论文部分内容阅读
摘要：卫星导航接收机面临着越来越多的大功率的干扰，对此建立了频域抗窄带干扰算法中的影响指标评价体系。详细阐述了快速傅里叶变换中频域块长度选取，Nsigma门限检测算法，抗干扰性能评估三方面对抗干扰算法当中的关键问题。仿真并验证了该算法的正确性。
关键词：Nsigma算法；频域抗干扰；重叠处理
中图分类号：TN973.3文献标识码：A
卫星导航接收机中的接收的信号都是经过扩频调制处理的信号，扩频调制会增强信号的抗干扰的能力。本文采用了基于Nsigma的门限检测重叠变换的算法，主要考虑到变换域中频域块长度选取、通信数据的实时性和工程可实现等因素，以及对对卫星导航接收机中频域抗窄带干扰算法性能进行评估。
1 系统模型
在卫星导航接收机中，输入信号r（t）由卫星信号s（t）、加性高斯白噪声n（t）和干扰j（t）构成，表示为：
r（t）=s（t）+n（t）+j（t）（1）
其中s（t）是用于模拟卫星导航信号，n（t）噪声为理想加性高斯白噪声，用单音干扰j（t）作为窄带干扰的模型。
变换域中干扰抑制的框图如下所示。
卫星导航接收机经过天线收到的是经过扩频处理后的信号，首先对信号进行解扩处理，然后进行A/D采样并进行变频处理，将高频信号转换为中频信号。为了减少频谱泄露，接着需要对其加窗，之后将其分块并进行快速傅里叶变换，将时域信号转换为频域信号，然后再进行干扰切除。最后进行快速反傅里叶变换并对抗干扰效果进行评估。
其中该方案实施过程中包括两个：频域块长度的选择，Nsigma门限检测算法，抗干扰性能评估。
2.1 频域块长度
频域干扰抑制处理过程中A/D采样和量化长度都会对抗窄带干扰处理之后信号的恢复产生一定的影响。在频域对连续不间断的时间信号进行频谱处理时，快速傅里叶变换的时间，重叠相加时间，阈值计算和切除算法等信号处理的速度会产生一定的影响。
信号处理过程中，加窗处理会带来一定的损耗，为了减小频谱泄露，需要对其进行加窗处理。假设分段数据长度为N的话，并采用1/2的重叠方式，如图3。窗函数会对频谱产生一定的影响。经过对比实验，窗函数选择为BlackmanHarris窗，此窗函数主瓣宽度很宽，旁瓣峰值较高且衰减速度较快，可以使得频谱泄露达到最小。
频域抗干扰处理过程中，FFT处理长度为N，N点傅里叶变换的复杂度为：乘法次数为2Nlog2N次和加法次数为3Nlog2N次。IFFT中的计算次数与FFT变换次数相同。将频域进行切块处理之后，每一个块处理时间为tmax，当采样频率设置为fs可得出：
tmax=N/fs（2）
为了满足对接收的数据进行实时处理，需要使得：
tmaxtFFT+t算法处理+tIFFT+t信号延时（3）
2.2 Nsigma门限检测算法
Nsigma算法是就是利用頻谱图上有用信号和干扰的频谱差异来抑制干扰。该算法利用导航信号的频谱具有高斯分布的特性进行算法的实施。
每个FFT频域块内计算处其均值μ和标准σ。门限计算公式为：
Th=μ+Aσ（4）
其中A为加权因子，通过干扰有无时的统计特性来确定加权转因子A的值。绘制频域直方图，直观对比出有无干扰时的频谱分布情况，如图4所示：
图4中左图为无干扰时直方图，右图为添加干扰后直方图。添加干扰后的高幅值的频谱的个数明显增多。经过多次实验，将门限设置在30和38之间的时候最为合理。通过不断对比实验，确定参数A的值并使其抗干扰性能最优。
2.3 抗干扰性能评估
采用干扰频谱切除的方法对导航接收机收到信号频域抗窄带干扰处理，被切除的频谱大部分是干扰的所呈现出的频谱，但是也会切除部分不重要信号的频谱成分，则无法准确对比出抗干扰后的信噪比，因而从信号功率方面对其进行抗干扰性能评估。当其干信比为50dB时，频域切除算法效果图：
如图5所示抗干扰前后频域波形图。左图在干扰频点位置上形成一个尖峰；右图为抗干扰后频谱图，通过Nsigma算法，干扰被抑制，尖峰明显消除，留下有用信号。
3 结语
本文采用了基于Nsigma的门限检测算法，主要考虑到变换域中频域块长度选取、通信数据的实时性和算法评估三个方面。基于Nsigma的门限检测算法处理过程中占用较少的资源，工程中易于实现。本文提供的方法具有一定的工程参考价值。
参考文献：
[1]孙志国.直扩通信系统中窄带干扰自适应抑制算法的研究[D].哈尔滨工程大学，2005.
[2]R E Ziemer，R L Peterson Digital Communications and Spread Spectrum System[M].New York：Macmillan，1985.
[3]Pickholtz R L，Schilling D L，Milstein L B.Theory of SpreadSpectrum CommunicationsA Tutorial[J].IEEE Trans on Commun，1982，30（5）：855884.
[4]夏江华，黄昌志，张家树.一种基于重叠变换域的抗窄带干扰算法[J].电讯技术，2007，47（1）：3438.
[5]Gapozza P T，Holland B J.A SingleChip NarrowBand FrequencyDomain Excisor for a Global Positioning System （GPS） Receiver[D].IEEE Journal of solid state circuits，2000，35（3）：401411.
[6]杨凯，邹耘，尹路明.重叠加窗FFT频域抗干扰算法设计[J].测绘科学技术学报，2013，30（3）：228231.
作者简介：王彦朋 （1969），男，汉族，河北石家庄人，教授，主要研究方向：电子信息技术；王星 （1993），男，汉族，河北承德人，主要研究方向：卫星导航应用。
*通讯作者：李玉莹 （1990），女，汉族，河北石家庄人，硕士研究生，主要研究方向：导航抗干扰处理、信号处理。
关键词：Nsigma算法；频域抗干扰；重叠处理
中图分类号：TN973.3文献标识码：A
卫星导航接收机中的接收的信号都是经过扩频调制处理的信号，扩频调制会增强信号的抗干扰的能力。本文采用了基于Nsigma的门限检测重叠变换的算法，主要考虑到变换域中频域块长度选取、通信数据的实时性和工程可实现等因素，以及对对卫星导航接收机中频域抗窄带干扰算法性能进行评估。
1 系统模型
在卫星导航接收机中，输入信号r（t）由卫星信号s（t）、加性高斯白噪声n（t）和干扰j（t）构成，表示为：
r（t）=s（t）+n（t）+j（t）（1）
其中s（t）是用于模拟卫星导航信号，n（t）噪声为理想加性高斯白噪声，用单音干扰j（t）作为窄带干扰的模型。
变换域中干扰抑制的框图如下所示。
卫星导航接收机经过天线收到的是经过扩频处理后的信号，首先对信号进行解扩处理，然后进行A/D采样并进行变频处理，将高频信号转换为中频信号。为了减少频谱泄露，接着需要对其加窗，之后将其分块并进行快速傅里叶变换，将时域信号转换为频域信号，然后再进行干扰切除。最后进行快速反傅里叶变换并对抗干扰效果进行评估。
其中该方案实施过程中包括两个：频域块长度的选择，Nsigma门限检测算法，抗干扰性能评估。
2.1 频域块长度
频域干扰抑制处理过程中A/D采样和量化长度都会对抗窄带干扰处理之后信号的恢复产生一定的影响。在频域对连续不间断的时间信号进行频谱处理时，快速傅里叶变换的时间，重叠相加时间，阈值计算和切除算法等信号处理的速度会产生一定的影响。
信号处理过程中，加窗处理会带来一定的损耗，为了减小频谱泄露，需要对其进行加窗处理。假设分段数据长度为N的话，并采用1/2的重叠方式，如图3。窗函数会对频谱产生一定的影响。经过对比实验，窗函数选择为BlackmanHarris窗，此窗函数主瓣宽度很宽，旁瓣峰值较高且衰减速度较快，可以使得频谱泄露达到最小。
频域抗干扰处理过程中，FFT处理长度为N，N点傅里叶变换的复杂度为：乘法次数为2Nlog2N次和加法次数为3Nlog2N次。IFFT中的计算次数与FFT变换次数相同。将频域进行切块处理之后，每一个块处理时间为tmax，当采样频率设置为fs可得出：
tmax=N/fs（2）
为了满足对接收的数据进行实时处理，需要使得：
tmaxtFFT+t算法处理+tIFFT+t信号延时（3）
2.2 Nsigma门限检测算法
Nsigma算法是就是利用頻谱图上有用信号和干扰的频谱差异来抑制干扰。该算法利用导航信号的频谱具有高斯分布的特性进行算法的实施。
每个FFT频域块内计算处其均值μ和标准σ。门限计算公式为：
Th=μ+Aσ（4）
其中A为加权因子，通过干扰有无时的统计特性来确定加权转因子A的值。绘制频域直方图，直观对比出有无干扰时的频谱分布情况，如图4所示：
图4中左图为无干扰时直方图，右图为添加干扰后直方图。添加干扰后的高幅值的频谱的个数明显增多。经过多次实验，将门限设置在30和38之间的时候最为合理。通过不断对比实验，确定参数A的值并使其抗干扰性能最优。
2.3 抗干扰性能评估
采用干扰频谱切除的方法对导航接收机收到信号频域抗窄带干扰处理，被切除的频谱大部分是干扰的所呈现出的频谱，但是也会切除部分不重要信号的频谱成分，则无法准确对比出抗干扰后的信噪比，因而从信号功率方面对其进行抗干扰性能评估。当其干信比为50dB时，频域切除算法效果图：
如图5所示抗干扰前后频域波形图。左图在干扰频点位置上形成一个尖峰；右图为抗干扰后频谱图，通过Nsigma算法，干扰被抑制，尖峰明显消除，留下有用信号。
3 结语
本文采用了基于Nsigma的门限检测算法，主要考虑到变换域中频域块长度选取、通信数据的实时性和算法评估三个方面。基于Nsigma的门限检测算法处理过程中占用较少的资源，工程中易于实现。本文提供的方法具有一定的工程参考价值。
参考文献：
[1]孙志国.直扩通信系统中窄带干扰自适应抑制算法的研究[D].哈尔滨工程大学，2005.
[2]R E Ziemer，R L Peterson Digital Communications and Spread Spectrum System[M].New York：Macmillan，1985.
[3]Pickholtz R L，Schilling D L，Milstein L B.Theory of SpreadSpectrum CommunicationsA Tutorial[J].IEEE Trans on Commun，1982，30（5）：855884.
[4]夏江华，黄昌志，张家树.一种基于重叠变换域的抗窄带干扰算法[J].电讯技术，2007，47（1）：3438.
[5]Gapozza P T，Holland B J.A SingleChip NarrowBand FrequencyDomain Excisor for a Global Positioning System （GPS） Receiver[D].IEEE Journal of solid state circuits，2000，35（3）：401411.
[6]杨凯，邹耘，尹路明.重叠加窗FFT频域抗干扰算法设计[J].测绘科学技术学报，2013，30（3）：228231.
作者简介：王彦朋 （1969），男，汉族，河北石家庄人，教授，主要研究方向：电子信息技术；王星 （1993），男，汉族，河北承德人，主要研究方向：卫星导航应用。
*通讯作者：李玉莹 （1990），女，汉族，河北石家庄人，硕士研究生，主要研究方向：导航抗干扰处理、信号处理。