基于FPGA的窄带干扰抑制算法在GPS中的应用

第２ｌ卷　ＶｏｌＩ２１　第１７期　Ｎｏ．１７　电子设计工程　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　２０１３年９月　

Ｓｅｐ．２０１３　

基于ＦＰＧＡ的窄带干扰抑制算法在ＧＰＳ中的应用　曹龙，方娟，马强　（中国酒泉卫星发射中心甘肃酒泉７３２７５０）　

摘要：针对ＧＰＳ接收机有效信号弱，易受窄带干扰影响的不足，提出了一种基于ＦＰＧＡ的窄带干扰抑制算法的实现　方案。该方案以Ｘｉｌｉｎｘ公司的Ｖｉｒｔｅｘ５芯片为硬件平台，采用重叠加窗频域滤波算法和自适应多门限检测技术实现窄　带干扰的实时检测和抑制，最后采用重叠相加的方法进行数据输出。测试结果表明，该设计能为ＧＰＳ接收机提供至　少６０ｄＢ的抗窄带干扰能力。与其他窄带干扰抑制方法相比，收敛速度和信噪比损耗都得到了改善。　关键词：全球定位系统（ＧＰＳ）；窄带干扰；现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）；频域滤波　中图分类号：ＴＮ９７３　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７４—６２３６（２０１３）１７—０１７４—０４　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｎａｒｒｏｗｂａｎｄ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＦＰＧＡ　ｉｎ　ＧＰＳ　

ＣＡＯ　Ｌｏｎｇ，ＦＡＮＧ　Ｊｕａｎ，ＭＡ　Ｑｉａｎｇ　（Ｊ／ｕｑｕａｎ　Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ　Ｌａｕｎｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ，￣ｕｑｕａｎ　７３２７５０，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｔｈａｔ　ｔＩｌｅ　ｄｅｓｉｒｅｄ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｏｆ　ＧＰＳ　ｒｅｃｅｉｖｅｒ　ａｒｅ　ｖｅｒｙ　ｗｅａｋ　ｗｈｉｌｅ　ｔｈｅ　ｎａｒｒｏｗｂａｎｄ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｓｉｇｎａｌｓ　ａｒｅ　ｍｕｃｈ　ｓｔｒｏｎｇｅｒ，ａ　ｎａｒｒｏｗｂａｎｄ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＦＰＧＡ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｏｆ　Ｖｉｒｔｅｘ５，ｕｓｉｎｇ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｏｍａｉｎ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｔｈａｔ　ｏｖｅｒｌａｐｐｉｎｇ　ｗｉｎｄｏｗｅｄ　ａｎｄ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ｍｕｌｔｉ－ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｒｅａｌ　ｔｉｍｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｏｆ　ｎａｒｒｏｗｂａｎｄ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ｆｉｎａｌｌｙ　ｕｓｉｎｇ　ｏｖｅｒｌａｐ－ａｄｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｄａｔａ　ｏｕｔｐｕｔ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ　ｉｔ　ｃａｎ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｔｈｅ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ａｎｔｉ—ｎａｒｒｏｗｂａｎｄ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ａｔ　ｌｅａｓｔ　６０ｄＢ　ｆｏｒ　ＧＰＳ　ｒｅｃｅｉｖｅｒ．Ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｏｔｈｅｒ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　ｎａｎ￣ｗｂａｎｄ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ，ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｓ　ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ　ｒａｔｅ　ａｎｄ　ｒｅｄｕｃｅｓ　ＳＮＲ　ｌｏｓｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＧＰＳ；ｎａ￣ｏｗｂａｎｄ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ；ＦＰＧＡ；￣ｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｏｍａｉｎ　ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ　

ＧＰＳ传输过程中信号电平非常低。地面用户接收到的　ＧＰｓ信号功率约为一１６０　ｄＢＷ，很容易受到各种有意或无意信　号的干扰＿ｌ１。按干扰的频谱宽度相对于扩频信号带宽的大小，　可分为宽带干扰和窄带干扰。窄带干扰产生容易，功率谱密　度高，几个窄带干扰就可覆盖一定的宽度，所以相对于宽带　压制性干扰而言，窄带干扰更有利于干扰ＧＰＳ通信。　频域抑制的方法能够很好地抑制窄带干扰。由于ＧＰＳ信　号的扩频特性，信号功率要远远低于噪声功率，期望信号的　频谱在频域上为平坦的白噪声特性。当存在窄带干扰信号的　时候，在干扰的频域就会出现比较高的频域特性，这样就可　以在频域采用相应的方法进行干扰抑制。文中提出了一种基　于ＦＰＧＡ的重叠ＦＦＴ频域窄带干扰抑制算法的实现方案。测　试结果表明．该方案对于窄带干扰具有较好的抑制作用。　１重叠ＦＦＴ频域抑制窄带干扰的原理　重叠ＦＦｒ频域干扰抑制算法的原理是窄带干扰相对于　扩频信号能量集中在很窄的频带内，在频域上表现为很窄的　尖峰，因此可先将混合信号变换到频域，检测出干扰的频谱　收稿日期：２０１２—１２—１０　稿件编号：２０１２１２０７５　位置．将这些谱线置零或进行衰减。最后反变换到时域进行　解扩闼。重叠ＦＦｒ频域抑制窄带干扰的原理如图ｌ所示。　广——　垄堕Ｈ！！！Ｈ±垫塑　苎鎏Ｈ　！！！ｈ一　

．圆．圆．圆．圈．回　图１频域抑制窄带干扰流程图　Ｆｉｇ．１　Ｆｌｏｗ　ｃｈａｒｔ　ｏｆ　ＮＢＩ　ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｏｍａｉｎ　１．１加窗处理　实际信号是无限长的，因此数据截断不可避免。由于数　据截断的影响，用ＦＦＴ方法估计的信号存在频谱泄露。在不　加窗（相当于加矩形窗）的情况下，离散傅里叶变换的第一旁　瓣只有一１３　ｄＢ，存在严重的频谱泄露。通常采用对分段数据　加窗的方法减小频谱泄露。从时域来看，加窗本质上是对输　入数据进行加权处理，窗函数从中心向两端逐步衰减，保证　了数据段两端的平滑，从而减小频谱泄露。然而加窗却会使　输入信号产生畸变，从而带来额外的信噪比损耗目。重叠加窗　可以减小信噪比损耗，重叠的比例越大，加窗损耗就越小。但　是重叠比例增大意味着计算量增大。实际中重叠比例的选择　取决于硬件条件和性能要求。本方案采用１／２重叠。　

作者简介：曹龙（１９８８一），男，山西运城人，助理工程师。研究方向：电子对抗中的干扰与抗干扰技术和数字信号处理技术。　－１７４－　曹龙，等基于ＦＰＧＡ的窄带干扰抑制算法在ＧＰＳ中的应用　１．２数据输出　时域上窗函数从中间向两端逐渐衰减，越靠近两端，衰　减越严重，引起的信号畸变越大，从而带来的信噪比损耗越　大。在两路加窗数据合成时采用相加输出的方法，即将两路　数据的重叠部分相加作为最终输出，这样相对于传统的选择　输出方法可以进一步减小信噪比损失［３１。　１．３门限检测　在重叠加窗的结构下．可以采用多种频域干扰消除技　术。目前常用的窄带干扰抑制算法有Ｋ谱线法、Ｎ—ｓｉｇｍａ算　法、最大似然法、自适应多门限检测算法。前３种算法在没有　窄带干扰存在时能够对信号功率正确估计．可以保证不会抑　制有用信号。但是当存在窄带干扰时．接收信号不满足高斯　分布。需要适当调整门限。如果门限调整不合适，就会对有用　信号抑制过度，或者干扰抑制不足，无法达到预期的效果。多　门限检测算法［４１可以克服上述不足。该算法步骤如下：　１）对Ｎ根谱线的模平方求取均值，作１／Ａ为的估计值。　２）求８／Ａ。　３）对Ⅳ根谱线进行统计，若有模平方超过８／Ａ的谱线则　认为其中存在着窄带干扰可以将其置零。　４）返回１）注意是对所有未归零的谱线求取平均值，已　归零谱线不计算在内。重复以上过程直到没有超过门限的　谱线。　

２　窄带干扰抑制算法的ＦＰＧＡ实现　窄带抑制算法在Ｘｉｌｉｎｘ公司的Ｖｉｒｔｅｘ５芯片上实现。　Ｖｉｒｔｅｘ５具有资源丰富，运算速度快的优点。所用的描述语言　为ｖｅｒｉｌｏｇ　ＨＤＬ，整个窄带抑制部分包括ｗｉｎ１０２４，ｆｆｔｆｉｆｉｏ，　ＦＦＴ１０２４；ｊａｍ＿ｍｏｖｅｒ，ＩＦＦＴ１０２４，ｍ＿＿ｆｉｆｏ２等模块，分为上下两　个支路。输入信号为经过ＭＤ采样和数字下变频处理的ＧＰＳ　信号。程序设计如图２所示。硬件实现平台如图３所示。　

２００ＭＨｚ　……●Ｉ　。　ｒ　ｍ　ｘｋ　ｒｅ．

Ｉ

ｍ…ｅ　ｈＩｌｊａｍｌｅｄ

…　量　蹦　ｔ—ｆｉｆ　：：　：　：　…．　上一　一．　

　ｒｄ　Ｉｆｆｔ—　—ａ　ｒｔ　什　ｒ　。。　“　，，　Ｊａｍ　ｉａ　：ｄ　ｄｒｊａｍ　ｒｅｏｖｅｒ　，　一　ｌｌ■　一ｒ＿］ｆｆｔｄ　ｖ　－　－　－三旦　ＩＩｆ　ｒｆｄ　ｆ　ｔｌ　

１　。，ｉ　ｆ　图２程序设计框图　Ｆｉｇ．２　Ｂｌｏｃｋ　ｄｉａｇｒａｍ　ｆｏｒ　ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ　

图３硬件实物图　Ｆｉｇ．３　Ａｃｔｕａｌ　ｐｈｏｔｏ　ｏｆ　ｈａｒｄｗａｒｅ　２．１重叠加窗的实现　ｗｉｎ１０２４是存储深度为ｌ　０２４的ｔｏｍ，用于存储加窗系　数，窗函数为Ｂｌａｅｋｍａｎ窗。Ｂｌａｃｋｍａｎ窗函数的旁瓣抑制效果　较好四，其旁瓣抑制可以达到一５７　ｄＢ。Ｎ／２延迟通过启动信号　

ｓｔａｒｔＩ、ｓｔａｒｔ２来完成，ｓｔａｒｔｌ、ｓｔａｒｔ２均为高有效。ｓｔａｒｔｌ、ｓｔａｒｔ２分　别通过两个计数器ｓｔ１＿ｅｎｔ、ｃｎｔ控制。计数器时钟均为ＩＯＭ。　计数器ｓｔｌ＿ｃｎｔ加到５１２时，ｓｔａｒｔ＿ｌ置１。在此之后。ｃｎｔ开始　计数。当ｃｎｔ也计到５１２时，ｓｔａｒｔ　２置１。ｓｔａｒｔ＿ｌ与ｓｔａｒｔ＿２相　

差５１２个时钟周期，实现了上下支路的重叠加窗。　２．２　ＦⅡＯ的作用　ｆｆｌ＿ｆｉｆｏｌ和ｆｉｔ

＿ｆｉｆｏ２作用是实现跨时钟域的数据转换以及　

数据缓存。如图２所示，信号流经了若干个时钟域（１０　ＭＨｚ　和２００　ＭＨｚ）。为了避免异步时钟域产生错误的采样电平，使　用ＦＩＦＯ缓存的方法完成异步时钟域的数据转换。　２．３傅里叶变换的实现　ＦＦＴ１０２４和ＩＦＦｒ１０２４使用ＩＰ核ＸＦＦＴ（Ｘｉｌｉｎｘ　Ｆａｓｔ　ＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ）ｖ７．１，该模块可以计算正向及逆向复数定点　一ｌ７５－