邊帶相關置換算法的窄帶干擾抑制技術實現

第３７卷第６期

應 用 科 技

Ｖｏ１．３７．№．６

２０１０年６月

Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

Ｊｕｎ．２０１０

ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９—６７１ Ｘ．２０１０．０６．Ｏ１ １

邊帶相關置換算法的窄帶干擾抑制技術實現

王卓剛，張曉林，王二小

（哈爾濱工程大學信息與通信工程學院，黑龍江哈爾濱１５０００１）

摘要：邊帶相關置換算法（ＳＣＲ）適用于抑制頻譜具有對稱性的信號中的窄帶干擾，算法具有處理速度快、計

算量小、對信號成分損失小、抑制效果明顯等優點，在強干擾下，能較好地保留信號成分抑制干擾成分，對變換

域干擾置零方法有較大性能優勢．在此主要研究采用邊帶相關置換算法抑制ＱＰＳＫ信號中窄帶干擾的具體實

現方法，研究對象為載頻和干擾中心頻率確知的接收端ＱＰＳＫ信號，結合算法特點給出了實現方法的設計方

案，并通過實際應用證明了設計方法用于干擾抑制實現的有效性和可靠性．

關鍵詞：邊帶相關置換；窄帶干擾；ＦＰＧＡ；ＱＰＳＫ信號；抑制

中圖分類號：ＴＮ９１９．６＋３ 文獻標識碼：Ａ 文章編號：１００９—６７１Ｘ（２０１０）０６—００４０—０３

Ｎａｒｒｏｗ－ｂａｎｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ

ｓｉｄｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ

ＷＡＮＧ Ｚｈｕｏ—ｇａｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ—ｌｉｎ，ＷＡＮＧ Ｅｒ—ｘｉａｏ

（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｉｄｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ（ＳＣＲ）ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｓｕｃｈ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｓ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｑｕｉｃｋｌｙ，ｆｉｇｕ—

ｒｉｎｇ ｉｎ ｓｍａｌｌ ｑｕａｎｔｉｔｙ，ｌｏｓｉｎｇ ａ ｌｉｔｔｌｅ ｉｎ ｓｉｇｎａｌｓ ａｎｄ ｈａｖｉｎｇ ｏｂｖｉｏｕｓ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｎ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｎｇ，ｉｓ ｆｉｔ ｆｏｒ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｎｇ ｔｈｅ

ｎａｒｒｏｗ－ｂａｎｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ ｓｉｇｎａｌｓ ｏｆ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｗｉｔｈ ｓｙｍｍｅｔｒｙ．Ｉｎ ｔｈｅ ｓｔｒｏｎｇ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｂｅｔｔｅｒ ｔｏ ｋｅｅｐ

ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌｓ ａｎｄ ｓｕｐｐｒｅｓｓ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ａｎｄ ｈａｓ ａ ｇｒｅａｔ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｎｕｌｌｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｎ ｔｒａｎｓ—

ｆｏｒｍ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ｔｈｉｓ ｅｓｓａｙ ｍａｉｎｌｙ ｄｏｅｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｕｓｉｎｇ ｓｉｄｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｌｇｏ—

ｒｉｔｈｍ ｔｏ ｓｕｐｐｒｅｓｓ ｎａｒｒｏｗ—ｂａｎｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ ＱＰＳＫ ｓｉｇｎａｌｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔａｒｇｅｔｓ ａｒｅ ｃａｒｒｉｅｒ￣ｅｑｕｅｎｅｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅ－

ｃｅｉｖｉｎｇ ｐａｒｔ ｇ ＱＰＳＫ ｓｉｇｎａｌｓ，ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅ ｗｉｔｈ ａｓｃｅｒｔａｉｎｅｄ ｃｅｎｔｒａｌ￣ｅｑｕｅｎｃｙ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ａｌｓｏ ｇｉｖｅｓ

ｒｅａｌｉｓｔｉｃ ｄｅｓｉｇｎ ｐｌａｎ ｂｙ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ａｎｄ ｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐｌａｎ ｂｙ ｐｒａｃ－

ｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｉｄｅ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ；ｎａｒｒｏｗ—ｂａｎｄ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ；ＦＰＧＡ；ＱＰＳＫ ｓｉｇｎａｌｓ；ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｎｇ

窄帶干擾的頻域抑制算法多數實現過程復雜、

果．設計方案在線分析方法適用于單個Ｆ丌數據段

占用資源多、計算量大、實時性較差．邊帶相關置換

長度適中、單段數據總量相對較小、片內ＲＡＭ有一

算法…與采用切除函數的變換域ＤＦＴ算法 性能

定冗余量用來存儲抑制后數據的情況．實際應用中，

相比就有較大的優越性，與其他復雜算法相比具有

可支持單段數據量的長度取決于芯片的運算存儲指

運算速度快、硬件資源占用少、數據實時性強等優

標．與傳統方式相比，借助在線邏輯分析來實現對數

點．論文借鑒常用的設計實現方法，結合邊帶相關置

據的觀測和少量存儲，降低了驗證成本和復雜程度．

換算法自身特點，利用計數模塊生成控制信號對

實際驗證結果表明，設計方案能夠較好地實現邊帶

ＲＡＭ進行讀地址串序，完成算法抑制過程．實現部

相關置換算法．

分采用仿真軟件與在線邏輯分析相結合的方法，將

數據依照ＩＥＥＥ７５４標準完成二進制表示并轉化為

１ 邊帶相關置換算法（ＳＣＲ）原理

十六進制數據進行存儲，抑制后的數據由在線邏輯

ＳＣＲ算法可以抑制包括ＱＰＳＫ信號在內的、頻

分析導出并通過對頻譜相似度的計算分析抑制效

譜具有對稱性的信號，ＱＰＳＫ調制信號的功率譜可

收稿日期：２００９—１１－２６．

作者簡介：王卓剛（１９８２－），男，碩士研究生，主要研究方向：擴頻通信、寬帶數字通信系統，Ｅ．ｍａｉｌ：ｗｚｇ０３０２９０１０＠１６３．ｃｏｎ

第６期 王卓剛，等：邊帶相關置換算法的窄帶干擾抑制技術實現

以表示為

范圍長度為１０．

ＰＱＰＳＫ（ ）＝ＫＡ２ ［ 警］?（１）

模型及置換范圍的要求，將置換位置數據所對應地

算法首先利用ＱＰＳＫ信號頻譜邊帶相關性，計算每

一

雙口ＲＡＭ中的讀地址是按照ＳＣＲ算法的數學

址位進行相應的地址置換，形成串序后的讀地址，待

輸入讀地址后對應的輸出數據已完成邊帶相關置換

頻點上的ＱＰＳＫ信號功率譜的對稱相關值，比較

得出最大相關值，該最大值所在的頻點即確定為載

波頻率，算法中對載頻和干擾的估計 表述如（２）

運算的頻譜數據．由圖１可知，ＳＣＲ算法干擾抑制具

有自有延時，使得在置換過程中，讀地址的輸入起始

時刻需要等待計數器輸出的控制信號，非鏡像部分

呦 Ｒ（／＋意）附一憊）．（２）

的置換需保證在到達原干擾位置前完成對相應有效

式中：待檢測信號為ｒ（ ），ｒ（￡）的時域抽樣值為

ｒ（ｎＴｓ），ｒ（ｔ）的頻譜形式為Ｒ∽，采樣周期為 ，時域采

樣樣本數為Ⅳ，頻域滑動窗口寬度為 ＝２Ｍ／（Ⅳ ）．

載頻和干擾中心頻率確定后，利用信號頻譜的

對稱性，用相對于窄帶干擾的邊帶對稱值代替干擾

值，實現干擾抑制．若信號幅值以載頻∞ 成中心對

稱，假設存在干擾的頻點為 ，功率譜的替代過程

滿足下式：

Ｓ。（ ）＝Ｓ （２ｏ） 一∞ ）． （３）

圖１給出了置換原理，信源部分采用ＱＰＳＫ調

制，抽樣頻率３２ ＭＨｚ，碼元速率２ ＭＨｚ，降頻中頻

４ ＭＨｚ．干擾部分為窄帶ＭＳＫ信號，中心頻率

３．５ ＭＨｚ，碼元速率２ ０００ Ｈｚ．

｛ ｛： ｆＪ２ ｆ ：ｌ ｆ

圖１ ＳＣＲ算法置換原理示意圖

２硬件實現方法

硬件算法實現部分主要完成ＳＣＲ算法的數據

置換過程，輸入數據為ＲＯＭ中存儲的ＱＰＳＫ頻譜信

號，分實、虛部２部分，圖２所示為單路（實部）實現

示意圖，虛部在此基礎上添加了對置換位置最高位

取反模塊．

數據流（Ｄａｔａ）

寫地址

雙

、＾ｊｒ ａｄｄｒｅｓｓ

口

Ｒ

Ａ

計數器生

串序后的

成延時控

讀地址

Ｍ

制信號

ｒｄ ａｄｄｒｅｓｓ

圖２ ＳＣＲ的單路實現

選取實際數據的合成信號信干比為一１０ ｄＢ，信

號碼元數為６４，頻域抽樣點數為１ ０２４個，相關置換

置換數據的寫入，在適當的延時結束后輸入讀地址，

使得ＲＡＭ的輸出完全滿足ＳＣＲ算法的要求．

３ 實現平臺與結果分析

３．１整體實現方法

實際應用中，在線分析與觀測過程對數據的處理

分為２部分，圖３中，虛線框外部分由計算機仿真完成、

虛線框內部分由硬件運算模塊完成，采取這種方法，能

夠在降低復雜度和驗證成本的前提下，利用較少資源

較好的完成對設計方案的在線分析與觀測．

圖３整體實現方法不意圖

干擾未經抑制的單精度浮點數據由計算機生成

并經進制轉換后存儲進ＦＰＧＡ中的ＲＯＭ模塊，經過

干擾抑制后的數據將暫存在在線邏輯分析器所占用

的ＲＡＭ資源中，將這些數據導出給仿真軟件，與初

期數據做對比分析完成效果分析．

３．２數據的進制轉換

數據生成到存儲到ＲＯＭ經歷的進制轉換過程

如圖４所示．

圖４數據進制轉換過程示意圖

浮點數的３２位單精度格式依照ＩＥＥＥ７５４標

?

４２? 應 用 科 技 第３７卷

準 ，轉換格式如下：

ｌｆｏａｔ＝（一１） ：Ｉ：（１．０＋Ｍ）：ｌ：２【ｅ ’． （４）

式中：ｓ為浮點數的符號， 為有效數字部分，ｅ為

指數，ｂ為偏移值．數據返回過程的進制轉換過程是

上式的逆過程．

３．３芯片資源及資源占用率

３．３．１芯片參數及配置方式

０ ２００ ４００ ６００ ８００ １ ０００ ｌ ２００

加入干擾信號頻譜（采樣點）

（ｂ）合成信號頻譜

圖５干擾抑制前頻譜

芯片使用Ａｈｅｒａ公司的Ｃｙｃｌｏｎｅ Ｉ１系列芯片

ＥＰ２Ｃ８Ｔ１４４Ｃ８，外部時鐘為５０ ＭＨｚ晶振，內部時鐘由晶

振經芯片內置ＰＬＬ分頻，產生３２ ＭＨｚ抽樣時鐘頻率．

配置方式采用ＪＴＡＧ方式 Ｊ，表１給出了主要參數．

表１ ＥＰ２Ｃ８Ｔ１４４Ｃ８參數

參數 值

邏輯單元數

８ ２５６

Ｍ４ＫＲＡＭ模塊數

３６

用戶最大Ｉ／Ｏ管腳數

１８２

ＲＡＭ總比特數

１６５ ８８８

乘法單元數

１８

ＰＩ．Ｉｓ

１

表２芯片資源占用率

參數 占用率

總邏輯單元數８８５／８ ２５６（１０％）

總的組合函數４９９／８ ２５６（６％）

占用邏輯寄存器數 ６９８／８ ２５６（８％）

總寄存器數 ６９８

總管腳數 ７４／８５（８７％）

總存儲比特數 １３３ １２０／１６５ ８８８（８０％）

總Ｐｌｌｓ數 １／２（５０％）

３．３．２資源占用情況（單路）

驗證過程使用了ＱｕａｒｔｕｓⅡ內嵌的在線邏輯分

析器，它是使用設計中剩余的ＲＡＭ塊資源來存放

數據的．資源占用情況如表２所示．

３．４結果分析

用于實現數據在線分析的軟件平臺有：Ｍａｔ—

ｌａｂ７．０、Ｑｕａｒｔｕｓ Ｉ１ ８．１、ＳｉｇｎａｌＴａｐ ｌＩ；圖５是信干比在

一

１０ ｄＢ下，窄帶干擾頻譜、合成信號頻譜；圖６是

經干擾抑制后的合成信號與未被干擾的信號頻譜，

經對比分析得到其頻譜相似度 為０．９０９ ５，滿足實

際要求，證明了設計方案的有效性和實用性．

×ｌｆｆ

３ｒ

．． 。，

信號頻譜（采樣點）

（ｂ）干擾抑制后信號頻譜

圖６干擾抑制前后信號頻譜

４ 結束語

闡述了ＳＣＲ算法的設計實現方案和數據在線

分析過程，并分析了實現效果．結合ＳＣＲ算法特點

采用簡化、實用、有效的實現方式，增強了有效性和

可靠性．通過完成邊帶相關置換算法的設計實現，為

進一步實用化提供了重要依據和參考．

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