CN103618557B - 一种接收信号的处理方法及处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种接收信号的处理方法及装置；所述方法包括：根据接收的射频信号得到的中频采样信号；对所述中频采样信号进行复数带通滤波，得到第一复中频信号；对所述第一复中频信号进行空时滤波，得到第二复中频信号；在所述第二复中频信号中，每L个采样点计算一次所述第二复中频信号的实部的幅度均值，L为正整数；用比值门限除以所述幅度均值得到比值r(z)；计算增益调节值A(z)；将所述第二复中频信号的实部放大A(z)后输出。本发明能够降低信号接收中空时自适应抗干扰的实现复杂度及有用信号的损失。

Description

一种接收信号的处理方法及处理装置

技术领域

本发明涉及导航领域，尤其涉及一种接收信号的处理方法及处理装置。

背景技术

全球卫星导航系统目前有美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯全球卫星导航系统(GLONASS)、欧洲伽利略卫星定位系统(Galileo)、以及发展中的中国北斗定位系统，它们能提供全天候、实时、连续的高精度位置信息，已经广泛应用于各类军用和民用目标的定位、导航、授时和精密测量。但是卫星信号在传输和接收过程中会受到有意和无意的干扰。通过空时滤波器抑制干扰是一种自适应干扰对消的过程，空时滤波以其自身调节参数的能力以及对信号和干扰的先验知识要求较少的优势得到了广泛应用。

传统的空时自适应抗干扰方法都是针对基带信号进行复滤波处理，下变频和上变频处理增加了实现复杂度，对有用信号造成损失，而且空时滤波后的信号残留干扰较多，由于空时滤波器是带阻滤波器，它对带外噪声有放大作用，需要采取一些信号处理方法抑制带外分量，并有效控制数字中频信号幅度平稳输出。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何降低信号接收中空时自适应抗干扰的实现复杂度及有用信号的损失。

为了解决上述问题，本发明提供了一种接收信号的处理方法，包括：

根据接收的射频信号得到的中频采样信号；

对所述中频采样信号进行复数带通滤波，得到第一复中频信号；

对所述第一复中频信号进行空时滤波，得到第二复中频信号；

在所述第二复中频信号中，每L个采样点计算一次所述第二复中频信号的实部的幅度均值，L为正整数；

用比值门限除以所述幅度均值得到比值r(z)；

计算增益调节值A(z)：A(z)αA(z-1)+(1-α)r(z)；用计算出的增益调节值A(z)更新原先保存的增益调节值A(z-1)；其中α为预设的调节因子；z为计算增益正整数的次数序号；

将所述第二复中频信号的实部放大A(z)后输出。

可选地，L的取值范围是2⁸～2¹⁶，包括2⁸和2¹⁶；α为2^-6。

可选地，对所述中频信号进行复数带通滤波的步骤包括：

采用两个正交带通滤波器对所述中频信号进行滤波；所述两个正交带通滤波器的带宽均等于所述中频采样信号的带宽。

可选地，对第一复中频信号进行空时滤波，得到第二复中频信号的步骤后还包括：

对所述第二复中频信号的实部进行带通滤波。

可选地，用比值门限除以所述幅度均值得到比值r(z)的步骤前还包括：

根据期望的输出有效位数bit，得到比值门限

本发明还提供了一种接收信号的处理装置，包括：

射频处理模块，用于根据接收的射频信号得到的中频采样信号；

复数带通滤波器，用于对所述中频采样信号进行复数带通滤波，得到第一复中频信号；

空时滤波器，用于对所述第一复中频信号进行空时滤波，得到第二复中频信号；

均值计算模块，用于在所述第二复中频信号中，每L个采样点计算一次所述第二复中频信号的实部的幅度均值，L为正整数；

比值计算模块，用于用比值门限除以所述幅度均值得到比值r(z)；

增益计算模块，用于计算增益调节值A(z)：A(z)αA(z-1)+(1-α)r(z)；用计算出的增益调节值A(z)更新原先保存的增益调节值A(z-1)；其中α为预设的调节因子；z为计算增益正整数的次数序号；

放大模块，用于将所述第二复中频信号的实部放大A(z)后输出。

可选地，L的取值范围是2⁸～2¹⁶，包括2⁸和2¹⁶；α为2^-6。

可选地，所述复数带通滤波器包括：

两个正交带通滤波器，两者的带宽均等于所述中频采样信号的带宽。

可选地，所述的装置还包括：

带通滤波器，用于对空时滤波器输出的第二复中频信号的实部进行带通滤波后，滤波后发送给所述均值计算模块及所述放大模块。

可选地，所述比值计算模块还用于根据期望的输出有效位数bit，得到比值门限 $T=\frac{2^{\mathrm{bit}-1}-1}{3}\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\π}}}.$

本发明的技术方案对空时滤波后的中频数据进行前馈自动增益控制，减少了下变频和上变频处理环节，降低了对有用信号造成的损失及实现复杂度，可以达到快速调节放大倍数的效果，解决了输出信号幅度动态范围较大，功率变化较快的问题。本发明的一个优化方案在前馈增益控制前增加了带通滤波，有效抑制了带外分量。本发明的又一个优化方案中的放大倍数求解简单，实现起来节省FPGA资源。

附图说明

图1实施例一中进行空时滤波处理的硬件的示意图；

图2为实施例二中接收信号的处理装置的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更详细的说明。

需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例以及实施例中的各个特征可以相互结合，均在本发明的保护范围之内。另外，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

实施例一、一种信号接收方法，包括：

根据接收的射频信号得到的中频采样信号；

对所述中频采样信号进行复数带通滤波，得到第一复中频信号；

对所述第一复中频信号进行空时滤波，得到第二复中频信号；

在所述第二复中频信号中，每L个采样点计算一次所述第二复中频信号的实部的幅度均值，L为正整数；

用比值门限除以所述幅度均值得到比值r(z)；

计算增益调节值A(z)：A(z)αA(z-1)+(1-α)r(z)；用计算出的增益调节值A(z)更新原先保存的增益调节值A(z-1)；其中α为预设的调节因子；z为计算增益正整数的次数序号；

将所述第二复中频信号的实部放大A(z)后输出。

本实施例根据空时滤波的原始输出信号计算增益调节值来进行放大输出，是一种前馈式的调节方式，可以达到快速调节放大倍数的效果。

本实施例中根据射频信号得到中频采样信号及空时滤波的步骤基本可以参照现有技术进行，唯一区别是传统空时滤波输入的为基带信号，本实施例输入的是复中频信号；本实施例中，在对射频信号采样得到中频采样信号后，并不像现有技术那样继续进行下变频得到基带信号的步骤，而是在进行后续的空时滤波前增加一个对每一路中频采样信号进行复数带通滤波的步骤。

本实施例的一种实施方式中，所述对所述中频采样信号进行复数带通滤波的步骤具体可以包括：

采用两个正交带通滤波器对所述中频信号进行滤波；所述两个正交带通滤波器的带宽均等于所述中频信号的带宽。

本实施例中，进行空时滤波得到的第二复中频信号的步骤会持续进行，在所述第二复中频信号中则是每L个采样点计算一次幅度均值以相应更新一次增益调节值A(z)。当开始接收信号得到第一批L个采样点的第二复中频信号后，计算出比值r（1）进而计算出增益调节值A(1)后将所述第二复中频信号的实部放大A(1)后输出（比如输出给导航接收机）；对于得到的第二批L个采样点的第二复中频信号，也同样计算出比值r（2）进而计算出增益调节值A(2)，以A(2)代替A(1)来作为第二复中频信号的实部的放大倍数；后续的处理以此类推。

本实施例的一种实施方式中，L的取值范围可以是2⁸～2¹⁶，包括2⁸和2¹⁶。其它实施方式中，L可以根据仿真或实验值设置为其它值。

本实施例的一种实施方式中，α可以但不限于为2^-6。

本实施例的一种实施方式中，对接收信号进行空时滤波，得到第二复中频信号的步骤后还可以包括：

对所述第二复中频信号的实部进行带通滤波。

空时滤波后的信号残留干扰较多，由于空时滤波器是带阻滤波器，它对带外噪声有放大作用。本实施方式针对这一问题，在前馈增益控制中计算幅度均值的步骤前增加了带通滤波，有效抑制了带外分量。后面计算幅度均值、放大的步骤中所用的第二复中频信号的实部均是带通滤波后的。

本实施例的一个具体流程如下：

（1）由M个接收阵元分别接收射频信号，经过AD采集得到M路中频采样信号，分别是x₁(i),x₂(i),x₃(i),.....x_M(i)，所述中频采样信号中包含卫星信号、干扰和背景噪声；i为信号中的采样点序号（也就是每个采样点对应的时间点），是正整数；

（2）将步骤（1）中得到的中频采样信号x₁(i),x₂(i),x₃(i),.....x_M(i)分别送入M个相同的复数带通滤波器，每个复数带通滤波器包括两个正交带通滤波器，这两个正交带通滤波器的带宽均等于所述中频采样信号的带宽，可以根据卫星信号带宽确定，带通滤波后得到第一复中频数据I(i)+jQ(i)；j为复数中的虚数单位（即-1开方）；

（3）对第一复中频数据I(i)+jQ(i)进行空时滤波处理，从而得到抑制干扰后的信号f(i)+jg(i)，只保留实部f(i)；

（4）对实部f(i)进行带通滤波，抑制信号带外残留干扰，得到第二复中频信号的实部d(i)；

（5）计算长度为L个采样点的d(i)的幅度均值E(|d(i)|)；E（）表示对括号里的内容进行加权平均；

（6）通过公式T/E(|d(i)|)计算比值r(z)，T为比值门限；

（7）通过公式αA(z-1)+(1-α)r(z)计算当前时刻增益调节值A(z)，其中α为调节因子；

（8）将d(i)放大A(z)倍后输出给数字导航接收机，重复步骤（5）来更新增益A。

本实施例中，经过空时抗干扰滤波处理后得到信号实部f(i)；通过带通滤波可以抑制信号带外残留干扰，得到的第二复中频信号的实部d(i)为高斯白噪声，服从均值为0的正态分布，正态分布是具有两个参数μ和σ2的连续型随机变量的分布，参数μ是遵从正态分布的随机变量的均值，参数σ²是此随机变量的方差，记作d～N(μ,σ²)。

由于正态分布概率密度为

置换参数得到，

所以 $E\left(\right|d\left(i\right)\left|\right)=\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\π}}}\mathrm{\σ}.$

根据期望输出有效位数bit，最高位保留1位符号位，则增益控制输出最大幅度为2^bit-1-1，考虑3σ概率的数据幅度在2^bit-1-1之内，令增益控制输出最大值幅度2^bit-1-1=3σ，所以

因此将所述比值门限设定为

空时滤波技术是将一维的空域滤波推广到时间与空间的二维域中，形成空时二维处理的结构。它通过同时联合处理多元天线阵（空域）与多个相参脉冲（时域）接收到的数据，使干扰抑制在空时二维空间中进行。利用干扰频率与角度具有依赖关系而目标频率与角度却相互独立的区别，可将目标与干扰有效地分离出来实现滤波。

本实施例的一种实施方式中，接收天线由M个接收阵元组成；实现空时滤波处理的硬件结构可以如图1所示，每一路滤波器各连接在一个复数带通滤波器之后。从接收射频信号开始到完成空时滤波的步骤具体可以包括：

（1）M个接收阵元分别接收射频信号，经过AD（模数转换器）采集得到M路中频采样信号，分别是x₁(i),...,x_M(i)。每一路AD中频采样信号经过相同的复BP（带通滤波）处理后，再经过一个N阶FIR（有限冲激响应）滤波器。{w_mn},n1,2,...,N,m1,2,...,M为空时自适应滤波器的权系数，也叫权矢量，n为抽头序号，m为接收阵元的序号。w_mn与接收阵元m后的FIR各抽头的输入信号x_mn经过乘法器相乘，所有乘积通过加法器累加后得到接收阵元m后的滤波输出信号；对各接收阵元后的滤波输出信号相加得到空时滤波器的输出信号y(i)。每个节拍的时间延时T，要求T小于1/B，B为信号带宽；每路中频采样信号总的延时长度(N-1)T。第m路中频采样信号经过FIR滤波器各抽头输入信号为x_m1(i)I_m(i)+jQ_m(i)，x_m2(i)I_m(i-1)+jQ_m(i-1)，……，x_mN(i)I_m(i-N+1)+jQ_m(i-N+1)，用X表示输入信号矩阵为：

X[x₁₁,x₁₂,...,x_1N,x₂₁,x₂₂,...,x_2N,...,x_M1,x_M2,...,x_MN]^T

（2）根据复数带通滤波得到第一复中频数据I(n)+jQ(n)，计算协方差矩阵R=E[XX^H](MN×MN维)；

$R={\left[\begin{array}{ccccc}{X}_1{X}_1^H& X_1{X}_2^H& X_1{X}_3^H& \·\·\·& X_1{X}_M^H\\ X_2{X}_1^H& X_1{X}_2^H& X_2{X}_3^H& \·\·\·& {X_{2}X}_M^H\\ X_3{X}_1^H& X_3{X}_2^H& X_3{X}_3^H& \·\·\·& X_3{X}_M^H\\ \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·\\ X_M{X}_1^H& X_M{X}_2^H& X_M{X}_3^H& \·\·\·& X_M{X}_M^H\end{array}\right]}_{\mathrm{MN}\×\mathrm{MN}}$

R写成M×M个子阵形式，每个子阵包含N×N个元素。主对角线上子阵都是Hermite型Toeplitz矩阵，即子阵内元素复共轭对称，并且主对角线和平行于主对角线的各对角线上的元素相等；下三角子阵 $X_2{X}_1^H,X_3{X}_1^H,...,X_M{X}_1^H,...,X_M{X}_{M-1}^H$ 都是一般的Toeplitz矩阵，即子阵内主对角线和平行于主对角线的各对角线上的元素相等。

（3）求解多线性约束的最小方差方程，由线性约束最小方差准则，该空时自适应滤波器可以描述为以下最优化问题：

$\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Min}& E{\left\{\right|y\left(i\right)\left|\right\}}^2=w^H\mathrm{Rw}\\ s.t.& C^{H}w=b\end{array}\right.$

其中，y(i)为空时滤波器的输出信号，E{}表示对{}中的内容进行加权平均，Min表示取最小，s.t.（subject to）的含义是数字证明中的“使得……满足约束条件”，在上式中该约束条件即C^Hw=b。

若ω_s，ω_t分别表示空间归一化频率和时间归一化频率，表示可罗奈克积(Kronecker product)，则空时二维导向矢量写成：

c₁=S_s S_t

其中，空间导向矢量S_s和时间导向矢量S_t分别表示为：

$S_s={[1,e^{j{\mathrm{\ω}}_s},...,e^{j(M-1){\mathrm{\ω}}_s}]}^T$

$S_t={[1,e^{j{\mathrm{\ω}}_t},...,e^{j(N-1){\mathrm{\ω}}_t}]}^T$

第k个约束矩阵是当角频率为ω_k的单位平面波以θ_k入射到阵时，阵的输出（即阵的响应）为b_k，可以得到第k个约束方程为：

k=1,...,K

K为约束矩阵的个数。约束矩阵C=[c₁,c₂,...,c_K]，输出响应矢量b=[b₁,b₂,...,b_K]^T，b₁=b₂……=b_K=1。利用拉格朗日乘子法可以推导出多约束最小方差处理器的解为：

w_opt=R^-1C(C^HR^-1C)^-1b

（4）利用最优权值进行空时滤波处理，得到空时滤波后的输出信号y(i)为：y(i)=w₁₁x₁₁+...+w_1Nx_1N+w₂₁x₂₁+...+w_2Nx_2N+...+w_M1x_M1...+w_MNx_MN

y(i)写为复数形式就是第二复中频信号：f(i)+jg(i)。

实施例二，一种接收信号的处理装置，如图2所示，包括：

射频处理模块，用于根据接收的射频信号得到的中频采样信号；

复数带通滤波器，用于对所述中频采样信号进行复数带通滤波，得到第一复中频信号；

空时滤波器，用于对所述第一复中频信号进行空时滤波，得到第二复中频信号；

均值计算模块，用于在所述第二复中频信号中，每L个采样点计算一次所述第二复中频信号的实部的幅度均值，L为正整数；

比值计算模块，用于用比值门限除以所述幅度均值得到比值r(z)；

增益计算模块，用于计算增益调节值A(z)：A(z)αA(z-1)+(1-α)r(z)；用计算出的增益调节值A(z)更新原先保存的增益调节值A(z-1)；其中α为预设的调节因子；z为计算增益正整数的次数序号；

放大模块，用于将所述第二复中频信号的实部放大A(z)后输出。

本实施例的一种实施方式中，所述的装置还可以包括：

带通滤波器，用于对空时滤波器输出的第二复中频信号的实部进行带通滤波后，发送给所述均值计算模块及所述放大模块。

本实施例的一种实施方式中，L的取值范围可以是2⁸～2¹⁶，包括2⁸和2¹⁶。

本实施例的一种实施方式中，α可以但不限于为2^-6。

本实施例的一种实施方式中，所述复数带通滤波器具体可以包括：

两个正交带通滤波器，两者的带宽均等于所述中频采样信号的带宽。

本实施例的一种实施方式中，所述比值计算模块还可以用于根据期望的输出有效位数bit，得到比值门限

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种接收信号的处理方法，包括：

根据接收的射频信号得到中频采样信号；

对所述中频采样信号进行复数带通滤波，得到第一复中频信号；

对所述第一复中频信号进行空时滤波，得到第二复中频信号；

在所述第二复中频信号中，每L个采样点计算一次所述第二复中频信号的实部的幅度均值，L为正整数；

用比值门限除以所述幅度均值得到比值r(z)；

计算增益调节值A(z)：A(z)＝αA(z-1)+(1-α)r(z)；用计算出的增益调节值A(z)更新原先保存的增益调节值A(z-1)；其中α为预设的调节因子；z为计算增益正整数的次数序号；

将所述第二复中频信号的实部放大A(z)后输出。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

L的取值范围是2⁸～2¹⁶，包括2⁸和2¹⁶；α为2_- ⁶。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述中频信号进行复数带通滤波的步骤包括：

采用两个正交带通滤波器对所述中频信号进行滤波；所述两个正交带通滤波器的带宽均等于所述中频采样信号的带宽。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对第一复中频信号进行空时滤波，得到第二复中频信号的步骤后还包括：

对所述第二复中频信号的实部进行带通滤波。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，用比值门限除以所述幅度均值得到比值r(z)的步骤前还包括：

根据期望的输出有效位数bit，得到比值门限

6.一种接收信号的处理装置，其特征在于，包括：

射频处理模块，用于根据接收的射频信号得到中频采样信号；

复数带通滤波器，用于对所述中频采样信号进行复数带通滤波，得到第一复中频信号；

空时滤波器，用于对所述第一复中频信号进行空时滤波，得到第二复中频信号；

均值计算模块，用于在所述第二复中频信号中，每L个采样点计算一次所述第二复中频信号的实部的幅度均值，L为正整数；

比值计算模块，用于用比值门限除以所述幅度均值得到比值r(z)；

增益计算模块，用于计算增益调节值A(z)：A(z)＝αA(z-1)+(1-α)r(z)；用计算出的增益调节值A(z)更新原先保存的增益调节值A(z-1)；其中α为预设的调节因子；z为计算增益正整数的次数序号；

放大模块，用于将所述第二复中频信号的实部放大A(z)后输出。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：

L的取值范围是2⁸～2¹⁶，包括2⁸和2¹⁶；α为2_- ⁶。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述复数带通滤波器包括：

两个正交带通滤波器，两者的带宽均等于所述中频采样信号的带宽。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括：

带通滤波器，用于对空时滤波器输出的第二复中频信号的实部进行带通滤波后，滤波后发送给所述均值计算模块及所述放大模块。

10.如权利要求6所述的装置，其特征在于：

所述比值计算模块还用于根据期望的输出有效位数bit，得到比值门限 $T=\frac{2^{\mathrm{bit}-1}-1}{3}\sqrt{\frac{2}{\mathrm{\π}}}.$