從而使能打開(kāi)后續(xù)的干擾消除器。

圖2 CW Detector 典型操作流程圖

干擾消除器（CW Canceler）的功能是為了準(zhǔn)確找到所有干擾頻點(diǎn)并將干擾頻點(diǎn)的頻譜能量置為0，從而達(dá)到消除干擾的目的，組成結(jié)構(gòu)如圖3 所示[4]。輸入中頻信號(hào)先通過(guò)重疊加窗函數(shù)，再通過(guò)快速傅里葉變換（FFT），將信號(hào)從時(shí)域變換到頻域，在頻域搜索超過(guò)閾值的干擾頻點(diǎn)，并將該頻點(diǎn)的頻譜能量置為0，再將干擾消除后的頻域信號(hào)通過(guò)逆傅里葉變換（IFFT）變換成時(shí)域信號(hào)，最后通過(guò)反加窗函數(shù)將還原成連續(xù)的時(shí)域信號(hào)并輸出。

2.2 兩組受試者血清IL-15、MCP-1、TGF-β水平之間的相關(guān)性分析 經(jīng)Pearson線(xiàn)性相關(guān)性分析，健康對(duì)照組受試者血清IL-15、MCP-1、TGF-β水平之間均無(wú)線(xiàn)性相關(guān)(P>0.05);骨關(guān)節(jié)結(jié)核患者血清IL-15、MCP-1、TGF-β水平之間亦無(wú)線(xiàn)性相關(guān)(P>0.05)。見(jiàn)表2。

圖3 CW Canceler 典型操作流程圖

在典型的干擾消除器中，一方面，干擾探測(cè)器用于檢測(cè)信號(hào)是否存在干擾，然而干擾消除器也需要對(duì)輸入中頻信號(hào)的所有頻點(diǎn)進(jìn)行再一次掃描，以確認(rèn)干擾頻點(diǎn)位置；另一方面，干擾探測(cè)器中確定是否存在干擾的閾值門(mén)限需要足夠的大，以防止干擾誤檢測(cè)；同理，干擾消除器中為防止檢測(cè)虛警，造成信號(hào)不必要的損失和衰減，也需要將干擾頻點(diǎn)的閾值門(mén)限設(shè)置在一個(gè)比較安全的范圍。所以傳統(tǒng)的干擾消除器存在以下缺點(diǎn)：

（1）干擾消除器包含了干擾探測(cè)器，對(duì)于重復(fù)的干擾探測(cè)器可以實(shí)時(shí)功耗性能可優(yōu)化。

（2）干擾探測(cè)器對(duì)于弱干擾信號(hào)（弱干擾信號(hào)）的檢測(cè)能力弱，不能有效的檢測(cè)出弱干擾信號(hào)，容易漏檢。

（3）干擾消除器不易搜索到弱干擾信號(hào)的干擾頻點(diǎn)，對(duì)弱干擾信號(hào)的魯棒性弱，干擾消除效率低。

2 弱干擾消除方案

在GNSS 衛(wèi)星信號(hào)干擾消除過(guò)程中，針對(duì)難以檢測(cè)的弱干擾信號(hào)消除問(wèn)題，本文提案通過(guò)信號(hào)相干積分法提高弱干擾信號(hào)的干信比，從而有效的提高了弱干擾干擾信號(hào)的檢測(cè)和消除效率，提高新設(shè)備對(duì)弱干擾信號(hào)的魯棒性和靈敏性；并且通過(guò)優(yōu)化干擾消除器結(jié)構(gòu)，降低算法功耗，增強(qiáng)硬件資源使用率；在檢測(cè)干擾的同時(shí)，實(shí)時(shí)自動(dòng)更新干擾檢測(cè)的閾值門(mén)限，可以對(duì)不同能量大小的干擾信號(hào)自適應(yīng)消除。

本文提案的干擾消除器的整體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。改進(jìn)型干擾消除器結(jié)構(gòu)優(yōu)化掉了干擾探測(cè)器，在干擾消除器中增加了信號(hào)相干積分模塊，所增加的模塊已經(jīng)在固件中完成，便于工程實(shí)現(xiàn)。

圖4 本文提案的新干擾消除結(jié)構(gòu)框圖

對(duì)于輸入的中頻衛(wèi)星信號(hào)IF Data，首先經(jīng)過(guò)重疊加窗模塊，得到加窗后信號(hào)；其次對(duì)加窗信號(hào)做快速傅里葉變換（FFT），將時(shí)域信號(hào)變換到頻域；然后，對(duì)頻域信號(hào)做相干累加，并判斷峰值是否超過(guò)閾值，返回干擾是否存在標(biāo)志和干擾頻點(diǎn)；如果干擾存在，則打開(kāi)自適應(yīng)濾波模塊，實(shí)現(xiàn)干擾消除；如果干擾不存在，則不打開(kāi)自適應(yīng)濾波模塊，輸入中頻信號(hào)直接按照By pass 支路輸出，其中頻譜相干積分累加一方面可以檢測(cè)信號(hào)中是否有干擾存在，通過(guò)相干積分累加可以逐漸突出干擾信號(hào)峰值的影響，以達(dá)到對(duì)弱干擾干擾信號(hào)檢測(cè)和頻點(diǎn)掃描的目的；另一方面可以輸出干擾頻點(diǎn)信息給后續(xù)的自適應(yīng)濾波模塊；同時(shí)還能自動(dòng)更新自適應(yīng)干擾消除的門(mén)限閾值參數(shù)。經(jīng)過(guò)自適應(yīng)干擾消除后的頻域信號(hào)需要再經(jīng)過(guò)逆傅里葉變換（IFFT），將頻域信號(hào)轉(zhuǎn)換到時(shí)域信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)反加窗函數(shù)，實(shí)現(xiàn)干擾自適應(yīng)消除后的信號(hào)與輸入信號(hào)的無(wú)縫連接，并輸出，本文提案所有模塊功能如圖5 所示。

圖5 本文提案干擾消除法中所有模塊功能示意圖

3 優(yōu)化方案

針對(duì)于本文提案設(shè)計(jì)思路，還可以對(duì)某些模塊進(jìn)一步優(yōu)化，以便降低硬件實(shí)現(xiàn)功耗，或則在增加硬件資源開(kāi)銷(xiāo)的前提下，獲得對(duì)干擾靈敏度動(dòng)態(tài)性的提升，這里列舉兩個(gè)不同方向的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案：

優(yōu)化設(shè)計(jì)方案一：上述的FFT 和IFFT 算法，在硬件實(shí)現(xiàn)時(shí)，除了旋轉(zhuǎn)因子的區(qū)別外并沒(méi)有區(qū)別，所以重復(fù)利用FFT 實(shí)現(xiàn)IFFT 算法，以?xún)?yōu)化硬件資源功耗，提升硬件系統(tǒng)性能。如圖6 所示。

圖6 基于FFT 重復(fù)利用的IFFT 等效實(shí)現(xiàn)框圖

中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)加窗后順序輸入FFT 模塊，逆序輸出；經(jīng)過(guò)自適應(yīng)濾波模塊后，重新做一次逆序，得到順序頻譜信號(hào)，重新輸入FFT 模塊，逆序時(shí)域信號(hào)輸出，再做一次逆序，得到順序輸出的時(shí)域信號(hào)。即FFT 輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)逆序、FFT、逆序的操作可以等價(jià)的得到IFFT 的輸出。

優(yōu)化設(shè)計(jì)方案二：在相干積分累加模塊，增加/減少傅里葉變換點(diǎn)數(shù)或相干積分長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)干擾消除靈敏度性能的動(dòng)態(tài)變化。比如通過(guò)增加傅里葉變換的點(diǎn)數(shù)或則相干積分累加的長(zhǎng)度，雖然硬件資源的開(kāi)銷(xiāo)增多了，但是擴(kuò)大了頻點(diǎn)掃描范圍，同時(shí)增強(qiáng)了對(duì)弱干擾干擾信號(hào)的檢測(cè)能力。還可以根據(jù)需求適當(dāng)減少傅里葉變換的點(diǎn)數(shù)或則減少相干積分累加的長(zhǎng)度，以節(jié)省硬件功耗。如果相干積分長(zhǎng)度退化為1，則等價(jià)于最簡(jiǎn)單的干擾探測(cè)器。

4 結(jié)論

本文主要在傳統(tǒng)干擾消除方案的基礎(chǔ)上，針對(duì)其缺點(diǎn)，提出新的干擾消除方案，詳細(xì)介紹了新干擾消除方案的技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，并且在新方案的基礎(chǔ)上提出了兩個(gè)新方案，一是利用傅里葉變換和逆傅里葉變換的特點(diǎn)優(yōu)化硬件資源利用率；二是利用相干積分技術(shù)提高干擾消除靈敏度技術(shù)。本文有效的拓展了干擾消除方案的設(shè)計(jì)思路，提高新干擾消除方案的可用性，為我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的廣泛應(yīng)用提供技術(shù)保證。