CN102664843A - 一种单频干扰检测和消除的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及单频干扰检测和扰消除的方法，通过设置串行DFT模块简化了时域输入信号变化为频域输入信号，相比其它检测方法通常采用的FFT实现方法节约了大量硬件资源。在消除单频信号干扰时用输入信号移频并使用固定系数的滤波器方法替代自适应滤波器方法。本发明还公开了一种单频干扰检测和消除的系统，该系统包括，串行DFT(离散傅里叶变换)模块、计算模方值模块、判决模块、计算移频大小模块、陷波滤波器模块和移频模块。其中，串行DFT(离散傅里叶变换)模块用于将时域输入信号x_in(n)变换成频域信号x(k)；滤波器模块用于滤除信号x_shift(n)中的单频干扰，得到信号x_filter(n)。

Description

一种单频干扰检测和消除的方法及其装置

技术领域：

本发明涉及通信领域中的单频干扰检测及消除技术，具体涉及了一种频域单频干扰检测及时域陷波单频干扰消除的方法，及一种频域单频干扰检测及时域陷波单频干扰消除的装置。

背景技术：

在传输介质中，多种系统及设备间发射的信号混杂在一起，若某个通信系统的传输带宽内混杂了其它系统或设备产生的单一频率的信号，则该单频信号即是对该通信系统的单频干扰。若单频干扰的功率较大，通信系统的同步以及信道估计等将受到较大影响。仿真及系统测试证明，通信系统的传输速率因单频干扰的影响而显著下降，需要采用合适的方法检测及消除单频干扰。

根据处理域的不同，单频干扰消除方法可以分为变换域消除方法和时域消除方法两大类。在变换域消除方法中，最常用的变换是傅里叶变换，其利用傅立叶变换将时域信号变换成频域信号，并在频域上检测和消除单频干扰信号，最后再利用反傅立叶变换将频域信号变换为时域信号。变换域方法的主要缺点在于，需先将时域信号变换到变换域，处理之后再变换回时域，该过程中使用的变换和逆变换方法通常较复杂，实现复杂度和硬件资源开销较大。时域单频干扰消除方法所采用的干扰检测方法主要有两种：第一，可利用自适应滤波的方法对单频干扰信号进行预测或估计；第二，在频域估计单频干扰信号所在的频率。完成对单频干扰信号的估计或检测后，可在时域进行干扰消除。对于自适应滤波检测方法，可根据对干扰信号的估计结果进行干扰对消，从而恢复出原始信号。对于频域检测方法，通常在时域利用陷波滤波器滤除干扰信号。这两种方法中，后者的实现复杂度低于前者。如图1所示，是现有的频域检测时域消除单频干扰方法结构图，频域检测时域滤波的方法的具体处理过程为：先利用FFT(Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换)将时域信号变换成频域信号；当单频干扰信号的功率相对于有用信号的功率达到一定程度时，其在频域上单频频率处的响应会出现一个峰值，通过检测频域信号的峰值的位置就可以得知单频干扰信号的频率；最后利用在该频率处陷波的滤波器就可以滤除单频干扰信号。

但是，通信系统中存在的单频干扰信号的频率不是固定的常数，因此滤波器的阻带频率范围需要跟随单频干扰信号的频率变化而改变，也即需要用不同系数的滤波器进行陷波。现有的利用滤波器陷波来消除单频干扰的算法，基本都是根据单频干扰信号的频率自适应地计算滤波器系数，其实现复杂度过高且硬件资源消耗过多，从而难以实现。此外，现有频域单频干扰检测方法采用FFT进行时频域变换，实现复杂度也较高，大大增加了系统的硬件资源开销。

发明内容：

本发明提出一种低复杂度的频域单频干扰检测及时域陷波单频干扰消除的方法。为了克服现有时域单频干扰消除方法中因自适应计算滤波器系数而造成的实现复杂度过高的缺点，本发明采用了固定系数的陷波滤波器。为了达到滤除单频干扰信号的目的，本发明根据检测出的单频信号的频率，将时域信号的频谱整体搬移，使得单频干扰信号的频率经过搬移后包含在滤波器阻带频率范围内。频谱搬移后的时域信号经过固定系数的滤波器消除单频干扰信号后，再将其频谱搬移回到原来的频带，得到消除单频干扰后的信号。

此外，本发明还优化了频域单频干扰检测方法中的时频域变换方法。考虑到在一段时间内，系统中存在的单频干扰信号功率几乎不发生变化，所以不需要对输入时域信号进行实时的傅里叶变换。与普通的FFT算法用一个FFT块内的时域信号得到所有频域信号不同的是，本发明每次用1个FFT块内的时域信号计算1个频域信号，通过多个FFT块的时域信号得到完整的频域信号。该方法仅需一个复数乘加器即可实现，实现复杂度远低于FFT。同时，为保证用不同FFT块的时域信号进行FFT得到的频域功率谱的稳定性和可靠性，本发明增加了功率检测功能。当输入信号的功率经过检测进入稳定状态后才进行单频干扰判决，从而降低了因输入信号功率变化而导致的单频干扰检测错误概率。

本发明提出的一种频域单频干扰检测和时域单频干扰消除的方法，其步骤为：

1)将时域输入信号x_in(n)划分为多组，每组长度均为N，根据每N组信号得到所述输入信号带宽内N个频点上频域信号x(k)，其中，0≤k≤N-1；

2)根据所述步骤1)中频域信号x(k)得到频域信号模方值|x(k)|²，并计算出每N个模方值中的最大值p_max，记录所述模方最大值p_max在N个值中的位置L，设所述位置L对应的频率为f_{single_freq}；同时计算N个模方值的平均值p_average，设定单频干扰判决阀值为p_thres，；

3)根据步骤1)、2)中所述最大模方值p_max、平均模方值p_average以及设定的单频干扰判决阈值p_tres，检测输入信号x_in(n)带宽内是否存在单频干扰信号，若没有检测出单频干扰信号则输出信号x_out(n)为输入信号x_in(n)若检测到单频干扰信号则进入步骤4)；

4)根据所述单频干扰信号的频率f_{single_freq}计算单频干扰消除时的移频参数值f_shift；

5)根据步骤4)中所述移频参数值f_shift对输入信号x_in(n)的频谱进行整体搬移，使单频干扰所在频率处于陷波滤波器阻带频率范围内，得到移频后信号x_shift(n)；

6)对5)中移频后的信号x_shift(n)利用固定系数陷波滤波器滤除单频干扰，得到滤波后的信号x_filter(n)；

7)根据步骤4)所述的移频参数值f_shift将6)中的信号x_filter(n)的频谱整体搬移回原信号频带，完成单频干扰的消除，经过选择器输出得到消除单频干扰后的信号x_out(n)。所述选择器的作用是：如果输入信号中存在单频干扰，则输出信号x_out(n)为x_filter(n)经过移频回原信号频带的信号；若不存在单频干扰，则输出信号x_out(n)为输入信号x_in(n)，即不做任何操作直接将输入信号输出。

所述步骤1)中，根据第k组N个时域信号计算频域信号x(k)的方法为，采用但不限于DFT(离散傅里叶变换)算法，DFT(离散傅里叶变换)的计算公式为：

$X\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{in}}\left(n\right)\·e^{\frac{-j2\mathrm{\πnk}}{N}};$ 其中，0≤k≤N-1

其中，计算第k个频点上频域信号x(k)的过程为：对第k组N个输入信号与计算第k个频点的N个系数

进行点乘，并对点乘结果求和后得到X(k)，即每N²个输入信号x_in(n)得到一组N个频域信号x(k)。

所述步骤1)中，N为自然数，N值越大，则

越小，其中，f_s是输入信号x_in(n)的采样频率，即FFT后的频域分辨率越高，则检测单频干扰频率的精度越高。

更进一步，所述步骤2)中，每N个模方值中的最大值所在的位置L的计算方法为：设每N个模方值中的最大值为p_max＝|X(L)|²，则最大值所在位置为L。

更进一步，所述步骤2)中，设输入信号x_in(n)的采样频率是f_s，则位置L对应的频率的计算公式为 $f_{\sin \mathrm{gle}\_\mathrm{freq}}=(L-\frac{N}{2})g\frac{f_s}{N}.$

更进一步，所述步骤3)中，检测输入信号x_in(n)中是否存在单频干扰的方法为：当连续多个最大模方值p_max超过单频干扰判决阈值p_thres且最大模方值所在的位置L不变时，则判决输入信号x_in(n)中存在单频干扰信号；否则，判决为不存在单频信号。

所述步骤5)中所述陷波滤波器阻带频率范围为[f_stop1，f_stop2]，为使单频干扰信号的频率经过搬移后落在滤波器阻带频率范围内，则x_filter(n)应满足f_shift+f_{shift_freq}∈(f_stop1，f_stop2)的条件。

更进一步，所述步骤5)中根据f_shift对输入信号x_in(n)的频谱整体搬移的计算公式为：

其中，f_s是输入信号x_in(n)的采样频率，所述步骤5)中根据f_shift将信号x_filter(n)的频谱整体搬移回原频带的方法为：

其中，f_s是输入信号x_in(n)的采样频率。

本发明还包括一种在频域进行单频干扰检测和时域进行单频干扰消除的装置，包括串行DFT(离散傅里叶变换)模块、计算模方值模块、判决模块、计算移频大小模块、滤波器模块和移频模块，其中，

串行DFT(离散傅里叶变换)模块，用于将时域输入信号x_in(n)变换成频域信号x(k)；

计算模方值模块，用于计算频域信号x(k)的模方值，确定每N个模方值中的最大值p_max及其所在的位置L，并计算每N个模方值的平均值p_average；

判决模块，根据p_max及p_average判断输入信号x_in(n)中是否存在单频干扰信号；

计算移频大小模块，用于计算使单频干扰信号的频率经过搬移后落在滤波器阻带频率范围内的移频值f_shift；

移频模块，用于将输入信号x_in(n)的频谱整体搬移f_shift，得到信号x_shift(n)，或用于将信号x_filter(n)的频谱整体搬移-f_shift，得到消除单频干扰后的信号x_out(n)；

滤波器模块，用于滤除信号x_shift(n)中的单频干扰，得到信号x_filter(n)。

当连续多个模方平均值p_average变化不大时，则代表输入信号x_in(n)的功率达到稳定，此时开始判决是否存在单频干扰信号；否则，需等待至输入信号功率稳定后进行判决，以减少单频干扰检测的错误概率。

单频干扰判决阈值p_thres的选取方法如下：首先，确定系统中不消除单频干扰信号时可容忍的有用信号功率与单频信号功率的最小比值；然后，根据输入信号x_in(n)的功率及前述比值，计算必须进行单频干扰消除的最小单频干扰信号功率，即单频干扰判决阈值p_thres。为了降低单频干扰检测的虚警概率，仅当连续多个最大模方值p_max超过单频干扰判决阈值p_thres且最大模方值所在的位置L不变时才判决存在单频干扰，该次数可根据系统需要满足的判决虚警概率及可容忍的单频检测时间来决定。次数越多，则判决虚警概率越低，单频检测时间越长。

本发明不对所述滤波器的设计进行限制。在滤波器频谱模板中，滤波器的阻带中心频率可以根据系统工作的频带范围进行设定。滤波器阻带频率范围越小，且滤波器过渡带越窄，则单频信号频率附近受影响的频带越小，系统传输效率损失越低，但所需滤波器级数越多。因此阻带频率范围及过渡带大小应根据系统所需性能与硬件资源消耗折中选择。在滤波器模型方面，希望滤波器滚降较快，通带内的频谱平坦，因此需综合考虑这两点选取滤波器实现模型。

本发明的有益效果：

1.本发明提出的频域单频干扰检测方法采用了串行DFT方法将时域信号变换至频域，相比其它检测方法通常采用的FFT实现方法节约了大量硬件资源。此外，本发明根据频域信号平均功率判断频域功率谱的稳定性，并在频域功率谱稳定后进行单频干扰判决，大大提高了单频干扰检测的准确性。

2.本发明提出的时域单频干扰消除方法在时域陷波时采用固定系数的滤波器，并将输入信号移频至单频干扰信号落入滤波器阻带范围，从而无须根据单频干扰频率实时计算滤波器系数。相比于现有的自适应计算滤波器系数的方法，大大减少了算法的实现复杂度。

附图说明：

图1现有的频域检测时域消除单频干扰方法结构图；

图2本发明的单频干扰检测及消除方法结构图；

图3本发明提出的串行DFT(离散傅里叶变换)模块结构图。

具体实施方式：

下面列举本发明的1个具体实施例，但本发明的技术方案并不限于此，任何本领域技术人员均可在不违背本发明的技术原理下，依照本发明的权利要求所做的等同变换都属于本发明的保护范围。

在图2中，串行DFT(离散傅里叶变换)模块(如图3所示的串行模块结构)，用于将时域输入信号x_in(n)变换成频域信号x(k)；计算模方值模块，用于计算频域信号x(k)的模方值，确定每N个模方值中的最大值p_max及其所在的位置L，并计算每N个模方值的平均值p_average；判决模块，根据p_max及p_average判断输入信号x_in(n)中是否存在单频干扰信号；计算移频大小模块，用于计算使单频干扰信号的频率经过搬移后落在滤波器阻带频率范围内的移频值f_shift；移频模块，用于将输入信号x_in(n)的频谱整体搬移f_shift，得到信号x_shift(n)，或用于将信号x_filter(n)的频谱整体搬移-f_shift，得到消除单频干扰后的信号x_out(n)；滤波器模块，用于滤除信号x_shift(n)中的单频干扰，得到信号x_filter(n)。

例1：设输入信号x_in(n)的采样频率f_s＝16MHZ，阻带滤波器阻带频率范围为 $[(8-\frac{16}{256})\mathrm{MHZ},(8+\frac{16}{256})\mathrm{MHZ}].$

a)在串行DFT模块中将时域输入信号x_in(n)进行串行DFT，变换成频域信号x(k)，DFT长度为N＝256。计算过程为：依据公式

用x_in(0)，x_in(1)，Kx_in(255)计算出X(0)，再用x_in(256)，x_in(257)，Kx_in(511)计算出x(1)，以此类推。当用256²个输入信号x_in(n)得到256个频域信号x(k)时，完成了一组DFT，频域信号进入计算模方值模块；

b)计算a)中频域信号x(k)的模方值|x(k)|²，找出每256个模方值中最大的模方值p_max及其所在的位置L，并计算256个模方值的平均值p_average，则与位置L相对应的频率 $f_{\sin \mathrm{gle}\_\mathrm{freq}}=(L-128)g\frac{16}{256}\mathrm{MHZ},$ 其中，L∈[0，255]；

c)在判决模块中根据b)中最大模方值p_max、平均模方值p_average以及设定的阈值p_thres，判决是否有单频干扰信号；

d)若c)中判决存在单频信号，根据单频干扰信号的频率f_{single_freq}计算移频大小f_shift，取 $f_{\mathrm{shift}}=8\mathrm{MHZ}-f_{\sin \mathrm{gle}\_\mathrm{freq}}=(256-L)g\frac{16}{256}\mathrm{MHZ}.$

e)若c)中判决存在单频信号，移频模块1根据f_shift将输入信号x_in(n)的频谱进行整体搬移，

此时，单频干扰信号的频率经过搬移后落在滤波器阻带频率范围内，即 $f_{\mathrm{shift}}+f_{\sin \mathrm{gle}\_\mathrm{freq}}\∈((8-\frac{16}{256})\mathrm{MHZ},(8+\frac{16}{256})\mathrm{MHZ});$

f)若c)中判决存在单频信号，对e)中移频后的信号x_shift(n)利用所述规定了阻带频率范围的带阻滤波器进行单频干扰消除，在滤波器模块中得到无单频干扰的信号x_filter(n)；

g)若c)中判决存在单频信号，移频模块2根据f_shift对f)中信号x_filter(n)的频谱进行整体搬移，得到消除单频干扰后的信号 $x_{\mathrm{out}}=x_{\mathrm{filter}}\left(n\right){\mathrm{ge}}^{-j2\mathrm{\π}(256-L)}/256;$

h)若c)中判决不存在单频信号，则不进行单频干扰消除，输出信号x_out(n)等于输入信号x_in(n)。

Claims (9)

1.一种单频干扰检测和消除的方法，其步骤为：

1)将时域输入信号x_in(n)划分为多组，每组长度均为N，根据每N组信号得到所述输入信号带宽内N个频点上频域信号x(k)，其中，0≤k≤N-1；

2)根据所述步骤1)中频域信号x(k)得到频域信号模方值|x(k)|²，并计算出每N个模方值中的最大值p_max，记录所述模方最大值p_max在N个值中的位置L，设所述位置L对应的频率为f_{single_freq}；同时计算N个模方值的平均值p_average，设定单频干扰判决阀值为p_thres，；

3)根据步骤1)、2)中所述最大模方值p_max、平均模方值p_average以及设定的单频干扰判决阈值p_thres，检测输入信号x_in(n)带宽内是否存在单频干扰信号，若没有检测出单频干扰信号则输出信号x_out(n)为输入信号x_in(n)；若检测到单频干扰信号则进入步骤4)；

4)根据所述单频干扰信号的频率f_{single_freq}计算单频干扰消除时的移频参数值f_shift；

5)根据步骤4)中所述移频参数值f_shift对输入信号x_in(n)的频谱进行整体搬移，得到移频后信号x_shift(n)；

6)对5)中移频后的信号x_shift(n)利用固定系数滤波器滤除单频干扰，得到滤波后的信号x_filter(n)；

7)根据步骤4)所述的移频参数值f_shift将6)中的滤波后信号x_filter(n)的频谱搬移回原信号频带，完成单频干扰的消除。

2.如权利要求1所述的单频干扰检测和消除的方法，其特征在于，步骤1)中根据第k组N个时域信号计算频域信号x(k)的方法为DFT(离散傅里叶变换)，所述DFT(离散傅里叶变换)的计算公式为：

$X\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{in}}\left(n\right)\·e^{\frac{-j2\mathrm{\πnk}}{N}};$ 其中，0≤k≤N-1

其中，计算第k个频点上频域信号x(k)的过程为：对第k组N个输入信号与计算第k个频点的N个系数

进行点乘，并对点乘结果求和后得到x(k)，即每N²个输入信号x_in(n)得到一组N个频域信号x(k)。

3.如权利要求1所述的单频干扰检测和消除的方法，其特征在于，所述步骤1)中，N为自然数，N值越大，则

越小，其中，f_s是输入信号x_in(n)的采样频率，即FFT后的频域分辨率越高，则检测单频干扰频率的精度越高。

4.如权利要求1所述的单频干扰检测和消除的方法，其特征在于，步骤2)中每N个模方值中的最大值所在的位置L的计算方法为：设每N个模方值中的最大值为p_max＝|X(L)|²，则最大值所在位置为L。

5.如权利要求1所述的单频干扰检测和消除的方法，其特征在于，所述步骤2)中，设输入信号x_in(n)的采样频率是f_s，则位置L对应的频率的计算公式为

6.如权利要求1所述的单频干扰检测和消除的方法，其特征在于，所述步骤3)中，检测输入信号x_in(n)中是否存在单频干扰的方法为：当连续多个最大模方值p_max超过单频干扰判决阈值p_thres且最大模方值所在的位置L不变时，则判决输入信号x_in(n)中存在单频干扰信号；否则，判决为不存在单频信号。

7.如权利要求1所述的单频干扰检测和消除的方法，其特征在于，所述步骤5)中所述滤波器阻带频率范围为[f_stop1，f_stop2]，为使单频干扰信号的频率经过搬移后落在滤波器阻带频率范围内，则x_filter(n)应满足f_shift+f_{shift_freq}∈(f_stop1，f_stop2)的条件。

8.如权利要求1所述的单频干扰检测和消除的方法，其特征在于，所述步骤5)中根据f_shift对输入信号x_in(n)的频谱整体搬移的计算方法为：

其中，f_s是输入信号x_in(n)的采样频率，所述步骤5)中根据f_shift将信号x_fliter(n)的频谱整体搬移回原频带的方法为： $x_{\mathrm{out}}\left(n\right)=x_{\mathrm{filter}}\left(x\right){\mathrm{ge}}^{-j2{\mathrm{\πf}}_{\mathrm{shift}}n/f_s},$ 其中，f_s是输入信号x_in(n)的采样频率。

9.一种在频域进行单频干扰检测和时域进行单频干扰消除的装置，包括串行DFT(离散傅里叶变换)模块、计算模方值模块、判决模块、计算移频大小模块、滤波器模块和移频模块，其中，

串行DFT(离散傅里叶变换)模块，用于将时域输入信号x_in(n)变换成频域信号x(k)；

计算模方值模块，用于计算频域信号x(k)的模方值，确定每N个模方值中的最大值p_max及其所在的位置L，并计算每N个模方值的平均值p_average；

判决模块，根据p_max及p_average判断输入信号x_in(n)中是否存在单频干扰信号；

计算移频大小模块，用于计算使单频干扰信号的频率经过搬移后落在滤波器阳带频率范围内的移频值f_shift；

滤波器模块，用于滤除信号x_shift(n)中的单频干扰，得到信号x_fliter(n)；

移频模块，用于将输入信号x_in(n)的频谱整体搬移f_shift，得到信号x_shift(n)，或用于将信号x_filter(n)的频谱整体搬移-f_shift，得到消除单频干扰后的信号x_out(n)。

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