功率倒置算法在北斗抗干扰天线系统中的应用
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摘要：为解决北斗导航接收机干扰功率强、有效信号弱的不足，提出了一种基于功率倒置自适应算法的抗干扰设计方案。该方案以自适应天线系统为平台，采用FPGA处理器Virtex5芯片实现自适应算法，根据最小均方误差原则迭代计算功率倒置的最优权值并产生加权输出。测试结果显示：功率倒置算法在干扰形式、干扰方向未知的情况下能够有效抑制干扰，为北斗导航接收机提供最高50 dB的抗干扰能力。
关键词：北斗导航接收机；功率倒置；自适应；FPGA；抗干扰
北斗导航系统采用扩频方式通信，信号到达接收机时非常微弱，其功率甚至远低于接收机内部噪声，更远低于干扰信号功率。北斗接收机接收到的干扰数目以及干扰形式无法做到事先预知，卫星信号的来向和数目也不可能预知，这种情况下适合采用功率倒置自适应算法抑制干扰。
文中提出一种基于FPGA的功率倒置自适应算法实现方案，测试表明该方案在强干扰条件下具有较好的抗干扰效果。
1 功率倒置自适应算法的原理
自适应天线系统是由多元天线阵和信号处理单元组成的系统。系统工作时，信号处理单元根据系统的输入和输出自适应的调整天线阵的权值，自动修正和优化天线的方向图、频率响应和极化特性，抑制和消除干扰，提高输出信号的信噪比。
功率倒置自适应算法是直接将阵列的输出作为误差信号，在一定约束条件下追求误差信号最小。这种算法不区分有用信号与干扰信号，只力图使阵列输出功率最小。它的稳态方向图将在干扰信号方向引入零点。而且，干扰信号功率愈强引入的零点深度就愈深。在干扰被大大抑制之后，解扩过程再将信号增强，就能获得很好的信干噪比。
功率倒置算法的原理结构如图1所示，阵列第一支路的权值设定为“1”或其它固定值“α≠0”。
自适应算法通过选择[w2，w3，…，wN]的最佳值使阵列的输出功率最小。功率倒置自适应算法的最佳权值为。其中，为阵元2～N上输入信号的自相关矩阵，rαl=E[Xαxl]为阵元2～N上的信号与参考阵元上的信号的互相关向量，Xα=[x2，x3，…，xN]T。
2 功率倒置自适应算法的实现
天线阵由4个等间距阵元组成，其中1个是主天线阵元，另外3个是辅助天线阵元。阵接收的信号经射频前端电路送到4路正交接收机产生8个正交差分中频信号，然后经过14 bit高精度A／D变换成数字信号送入FPGA，在FPGA内部经过去直流预处理后，应用功率倒置迭代算法更新权值，产生3个复加权通道的正交加权信号。功率倒置自适应算法框图如图2所示。
权值计算过程采用定点运算，所选用的FPGA为Xinlinx公司的Virtex5芯片，带有字长25x18位的内部硬件乘法器，大大提高了运算速度。
功率倒置自适应算法迭代步骤如下：
1)N=0时刻，进行初始化操作，参考支路的权值置零；
2)N=1，2，…时刻，循环进行以下步骤：
①滤波过程：在权值调整器中用n-1时刻的权值产生加权输出，经接收机下变频和A／D采样以及预处理过程产生误差信号；
②自适应权值更新计算：利用误差信号和阵输入信号进行相关运算，计算权值更新量并输出新权值，利用权值对各通道信号进行加权处理，输出抗干扰后的信号。
其中，第1路的加权系数始终是常数。权值迭代更新及加权合成过程基于verilog语言实现，其程序设计框图如图3所示。
clk4x的频率是clk的4倍。这样做的原因是北斗抗干扰接收天线阵有1个主天线通道和3个从天线通道，共接收到4路数据。把clk4x设计成clk的4倍，就可以在一个clk的周期内，分别完成对4路数据的分时处理。
图4为自适应天线系统的信号处理板实物图。
3 测试结果
采用注入式测试的方法，对自适应天线系统的对消性能进行测试，以此来验证功率倒置自适应算法的抗干扰性能。测试框图如图5所示。
信号源注入干扰信号，经功分器后送入自适应天线系统的4个通道。对消控制开关用来控制自适应天线系统是否工作，以比较对消效果。用频谱仪记录对消前和对消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6所示。
图6(a)表示自适应天线系统输出信号对消前的频谱，图6(b)表示自适应天线系统输出信号对消后的频谱。从中可以看出，对消后干扰信号得到了很好的抑制，输出信号的信干比大大提高。由此可见，应用了功率倒置自适应算法的北斗自适应天线系统具有较好的抗干扰能力。
4 结论
文中提出了一种应用于北斗自适应天线系统的功率倒置算法的实现方案。普通北斗接收机，在干扰功率不到-95 dBmW时，就完全失锁。采用功率倒置抗干扰措施后，可以把失锁门限提高到-48 dBmW。基于功率倒置算法的自适应天线系统能为北斗导航接收机提供最高50 dB以上的稳态抗干扰能力，具有很好的实用性。
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