CN107370502A - 一种基于谱线处理的抗强窄带干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于谱线处理的抗强窄带干扰方法，具体为：首先，对时域信号进行N点FFT变换，并计算信号频谱每个频点对应的信号能量X_i；然后，根据单点信号能量，判断是否存在窄带干扰，如果存在干扰，则采用门限归零法，将能量大于预设的单点能量门限X_gate的频点的频谱实部和虚部置为0，否则，不对频谱作任何处理，之后对处理后的信号频谱进行IFFT变换，并对进行过门限归零处理的时域信号左移输出；最后，对时域信号实部和虚部数据进行数字自动增益控制。本方法在谱线处理的基础上，将抗干扰方法与数字AGC结合起来，保证了在有无强窄带干扰的条件下，送入后续模块的数据幅度基本一致，确保后续方法能正常执行。

Description

一种基于谱线处理的抗强窄带干扰方法

技术领域

本发明涉及一种基于谱线处理的抗强窄带干扰方法，属于通信技术领域。

背景技术

传统的基于谱线处理的抗干扰方法为先对输入信号进行FFT变换，将每个频点的能量与门限进行比较，大于门限则将该频点置0，小于门限则保留该频点，之后进行IFFT变换，最后将IFFT变换后的时域信号送入后续信号处理模块。这种方法不管有无强窄带干扰，对IFFT处理之后的信号的截位是一样的，这样，当干扰比较强时，因为信号能量几乎都集中在干扰上，通过将干扰置零，IFFT之后的信号将非常小，有可能会被截掉，将严重影响后续信号处理模块的性能。而且，传统方法抗干扰之后没有进行自动增益控制，有无干扰条件下送入后续模块的信号能量差异较大，也将影响后续捕获跟踪等算法的性能。

然而，对于应答机采用DS/FH混合扩频体制，具备较强的链路抗干扰能力、信号抗截获能力以及设备抗微波损毁能力。对于DS/FH混合扩频信号，当带内存在强窄带干扰时，其自相关特性会随着窄带干扰频点的变化而变化，从而造成信号捕获概率降低，甚至造成跳扩码相位跟踪错误。

在目前可得到的公开刊物中，有一部分涉及到了基于混合扩频系统的抗干扰方法。例如文献1《基于抗干扰算法FH/DS扩频系统的抗干扰性能研究》(作者：郭淑霞)论述了FH/DS混合扩频体制自身的抗干扰原理，并在解跳后加入基于变换域的抗干扰模块，简要介绍了基于限波方法的抗干扰原理。文献2《一种逐点处理的频域抗干扰新算法》(作者：李平博)以单个频点为对象，对每个频点设置相应的门限，检测干扰的存在并对其进行抑制。这两种算法都不管有无强窄带干扰，对IFFT处理之后的信号的截位是一样的，当干扰较强时，通过干扰置零，抗干扰处理之后的信号将非常小，有可能会被截掉，这将严重影响后续信号处理模块的性能。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于谱线处理的抗强窄带干扰方法，在基于谱线处理的抗干扰方法的基础上，设置了有无强窄带干扰标志，在干扰标志有效时消除干扰信号，干扰标志无效时对输入信号不做处理，并且将抗干扰方法和数字AGC结合起来，保证了在强窄带干扰条件下系统能正常工作，又不影响原有的抗宽带干扰和抗脉冲干扰的能力。

本发明的技术解决方案是：一种基于谱线处理的抗强窄带干扰方法，该方法包括如下步骤：

(1)、对外部输入的时域信号进行N点FFT变换，得到信号频谱，频谱的实部和虚部分别记为I_i，Q_i，i∈[1,N]，所述N为2的整数次幂；

(2)、计算信号频谱每个频点的信号能量X_i，即X_i＝I_i ²+Q_i ²，i∈[1,N]；

(3)、根据信号频谱每个频点的信号能量X_i，判断是否存在窄带干扰，当存在强窄带干扰，设置干扰标志有效，进入步骤(4)；否则，设置干扰标志无效，进入步骤(5)；

(4)、采用门限归零法，将能量大于预设单点能量门限X_gate的频点频谱实部和虚部置为0，以去除干扰，转入步骤(5)；

(5)、对信号频谱进行IFFT变换，得到时域信号，当干扰标识无效时，进入步骤(7)，否则，进入步骤(6)；

(6)、对去除干扰之后的时域信号左移输出，使之与未受到干扰影响的时域信号能量相当；

(7)、对时域信号实部和虚部数据进行数字自动增益控制，将数据的幅度控制在相对稳定的水平。

所述步骤(1)中FFT变换的点数N≥1024。

所述步骤(4)中预设的单点能量门限X_gate为：

X_gate＝n*X_aver,n>0

其中，X_aver为N点FFT结果实部和虚部的平方和的均值：

所述步骤(2)判断是否存在窄带干扰的方法为：分别计算能量大于等于预设单点能量门限X_gate的频点的平均能量和能量小于预设单点能量门限X_gate的频点的平均能量，并根据两者之比Y是否大于预设的门限M，当Y大于等于预设的门限M时，认为存在强窄带干扰，否则，认为不存在强窄带干扰。

当外部输入的时域信号为跳扩频信号时，在步骤(7)之前增加如下步骤：利用本地跳频图案，获得本地跳频载波对时域信号进行解跳，然后通过低通滤波器滤除带外频率分量，其中，f_i'代表本地跳频频率值。

所述自动增益控制处理过程为：

(1)、初始设置增益调整因子coef为0，信号功率补偿值为1；

(2)、将信号功率补偿值分别与时域信号的I路信号和Q路信号相乘，更新时域信号的I路信号和Q路信号；

(3)、对时域信号做平均功率估计，并取对数，再与取了对数的参考功率相减得到误差电平e；

(4)、根据误差电平e的取值范围确定增益调整因子coef：

当误差电平e大于等于第一阈值时，增益调整因子coef取第一预设调整因子；当误差电平e属于(第二阈值，第一阈值]的范围内时，增益调整因子coef取预设的第二预设调整因子；否则，增益调整因子coef取为0，所述第一预设调整因子大于第二预设调整因子；

(5)、将增益调整因子coef与误差电平e进行乘累加运算，之后，对乘累加的结果进行2的指数运算得到信号功率补偿值，并在下一个去除干扰之后的时域信号输出时刻反馈至步骤(2)开始执行。

所述第一阈值的取值范围是：[2，4]。

所述第二阈值的取值范围是：[0，0.5]。

所述参考功率为无干扰时的信号取平均功率。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)、本发明将抗干扰方法与数字AGC结合起来，保证了在有无强窄带干扰的条件下，送入后续信号处理模块的数据幅度基本一致，确保后续方法能正常执行；

(2)、本发明设置了有无强窄带干扰标志，干扰标志有效时消除干扰信号，干扰标志无效时对输入信号不做处理，保证了在强窄带干扰条件下系统能正常工作，又不影响DS/FH混合扩频体制原有的抗宽带干扰和抗脉冲干扰的能力；

(3)、本发明通过设置有无强窄带干扰标志，用干扰标志控制IFFT结果的截位，无干扰时保留高位，有干扰时保留低位，解决了在有干扰时由于有效信号太小造成的捕获跟踪困难问题，提高了系统的抗窄带干扰能力；

(4)、本发明所采用的AGC方法设定两个阈值，在输入信号功率与参考功率相差较大时可快速收敛，相差较小时缓慢收敛，在保证信号的收敛速度的同时确保信号准确收敛到参考功率强度；

(5)、本发明针对跳扩频通信系统，提出在自动增益控制步骤之前加入解跳模块，对时域信号进行解跳，然后通过低通滤波器滤除带外频率分量，将跳扩信号下变频为基带信号，有效解决由于信号载波跳变，门限归零法抗干扰处理后残余的部分干扰信号在某一跳内可能处于带内无法完全滤除的问题。

附图说明

图1为本发明基于谱线处理的抗强窄带干扰处理流程图；

图2为本发明实施例的Y值随着干信比变化的趋势；

图3为本发明实施例AGC控制流程图；

图4为本发明实施例混合扩频信号体制下抗强窄带干扰处理流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明提供了一种基于谱线处理的抗强窄带干扰方法的具体实施例，所述的强窄带干扰是指带宽小于等于有效信号带宽的10％，功率比有效信号功率高几十dB的干扰信号。该方法具体包括如下步骤：

(1)、对外部输入的时域信号进行N点FFT变换，得到信号频谱，频谱的实部和虚部分别记为I_i，Q_i，i∈[1,N]，所述N为2的整数次幂；在资源占用允许的情况下，FFT点数越大，FFT变换带来的栅栏效应越小，抗干扰方法对有效信号的影响也越小。本实施例中，取FFT变换的点数N≥1024。

(2)、计算信号频谱每个频点的信号能量X_i，即X_i＝I_i ²+Q_i ²，i∈[1,N]；

(3)、根据信号频谱每个频点的信号能量X_i，判断是否存在窄带干扰，当存在强窄带干扰，设置干扰标志有效，进入步骤(4)；否则，设置干扰标志无效，进入步骤(5)；

具体的判断是否存在窄带干扰的方法为：分别计算能量大于等于预设单点能量门限X_gate的频点的平均能量和能量小于预设单点能量门限X_gate的频点的平均能量，并根据两者之比Y是否大于预设的门限M，当Y大于等于预设的门限M时，认为存在强窄带干扰，否则，认为不存在强窄带干扰。

所述预设的单点能量门限X_gate为：

X_gate＝n*X_aver,n>0

本实施例中，n＝1，用均值作为门限，可最大限度消除干扰。

其中，X_aver为N点FFT结果实部和虚部的平方和的均值：

假设X_m表示X_i的值大于等于上述单点能量门限X_gate，大于等于单点能量门限X_gate的FFT点数为N_m，X_n表示X_i的值小于单点能量门限X_gate，小于单点能量门限X_gate的FFT点数为N_n，则N＝N_m+N_n，N为FFT点数。则能量大于等于预设单点能量门限X_gate的频点的平均能量和能量小于预设单点能量门限X_gate的频点的平均能量之比Y为：

图2给出了Y值随着干信比变换的趋势，从图中可以看出，Y值的大小可以表征干扰的大小，即干信比为多少dB，因此可以根据Y值的大小来判断有无干扰存在。可以根据实际情况设定一个门限值M，若Y≥M判定为存在强窄带干扰，设置干扰有效标志flag＝1；若Y<M则判定为无窄带干扰，设置干扰有效标志flag＝0。本实施例中，取M值为512。

(4)、采用门限归零法，将能量大于预设的单点能量门限X_gate的频点的频谱实部和虚部置为0，以去除干扰，转入步骤(5)；

(5)、对信号频谱进行IFFT变换，得到时域信号，当干扰标识无效时，进入步骤(7)，否则，进入步骤(6)；

干扰归零法，即将每根谱线幅度与确定的某一门限比较，将大于门限的谱线消除，所以又称作门限归零法。

步骤(4)和步骤(5)具体的实现过程为：

假设送入IFFT处理模块的第i点数据的实部和虚部分别为则当flag＝0时，

当flag＝1时，将每一点FFT运算结果的平方和X_i和门限值X_gate进行比较，若X_i≥X_gate，则将FFT结果置零，送入IFFT处理模块，即令

这里的意思是，将大于等于门限的谱线置零，因为大于等于门限值X_gate的谱线为干扰对应的谱线，使之为0就是消除干扰；小于门限值X_gate的谱线为有用信号对应的谱线，将这些谱线原封不动的保留下来，再做IFFT运算可以恢复有用信号。实际工程实现时，比较时所用的门限值X_gate可以用前一组FFT的结果计算出来，因为这是个流水线的方法，这样处理不影响方法效果。

(6)、对去除干扰之后的时域信号左移输出，使之与未受到干扰影响的时域信号能量相当。

由于经过通道的带内总功率是基本不变的，在强窄带干扰存在的条件下，带内总功率基本都集中在干扰上，通过干扰置零的抗干扰方法后，剩余信号的幅度将非常小；而不存在强窄带干扰时，抗干扰模块对输入信号不做处理，这样送入后续模块的信号幅度将比较大。为了减小干扰信号对后续处理的影响，本发明通过对去除干扰之后的时域信号左移输出和对所有信号进行数字AGC控制使两种情况下的信号幅值基本一致。

本实施例中，根据实际信号的大小和后续处理所需的数据位宽以及FFT的点数对IFFT的结果进行截位处理，在flag＝0时保留较高位，例如，输入信号的位宽为14位，FFT点数为1024，后续处理需要的信号位宽为11位，则IFFT的结果可保留第23位到第13位，可保证信号不会溢出；flag＝1时，由于抗干扰处理时去除了大量的信号能量，有效数据位处在数据低位上，故要保留较低位。本实施例中，例如，输入信号的位宽为14位，FFT点数为1024，后续处理需要的信号位宽为11位，则保留第20位到第10位。

(7)、对时域信号实部和虚部数据进行数字自动增益控制，将数据的幅度控制在相对稳定的水平。

数字自动增益控制AGC是通过电路增益随信号强度变化来保证输出信号强度稳定的。对时域信号，实部和虚部数据的增益进行自动控制，将数据的幅度控制在相对稳定的水平。

如图3所示，所述自动增益控制处理过程为：

(1)、初始设置增益调整因子coef为0，信号功率补偿值为1；

(2)、将信号功率补偿值分别与时域信号的I路信号和Q路信号相乘，更新时域信号的I路信号和Q路信号；

(3)、对时域信号做平均功率估计，并取对数，再与取了对数的参考功率相减得到误差电平e；

(4)、根据误差电平e的绝对值的取值范围确定增益调整因子coef：

当误差电平e的绝对值大于等于第一阈值时，增益调整因子coef取第一预设调整因子(coef_H)；当误差电平e的绝对值属于(第二阈值，第一阈值]的范围内时，增益调整因子coef取预设的第二预设调整因子(coef_L)；否则，增益调整因子coef取为0，所述第一预设调整因子大于第二预设调整因子；

具体实现方法为：假设时域信号第p点数据的实部和虚部分别为I_p，Q_p，可求出N'点数据的平均功率P，为了保证平均功率的准确估计，N'的值应当取得足够大，同时，为了保证N'个样点之间的信号功率不发生显著变化，N'的值应当取得足够小，所以在设计中将N'设为可调，根据实际需要确定该值大小，可取值为128。

接下来将平均功率输入对数查找表模块，对功率值取对数之后将该对数功率与参考值的对数值相减，所得的结果送入运算判决模块，该模块的输出作为指数查找表的输入地址，输出的数据就是取2的指数次方的输出，然后将该输出与输入数据进行复数乘法，实现功率控制。本发明中的参考值是输入信号最后的稳定值，本方法中该值为固定值，实际操作中可用一段无干扰的信号求平均功率得到，这样可使有无干扰时送入后续捕获跟踪模块的信号保持在稳定的水平。

图3中的K₀是参考功率，也就是需要最终收敛的功率值，这里K₀的取值根据接收到的信号的实际功率值来确定。不断对参考功率与输入信号的平均功率Q取对数之后再进行减法操作，记所得的差值为e。设定两个阈值：第一阈值＞第二阈值，所述第一阈值的取值范围是[2:4]，代表输入信号的功率与参考功率相差[4:16]倍，本实施例中，取值为3，代表输入信号的功率和参考信号的功率相差8倍；所述第二阈值的取值范围为：[0，0.5]，代表输入信号的功率与参考功率相差[1:1.4]倍，本实施例中，选取0.5，代表输入信号的功率和参考信号的功率相差1.4倍。如果e的绝对值≥第一阈值，那么说明信号功率与参考功率相差较大，采用一个较高的第一预设调整因子(coef_H)对信号功率进行控制，可使输入信号快速收敛；如果e的绝对值属于(第二阈值，第一阈值]的范围内时，那么，说明信号功率与参考功率相差较小，则采用一个较低的第二预设调整因子(coef_L)，使输入信号缓缓收敛到参考功率的强度；如果e的绝对值≤第二阈值，则说明信号功率与参考功率相差很小，将调整因子取为0，不对输入信号进行功率控制，使输入信号保持在参考功率强度。得到了调整因子coef之后，将其与e进行乘累加运算，最后对乘累加的结果进行2的指数运算得到功率补偿的数值，再与输入信号相乘，以达到功率控制的目的。输入信号经过AGC模块进行功率控制之后，送入后续捕获跟踪模块进行相关运算。调整因子一定要小于1，否则会造成信号不收敛。本实施例中，第一预设调整因子的取值是：0.01；第二预设调整因子的取值范围是：0.001。

(5)、将增益调整因子coef与误差电平e进行乘累加运算，之后，对乘累加的结果进行2的指数运算得到信号功率补偿值，并在下一个去除干扰之后的时域信号输出时刻反馈至步骤(2)开始执行。

由上可知，本发明的基于谱线处理的抗强窄带干扰方法是一种自适应的方法，接收信号频谱被去除的多少取决于干扰的数目和幅度。由于它是自适应的，保证了在抵消窄带干扰的同时不会去除有用信号的频率成分。其原理是，干扰存在时，接收信号的谱分布发生变化，强干扰(功率比有用信号功率大几十dB)对应的频点上会出现很大的谱峰，但没有干扰的频点对应的仍然是输入的有用信号的频谱。随着干扰数目或总功率的增加，信号频谱就会相应的变化。该方法就挑选一个接近均值，如均值的1倍或2倍作为单点能量门限以抵消干扰频率分量。

本发明适用于直接序列扩频系统，也适用于跳扩频系统，当外部输入的时域信号为跳扩频信号时，由于信号载波跳变，门限归零法抗干扰处理后残余的部分干扰信号在某一跳内可能处于带内，也可能处于带外。当干扰信号处于带外时，可被低通滤波器滤除，此时，剩余信号幅值非常小；当干扰信号处于带内时，通过低通滤波器后，信号幅值依然比较大。如图4所示，本发明针对跳扩频通信系统，提出在自动增益控制步骤之前加入解跳模块，利用本地跳频图案，获得本地跳频载波对时域信号进行解跳，然后通过低通滤波器滤除带外频率分量，将跳扩信号下变频为基带信号，有效解决这个问题。其中，f_i'代表本地跳频频率值。

实施例：

在采用DS/FH混合扩频体制的某应答机的研制过程中，应用该方法之后，应答机的抗窄带干扰能力在跳扩体制原有抗干扰能力的基础上提高了10dB，即从75dB提高到85dB。在地面联试中，采用该方法，应答机成功达到了任务要求的抗窄带干扰的能力，充分验证了该方法的可行性。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (9)

1.一种基于谱线处理的抗强窄带干扰方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)、对外部输入的时域信号进行N点FFT变换，得到信号频谱，频谱的实部和虚部分别记为I_i，Q_i，i∈[1,N]，所述N为2的整数次幂；

(2)、计算信号频谱每个频点的信号能量X_i，即X_i＝I_i ²+Q_i ²，i∈[1,N]；

(3)、根据信号频谱每个频点的信号能量X_i，判断是否存在窄带干扰，当存在强窄带干扰，设置干扰标志有效，进入步骤(4)；否则，设置干扰标志无效，进入步骤(5)；

(4)、采用门限归零法，将能量大于预设单点能量门限X_gate的频点频谱实部和虚部置为0，以去除干扰，转入步骤(5)；

(5)、对信号频谱进行IFFT变换，得到时域信号，当干扰标识无效时，进入步骤(7)，否则，进入步骤(6)；

(6)、对去除干扰之后的时域信号左移输出，使之与未受到干扰影响的时域信号能量相当；

(7)、对时域信号实部和虚部数据进行数字自动增益控制，将数据的幅度控制在相对稳定的水平。

2.根据权利要求1所述的一种基于谱线处理的抗强窄带干扰方法，其特征在于所述步骤(1)中FFT变换的点数N≥1024。

3.根据权利要求1所述的一种基于谱线处理的抗强窄带干扰方法，其特征在于所述步骤(4)中预设的单点能量门限X_gate为：

X_gate＝n*X_aver,n>0

其中，X_aver为N点FFT结果实部和虚部的平方和的均值：

<mrow> <msub> <mi>X</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>v</mi> <mi>e</mi> <mi>r</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </msubsup> <msub> <mi>X</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <mi>N</mi> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>

4.根据权利要求1所述的一种基于谱线处理的抗强窄带干扰方法，其特征在于所述步骤(2)判断是否存在窄带干扰的方法为：分别计算能量大于等于预设单点能量门限X_gate的频点的平均能量和能量小于预设单点能量门限X_gate的频点的平均能量，并根据两者之比Y是否大于预设的门限M，当Y大于等于预设的门限M时，认为存在强窄带干扰，否则，认为不存在强窄带干扰。

5.根据权利要求1所述的一种基于谱线处理的抗强窄带干扰方法，其特征在于当外部输入的时域信号为跳扩频信号时，在步骤(7)之前增加如下步骤：利用本地跳频图案，获得本地跳频载波对时域信号进行解跳，然后通过低通滤波器滤除带外频率分量，其中，f_i'代表本地跳频频率值。

6.根据权利要求1所述的一种基于谱线处理的抗强窄带干扰方法，其特征在于所述自动增益控制处理过程为：

(1)、初始设置增益调整因子coef为0，信号功率补偿值为1；

(2)、将信号功率补偿值分别与时域信号的I路信号和Q路信号相乘，更新时域信号的I路信号和Q路信号；

(3)、对时域信号做平均功率估计，并取对数，再与取了对数的参考功率相减得到误差电平e；

(4)、根据误差电平e的取值范围确定增益调整因子coef：

当误差电平e大于等于第一阈值时，增益调整因子coef取第一预设调整因子；当误差电平e属于(第二阈值，第一阈值]的范围内时，增益调整因子coef取预设的第二预设调整因子；否则，增益调整因子coef取为0，所述第一预设调整因子大于第二预设调整因子；

(5)、将增益调整因子coef与误差电平e进行乘累加运算，之后，对乘累加的结果进行2的指数运算得到信号功率补偿值，并在下一个去除干扰之后的时域信号输出时刻反馈至步骤(2)开始执行。

7.根据权利要求1所述的一种基于谱线处理的抗强窄带干扰方法，其特征在于所述第一阈值的取值范围是：[2，4]。

8.根据权利要求1所述的一种基于谱线处理的抗强窄带干扰方法，其特征在于所述第二阈值的取值范围是：[0，0.5]。

9.根据权利要求1所述的一种基于谱线处理的抗强窄带干扰方法，其特征在于所述参考功率为无干扰时的信号取平均功率。