基于FPGA的窄带干扰抑制算法在GPS中的应用

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-160 dBW，很容易受到各种有意或无意信号的干扰[1]。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FFT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[2]。重叠FFT频域抑制窄带干扰的原理如图1所示。

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-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[2]。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。

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[3]。

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[4]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/λ为的估计值。

2）求8/λ。

3）对N根谱线进行统计，若有模平方超过8/λ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，fft_fifio，FFT1024，jam_reover，IFFT1024，fft_fifo2等模块，分为上下两个支路。输入信号为经过A/D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。

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1 024的rom，用于存储加窗系数，窗函数为Blackman窗。Blackman窗函数的旁瓣抑制效果较好[5]，其旁瓣抑制可以达到-57 dB。N/2延迟通过启动信号start1、start2来完成，start1、start2均为高有效。start1、start2分别通过两个计数器st1_cnt、cnt控制。计数器时钟均为10M。计数器st1_cnt加到512时，start_1置1。 在此之后，cnt开始计数。当cnt也计到512时，start_2置1。 start_1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 FIFO的作用

fft_fifo1和fft_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IFFT1024使用IP核XFFT （Xilinx Fast Fourier Transform）v7.1，该模块可以计算正向及逆向复数定点或浮点型FFT，并且可以实时配置。XFFT支持4种结构：

1）Pipelined，Streaming I/O：允许连续的数据处理，速度快，缺点是占用资源大；

2）Radix－4，Burst I/O，数据与计算分别进行，占用资源较少；

3）Radix－2，Burst I/O，与Radix－4相仿，但是占用的资源更少；

4）Radix－2 Lite，Burst I/O，该结构占用资源最少，但是速度也最慢。

设计中采用了Radix－2，Burst I/O模式。这种模式速度较快，资源占用较少。

2.4 干扰判决及抑制的实现

2.5 数据输出

对于上支路，fft_fifo2的写入的是地址为512及其以后的数据。对于下支路，fft_fifo2的fifo2_we就是IFFT1024的ifft_dv。即IFFT1024只要一有输出，就立即写入到fft_fifo2中。这样就实现了上下两支路的重叠部分相加作为最终输出。

3 测试结果

采用注入式测试的方法，对窄带干扰抑制信号处理板的抗干扰性能进行测试。测试框图如图4所示。

图4 测试框图Fig.4 Block diagram for test

信号源注入窄带干扰信号，经功分器送到数字信号处理板。控制开关用来控制数字信号处理板是否工作，以比较窄带干扰抑制效果。用频谱仪记录窄带干扰抑制前和窄带干扰抑制后两种情况下自适应信号处理模块输出的干扰信号功率。测试仪器为R&S公司的FSP－40频谱分析仪。测试结果如图5和图6所示。

图5 点频干扰抑制效果对比图Fig.5 Spectrum of narrowband interference suppression effect comparison

图6 200kHz干扰抑制效果对比图Fig.6 Spectrum of 200kHz interference suppression effect comparison

图5（a）为5个点频窄带干扰的频谱，图5（b）为窄带干扰抑制后的频谱。图6（a）为200 kHz干扰的频谱，图6（b）为窄带干扰抑制后的频谱。从测试结果可以看出，多个点频的窄带干扰和部分频带干扰都得到了很好的抑制，输出信号的信干比大大提高。

4 结束语

文中提出了一种应用于GPS接收机[6－7]的窄带干扰抑制算法的实现方案，该方案以FPGA为实现平台。实验结果表明，该方案可以为GPS接收机提供至少60 dB的抗窄带干扰能力。与传统窄带干扰方法相比，收敛速度和信噪比损耗均得到了改善。

[1]孙希延，纪元法，施浒立，等.基于GPS软件接收机的抗窄带干扰方法[J].武汉大学学报：信息科学版，2009，34（1）：77－80.SUN Xi-yan，JI Yuan-fa，SHI Hu-li，et al.Algorithms for removing narrow-band interference based on software GPS receiver[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University，2009，34（1）：77－80.

[2]李然，赵刚.FFT重叠相加抗窄带干扰的算法研究[J].四川理工学院学报：自然科学版，2009，22（3）：87－89.LI Ran，ZHAO Gang.Study on the narrowband interference suppression algorithm using lapped FFT[J].Journal of Sichuan University of Science&Engineering：Natural Science Edition，2009，22（3）：87－89.

[3]曾祥华，李峥嵘，王飞雪.扩频系统频域窄带干扰抑制算法加窗损耗研究[J].电子与信息学报，2004，26（8）：1276－1281.ZENG Xiang-hua，LI Zheng-rong，WANG Fei-xue.Study on windowing degradation of frequency domain narrowband interference suppression algorithms in spread spectrum system[J].Journal of Electronics&Information Technology，2004，26（8）：1276－1281.

[4]穆立波，霍志勇.频域抗干扰中的门限检测和处理[J].计算机与网络，2010（10）：46－48.MU Li-bo，HUO Zhi-yong.Research on threshold detection and interference processiong in frequency domain antijamming[J].Computer&Network，2010（10）：46－48.

[5]邹宁，徐松涛，刘明园，等.一种重叠加窗频域抑制窄带干扰算法及研究[J].现代防御技术，2010，38（3）：120－125.ZOU Ning，XU Song-tao，LIU Ming-yuan，et al.An overlap window-based frequency-domain narrowband interference suppression algorithm and its analysis[J].Modern Defence Technology，2010，38（3）：120－125.

[6]石超，孙保华，魏云飞，等.GPS接收机低噪声放大器设计[J].电子科技，2010（3）：56－58.SHI Chao，SUN Bao-hua，WEI Yun-fei，et al.Design of a GPS receiver low noise amplifier[J].Electronic Science and Technology，2010（3）：56－58.

[7]史阳春，刘佑宝.基于模糊控制的高灵敏GPS接收机设计[J].现代电子技术，2012，35（9）：48－51，56.SHI Yang-chun，LIU You-bao.Design of high-sensitive GPS receiver based on fuzzy control[J].Modern Electronics Technique，2012，35（9）：48－51，56.