边带相关置换算法的窄带干扰抑制技术实现

第３７卷第６期

应 用 科 技

Ｖｏ１．３７．№．６

２０１０年６月

Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

Ｊｕｎ．２０１０

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９—６７１ Ｘ．２０１０．０６．Ｏ１ １

边带相关置换算法的窄带干扰抑制技术实现

王卓刚，张晓林，王二小

（哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，黑龙江哈尔滨１５０００１）

摘要：边带相关置换算法（ＳＣＲ）适用于抑制频谱具有对称性的信号中的窄带干扰，算法具有处理速度快、计

算量小、对信号成分损失小、抑制效果明显等优点，在强干扰下，能较好地保留信号成分抑制干扰成分，对变换

域干扰置零方法有较大性能优势．在此主要研究采用边带相关置换算法抑制ＱＰＳＫ信号中窄带干扰的具体实

现方法，研究对象为载频和干扰中心频率确知的接收端ＱＰＳＫ信号，结合算法特点给出了实现方法的设计方

案，并通过实际应用证明了设计方法用于干扰抑制实现的有效性和可靠性．

关键词：边带相关置换；窄带干扰；ＦＰＧＡ；ＱＰＳＫ信号；抑制

中图分类号：ＴＮ９１９．６＋３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—６７１Ｘ（２０１０）０６—００４０—０３

Ｎａｒｒｏｗ－ｂａｎｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ

ｓｉｄｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ

ＷＡＮＧ Ｚｈｕｏ—ｇａｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ—ｌｉｎ，ＷＡＮＧ Ｅｒ—ｘｉａｏ

（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｉｄｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ（ＳＣＲ）ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｓｕｃｈ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｓ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｑｕｉｃｋｌｙ，ｆｉｇｕ—

ｒｉｎｇ ｉｎ ｓｍａｌｌ ｑｕａｎｔｉｔｙ，ｌｏｓｉｎｇ ａ ｌｉｔｔｌｅ ｉｎ ｓｉｇｎａｌｓ ａｎｄ ｈａｖｉｎｇ ｏｂｖｉｏｕｓ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｎｇ，ｉｓ ｆｉｔ ｆｏｒ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｎｇ ｔｈｅ

ｎａｒｒｏｗ－ｂａｎｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ ｓｉｇｎａｌｓ ｏｆ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｗｉｔｈ ｓｙｍｍｅｔｒｙ．Ｉｎ ｔｈｅ ｓｔｒｏｎｇ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｂｅｔｔｅｒ ｔｏ ｋｅｅｐ

ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌｓ ａｎｄ ｓｕｐｐｒｅｓｓ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ａｎｄ ｈａｓ ａ ｇｒｅａｔ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｎｕｌｌｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｎ ｔｒａｎｓ—

ｆｏｒｍ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ｔｈｉｓ ｅｓｓａｙ ｍａｉｎｌｙ ｄｏｅｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｕｓｉｎｇ ｓｉｄｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｌｇｏ—

ｒｉｔｈｍ ｔｏ ｓｕｐｐｒｅｓｓ ｎａｒｒｏｗ—ｂａｎｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ ＱＰＳＫ ｓｉｇｎａｌｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔａｒｇｅｔｓ ａｒｅ ｃａｒｒｉｅｒ￣ｅｑｕｅｎｅｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅ－

ｃｅｉｖｉｎｇ ｐａｒｔ ｇ ＱＰＳＫ ｓｉｇｎａｌｓ，ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅ ｗｉｔｈ ａｓｃｅｒｔａｉｎｅｄ ｃｅｎｔｒａｌ￣ｅｑｕｅｎｃｙ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ａｌｓｏ ｇｉｖｅｓ

ｒｅａｌｉｓｔｉｃ ｄｅｓｉｇｎ ｐｌａｎ ｂｙ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ａｎｄ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｌａｎ ｂｙ ｐｒａｃ－

ｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｉｄｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ；ｎａｒｒｏｗ—ｂａｎｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ；ＦＰＧＡ；ＱＰＳＫ ｓｉｇｎａｌｓ；ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｎｇ

窄带干扰的频域抑制算法多数实现过程复杂、

果．设计方案在线分析方法适用于单个Ｆ丌数据段

占用资源多、计算量大、实时性较差．边带相关置换

长度适中、单段数据总量相对较小、片内ＲＡＭ有一

算法…与采用切除函数的变换域ＤＦＴ算法 性能

定冗余量用来存储抑制后数据的情况．实际应用中，

相比就有较大的优越性，与其他复杂算法相比具有

可支持单段数据量的长度取决于芯片的运算存储指

运算速度快、硬件资源占用少、数据实时性强等优

标．与传统方式相比，借助在线逻辑分析来实现对数

点．论文借鉴常用的设计实现方法，结合边带相关置

据的观测和少量存储，降低了验证成本和复杂程度．

换算法自身特点，利用计数模块生成控制信号对

实际验证结果表明，设计方案能够较好地实现边带

ＲＡＭ进行读地址串序，完成算法抑制过程．实现部

相关置换算法．

分采用仿真软件与在线逻辑分析相结合的方法，将

数据依照ＩＥＥＥ７５４标准完成二进制表示并转化为

１ 边带相关置换算法（ＳＣＲ）原理

十六进制数据进行存储，抑制后的数据由在线逻辑

ＳＣＲ算法可以抑制包括ＱＰＳＫ信号在内的、频

分析导出并通过对频谱相似度的计算分析抑制效

谱具有对称性的信号，ＱＰＳＫ调制信号的功率谱可

收稿日期：２００９—１１－２６．

作者简介：王卓刚（１９８２－），男，硕士研究生，主要研究方向：扩频通信、宽带数字通信系统，Ｅ．ｍａｉｌ：ｗｚｇ０３０２９０１０＠１６３．ｃｏｎ

第６期 王卓刚，等：边带相关置换算法的窄带干扰抑制技术实现

以表示为

范围长度为１０．

ＰＱＰＳＫ（ ）＝ＫＡ２ ［ 警］・（１）

模型及置换范围的要求，将置换位置数据所对应地

算法首先利用ＱＰＳＫ信号频谱边带相关性，计算每

一

双口ＲＡＭ中的读地址是按照ＳＣＲ算法的数学

址位进行相应的地址置换，形成串序后的读地址，待

输入读地址后对应的输出数据已完成边带相关置换

频点上的ＱＰＳＫ信号功率谱的对称相关值，比较

得出最大相关值，该最大值所在的频点即确定为载

波频率，算法中对载频和干扰的估计 表述如（２）

运算的频谱数据．由图１可知，ＳＣＲ算法干扰抑制具

有自有延时，使得在置换过程中，读地址的输入起始

时刻需要等待计数器输出的控制信号，非镜像部分

呦 Ｒ（／＋意）附一惫）．（２）

的置换需保证在到达原干扰位置前完成对相应有效

式中：待检测信号为ｒ（ ），ｒ（￡）的时域抽样值为

ｒ（ｎＴｓ），ｒ（ｔ）的频谱形式为Ｒ∽，采样周期为 ，时域采

样样本数为Ⅳ，频域滑动窗口宽度为 ＝２Ｍ／（Ⅳ ）．

载频和干扰中心频率确定后，利用信号频谱的

对称性，用相对于窄带干扰的边带对称值代替干扰

值，实现干扰抑制．若信号幅值以载频∞ 成中心对

称，假设存在干扰的频点为 ，功率谱的替代过程

满足下式：

Ｓ。（ ）＝Ｓ （２ｏ） 一∞ ）． （３）

图１给出了置换原理，信源部分采用ＱＰＳＫ调

制，抽样频率３２ ＭＨｚ，码元速率２ ＭＨｚ，降频中频

４ ＭＨｚ．干扰部分为窄带ＭＳＫ信号，中心频率

３．５ ＭＨｚ，码元速率２ ０００ Ｈｚ．

｛ ｛： ｆＪ２ ｆ ：ｌ ｆ

图１ ＳＣＲ算法置换原理示意图

２硬件实现方法

硬件算法实现部分主要完成ＳＣＲ算法的数据

置换过程，输入数据为ＲＯＭ中存储的ＱＰＳＫ频谱信

号，分实、虚部２部分，图２所示为单路（实部）实现

示意图，虚部在此基础上添加了对置换位置最高位

取反模块．

数据流（Ｄａｔａ）

写地址

双

、＾ｊｒ ａｄｄｒｅｓｓ

口

Ｒ

Ａ

计数器生

串序后的

成延时控

读地址

Ｍ

制信号

ｒｄ ａｄｄｒｅｓｓ

图２ ＳＣＲ的单路实现

选取实际数据的合成信号信干比为一１０ ｄＢ，信

号码元数为６４，频域抽样点数为１ ０２４个，相关置换

置换数据的写入，在适当的延时结束后输入读地址，

使得ＲＡＭ的输出完全满足ＳＣＲ算法的要求．

３ 实现平台与结果分析

３．１整体实现方法

实际应用中，在线分析与观测过程对数据的处理

分为２部分，图３中，虚线框外部分由计算机仿真完成、

虚线框内部分由硬件运算模块完成，采取这种方法，能

够在降低复杂度和验证成本的前提下，利用较少资源

较好的完成对设计方案的在线分析与观测．

图３整体实现方法不意图

干扰未经抑制的单精度浮点数据由计算机生成

并经进制转换后存储进ＦＰＧＡ中的ＲＯＭ模块，经过

干扰抑制后的数据将暂存在在线逻辑分析器所占用

的ＲＡＭ资源中，将这些数据导出给仿真软件，与初

期数据做对比分析完成效果分析．

３．２数据的进制转换

数据生成到存储到ＲＯＭ经历的进制转换过程

如图４所示．

图４数据进制转换过程示意图

浮点数的３２位单精度格式依照ＩＥＥＥ７５４标

・

４２・ 应 用 科 技 第３７卷

准 ，转换格式如下：

ｌｆｏａｔ＝（一１） ：Ｉ：（１．０＋Ｍ）：ｌ：２【ｅ ’． （４）

式中：ｓ为浮点数的符号， 为有效数字部分，ｅ为

指数，ｂ为偏移值．数据返回过程的进制转换过程是

上式的逆过程．

３．３芯片资源及资源占用率

３．３．１芯片参数及配置方式

０ ２００ ４００ ６００ ８００ １ ０００ ｌ ２００

加入干扰信号频谱（采样点）

（ｂ）合成信号频谱

图５干扰抑制前频谱

芯片使用Ａｈｅｒａ公司的Ｃｙｃｌｏｎｅ Ｉ１系列芯片

ＥＰ２Ｃ８Ｔ１４４Ｃ８，外部时钟为５０ ＭＨｚ晶振，内部时钟由晶

振经芯片内置ＰＬＬ分频，产生３２ ＭＨｚ抽样时钟频率．

配置方式采用ＪＴＡＧ方式 Ｊ，表１给出了主要参数．

表１ ＥＰ２Ｃ８Ｔ１４４Ｃ８参数

参数 值

逻辑单元数

８ ２５６

Ｍ４ＫＲＡＭ模块数

３６

用户最大Ｉ／Ｏ管脚数

１８２

ＲＡＭ总比特数

１６５ ８８８

乘法单元数

１８

ＰＩ．Ｉｓ

１

表２芯片资源占用率

参数 占用率

总逻辑单元数８８５／８ ２５６（１０％）

总的组合函数４９９／８ ２５６（６％）

占用逻辑寄存器数 ６９８／８ ２５６（８％）

总寄存器数 ６９８

总管脚数 ７４／８５（８７％）

总存储比特数 １３３ １２０／１６５ ８８８（８０％）

总Ｐｌｌｓ数 １／２（５０％）

３．３．２资源占用情况（单路）

验证过程使用了ＱｕａｒｔｕｓⅡ内嵌的在线逻辑分

析器，它是使用设计中剩余的ＲＡＭ块资源来存放

数据的．资源占用情况如表２所示．

３．４结果分析

用于实现数据在线分析的软件平台有：Ｍａｔ—

ｌａｂ７．０、Ｑｕａｒｔｕｓ Ｉ１ ８．１、ＳｉｇｎａｌＴａｐ ｌＩ；图５是信干比在

一

１０ ｄＢ下，窄带干扰频谱、合成信号频谱；图６是

经干扰抑制后的合成信号与未被干扰的信号频谱，

经对比分析得到其频谱相似度 为０．９０９ ５，满足实

际要求，证明了设计方案的有效性和实用性．

×ｌｆｆ

３ｒ

．． 。，

信号频谱（采样点）

（ｂ）干扰抑制后信号频谱

图６干扰抑制前后信号频谱

４ 结束语

阐述了ＳＣＲ算法的设计实现方案和数据在线

分析过程，并分析了实现效果．结合ＳＣＲ算法特点

采用简化、实用、有效的实现方式，增强了有效性和

可靠性．通过完成边带相关置换算法的设计实现，为

进一步实用化提供了重要依据和参考．

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