GPS接收机的窄带干扰消除技术研究

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ＧＰＳ接收机的窄带干扰消除技术研究

陈亮

（远东华强导航定位有限公司河北石家庄０５００８１）

【摘要】随着干扰技术的发展，全球定位系统（ＧＰｓ）抗干扰性能差的缺点日益突出，对于能有效用于工程应用的抗干扰方

法的研究显得尤为重要。频域抑制干扰处理中的频域陷波法是一种可以有效地移除宽带ＧＰＳ信号中窄带干扰的方法。通过对

Ｎ－ｏ消除策略的理论分析，并结合工程实践对该方法进行数字仿真实验得出仿真结果，比对分析得出了该方法在抗干扰方面

的优势和一些有益的结论及合理解释，并引申出在实际工程中运用该方法时需要考虑的实际问题，对该方法在实际工程中的

应用提供一定的实践依据。

【关键词］ＧＰＳ 自适应 窄带滤波器频域陷波

中图分类号：ＴＰ３１１．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ ００８－ｉ７３９（２０１Ｉ）０５－５９＿－

Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｎａｒｒｏｗ－ｂａｎｄ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ ｉｎ ＧＰＳ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ

ＣＩ－￣ＮＬｉａｎｇ

（Ｆａｒｅａｓｔ Ｈｕａｑｉａｎｇ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ＆Ｐｏｓｉｉｔｏｎ ＣＯ．，ＬＴＤ，ｓｒａｊｉａｚｈｕａｎｇ Ｈｅｂｅｉ ０５００８１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｌｏｎｇ 出ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ｉｔ ｉｓ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ｔｈａｔ ＧＰＳ ｓｈｏｗｓ ａ ｐｏｏｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｎ

ｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｓｉｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ａｎ ａｎｔｉ—ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｗｈｉｃｈ Ｃａｎ ｂｅ ｅｆｌａｃｉｅｎｄｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｐｐ￣ｃａｔｉｏｎ

ｂｅｃｏｍｅｓ ｍｏｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ．Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｉｓ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—ｄｏｍａｉｎ ｅｘｃｉｓｉｏｎ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｗａｙ ｗｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ

ｈｅ ｒｅｃｅｉｔｖｅｄ ｓｉ ａｌ ｔＯ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ，ｃｏｍｐｕｔｅ ｓｉｇｒ￣ｌ ｓｔａｔｉｓｄｃｓ ｔＯ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ａｎ ｅｘｃｉｓｉｏｎ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ，ｒｅｍｏｖｅ ａｌｌ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｅｎｅｒｇｙ

ｅｘｃｅｅｄｉｎｇ ｔｈａｔ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ，ａｎｄ ｒｅｓｔｏｒｅ ｔｈｅ ｒｅｍａｉｎｉｎｇ ｓｉｇｎａｌ ｔＯ ｔｈｅ ｔｅｍｐｏｒａｌ ｄｏｍａｉｎ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＧＰＳ；ａｄａｐｔｉｖｅ；ｎａｌＴｏｗ—ｂａｎｄ ｆｉｌｔｅｒ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—ｄｏｍａｉｎ ｅｘｃｉｓｉｏｎ

１引言

ＧＰＳ接收机通过处理ＧＰＳ卫星发送的信号获得自身的位

置、速度以及时间信息。到达接收机的信号通常是十分微弱

的，一般比接收机内部的热噪声低２０到３０ ｄＢ左右。人为或

是非人为的干扰对于接收机接收信号的性能影响是非常大

比（ＩＳＲ．）达到９７ ｄＢ的单音窄带干扰信号。进一步来讲，这种

技术还可以有效地抑制多音干扰、扫频单音信号以及脉冲单

音信号。但是，当窄带与宽带干扰同时存在的时候。这种方法

只能滤除其中的窄带干扰。理想的方法是这种方法与空域的

处理相结合

的。因而，具备相当程度抗干扰能力的接收机就成为了研究的

方向。

２频域干扰抑制处理

最基础的频域干扰抑制处理如图１所示。快速傅立叶变

其中一类较为常见的干扰形式为窄带干扰。一１００ ｄＢｍ

的单音（ＣＷ）信号就足以使普通商业接收机无法完成捕获。

对于这种干扰，频域的自适应窄带滤波器（ｍＣＢＦ）是非常理想

的一种选择。介绍了一种基于自适应窄带滤波器的频域陷波

化（ＦＦＴ）将输入信号转化到频域，借由消除模块修正频谱中的

窄带干扰，最后再将修正后的信号转化回时域。理想的输出信

号是输入信号减去窄带干扰，并且保证具有最小的衰减。

器。应用于适当的ＧＰＳ接收机时，这种陷波器可以抑制干信

毋匝册

定稿日期：２０１１－０２—１０

图１频域干扰抑制处理框图

２０１１年第Ｏ５期《计算枕与网络》

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输入信号ｘ（ｎ）＝ｓ（ｎ）＋ｊ（ｎ），它由两部分组成：需要的信号ｓ 示为：

（ｎ）以及不需要的干扰Ｊ（ｎ）。第ｋ点的Ｎ点离散傅立叶变换

（ＤＦＴ）的输出结果为：

Ｎ－１

（∑ Ｎ：－。ｉ∞（ｎ））

Ｒ＝—— （４）

∞ｐ，魁馨

Ｎ∑ Ｎ＝Ｉ‘１）２（ｎ）

・

ｘ ＝∑ｘ（ｎ）ｅ－Ｊ２一 （１）

ｎ ｏ

对于某些拥有极低旁瓣的窗函数来说，信噪比的损失可以

这个ＤＦＴ可以准确地分辨Ｎ个不同频率上的能量 ＝

达到３ ｄＢ。例如，一个最小数目为４点采样的Ｂｌａｃｋｍａｎ－Ｈａｒｒｉｓ

２ｗｋ／Ｎ。但如果输入单音干扰的频率不在这Ｎ个频率点上，就会

产生一定程度的频率弥散。为了阐明这种影响以及说明常规频

域陷波处理的性能，当输入信号干扰为一个单音干扰时的

ＤＦＴ的输出。可表示为：

窗旁瓣会有一９２ ｄＢ的衰减，对于抑制这种情况有非常好的性

能。但信噪比的损失接近３ ｄＢ。为了有效的减少信噪比的衰减，

引入了５０％的重叠。这意味着需要采用两路彼此间隔Ｎ／２个

样点的并行处理。如图４所示。每组中逆ＦＦＴ的结果只取中间

ｘ（ｎ）＝ｓ（ｎ）＋唧Ｄ（等Ⅷ】 （２）

的Ｎ／２个值，并最终将两路的结果拼合。对于４采样点的

Ｂｌａｃｋｍａｎ－Ｈａｒｒｉｓ窗来说，经过５０％复用的处理，信噪比的损失

从３ ｄＢ降低到了０．６ ｄＢ。

在这种情况下，干扰的频率设为‘＝（ｃ＋‘＋，）／２。当然，这

样是最坏的情况，单音信号处于２个ＤＦＴ可分辨的频点的正

中，如图２所示。从图中可以看出单音的能量弥散在整个频谱

当中。虚线计算出来的是进行消除所需的门限，把超出门限的

频谱能量归零。通过这个处理，在接收频谱中干扰的能量就被

移除掉，但很明显的是大量信号能量也在处理过程中损失掉

了。

图４采用Ｎ／２个样点的处理并行框图

３ Ｎ—Ｉ】ｒ消除策略

该策略的目的是从所需的宽带信号中滤除窄带干扰。由定

义可知，这些干扰占据相对较少的频率点，而且幅度远高于

ＦＦｒ输出的噪底。

Ｎ一盯策略是一种自适应消除数目可变频率点的消除策

频翠，ＨＺ

略。频谱消除的比率决定于存在干扰的数目以及幅度大小。Ｎ一

盯策略的自适应特性决定其可以不改变其他频率分量的同时

消除窄带干扰。它可以有效地利用的ＧＰＳ信号＋噪声信号的类

高斯特性分布与干扰形式不同的特性。当信号中加入干扰时，

图２输入信号干扰为一个单音干扰时的ＤＦＴ的输出

为了有效的避免这种情况的发生，基于离散傅立叶变换

的频域陷波技术通常采用加窗的方法，如图３所示。

原频谱的特性分布就会被破坏，未被干扰影响到的部分仍然会

Ｈ亘卜匦 叵

图３加窗后的频域干扰抑制处理框图

从分析中可以看出，加窗平滑了各个频点间的不连续性

进而有效地避免了频谱能量的泄漏。加窗后的ＤＦＴ的输出为：

Ｎ

－

．

保持着高斯特性，这样就可以将被干扰影响到的部分区分开

来。Ｎ一叮策略的原理图如图５所示。

ｉ２＇￣ｍ．．

ｘ（ｋ。＝∑ｃｏ（ｎ）ｘ（ｎ）ｅ （３）

ｎｉ ０

图５ Ｎ－ｏ策略原理图

对于每块２５６点的复数数据输出来说，Ｎ－ｏ＂策略统计各

可以看到，窗函数的选择决定了ＤＦＴ输出频谱泄漏的大

小。选择拥有较低旁瓣的窗函数能够有效地降低频谱的泄漏。

叮ｃａ１ｃ）以及均值（ ｃａ１ｃ）。计算门限的 个频率点数据的标准差（

但是．一个较低的旁瓣同时也意味着较宽的主瓣，因此要想达

到很好的消除干扰效果，必须在两者之间达到平衡。

对于ＧＰＳ的应用来说，目的实际上是通过减少每个单音 门限计算的比例因子Ｐ。计算门限为：

时候，先比较盯ｃａｌｃ与四个量化级别，ｃｒｌ０到ｏ１３。通过比较确定

Ｅ血 ＝ 山＋ｐ．叮ａｌ （５）

信号的频率扩展来减少需要消除的频率点数目。同时，也应该

尽量避免当干扰不存在时候ＧＰＳ信号的衰减。窗函数的选择 较大的仃ｃａ１ｃ意味着干扰的存在并需要选择较小的比例因

需要在这两点中找到一个折中的方法。信噪比的的衰减可以表

子Ｐ。确定门限后，每个超出门限的频率点的值都设为０。这样，

《计，｜机与网络＞２０１１年第０５期

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就可以在提供很好抗干扰性能的同时尽量保有所需要信号的

特性。

抗干扰算法，如提高ＦＦＴ点数，虽然可以提高算法的分辨率，但

这会增加整个硬件平台的规模以及功耗。因此在具体实践过程

枷Ｂ 咖 ７ 咖 ６ ５ ４ ３ ２ １咖 咖 ｏ

中，设计者应在预期的抗干扰数量、抗干扰效果以及硬件平台

４技术仿真试验

支持的ＦＦＴ分辨率（ＦＦｒ点数）等条件下做出折中考虑。而不能

追求单一指标的突出。

针对抗四个单音窄带干扰进行仿真，在四个窄带干扰中，

从实际仿真效果来看，设定合理的Ｎ一盯策略以及ＦＦＴ点

一

个强于噪底３０ ｄＢ，另外三个强于噪底２０ ｄＢ，信噪比为－２３

数，是可以对窄带信号进行较深的抑制的。同样地，在工程应用

ｄＢ，频率分别为：３６ ＭＨＺ、３６．５ ＮＩＩ－ＩＺ、４２ ＭＨＺ、５０ ＭＨＺ，带宽

中，也应该综合考虑抗干扰效果以及硬件平台运算能力等因

均为Ｉ ＩＶＬＨＺ，如图６所示。抗干扰后相干峰如图７所示，图中

素，以便做出最佳的抗干扰策略。

纵轴表示相关峰幅值，横轴表示相关的偏移位置。

● ●， Ｔ

６结束语

｛，

在已给窄带干扰模型基础上，通过设置不同的干扰类型，

∞

倒

馨

： ｉ

： ｌ ｌ

对频域陷波抗法干扰进行数字仿真和深入研究。得出频域陷波

法抗干扰的一些结论，从而为抗窄带干扰的理论研究，以及

ＧＰＳ接收机的工程时间，提供了一定的理论依据。实践证明有

很好的参考价值，该方法在工程应用中将具有广阔的空间。

…一一

＾－

攮率 Ｚ

图６抗干扰前信号

参考文献

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Ｓｕｐｐｒｅｓｓ ｉｎｇ Ｈａｒｒｏｗｂａｎｄ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ ＰＨ

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要

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馨

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ＡｎａｌｙｓｉＳ ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ｄｉｓｃｒｅｔｏ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，”

【Ｊ】Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ，，Ｊａｎｕａｒｙ １９７８，ｅｅ１．６６，

图７抗干扰后相关峰

ｎｏ．１，ｐｐ．５卜８３．

５结果分析

【４】Ｊ．Ｙｏｕｎｇ．”ＡｎａｌｙｓｉＳ ｏｆ ＤＦＴ—Ｂａｓｅｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ

ＥｘｃｉＳｉｏｎ Ａｌｇｅｒｉｔｈｍｓ ｆｏｒ Ｄｉｒｅｃｔ—Ｓｅｑｕｅｎｃｅ

通过对比图６和图７的仿真结果可以看出。此算法对四

Ｓｐｒｅａｄ－Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔ ｉｏｎｓ。”【Ｊ】ＩＥＥＥ

个单音干扰的抑制幅度均很深，在原单音干扰的位置，实旆抗

Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ａｕｇｕｓｔ １９９８，ｖｏ１．

干扰算法后，均能产生很深的零陷（噪声电平以下）。对于５０

４６，ｎｏ．８，ＰＰ．１０７６—１０８７．

ＮＩＨＺ的单音干扰，可清楚的看到，在有效地抑制该信号的同

【５］Ｌ．Ｒ．Ｒａｂｉｎｅｒ ａｎｄ Ｂ．ＧＯＬＤ．ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ａｐｐｌ ｉｃａｔｉｏｎ

时，对周围有用信号的影响是比较微弱的。这说明Ｎ一叮策略的

ｏｆ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，【Ｍ】Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ。

作用是比较明显的。在实际工程中也是可以接受的。

Ｅｎｇｌｅｗｏｏｄ ＣＩ ｉｆｆｓ，ＮＪ，１９７５．

另外也应看到，由于ＦＦｒ分辨率带宽的问题，对于中心频

【６］Ｅ．Ｂｉｄｅｔ，Ｄ．Ｃａｓｔｅｌａｉｎ，Ｃ．Ｊｏａｎｂｌａｎｑ，ａｎｄ Ｐ．

率为３６ ＭＨＺ、３６．５ ＭＨＺ两个窄带干扰。由于频率相距很近。

Ｓｅｎｎ．”Ａ Ｆａｓｔ Ｓｉｎｇｌｅ—Ｃｈｉｐ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ８１９２

抗干扰算法无法将其中的有用信号分辨出来，而是一同滤除，

Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｐｏｉｎｔ ＦＦＴ。 【Ｊ】ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌ ｉｄ－Ｓｔａｔｅ

这在一定程度上会造成有用信号信噪比的损失。如果我们改进

Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，Ｍａｒｃｈ １９９５，ｅｅ１．３０，ｎｏ．３，ＰＰ．３００－３０５．

２０１１年第０５期＜讦｜｜机与厨络＞