CN103312373A - 北斗一代授时型接收机抑制窄带干扰的时域装置 - Google Patents

Abstract

一种北斗一代授时型接收机抑制窄带干扰的时域装置，首先对北斗信号采样，并对北斗中频采样信号x(n)进行延迟得到延迟信号x(n- Δ )，选择合适的延迟时间Δ，使有用信号不相关且干扰信号具有良好相关性；然后将所得的延迟信号x(n- Δ )送入RLS滤波器，对窄带干扰信号进行抑制；RLS滤波器输出估计干扰信号，估计干扰信号和北斗中频采样信号x(n)经过加法器后得到信号e(n)，信号e(n)中已滤除窄带干扰信号i(n)，仅包括北斗信号s(n)和通道噪声noise(n)。本发明通过若干乘法器和加法器实现干扰预测和滤除，收敛速度快，实现思路简单。与频域抗干扰装置相比，时域装置避免了复杂的时频域互换运算，不存在频谱泄露、信号失真、干扰抑制不彻底等问题，能够有效滤除中频强窄带干扰信号，改善北斗一代接收机抗干扰能力。

Description

北斗一代授时型接收机抑制窄带干扰的时域装置

技术领域

本发明属于一种时域装置，具体地说是涉及一种对北斗一代接收机内的窄带干扰信号进行抑制的时域装置。

背景技术

北斗一代卫星工作在ISM频段，该频段存在Wi-Fi、蓝牙和ZigBee等多种无线通信标准，实际通信过程中很容易互相影响，产生干扰现象。与GPS系统一样，北斗一代卫星采用直接序列扩频技术，北斗信号属于宽带信号，非常容易受到各种窄带干扰的影响。虽然扩频调制在一定程度上能够对窄带干扰进行抑制，但干扰抑制能力与扩频增益有关。扩频增益不变时，需要专门的抗干扰装置对大功率的窄带干扰进行抑制，才能保障北斗接收机具备良好的抗干扰能力。

常见的扩频信号抗干扰方法有两种，分别为时域滤波和频域滤波。其中，时域滤波技术基于窄带干扰和有用信号时域自相关函数的差异，通过滤波器完成窄带干扰预测，接收信号减去窄带干扰信号既得干扰抑制后信号；频域滤波技术依据窄带干扰和有用信号频谱能量差异进行干扰识别，通常设置一个干扰判断门限，通过判别和衰减完成干扰滤除。

频域方法需要对中频数据进行时频转换和分块处理，时频转换算法计算量大，且分块处理容易造成频谱泄露和信号失真。另外，频域算法需要选取一种自适应门限计算方法，而已有门限计算方案通常只能识别出部分干扰成份。

发明内容

为了增强北斗一代授时型接收机的抗窄带干扰能力，在不增加已有北斗接收机系统复杂性的基础上，基于北斗中频信号特征，提出了一种抑制窄带干扰的时域线性滤波装置。

为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

一种北斗一代授时型接收机抑制窄带干扰的时域装置，首先对北斗信号采样，并对北斗中频采样信号x(n)进行延迟得到延迟信号x(n-Δ)，选择合适的延迟时间Δ，使有用信号不相关且干扰信号具有良好相关性；然后将所得的延迟信号x(n-Δ)送入RLS滤波器，对窄带干扰信号进行抑制；RLS滤波器输出估计干扰信号                                                

，估计干扰信号

和北斗中频采样信号x(n)经过加法器后得到信号e(n)，信号e(n)中已滤除窄带干扰信号i(n)，仅包括北斗信号s(n)和通道噪声noise(n)。

所述的RLS滤波器包括：采样数据存储模块、滤波器权系数与采样数据运算得到估计值的滤波模块、产生干扰抑制后信号的预测误差计算模块、采样数据进行逆矩阵的中间向量计算模块、用于滤波器权系数和相关逆矩阵更新的增益向量计算模块、利用增益向量和预测误差对滤波器系数进行更新的滤波器权系数更新模块和自相关逆矩阵更新模块。

在所述的采样数据存储模块中，如果中频为欠采样，将连续M个采样点作为本次存储数据；若果中频为过采样，根据过采样倍数间隔数个采样点保存一次数据。

采用上述技术方案的本发明，通过若干乘法器和加法器实现干扰预测和滤除，收敛速度快，实现思路简单。如果简化增益向量和相关逆矩阵计算方法，则可进一步显著减低RLS算法的计算量。与频域抗干扰装置相比，时域装置避免了复杂的时频域互换运算，不存在频谱泄露、信号失真、干扰抑制不彻底等问题，能够有效滤除中频强窄带干扰信号，改善北斗一代接收机抗干扰能力。

附图说明

图1 干扰抑制单元结构框图。

图2 RLS滤波器结构框图。

图3窄带滤波处理原理图。

图4滤波器权向量收敛曲线。

图5估计干扰与真实干扰比较。

图6干扰抑制前信号频谱图。

图7干扰抑制后信号频谱图。

具体实施方式

本发明的设计依据为中频信号的统计特性差异。具体地说，北斗一代接收机中频采样信号x(n)由三部分组成，即

x(n)=s(n)+i’(n)+noise(n)                               ①

其中，s(n)为有用扩频调制信号，i’(n)为窄带干扰，noise(n)为高斯噪声，且相互统计独立。根据各自特征可知，s(n)为弱相关信号，相关函数公式②所示，i(t)为强相关信号，相关函数如公式③所示，其中，M>D。噪声noise(n)的相关函数满足公式④。利用相关函数计算公式可以证明公式⑤成立，即在一定的条件下，观察序列自相关与观测序列和干扰的互相关相等。

r _s (t)={0,∣n∣＞D }                                   ②

                                     ③                                   

r _n (n)=δ(n)σ ² _n                                          ④

r _x (n)=r _xi (n),∣n∣＞D                                  ⑤

以上对北斗一代中频接收信号的分析表明，在对输入信号进行一定延迟的情况下，可以用观测数据对干扰进行预测，用当前观测数据作为滤波器期望输出。在时域自适应滤波算法中，递归最小二乘（简称RLS）算法比最小二乘（简称LMS）算法收敛速度快。因此，考虑系统对滤波单元实时性的要求，依据RLS算法设计北斗抗干扰装置。

如图1所示，本发明首先对北斗信号采样得到北斗中频采样信号x(n)，然后对北斗中频采样信号进行延迟得到北斗中频采样延迟信号x(n-Δ)，其中，Δ的选择应保证有用信号不相关，干扰信号具有良好相关性。接着，将所得的北斗中频采样延迟信号x(n-Δ)送入RLS滤波器，RLS滤波器对北斗窄带干扰信号进行抑制，其滤波后输出的估计干扰值i(n)和北斗中频采样信号x(n)经过加法器后得到干扰抑制后信号e(n)，该e(n)包括干扰抑制后的有用信号和通道噪声。

在RLS滤波器的结构框图如图2所示。接收机刚启动时需要等待一段时间，接收M个采样点之后，启动滤波器算法，每个工作模块的工作流程如下所述：

A．采样数据存储模块：存放第n个采样点之前的M个采样数据X(n-D)=[x(n-D), x(n-D-1),…, x(n-D-M+1)] ^T ，其中，M为RLS滤波器的阶数，D为延迟时间，其值与扩频信号弱相关时间和采样频率有关，且n和M均为自然数；

在所述的采样数据存储模块中，如果中频为欠采样，将连续M个采样点作为本次存储数据；若果中频为过采样，根据过采样倍数间隔数个采样点保存一次数据；

B．滤波处理模块：如图3所示，将滤波器权系数存储模块中的滤波器权系数依次与采样数据存储模块的相应采样数据进行相乘，相乘结果送入加法器进行累加，加法器输出即为估计干扰值i(n)=W ^T (n-1)X(n-D)，其中，W(n)=[w ₀ (n), w ₁ (n),…, w _M-1 (n)] ^T 为n时刻滤波器权系数向量；

C．预测误差计算模块：将n时刻的采样值 x(n)与估计干扰值相减得到干扰抑制后信号，该值又称预测误差e(n)=x(n)-i(n)；

D．中间向量计算模块：它将相关逆矩阵存储模块中的相关逆矩阵与采样数据存储模块的采样数据进行相乘，得到中间向量π(n)=P(n-1)X；

E．增益向量计算模块：所述的增益向量K(n)用于滤波器权系数和相关逆矩阵更新，其中增益向量K(n)= π(n)/[λ+X ^T (n) π(n)]，λ为遗忘因子，通常0.95＜λ≤1；

F．滤波器权系数更新模块：利用增益向量和预测误差对滤波器系数进行更新，W(n)=W(n-1)+ K(n)e(n)；

G．自相关逆矩阵更新模块：进行自相关逆矩阵更新P(n)=[p(n-1)-K(n)X ^T (n)p(n-1)]/ λ。

RLS滤波器参数设置上，其具体方案如下：

（1）滤波器的阶数取M=8；

（2）初始化滤波器权向量W，通常W为包含M个元素的全0列向量；

（3）初始化遗忘因子λ，通常

。当输入信号为平稳信号时，λ最优值为1。对于在短时间T内保持平稳的信号，可依据采样率F _s 确定

的取值范围：λ/(1-λ)=T×F _s 。

（4）初始化相关逆矩阵P，P=δ ^-1 I，I为一个M阶单位阵。δ的选取依据如下，高干信比时δ取小值，低干信比时δ取大值，用于窄带干扰抑制时，信号中的窄带干扰强度通常较大。可参考公式

(1-λ) ^α δ _x ² 计算δ，其中，δ _x ² 为输入数据方差，α的取值与信噪比有关，如公式⑥所示。

                         ⑥                            

图4为滤波器收敛曲线，从图中可以看出滤波器收敛速度快，满足系统实时性要求。

北斗中频信号存在两个单音干扰时，抗干扰装置的干扰抑制效果如图5--7所示。从图5可以看出，随着滤波器权系数趋于稳定，估计干扰逐渐逼近真实干扰。从图6和图7可以看出，时域干扰抑制装置能够充分抑制干扰，无明显干扰残留现象。

Claims (3)

1.一种北斗一代授时型接收机抑制窄带干扰的时域装置，其特征在于：首先对北斗信号采样，并对北斗中频采样信号x(n)进行延迟得到延迟信号x(n-Δ)，选择合适的延迟时间Δ，使有用信号不相关且干扰信号具有良好相关性；然后将所得的延迟信号x(n-Δ)送入RLS滤波器，对窄带干扰信号进行抑制；RLS滤波器输出估计干扰信号                                                

，估计干扰信号

和北斗中频采样信号x(n)经过加法器后得到信号e(n)，信号e(n)中已滤除窄带干扰信号i(n)，仅包括北斗信号s(n)和通道噪声noise(n)。

2.根据权利要求1所述的北斗一代授时型接收机抑制窄带干扰的时域装置，其特征在于，所述的RLS滤波器包括：采样数据存储模块、滤波器权系数与采样数据运算得到估计值的滤波模块、产生干扰抑制后信号的预测误差计算模块、采样数据进行逆矩阵的中间向量计算模块、用于滤波器权系数和相关逆矩阵更新的增益向量计算模块、利用增益向量和预测误差对滤波器系数进行更新的滤波器权系数更新模块和自相关逆矩阵更新模块。

3.根据权利要求2所述的北斗一代授时型接收机抑制窄带干扰的时域装置，其特征在于：在所述的采样数据存储模块中，如果中频为欠采样，将连续M个采样点作为本次存储数据；若果中频为过采样，根据过采样倍数间隔数个采样点保存一次数据。

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