CN102710284B - 二维自适应滤波窄带干扰抑制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种二维自适应滤波窄带干扰抑制装置，包括多级二维自适应IIR滤波器。多个输入通道中随机分布多个窄带干扰时，对于每一级二维自适应IIR滤波器：多路输入信号通过输入选择器依次进入该级自适应IIR滤波器，若检测模块检测到窄带干扰，该通道的输出选择器将自适应IIR滤波器的输出作为该级的输出；若不存在干扰，该通道的输出选择器将输入信号仍作为该级的输出。同时该级自适应IIR滤波器自动调权重向量，抑制一个或多个窄带干扰。多级二维自适应IIR滤波器级联，可以在二维平面以最少的自适应IIR滤波器模块实现多输入通道多窄带干扰抑制。本发明可自动识别并抑制多个输入通道的多个窄带干扰，实现二维的窄带干扰抑制，组合灵活，实现简单。

Description

二维自适应滤波窄带干扰抑制装置

技术领域

本发明属于扩频通信领域，更具体的，涉及一种多输入信号通道的多窄带干扰抑制装置。

背景技术

全球导航卫星系统（GNSS）为用户提供定位导航服务，已广泛应用于消费、交通、电力、国防等领域。GNSS包括美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格鲁纳斯系统（GLONASS）、欧盟的伽利略系统（Galileo）、中国的北斗系统（BD）以及其他一些增强系统。当前的多模GNSS接收机（以下简称接收机）会同时接收多个导航卫星系统的信号来提高性能。不同系统的卫星信号一般处于不同的频率段，所以接收机会有多个输入信号通道。

地面接收到的全球导航卫星系统的信号强度在-130dBm左右，远在噪声功率之下。其他通信设备泄露到全球导航卫星系统信号频段的干扰会严重降低接收机的性能，甚至导致接收机无法工作。其中最常见的干扰类型是连续波干扰（Continue Wave Interference），它属于窄带干扰。

多个窄带干扰随机的分布在多个输入信号通道中，窄带干扰抑制装置就需要同时在输入信号通道和每个通道中抑制干扰数目两个方面进行检测。目前的窄带干扰抑制技术主要列举如下。

基于频率域的窄带干扰抑制技术。需要使用快速傅里叶变换（FFT）及其逆变换（IFFT），在频率域内消除窄带干扰。如《用于窄带干扰消除的接收机》，申请号：200580013652.8。

《扩频接收机前端频域滤波抗干扰装置及其实现方法》，申请号：201010610524.4。缺点是由于使用FFT需要大量计算资源，实现复杂，成本过大。

自适应FIR滤波器的窄带干扰抑制技术。FIR滤波器+自适应算法，即自适应FIR滤波器。《能消除窄带干扰的盲自适应滤波装置及其应用》，申请号：201010199697.1。缺点是为了抑制多个干扰要较多的滤波器阶数，自适应算法计算量大，设计完成后即固定，不可根据干扰的个数自动配置。

检测与消除装置配合的窄带干扰抑制技术。首先检测窄带干扰的频率、相位、幅度等特点，然后使用参数可调的滤波器（陷波器）滤除干扰；或者产生参考本地信号与输入信号相减完成窄带干扰抑制。《保持存在窄带干扰的宽带系统的性能质量》，申请号：00803299.8。缺点是控制复杂，跟踪信号变化能力弱。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种二维自适应滤波窄带干扰抑制装置，多个二维自适应IIR（无限冲击响应）滤波器级联，最终以最少的自适应IIR滤波器数目实现对多个输入信号通道多个窄带干扰的抑制。

按照本发明提供的技术方案，所述二维自适应滤波窄带干扰抑制装置，包括级联的多个二维自适应IIR滤波器模块，所述二维自适应IIR滤波器模块包括：依次连接的输入选择器、自适应IIR滤波器、输出选择器；所述自适应IIR滤波器包括IIR滤波器、检测及自适应算法模块，IIR滤波器的信号输入端和信号输出端连接到检测及自适应算法模块的输入端，检测及自适应算法模块的输出端连接到IIR滤波器的权重系数输入端；所述检测及自适应算法模块包括检测模块和自适应算法模块，其中检测模块检测输入信号中是否存在窄带干扰，自适应算法模块自动计算和调整IIR滤波器的权重向量，直到IIR滤波器稳定收敛，使IIR滤波器正确实现抑制窄带干扰的功能。

以所述二维自适应IIR滤波器模块为基本单元，通过多级级联实现二维平面，即输入维和级联维的窄带干扰抑制；假设M个输入信号中随机分布着N个窄带干扰；在第一级，输入选择器首先将第1个通道的输入信号接入自适应IIR滤波器，检测及自适应算法模块检测是否存在窄带干扰；若存在，则通过输入选择器和输出选择器将该级自适应IIR滤波器分配给第1个通道，即第1个通道的输入信号经过自适应IIR滤波器后输出，同时设置其他通道的输出选择器直接输出各自通道的输入信号；若未检测到窄带干扰，则设置第1通道的输出选择器直接输出该通道输入信号；然后通过输入选择器将第2通道的输入信号接入自适应IIR滤波器，重复以上操作；最后直到对M个通道都重复完成以上操作；当第N+1级的自适应IIR滤波器模块依次检测M个中频数字信号通道都没有检测到窄带干扰时，说明M个输入通道的N个窄带干扰都已经被抑制；从该N+1级开始将M个中频数字信号通道的信号直接输出给接收机基带进行处理。

所述IIR滤波器采用1阶、2阶、3阶或更高阶IIR滤波器结构，阶数越高，所能抑制的窄带干扰数量也越多。

所述IIR滤波器稳定时，其传递函数表现为在干扰频率处的细小阻带，即陷波器。

所述自适应算法模块可以使用最小均方LMS自适应算法、最小二乘RLS自适应算法或卡尔曼Kalman自适应算法。

本发明的优点是：本发明是基于多级的级联自适应IIR滤波器技术来实现窄带干扰抑制能力，同时由于输入、输出选择器的使用，使各级自适应IIR滤波器模块可以在二维（通道维和级数维）平面自由分配。从而达到充分利用资源，以最少的自适应IIR滤波器模块实现多输入通道多窄带干扰的抑制。

附图说明

图1是具有窄带干扰抑制的多模卫星接收机接收处理信号示意图。

图2是某一受窄带干扰的中频数字信号功率谱密度示意图。

图3是自适应IIR滤波器结构图。

图4是自适应IIR滤波器效果示意图。其中，图4(a)是输入信号功率谱密度；图4(b)是经过自适应IIR滤波器后输出信号的功率谱密度；图4(c)是稳定之后的IIR滤波器传输函数；图4(d)是自适应IIR滤波器的权重随时间变化的曲线。

图5是级联的一维自适应IIR滤波器模块结构图。

图6是级联的二维自适应IIR滤波器模块结构图。

图7是级联的二维自适应IIR滤波器模块输出选择器选择使能示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例的具有窄带干扰抑制的多模卫星接收机接收处理信号示意图。如图1所示，不同类型的卫星101a，101b，101c，分属于不同类型的全球导航卫星系统（如GPS系统、GLONASS系统、Galileo系统、北斗系统或其他全球导航卫星系统）。这些卫星信号与窄带干扰信号102同时被宽带天线103所接收并传输给具有窄带干扰抑制的多模导航卫星定位接收机104进行处理。接收机104首先使用多个射频或一个射频的多个通道105（射频通道的个数取决于接收机104所支持的导航卫星系统种类数，此处以3个为例）分别对不同系统的卫星信号进行放大、下变频、采样、量化等操作，产生多个中频数字信号106a、106b、106c（每种全球导航卫星系统的信号占用一个通道）。传统不具备窄带干扰抑制能力的接收机直接将中频数字信号106a、106b、106c传输给接收机基带109进行处理。本发明自适应滤波的二维窄带干扰抑制装置107放置于射频105与基带109之间，对多个通道的中频数字信号106a、106b、106c进行检测，识别出多个窄带干扰并抑制。最后将窄带干扰抑制后的信号108a、108b、108c输出给多模导航卫星定位接收机基带109进行捕获、跟踪、测量、解算，实现定位与导航功能，使接收机104具有抑制窄带干扰的能力。

图2是本发明实施例的某一受窄带干扰的中频数字信号功率谱密度示意图。未受窄带干扰的中频数字信号106a、106b、106c其功率谱密度201在带宽范围内具有平坦的幅度值，当有能量很大的窄带干扰进入时，就会在功率谱密度图上产生窄小而幅度很大的峰202a、202b、202c。

本发明使用多级级联的二维自适应IIR滤波器，对上述多通道多窄带干扰峰202a、202b、202c进行抑制。所述的二维自适应滤波窄带干扰抑制装置包括多个级联的二维自适应IIR滤波器模块，所述的二维自适应IIR滤波器模块包括：依次连接的输入选择器、自适应IIR滤波器、输出选择器。

图3是本发明实施例的自适应IIR滤波器结构图。自适应IIR滤波器301主要由两部分组成：IIR滤波器302和检测及自适应算法模块303。IIR滤波器302的信号输入端和信号输出端连接到检测及自适应算法模块303的输入端，检测及自适应算法模块303的输出端连接到IIR滤波器302的权重系数输入端。IIR滤波器有两种输入，一种是信号，一种是滤波器权重系数，权重系数的输入用来控制IIR滤波器。

IIR滤波器模块302可以使用1阶或2阶结构，越高阶的结构，能抑制越多的窄带干扰，但同时会导致控制复杂度上升，滤波器稳定性变差。以2阶IIR滤波器来说明其工作原理。2阶IIR滤波器的传递函数：

$H\left(z\right)=\frac{1+b_1{z}^{-1}+b_2{z}^{-2}}{1+a_1{z}^{-1}+a_2{z}^{-2}}=\frac{1-2\cos \left(\mathrm{\ω}\right)z^{-1}+z^{-2}}{1-2\mathrm{\λ}\cos \left(\mathrm{\ω}\right)z^{-1}+{\mathrm{\λ}}^2{z}^{-2}}---\left(1\right)$

可得关系式：

b₁=-2cos(ω),b₂=1

a₁=-2λcos(ω),a₂=λ²    （2）

其中：a₁,a₂，b₁,b₂表示IIR滤波器的权重系数，ω表示窄带干扰频率，λ是小于1的系数。

检测及自适应算法模块303可以自适应地计算和调整IIR滤波器模块302的权重系数使其满足（2）式，最终使IIR滤波器302实现抑制一个频率为ω的窄带干扰的功能；同时根据IIR滤波器权重系数的收敛特点，可以判断是否存在窄带干扰，实现检测窄带干扰的功能。

自适应算法模块303可以使用最小均方(LMS)自适应算法，最小二乘(RLS)自适应算法，卡尔曼（Kalman）自适应算法等，以最小均方（LMS）自适应算法说明其工作原理。首先定义的合成权向量可表达为滤波器权重系数的组合：

w(n)=[a₀,a₁,a₂,b₀,b₁,b₂]^T    （3）

代价函数定义为误差信号的瞬时功率，误差信号定义为期望响应与实际滤波器输出之差：

e(n)=d(n)-y(n)

$J\left(n\right)=\frac{1}{2}{e}^2\left(n\right)---\left(4\right)$

则IIR滤波器权重系数的更新方程为：

$w(n+1)=w\left(n\right)-\mathrm{\μ}\frac{\∂J\left(n\right)}{\∂w\left(n\right)}---\left(5\right)$

其中：μ为步长，为代价函数对权向量的梯度。

对IIR滤波器302的输入输出信号按公式（5）进行迭代计算，直至IIR滤波器权重系数304收敛。此时IIR滤波器的权重系数满足（2）式，实现对一个频率为ω的窄带干扰的抑制。

整个自适应IIR滤波器301的工作过程是：输入信号经过IIR滤波器302滤波后产生输出信号。同时该输入信号和输出信号作为检测及自适应算法模块303的输入，检测及自适应算法模块303使用LMS自适应算法按公式（5）进行计算并调整IIR滤波器权重系数304。经过多个输入信号的迭代计算后，IIR滤波器302的权重系数304趋于收敛。最终IIR滤波器302实现了对一个窄带干扰频率w的抑制，该干扰频率ω是由检测及自适应算法模块303自动检测并确定。

图4是本发明实施例的自适应IIR滤波器效果示意图。图4(a)的输入信号功率谱密度中可以看到一个明显的细小尖峰401，即为窄带干扰。图4(b)经过自适应IIR滤波器后输出信号的功率谱密度在原窄带干扰的频率位置402已经看不到尖峰了，说明输入信号中的窄带干扰401被抑制掉了。图4(c)稳定之后的IIR滤波器传输函数在窄带干扰的频率位置表现为一个深陷的细小阻带。图4(d)自适应IIR滤波器的权重随时间变化的曲线显示，再经过多次调整后的404时刻，滤波器权重收敛于稳定值，表示滤波器已稳定，窄带干扰已被抑制。

图5是本发明实施例的级联的一维自适应IIR滤波器模块结构图。自适应IIR滤波器301的阶数一般选择1阶或2阶，这就决定了一个自适应IIR滤波器只能抑制一个或两个窄带干扰（越高阶的结构，能抑制越多的窄带干扰，但同时会导致控制复杂度上升，滤波器稳定性变差）。如果要抑制多个窄带干扰就需要多级级联的自适应IIR滤波器301。假设每一级自适应IIR滤波器抑制一个窄带干扰，则N个级联的自适应IIR滤波器最多可以抑制N个窄带干扰，然而实际中的窄带干扰数目是不确定的X，当X小于N时，最后级联的N-X级自适应IIR滤波器会对信号造成损失。故需要添加输出选择器506进行输出选择，屏蔽不需要的自适应IIR滤波器对信号的影响，即得到一维自适应IIR滤波器模块501a、501b。其工作原理：某一级的输入信号502经过自适应IIR滤波器301产生滤波器输出信号504。滤波器输出信号504和该级输入信号502作为输出选择器506的输入，输出选择器506的输出503作为该级的输出。当自适应IIR滤波器301中的检测及自适应算法模块检测到窄带干扰并指示IIR滤波器已稳定时，输出选择器506使能为‘1’，即打开第一路，使自适应IIR滤波器301的输出信号504通过；反之则使能为‘0’，即打开第二路，使原始输入信号502通过。当该级一维自适应IIR滤波器模块501a的输入中不存在窄带干扰时，该级的输出503就会直接输出该级的输入502，即屏蔽了该级自适应IIR滤波器301对信号的影响。

当接收机只接收一种全球导航卫星系统的信号时（如GPS信号），只有一个输入通道，此时级联的一维自适应IIR滤波器可以良好工作。但是当接收机接收多种全球导航卫星系统的信号时（如GPS、GLONASS、GALILEO信号），通道数目增加为M个（M>1）。每个通道使用一个N级级联的一维自适应IIR滤波器，虽然也可以实现多通道的窄带干扰抑制，但是浪费了资源：使用M*N个自适应IIR滤波器抑制N个窄带干扰。产生浪费的原因在于：一个自适应IIR滤波器只能在一个通道内（一维）分配，不能在通道间分配。

图6是本发明实施例的级联的二维自适应IIR滤波器模块结构图。其结构为：601a、601b是两级级联的二维自适应IIR滤波器模块。M（图6中M=3）个输入信号602a、602b、602c通过输入选择器603后进入自适应IIR滤波器301；滤波器输出605分别接在M个通道的输出选择器606a、606b、606c上；同时这些输出选择器的另一个输入端分别接该级的输入602a、602b、602c；最后M个通道的输出选择器的输出也是该级的输出607a、607b、607c。

以所述二维自适应IIR滤波器模块为基本单元，通过多级级联实现二维平面，即输入维和级联维的窄带干扰抑制；假设M个输入信号中随机分布着N个窄带干扰；在第一级，输入选择器首先将第1个通道的输入信号接入自适应IIR滤波器，检测及自适应算法模块检测是否存在窄带干扰；若存在，则通过输入选择器和输出选择器将该级自适应IIR滤波器分配给第1个通道，即第1个通道的输入信号经过自适应IIR滤波器后输出，同时设置其他通道的输出选择器直接输出各自通道的输入信号；若未检测到窄带干扰，则设置第1通道的输出选择器直接输出该通道输入信号；然后通过输入选择器将第2通道的输入信号接入自适应IIR滤波器，重复以上操作；最后直到对M个通道都重复完成以上操作；当第N+1级的自适应IIR滤波器模块依次检测M个中频数字信号通道都没有检测到窄带干扰时，说明M个输入通道的N个窄带干扰都已经被抑制；从该N+1级开始将M个中频数字信号通道的信号直接输出给接收机基带进行处理。

以第1级二维自适应IIR滤波器模块601a为例，说明其工作原理：输入选择器603首先将第1通道的该级输入信号602a接入自适应IIR滤波器301，若自适应IIR滤波器301检测到窄带干扰信号，则将第1通道的输出选择器606a使能‘1’，使该级自适应IIR滤波器301的输出信号605通过作为第1通道该级的输出607a，同时将其他通道（第2、3通道）的输出选择器606b，606c使能‘0’，使该级输入信号602b，602c通过作为第2、3通道该级的输出607a、607b，第一级601a处理完成；若未检测到窄带干扰信号，则将第1通道的输出选择器使能‘0’，使该级输入信号602a通过作为第1通道该级的输出607a，然后依次将第2、3通道的该级输入信号602b、602c接入自适应IIR滤波器，重复以上操作。

第2级601b及以后各级二维自适应IIR滤波器模块，顺序按以上操作进行。最终实现自适应IIR滤波器在多个级数和多个通道之间，即二维的分配。这样，N个自适应IIR滤波器可以抑制随机分布在M个通道中的N个窄带干扰，而不需要M*N个自适应IIR滤波器。

图7是本发明实施例的级联的二维自适应IIR滤波器模块输出选择器选择使能示意图。图中701表示第10级第3通道的输出选择器的使能结果为‘0’。纵坐标显示接收机共有4个中频输入信号通道，横坐标显示接收机使用10级级联的二维自适应IIR滤波器，共有8个窄带干扰随机分布在4个中频输入通道中。二维自适应IIR滤波器自适应检测和选择后，第1、2、3个自适应IIR滤波器分配给了第1通道，第4、5个自适应IIR滤波器分配给了第2通道，第6、8个自适应IIR滤波器分配给了第3通道，第7个自适应IIR滤波器分配给了第4通道，第8、9个自适应IIR滤波器被屏蔽掉。

Claims (3)

1. 二维自适应滤波窄带干扰抑制装置，包括级联的多个二维自适应IIR滤波器模块，所述二维自适应IIR滤波器模块包括：依次连接的输入选择器、自适应IIR滤波器（301）、输出选择器；所述自适应IIR滤波器（301）包括IIR滤波器（302）、检测及自适应算法模块（303），IIR滤波器（302）的信号输入端和信号输出端连接到检测及自适应算法模块（303）的输入端，检测及自适应算法模块（303）的输出端连接到IIR滤波器（302）的权重系数输入端；所述检测及自适应算法模块（303）包括检测模块和自适应算法模块，其中检测模块检测输入信号中是否存在窄带干扰，自适应算法模块自动计算和调整IIR滤波器的权重向量，直到IIR滤波器稳定收敛，使IIR滤波器正确实现抑制窄带干扰的功能；

其特征是，以所述二维自适应IIR滤波器模块为基本单元，通过多级级联实现二维平面，即输入维和级联维的窄带干扰抑制；假设M个输入信号中随机分布着N个窄带干扰；在第一级，输入选择器首先将第1个通道的输入信号接入自适应IIR滤波器，检测及自适应算法模块检测是否存在窄带干扰；若存在，则通过输入选择器和输出选择器将该级自适应IIR滤波器分配给第1个通道，即第1个通道的输入信号经过自适应IIR滤波器后输出，同时设置其他通道的输出选择器直接输出各自通道的输入信号；若未检测到窄带干扰，则设置第1通道的输出选择器直接输出该通道输入信号；然后通过输入选择器将第2通道的输入信号接入自适应IIR滤波器，重复以上操作；最后直到对M个通道都重复完成以上操作；当第N+1级的自适应IIR滤波器模块依次检测M个中频数字信号通道都没有检测到窄带干扰时，说明M个输入通道的N个窄带干扰都已经被抑制；从该N+1级开始将M个中频数字信号通道的信号直接输出给接收机基带进行处理。

2.如权利要求1所述二维自适应滤波窄带干扰抑制装置，其特征是，所述IIR滤波器采用1阶、2阶、3阶或更高阶IIR滤波器结构，阶数越高，所能抑制的窄带干扰数量也越多。

3.如权利要求1所述二维自适应滤波窄带干扰抑制装置，其特征是，所述自适应算法模块使用最小均方LMS自适应算法、最小二乘RLS自适应算法或卡尔曼Kalman自适应算法。

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