功率倒置算法在北斗抗干擾天線系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：為解決北斗導(dǎo)航接收機(jī)干擾功率強(qiáng)、有效信號弱的不足，提出了一種基于功率倒置自適應(yīng)算法的抗干擾設(shè)計(jì)方案。該方案以自適應(yīng)天線系統(tǒng)為平臺，采用FPGA處理器Virtex5芯片實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)算法，根據(jù)最小均方誤差原則迭代計(jì)算功率倒置的最優(yōu)權(quán)值并產(chǎn)生加權(quán)輸出。測試結(jié)果顯示：功率倒置算法在干擾形式、干擾方向未知的情況下能夠有效抑制干擾，為北斗導(dǎo)航接收機(jī)提供最高50 dB的抗干擾能力。
關(guān)鍵詞：北斗導(dǎo)航接收機(jī)；功率倒置；自適應(yīng)；FPGA；抗干擾

    北斗導(dǎo)航系統(tǒng)采用擴(kuò)頻方式通信，信號到達(dá)接收機(jī)時(shí)非常微弱，其功率甚至遠(yuǎn)低于接收機(jī)內(nèi)部噪聲，更遠(yuǎn)低于干擾信號功率。北斗接收機(jī)接收到的干擾數(shù)目以及干擾形式無法做到事先預(yù)知，衛(wèi)星信號的來向和數(shù)目也不可能預(yù)知，這種情況下適合采用功率倒置自適應(yīng)算法抑制干擾。
    文中提出一種基于FPGA的功率倒置自適應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)方案，測試表明該方案在強(qiáng)干擾條件下具有較好的抗干擾效果。

1 功率倒置自適應(yīng)算法的原理
    自適應(yīng)天線系統(tǒng)是由多元天線陣和信號處理單元組成的系統(tǒng)。系統(tǒng)工作時(shí)，信號處理單元根據(jù)系統(tǒng)的輸入和輸出自適應(yīng)的調(diào)整天線陣的權(quán)值，自動(dòng)修正和優(yōu)化天線的方向圖、頻率響應(yīng)和極化特性，抑制和消除干擾，提高輸出信號的信噪比。
    功率倒置自適應(yīng)算法是直接將陣列的輸出作為誤差信號，在一定約束條件下追求誤差信號最小。這種算法不區(qū)分有用信號與干擾信號，只力圖使陣列輸出功率最小。它的穩(wěn)態(tài)方向圖將在干擾信號方向引入零點(diǎn)。而且，干擾信號功率愈強(qiáng)引入的零點(diǎn)深度就愈深。在干擾被大大抑制之后，解擴(kuò)過程再將信號增強(qiáng)，就能獲得很好的信干噪比。
    功率倒置算法的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示，陣列第一支路的權(quán)值設(shè)定為“1”或其它固定值“α≠0”。

    自適應(yīng)算法通過選擇[w2，w3，…，wN]的最佳值使陣列的輸出功率最小。功率倒置自適應(yīng)算法的最佳權(quán)值為。其中，為陣元2～N上輸入信號的自相關(guān)矩陣，rαl=E[Xαxl]為陣元2～N上的信號與參考陣元上的信號的互相關(guān)向量，Xα=[x2，x3，…，xN]T。

2 功率倒置自適應(yīng)算法的實(shí)現(xiàn)
    天線陣由4個(gè)等間距陣元組成，其中1個(gè)是主天線陣元，另外3個(gè)是輔助天線陣元。陣接收的信號經(jīng)射頻前端電路送到4路正交接收機(jī)產(chǎn)生8個(gè)正交差分中頻信號，然后經(jīng)過14 bit高精度A／D變換成數(shù)字信號送入FPGA，在FPGA內(nèi)部經(jīng)過去直流預(yù)處理后，應(yīng)用功率倒置迭代算法更新權(quán)值，產(chǎn)生3個(gè)復(fù)加權(quán)通道的正交加權(quán)信號。功率倒置自適應(yīng)算法框圖如圖2所示。

    權(quán)值計(jì)算過程采用定點(diǎn)運(yùn)算，所選用的FPGA為Xinlinx公司的Virtex5芯片，帶有字長25x18位的內(nèi)部硬件乘法器，大大提高了運(yùn)算速度。
    功率倒置自適應(yīng)算法迭代步驟如下：
    1)N=0時(shí)刻，進(jìn)行初始化操作，參考支路的權(quán)值置零；
    2)N=1，2，…時(shí)刻，循環(huán)進(jìn)行以下步驟：
    ①濾波過程：在權(quán)值調(diào)整器中用n-1時(shí)刻的權(quán)值產(chǎn)生加權(quán)輸出，經(jīng)接收機(jī)下變頻和A／D采樣以及預(yù)處理過程產(chǎn)生誤差信號；
    ②自適應(yīng)權(quán)值更新計(jì)算：利用誤差信號和陣輸入信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，計(jì)算權(quán)值更新量并輸出新權(quán)值，利用權(quán)值對各通道信號進(jìn)行加權(quán)處理，輸出抗干擾后的信號。
    其中，第1路的加權(quán)系數(shù)始終是常數(shù)。權(quán)值迭代更新及加權(quán)合成過程基于verilog語言實(shí)現(xiàn)，其程序設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

    clk4x的頻率是clk的4倍。這樣做的原因是北斗抗干擾接收天線陣有1個(gè)主天線通道和3個(gè)從天線通道，共接收到4路數(shù)據(jù)。把clk4x設(shè)計(jì)成clk的4倍，就可以在一個(gè)clk的周期內(nèi)，分別完成對4路數(shù)據(jù)的分時(shí)處理。

    圖4為自適應(yīng)天線系統(tǒng)的信號處理板實(shí)物圖。

3 測試結(jié)果
    采用注入式測試的方法，對自適應(yīng)天線系統(tǒng)的對消性能進(jìn)行測試，以此來驗(yàn)證功率倒置自適應(yīng)算法的抗干擾性能。測試框圖如圖5所示。

    信號源注入干擾信號，經(jīng)功分器后送入自適應(yīng)天線系統(tǒng)的4個(gè)通道。對消控制開關(guān)用來控制自適應(yīng)天線系統(tǒng)是否工作，以比較對消效果。用頻譜儀記錄對消前和對消后兩種情況下自適應(yīng)信號處理模塊輸出的干擾信號功率。測試儀器為R&S公司的FSP-40頻譜分析儀。測試結(jié)果如圖6所示。

    圖6(a)表示自適應(yīng)天線系統(tǒng)輸出信號對消前的頻譜，圖6(b)表示自適應(yīng)天線系統(tǒng)輸出信號對消后的頻譜。從中可以看出，對消后干擾信號得到了很好的抑制，輸出信號的信干比大大提高。由此可見，應(yīng)用了功率倒置自適應(yīng)算法的北斗自適應(yīng)天線系統(tǒng)具有較好的抗干擾能力。

4 結(jié)論
    文中提出了一種應(yīng)用于北斗自適應(yīng)天線系統(tǒng)的功率倒置算法的實(shí)現(xiàn)方案。普通北斗接收機(jī)，在干擾功率不到-95 dBmW時(shí)，就完全失鎖。采用功率倒置抗干擾措施后，可以把失鎖門限提高到-48 dBmW?；诠β实怪盟惴ǖ淖赃m應(yīng)天線系統(tǒng)能為北斗導(dǎo)航接收機(jī)提供最高50 dB以上的穩(wěn)態(tài)抗干擾能力，具有很好的實(shí)用性。