CN105259559A - 北斗rdss导航型接收机窄带干扰检测与抑止方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种北斗RDSS导航型接收机窄带干扰检测与抑止方法，通过下变频、低通滤波、数据抽取的数据预处理手段，将信号变化为零中频的宽带信号，利用基带处理中的观测量异常标志作为控制信号，一旦RDSS导航型接收机的基带提取的观测量出现异常，启动自适应干扰抵消运算，以统计逼近的方式，向最佳解收敛；当收敛于最佳解后，观测量将恢复正常，停止自适应干扰抵消运算。本发明在能明显提高***抗干扰能力的同时，可简化算法，降低运算量，有效降低***功耗。

Description

北斗RDSS导航型接收机窄带干扰检测与抑止方法

技术领域

本发明涉及一种卫星导航信号处理领域，特别是涉及一种北斗RDSS导航型接收机窄带干扰检测与抑止方法。

背景技术

现代通信技术中，直接序列扩频技术是卫星通信、军事通信中很有效的一种抗干扰技术。由于具有较高的扩频增益，直扩***对多种类型的干扰都具有较好的抑制性能。但在实际***中，往往受到带宽的限制，扩频增益不足以抑制大功率的窄带干扰。研究表明，若在解扩处理前，应用窄带干扰抵消技术将干扰抑制掉，能够大大提高***的抗干扰性能。

北斗RDSS卫星导航***采用直接序列扩频技术，但其抗电磁干扰的能力很弱。其原因在于北斗卫星只有几十W的发射功率，要传播约30000km的距离才能达到地球表面。而干扰机则离接收机要近得多，发射干扰功率也有可能大很多。而由信号功率与传播距离的平方成反比可知干扰机信号功率很容易做到比北斗有用信号电平强许多倍。强功率干扰使接收机中的相关器难于输出可检测的相关信号，从而使其频率跟踪环或码跟踪环不能锁定或失锁，从而导致接收机不能正常工作。

为了达到信号的抗干扰能力，我们采用时域自适应干扰抵消技术。在RDSS导航信号的信道带宽受到限制，处理增益不可能太大时，时域自适应干扰抵消技术的抗干扰能力非常突出。所谓自适应滤波是在部分信号特征未知的条件下，根据某种最佳准则，从由已知信号特征决定的初始条件出发，按某种自适应算法进行递推，在完成一定次数的递推之后，以统计逼近的方式，收敛于最佳解。引入自适应滤波抑制RDSS导航信号中的多窄带干扰的必要性在于：

1、由于RDSS信号相对占用了较宽的频带，因此受干扰的可能性也更大，特别是受多窄带干扰的可能性也更大。虽然RDSS信号具有一定的抗窄带干扰能力，但在受到强窄带干扰时，***的性能将大为下降；

2、在军事应用领域，由于RDSS信号相对占用了较宽的频带，因此受多窄带干扰和宽带干扰攻击的可能性也更大，而且干扰环境可能是时变的。使用自适应抗干扰技术可以提高***地抗干扰能力，从而最大限度地增强***的战术能力；

3、RDSS信号的抗干扰能力由其扩频处理增益决定。处理增益是通过增加带宽实现的。当达到一定程度时，进一步提高处理增益的代价很大，有时甚至是不可能的。此时，自适应技术提供了一个代价较低的有效手段；

4、由于干扰的大动态范围和时变性，干扰抑制必须相应采用自适应滤波，实时跟踪捕获干扰，实现干扰对消，提高导航***的抗干扰能力。

时域自适应干扰抵消技术是最近几十年来世界各国研究较活跃的领域，它充分利用干扰和信号特性的差异，依据某一准则(如：最大信噪比准则或最小均方误差准则)提取自适应干扰抵消所需的参数，推导自适应滤波器控制权值，不断调整自身结构，实现自适应抵消干扰、跟踪信号的目的。在直接序列扩频***中，接收信号主要包括扩频信号、接收机背景噪声及窄带干扰，由于窄带干扰具有强相关性，可以从其前后相邻的取样值估计出当前窄带干扰的取值，而扩频信号和背景噪声是宽带信号，近似不相关，其当前值不能估计。因此，能够采用自适应处理将具有强相关性的窄带干扰从当前接收的信号中抵消掉，而信号由于其不相关则不能抵消。

时域自适应干扰抵消技术要在直接序列扩频***中发挥最佳性能，需要扩频信号和背景噪声是宽带与信号采样带宽一致，以满足宽带信号条件。然而，对RDSS导航信号实施时域自适应干扰抵消技术，有下面的实际困难：

1、RDSS导航信号的信道带宽有限，不满足宽带条件，将严重影响抗干扰性能。

2、由于实际信号的采样速率高，数据量大，对运算资源消耗很大，也不利于实现低功耗设计。

发明内容

本发明的目的就是要克服现有技术的不足，提供一种北斗RDSS导航型接收机窄带干扰检测与抑止方法，以解决时域自适应干扰抵消技术性能发挥不佳及能耗比过低的的问题。

本发明的基本思路是：北斗RDSS导航型接收机收到的信号主要包含扩频信号、接收机背景噪声及窄带干扰，通过下变频、低通滤波、数据抽取的数据预处理手段，将信号变化为零中频的宽带信号，以确保时域自适应干扰抵消技术的性能有效发挥。

由于干扰信号通常为恒定信号、或频率缓慢变化的扫频信号，当自适应滤波完成一定次数的递推之后，以统计逼近的方式，收敛于最佳解后，停止递推逼近。

接着实施抗干扰滤波后的干扰检测，当重新检测到干扰信号后，再次启动自适应滤波器的递推逼近功能，干扰滤除后的信号供接收机进行后续的同步、解扩等处理。

为解决以上技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种北斗RDSS导航型接收机窄带干扰检测与抑止方法，包括以下步骤：

第1步：下变频：

对采样信号x(n)进行下变频变换，得到中心频率分别为0和2w_if的复信号d(n)；

第2步：低通滤波：

对下变频变换结果d(n)低通滤波，滤除信号中，中心频率为2w_if的部分，剩余中心频率为0的部分f(n)；

第3步：数据抽取：

对低通滤波结果f(n)数据抽取，在不改变频谱基本形状的情况下，将频率范围扩展为[-π,+π]之间。

第4步：自适应干扰抵消：

利用基带处理中的观测量异常标志作为控制信号，一旦RDSS导航型接收机的基带提取的观测量出现异常，启动自适应干扰抵消运算，以统计逼近的方式，向最佳解收敛。当收敛于最佳解后，观测量将恢复正常，停止自适应干扰抵消运算。

以下对本发明所采用的LMS自适应滤波技术做进一步说明。

自适应滤波就是要寻找滤波器系数的最优解，使得均方误差达到最小。要使得达到最小，就是成立。

有m＝1,2,…,M，其中Rx_m＝E(x(n)x(n-m))是输入序列的自相关函数。

表示为矩阵形式就是：

LMS算法提供了一种不需要求解输入序列自相关矩阵的方式，通过最陡下降原理(梯度原理)进行求解。顾名思义，梯度法就是沿性能曲面的负梯度方向，即性能曲面最陡方向向下搜索其最低点。这是一个迭代搜索过程。其计算权矢量的表达式为

W(n+1)＝W(n)+μ[-▽(n)](2)

其中，μ是正常数，-▽(n)是均方误差ξ＝E[e²(n)]相对于权向量W(n)的梯度。该递推表达式表明：权向量在n+1时刻的值等于n时刻的值加上一个修正量，后者正比于-▽(n)，在自适应过程中的任意时刻，均方误差ξ总是沿着均方误差曲面最陡的方向下降，由于均方误差面具有唯一的最小值，因此只要μ(称之为步长因子)选择适当，不管权矢量初始化如何，总可使ξ趋于最小值，从而得到最佳的权矢量W_opt。图2是一个三维立体图面的梯度法原理。

初始化权值向量以及步长因子μ。由于最小均方误差定义为

$e\left(n\right)=d\left(n\right)-\widehat{W^{*}}\left(n\right)X\left(n\right)---\left(3\right)$

d(n)是期望输出，*表征的是复数的共轭。可得到梯度矢量的估计为

$\widehat{\▿}\left(n\right)=\frac{\∂e^2\left(n\right)}{\hat{W}\left(n\right)}=-2e\left(n\right)X\left(n\right)---\left(4\right)$

于是就得到了LMS算法的权值递推表达式

$\hat{W}(n+1)=\hat{W}\left(n\right)+2\mathrm{\μ}e\left(n\right)X\left(n\right)---\left(5\right)$

以上构成了LMS递推算法的步骤，其算法的核心是权系数更新。

本发明抗干扰单元实现信号处理中的抗干扰算法，用于去除RDSS接收频带内的窄带干扰，保证接收机在有干扰的环境下，依然可以实现导航信号接收。其有益效果主要包括：

(1)简化算法，降低运算量；

(2)在无干扰、或针对干扰收敛于最佳解后，停止递推逼近运算，降低***功耗；

(3)干扰检测功能由RDSS接收机基带部分完成，无需额外电路；

(4)提高***的抗干扰能力，可抵御J/S≥90dBc的单个窄带干扰、或J/S≥80dBc的3个窄带干扰；

(5)抗干扰损耗低，在存在干扰条件的下，用户机接收灵敏度指标下降不超过2dB。

附图说明

图1是本发明北斗RDSS导航型接收机窄带干扰检测与抑止方法流程框图；

图2是本发明采用的LMS算法中最小梯度求极值原理示意图；

图3是本发明一较佳实施例实验效果图；

图4是本发明另一较佳实施例实验效果图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明的实施例作进一步描述。

本发明方法的工作流程如图1所示，对包含中频的采样型号通过下变频、低通滤波、数据抽取的数据预处理手段，将信号变化为零中频的宽带信号，利用基带处理中的观测量异常标志作为控制信号，一旦RDSS导航型接收机的基带提取的观测量出现异常，启动自适应干扰抵消运算，以统计逼近的方式，向最佳解收敛；当收敛于最佳解后，观测量将恢复正常，停止自适应干扰抵消运算。

为了更好的说明本发明算法的性能，以下进行了3组仿真实验。

实施例1：单干扰条件，本发明的抗干扰性能分析

如图3所示，仿真中RDSS导航信号调制方式为BPSK调制，扩频码长度为511，扩频带宽4.08MHz。以干性比90dBc产生频率随机的单音干扰。本发明对数据进行抗干扰处理，并比较了抗干扰处理前后的信号时域、频域特性，可见本发明具有良好的抗单干扰性能。

实施例2：三干扰条件，本发明的抗干扰性能分析

如图4所示，仿真中RDSS导航信号调制方式为BPSK调制，扩频码长度为511，扩频带宽4.08MHz。以干性比80dBc产生频率随机的3个单音干扰。本发明对数据进行抗干扰处理，并比较了抗干扰处理前后的信号时域、频域特性，可见本发明具有良好的抗多干扰性能。

实施例3：窄带干扰条件，本发明的抗干扰性能稳定性分析

仿真中RDSS导航信号调制方式为BPSK调制，扩频码长度为511，扩频带宽4.08MHz。以干性比90dBc产生频率随机的窄带告示噪声干扰，干扰占整个扩频***带宽10％。本发明对数据进行抗干扰处理，并比较了抗干扰处理前后的载噪比，通过20组数据处理，见表1，可见本发明具有良好的稳定性。

次数	抗干扰前载噪比	抗干扰后载噪比
			1	-30.49	29.35
2	-30.55	30.44
			3	-29.66	29.94
4	-29.31	29.30
			5	-30.31	29.68
6	-29.43	30.21
			7	-29.64	29.38
8	-30.98	30.47
			9	-29.79	29.48

10	-30.22	30.83
			11	-29.16	29.53
12	-30.99	30.53
			13	-30.07	29.37
14	-30.15	29.57
			15	-30.07	29.18
16	-29.45	30.15
			17	-30.35	30.36
18	-29.43	30.09
			19	-30.05	29.85
20	-30.92	30.28
			均值	-30.05	29.90
方差	0.56	0.49

表1：抗干扰处理前后的载噪比

上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (3)

1.一种北斗RDSS导航型接收机窄带干扰检测与抑止方法，其特征在于，包括以下步骤：

第1步：下变频：

对采样信号x(n)进行下变频变换，得到中心频率分别为0和2w_if的复信号d(n)；

第2步：低通滤波：

对下变频变换结果d(n)低通滤波，滤除信号中，中心频率为2w_if的部分，剩余中心频率为0的部分f(n)；

第3步：数据抽取：

对低通滤波结果f(n)数据抽取，在不改变频谱基本形状的情况下，将频率范围扩展为[-π,+π]之间。

第4步：自适应干扰抵消：

利用基带处理中的观测量异常标志作为控制信号，一旦RDSS导航型接收机的基带提取的观测量出现异常，启动自适应干扰抵消运算，以统计逼近的方式，向最佳解收敛。

2.根据权利要求1所述的一种北斗RDSS导航型接收机窄带干扰检测与抑止方法，其特征在于，所述第4步还包括：当收敛于最佳解后，观测量将恢复正常，停止自适应干扰抵消运算。

3.根据权利要求1或2所述的一种北斗RDSS导航型接收机窄带干扰检测与抑止方法，其特征在于，自适应干扰抵消运算采用LMS自适应算法。