GPS接收機的窄帶干擾消除技術研究

論壇

計算視與網絡創新生活

５９

ＧＰＳ接收機的窄帶干擾消除技術研究

陳亮

（遠東華強導航定位有限公司河北石家莊０５００８１）

【摘要】隨著干擾技術的發展，全球定位系統（ＧＰｓ）抗干擾性能差的缺點日益突出，對于能有效用于工程應用的抗干擾方

法的研究顯得尤為重要。頻域抑制干擾處理中的頻域陷波法是一種可以有效地移除寬帶ＧＰＳ信號中窄帶干擾的方法。通過對

Ｎ－ｏ消除策略的理論分析，并結合工程實踐對該方法進行數字仿真實驗得出仿真結果，比對分析得出了該方法在抗干擾方面

的優勢和一些有益的結論及合理解釋，并引申出在實際工程中運用該方法時需要考慮的實際問題，對該方法在實際工程中的

應用提供一定的實踐依據。

【關鍵詞］ＧＰＳ 自適應 窄帶濾波器頻域陷波

中圖分類號：ＴＰ３１１．１ 文獻標識碼：Ａ 文章編號：１ ００８－ｉ７３９（２０１Ｉ）０５－５９＿－

Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｎａｒｒｏｗ－ｂａｎｄ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｅｌｉｍｉｎａｔｉｏｎ ｉｎ ＧＰＳ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ

ＣＩ－￣ＮＬｉａｎｇ

（Ｆａｒｅａｓｔ Ｈｕａｑｉａｎｇ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ＆Ｐｏｓｉｉｔｏｎ ＣＯ．，ＬＴＤ，ｓｒａｊｉａｚｈｕａｎｇ Ｈｅｂｅｉ ０５００８１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｌｏｎｇ 出ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ｉｔ ｉｓ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ｔｈａｔ ＧＰＳ ｓｈｏｗｓ ａ ｐｏｏｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｎ

ｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｓｉｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ａｎ ａｎｔｉ—ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｗｈｉｃｈ Ｃａｎ ｂｅ ｅｆｌａｃｉｅｎｄｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｐｐ￣ｃａｔｉｏｎ

ｂｅｃｏｍｅｓ ｍｏｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ．Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｉｓ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—ｄｏｍａｉｎ ｅｘｃｉｓｉｏｎ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｗａｙ ｗｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ

ｈｅ ｒｅｃｅｉｔｖｅｄ ｓｉ ａｌ ｔＯ ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ，ｃｏｍｐｕｔｅ ｓｉｇｒ￣ｌ ｓｔａｔｉｓｄｃｓ ｔＯ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ａｎ ｅｘｃｉｓｉｏｎ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ，ｒｅｍｏｖｅ ａｌｌ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｅｎｅｒｇｙ

ｅｘｃｅｅｄｉｎｇ ｔｈａｔ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ，ａｎｄ ｒｅｓｔｏｒｅ ｔｈｅ ｒｅｍａｉｎｉｎｇ ｓｉｇｎａｌ ｔＯ ｔｈｅ ｔｅｍｐｏｒａｌ ｄｏｍａｉｎ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＧＰＳ；ａｄａｐｔｉｖｅ；ｎａｌＴｏｗ—ｂａｎｄ ｆｉｌｔｅｒ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—ｄｏｍａｉｎ ｅｘｃｉｓｉｏｎ

１引言

ＧＰＳ接收機通過處理ＧＰＳ衛星發送的信號獲得自身的位

置、速度以及時間信息。到達接收機的信號通常是十分微弱

的，一般比接收機內部的熱噪聲低２０到３０ ｄＢ左右。人為或

是非人為的干擾對于接收機接收信號的性能影響是非常大

比（ＩＳＲ．）達到９７ ｄＢ的單音窄帶干擾信號。進一步來講，這種

技術還可以有效地抑制多音干擾、掃頻單音信號以及脈沖單

音信號。但是，當窄帶與寬帶干擾同時存在的時候。這種方法

只能濾除其中的窄帶干擾。理想的方法是這種方法與空域的

處理相結合

的。因而，具備相當程度抗干擾能力的接收機就成為了研究的

方向。

２頻域干擾抑制處理

最基礎的頻域干擾抑制處理如圖１所示。快速傅立葉變

其中一類較為常見的干擾形式為窄帶干擾。一１００ ｄＢｍ

的單音（ＣＷ）信號就足以使普通商業接收機無法完成捕獲。

對于這種干擾，頻域的自適應窄帶濾波器（ｍＣＢＦ）是非常理想

的一種選擇。介紹了一種基于自適應窄帶濾波器的頻域陷波

化（ＦＦＴ）將輸入信號轉化到頻域，借由消除模塊修正頻譜中的

窄帶干擾，最后再將修正后的信號轉化回時域。理想的輸出信

號是輸入信號減去窄帶干擾，并且保證具有最小的衰減。

器。應用于適當的ＧＰＳ接收機時，這種陷波器可以抑制干信

毋匝冊

定稿日期：２０１１－０２—１０

圖１頻域干擾抑制處理框圖

２０１１年第Ｏ５期《計算枕與網絡》

通信論壇

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輸入信號ｘ（ｎ）＝ｓ（ｎ）＋ｊ（ｎ），它由兩部分組成：需要的信號ｓ 示為：

（ｎ）以及不需要的干擾Ｊ（ｎ）。第ｋ點的Ｎ點離散傅立葉變換

（ＤＦＴ）的輸出結果為：

Ｎ－１

（∑ Ｎ：－。ｉ∞（ｎ））

Ｒ＝—— （４）

∞ｐ，魁馨

Ｎ∑ Ｎ＝Ｉ‘１）２（ｎ）

?

ｘ ＝∑ｘ（ｎ）ｅ－Ｊ２一 （１）

ｎ ｏ

對于某些擁有極低旁瓣的窗函數來說，信噪比的損失可以

這個ＤＦＴ可以準確地分辨Ｎ個不同頻率上的能量 ＝

達到３ ｄＢ。例如，一個最小數目為４點采樣的Ｂｌａｃｋｍａｎ－Ｈａｒｒｉｓ

２ｗｋ／Ｎ。但如果輸入單音干擾的頻率不在這Ｎ個頻率點上，就會

產生一定程度的頻率彌散。為了闡明這種影響以及說明常規頻

域陷波處理的性能，當輸入信號干擾為一個單音干擾時的

ＤＦＴ的輸出?？杀硎緸椋?/span>

窗旁瓣會有一９２ ｄＢ的衰減，對于抑制這種情況有非常好的性

能。但信噪比的損失接近３ ｄＢ。為了有效的減少信噪比的衰減，

引入了５０％的重疊。這意味著需要采用兩路彼此間隔Ｎ／２個

樣點的并行處理。如圖４所示。每組中逆ＦＦＴ的結果只取中間

ｘ（ｎ）＝ｓ（ｎ）＋唧Ｄ（等Ⅷ】 （２）

的Ｎ／２個值，并最終將兩路的結果拼合。對于４采樣點的

Ｂｌａｃｋｍａｎ－Ｈａｒｒｉｓ窗來說，經過５０％復用的處理，信噪比的損失

從３ ｄＢ降低到了０．６ ｄＢ。

在這種情況下，干擾的頻率設為‘＝（ｃ＋‘＋，）／２。當然，這

樣是最壞的情況，單音信號處于２個ＤＦＴ可分辨的頻點的正

中，如圖２所示。從圖中可以看出單音的能量彌散在整個頻譜

當中。虛線計算出來的是進行消除所需的門限，把超出門限的

頻譜能量歸零。通過這個處理，在接收頻譜中干擾的能量就被

移除掉，但很明顯的是大量信號能量也在處理過程中損失掉

了。

圖４采用Ｎ／２個樣點的處理并行框圖

３ Ｎ—Ｉ】ｒ消除策略

該策略的目的是從所需的寬帶信號中濾除窄帶干擾。由定

義可知，這些干擾占據相對較少的頻率點，而且幅度遠高于

ＦＦｒ輸出的噪底。

Ｎ一盯策略是一種自適應消除數目可變頻率點的消除策

頻翠，ＨＺ

略。頻譜消除的比率決定于存在干擾的數目以及幅度大小。Ｎ一

盯策略的自適應特性決定其可以不改變其他頻率分量的同時

消除窄帶干擾。它可以有效地利用的ＧＰＳ信號＋噪聲信號的類

高斯特性分布與干擾形式不同的特性。當信號中加入干擾時，

圖２輸入信號干擾為一個單音干擾時的ＤＦＴ的輸出

為了有效的避免這種情況的發生，基于離散傅立葉變換

的頻域陷波技術通常采用加窗的方法，如圖３所示。

原頻譜的特性分布就會被破壞，未被干擾影響到的部分仍然會

Ｈ亙卜匭 叵

圖３加窗后的頻域干擾抑制處理框圖

從分析中可以看出，加窗平滑了各個頻點間的不連續性

進而有效地避免了頻譜能量的泄漏。加窗后的ＤＦＴ的輸出為：

Ｎ

－

．

保持著高斯特性，這樣就可以將被干擾影響到的部分區分開

來。Ｎ一叮策略的原理圖如圖５所示。

ｉ２＇￣ｍ．．

ｘ（ｋ。＝∑ｃｏ（ｎ）ｘ（ｎ）ｅ （３）

ｎｉ ０

圖５ Ｎ－ｏ策略原理圖

對于每塊２５６點的復數數據輸出來說，Ｎ－ｏ＂策略統計各

可以看到，窗函數的選擇決定了ＤＦＴ輸出頻譜泄漏的大

小。選擇擁有較低旁瓣的窗函數能夠有效地降低頻譜的泄漏。

叮ｃａ１ｃ）以及均值（ ｃａ１ｃ）。計算門限的 個頻率點數據的標準差（

但是．一個較低的旁瓣同時也意味著較寬的主瓣，因此要想達

到很好的消除干擾效果，必須在兩者之間達到平衡。

對于ＧＰＳ的應用來說，目的實際上是通過減少每個單音 門限計算的比例因子Ｐ。計算門限為：

時候，先比較盯ｃａｌｃ與四個量化級別，ｃｒｌ０到ｏ１３。通過比較確定

Ｅ血 ＝ 山＋ｐ．叮ａｌ （５）

信號的頻率擴展來減少需要消除的頻率點數目。同時，也應該

盡量避免當干擾不存在時候ＧＰＳ信號的衰減。窗函數的選擇 較大的仃ｃａ１ｃ意味著干擾的存在并需要選擇較小的比例因

需要在這兩點中找到一個折中的方法。信噪比的的衰減可以表

子Ｐ。確定門限后，每個超出門限的頻率點的值都設為０。這樣，

《計，｜機與網絡＞２０１１年第０５期

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就可以在提供很好抗干擾性能的同時盡量保有所需要信號的

特性。

抗干擾算法，如提高ＦＦＴ點數，雖然可以提高算法的分辨率，但

這會增加整個硬件平臺的規模以及功耗。因此在具體實踐過程

枷Ｂ 咖 ７ 咖 ６ ５ ４ ３ ２ １咖 咖 ｏ

中，設計者應在預期的抗干擾數量、抗干擾效果以及硬件平臺

４技術仿真試驗

支持的ＦＦＴ分辨率（ＦＦｒ點數）等條件下做出折中考慮。而不能

追求單一指標的突出。

針對抗四個單音窄帶干擾進行仿真，在四個窄帶干擾中，

從實際仿真效果來看，設定合理的Ｎ一盯策略以及ＦＦＴ點

一

個強于噪底３０ ｄＢ，另外三個強于噪底２０ ｄＢ，信噪比為－２３

數，是可以對窄帶信號進行較深的抑制的。同樣地，在工程應用

ｄＢ，頻率分別為：３６ ＭＨＺ、３６．５ ＮＩＩ－ＩＺ、４２ ＭＨＺ、５０ ＭＨＺ，帶寬

中，也應該綜合考慮抗干擾效果以及硬件平臺運算能力等因

均為Ｉ ＩＶＬＨＺ，如圖６所示。抗干擾后相干峰如圖７所示，圖中

素，以便做出最佳的抗干擾策略。

縱軸表示相關峰幅值，橫軸表示相關的偏移位置。

● ●， Ｔ

６結束語

｛，

在已給窄帶干擾模型基礎上，通過設置不同的干擾類型，

∞

倒

馨

： ｉ

： ｌ ｌ

對頻域陷波抗法干擾進行數字仿真和深入研究。得出頻域陷波

法抗干擾的一些結論，從而為抗窄帶干擾的理論研究，以及

ＧＰＳ接收機的工程時間，提供了一定的理論依據。實踐證明有

很好的參考價值，該方法在工程應用中將具有廣闊的空間。

…一一

＾－

攮率 Ｚ

圖６抗干擾前信號

參考文獻

【１１ Ｒ．Ｃ．Ｄｉ］Ｐｉｅｔｒｏ．”Ａｎ ＦＦＴ—Ｂａｓｅｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ

Ｓｕｐｐｒｅｓｓ ｉｎｇ Ｈａｒｒｏｗｂａｎｄ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ ＰＨ

Ｓｐｒｅａｄ－Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ。 【Ｍ】

ＩＣＡＳＳＰ８９，Ｇｌａｓｇｏｗ，Ｓｃｏｔ ｌａｎｄ，Ｕ．Ｋ．，Ｍａｙ １９８９．

要

［２］Ｒ．Ｆａｎｔｅ ａｎｄ Ｊ．Ｖａｃｃａｒｅ．”Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ａｎｔ ｉ—Ｊａｍ

馨

Ｃａｐａｂｉ ｌｉ ｔｙ ｆｏｒ ＧＰＳ Ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ，”【Ｃ】１０Ｎ ９８

Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，Ｈａｓｈｖｉ ｌ１ｅ，ＴＮ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ １９９８．

［３］Ｆ．Ｈａｒｒｉｓ，”Ｏｎ ｔｈｅ Ｕｓｅ ｏｆ Ｗｉｎｄｏｗｓ ｆｏｒ Ｈａｒｍｏｎｉｃ

ＡｎａｌｙｓｉＳ ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ｄｉｓｃｒｅｔｏ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，”

【Ｊ】Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ，，Ｊａｎｕａｒｙ １９７８，ｅｅ１．６６，

圖７抗干擾后相關峰

ｎｏ．１，ｐｐ．５卜８３．

５結果分析

【４】Ｊ．Ｙｏｕｎｇ．”ＡｎａｌｙｓｉＳ ｏｆ ＤＦＴ—Ｂａｓｅｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ

ＥｘｃｉＳｉｏｎ Ａｌｇｅｒｉｔｈｍｓ ｆｏｒ Ｄｉｒｅｃｔ—Ｓｅｑｕｅｎｃｅ

通過對比圖６和圖７的仿真結果可以看出。此算法對四

Ｓｐｒｅａｄ－Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔ ｉｏｎｓ?！薄?/span>Ｊ】ＩＥＥＥ

個單音干擾的抑制幅度均很深，在原單音干擾的位置，實旆抗

Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ａｕｇｕｓｔ １９９８，ｖｏ１．

干擾算法后，均能產生很深的零陷（噪聲電平以下）。對于５０

４６，ｎｏ．８，ＰＰ．１０７６—１０８７．

ＮＩＨＺ的單音干擾，可清楚的看到，在有效地抑制該信號的同

【５］Ｌ．Ｒ．Ｒａｂｉｎｅｒ ａｎｄ Ｂ．ＧＯＬＤ．ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ａｐｐｌ ｉｃａｔｉｏｎ

時，對周圍有用信號的影響是比較微弱的。這說明Ｎ一叮策略的

ｏｆ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，【Ｍ】Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ。

作用是比較明顯的。在實際工程中也是可以接受的。

Ｅｎｇｌｅｗｏｏｄ ＣＩ ｉｆｆｓ，ＮＪ，１９７５．

另外也應看到，由于ＦＦｒ分辨率帶寬的問題，對于中心頻

【６］Ｅ．Ｂｉｄｅｔ，Ｄ．Ｃａｓｔｅｌａｉｎ，Ｃ．Ｊｏａｎｂｌａｎｑ，ａｎｄ Ｐ．

率為３６ ＭＨＺ、３６．５ ＭＨＺ兩個窄帶干擾。由于頻率相距很近。

Ｓｅｎｎ．”Ａ Ｆａｓｔ Ｓｉｎｇｌｅ—Ｃｈｉｐ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ８１９２

抗干擾算法無法將其中的有用信號分辨出來，而是一同濾除，

Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｐｏｉｎｔ ＦＦＴ。 【Ｊ】ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌ ｉｄ－Ｓｔａｔｅ

這在一定程度上會造成有用信號信噪比的損失。如果我們改進

Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，Ｍａｒｃｈ １９９５，ｅｅ１．３０，ｎｏ．３，ＰＰ．３００－３０５．

２０１１年第０５期＜訐｜｜機與廚絡＞