衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)對(duì)窄帶信號(hào)的干擾分析

衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)對(duì)窄帶信號(hào)的干擾分析

0衛(wèi)星系統(tǒng)信號(hào)干擾衛(wèi)星系統(tǒng)的衛(wèi)星距離地面接收機(jī)距離超過(guò)2萬(wàn)公里（地震源超過(guò)3萬(wàn)公里）。同時(shí)，衛(wèi)星發(fā)射功率僅為幾十年，衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)在地面上非常微弱。以中國(guó)北斗二衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)信號(hào)為例，當(dāng)1268.52hz高頻信號(hào)到達(dá)地面上并用b.b信號(hào)進(jìn)行傳輸時(shí)，最小信號(hào)頻率約為130dbm（與接收機(jī)構(gòu)的熱噪聲屏蔽相比較低30db）。該信號(hào)功率相當(dāng)于10萬(wàn)km處30W的燈泡發(fā)出的光的大小阻塞式干擾是最為常見(jiàn)的一種干擾。它有多種干擾體制,常見(jiàn)的干擾包括單頻(或窄帶)連續(xù)波干擾和各種類型的寬帶干擾等。其中窄帶干擾廣泛存在于日常生活中,如調(diào)幅電臺(tái)發(fā)射機(jī)的諧波或商業(yè)廣播發(fā)射機(jī)的諧波、故意的連續(xù)波干擾機(jī)或調(diào)頻電臺(tái)發(fā)射機(jī)的諧波、故意的連續(xù)波干擾機(jī)或頻段附近的非調(diào)制發(fā)射機(jī)的載波1芯片功能1.1模數(shù)轉(zhuǎn)換、干擾檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾專用芯片采用“A/D+抗干擾”的架構(gòu),圖1為芯片結(jié)構(gòu)功能框圖,主要包括雙路模數(shù)轉(zhuǎn)換、自適應(yīng)抗干擾處理、干擾檢測(cè)和輸出濾波等功能模塊,其中模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的模擬中頻信號(hào)量化為數(shù)字中頻信號(hào),若此處的數(shù)字中頻信號(hào)包含干擾信息,經(jīng)自適應(yīng)抗干擾處理后,可在數(shù)字域?yàn)V除干擾,最終經(jīng)輸出濾波器實(shí)現(xiàn)數(shù)字中頻信號(hào)輸出。芯片內(nèi)部同時(shí)集成了干擾檢測(cè)模塊,可有效識(shí)別信號(hào)中是否存在干擾信息,在不存在干擾的情況下,通過(guò)控制關(guān)閉芯片的抗干擾處理,有效降低芯片的工作功耗。本芯片可替換原有衛(wèi)星導(dǎo)航終端中的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊,使其具備抗窄帶干擾能力,如圖2所示。1.2自適應(yīng)濾波算法設(shè)計(jì)為使衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾專用芯片適用于多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),必須選擇對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)形式不敏感的抗干擾處理方式,本文采用自適應(yīng)濾波技術(shù)應(yīng)用于抗干擾芯片設(shè)計(jì),它是一種中頻域的處理方法,對(duì)小信號(hào)包絡(luò)變化、輸入速率不敏感,處理速率對(duì)各個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)中頻的最大頻率分量滿足奈奎斯特采樣定律,能確保信號(hào)完整不失真的采樣處理,對(duì)不同的衛(wèi)星系統(tǒng)有良好的適應(yīng)性。由于不同的導(dǎo)航系統(tǒng)其工作帶寬不同,為補(bǔ)償中頻數(shù)字處理帶來(lái)的噪底損失,本芯片設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)不同的系統(tǒng)帶寬添加可配置帶通濾波器,濾除更多帶外噪聲,從而達(dá)到多系統(tǒng)兼容的目的。自適應(yīng)濾波算法的基本思想是根據(jù)干擾信號(hào)的變化,調(diào)整系統(tǒng)的沖激響應(yīng)以達(dá)到均方差最小的準(zhǔn)則,它的特點(diǎn)在于不需要預(yù)知干擾和噪聲的統(tǒng)計(jì)特性,即使噪聲的統(tǒng)計(jì)特性是非先驗(yàn)甚至?xí)r變的,也能自動(dòng)調(diào)節(jié)迭代滿足最佳濾波的要求,具有自我“調(diào)節(jié)”和“跟蹤”能力,更符合實(shí)際應(yīng)用的特性。自適應(yīng)濾波的基本方法是通過(guò)比較輸出序列y最小均方誤差(LMS)為一種較好的兼顧速度和精度的自適應(yīng)算法得到廣泛采用,其基本運(yùn)算過(guò)程為則由式(1)、式(2)得到本文采用的LMS算法具有理想的陷波特性,如圖4所示,它在輸入信號(hào)頻帶內(nèi)只在大信號(hào)頻率大信號(hào)處形成陷波,在離開(kāi)大信號(hào)的區(qū)域會(huì)很快進(jìn)入平坦,這種特性對(duì)頻帶造成的損傷較小,保證抗干擾處理后接收機(jī)仍能正確地解算出衛(wèi)星導(dǎo)航信息。1.3fft算法設(shè)計(jì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的干擾檢測(cè)算法非常多,根據(jù)信號(hào)處理域的不同,分為基于時(shí)域的干擾檢測(cè)算法和基于頻域的干擾檢測(cè)算法?；跁r(shí)域的干擾檢測(cè)性能的好壞直接受到設(shè)定的門(mén)限值影響,而且對(duì)外界未知的干擾和噪聲非常敏感,使時(shí)域干擾檢測(cè)方法的準(zhǔn)確度大大降低。本文采用基于FFT的頻域干擾檢測(cè)技術(shù),對(duì)接收到的中頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行FFT變換,轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào),在頻域計(jì)算檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量,并設(shè)定干擾門(mén)限值為θ*a,由判決器對(duì)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量和干擾門(mén)限值進(jìn)行比較,輸出干擾存在性信息。該算法大大降低了算法實(shí)現(xiàn)功耗和復(fù)雜度,提高了干擾檢測(cè)的準(zhǔn)確度由圖5(a)可知,干擾檢測(cè)電路架構(gòu)由FFT和干擾檢測(cè)兩部分構(gòu)成,FFT的性能對(duì)干擾檢測(cè)結(jié)果有重要影響。本設(shè)計(jì)所采用的FFT結(jié)構(gòu)為基2的順序處理結(jié)構(gòu),順序處理結(jié)構(gòu)只使用一個(gè)FFT蝶形運(yùn)算單元,分時(shí)段進(jìn)行干擾檢測(cè),有效地降低了運(yùn)算功耗,其電路結(jié)構(gòu)如圖5(b)所示。檢測(cè)結(jié)果如圖6所示,虛線表示干擾門(mén)限,實(shí)線表示經(jīng)FFT變換后的信號(hào)最大值,在60dB干擾時(shí),實(shí)線線條高于虛線線條,表示檢測(cè)到有干擾。2芯片全域封裝芯片采用0.13μm的CMOS工藝實(shí)現(xiàn);I/O電壓為3.3V,核心電壓為1.2V,裸片面積為3.5mm×3.5mm,芯片最終版圖如圖7所示,設(shè)計(jì)最高工作頻率為70MHz。采用LQFP48封裝,與AD9288封裝相同,芯片面積為7mm×7mm?？垢蓴_專用芯片與AD9288對(duì)比如圖8所示,二者的結(jié)構(gòu)尺寸和封裝形式均相同,可替換衛(wèi)星導(dǎo)航終端中的AD9288芯片,完成模數(shù)轉(zhuǎn)換和抗干擾處理功能。3星2星來(lái)源及干擾處理測(cè)試抗干擾專用芯片測(cè)試環(huán)境如圖9所示。主要包括信號(hào)源、干擾源、合路器、射頻通道、抗干擾專用芯片、數(shù)字基帶。通過(guò)合路器將衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)源和干擾合路輸出來(lái)模擬實(shí)際天線在干擾環(huán)境中接收到的衛(wèi)星信號(hào),經(jīng)射頻通道下變頻后,由抗干擾專用芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和抗干擾處理,輸出數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)行基帶解算。經(jīng)測(cè)試,本芯片在北斗系統(tǒng)B3、B1、S頻點(diǎn)、GPS系統(tǒng)下均能對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行處理,有效實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)兼容的抗干擾功能,抗干擾能力如表1所示。該測(cè)試指標(biāo)是在保證定位精度的情況下測(cè)得。4測(cè)試系統(tǒng)芯片的實(shí)現(xiàn)本文給出了一款多系統(tǒng)兼容衛(wèi)星導(dǎo)航抗窄帶干擾專用芯片的設(shè)計(jì),針對(duì)其處理架構(gòu)、多系統(tǒng)兼容抗干擾處理、低功耗干擾檢測(cè)等技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)介紹,在0.13μmCMOS工藝下完成芯片的設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)流片,經(jīng)測(cè)試,該芯片可實(shí)現(xiàn)