CN104111465B - 连续波干扰信号的估计器、估计方法、消除器及消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及卫星导航与定位领域，公开了一种连续波干扰信号的估计器、计方法、消除器及消除方法。本发明中，本实施方式采用数字锁相环检测连波干扰信号的频率或正弦波和振幅，可以非常容易获得连续波干扰的估计信便于后续消除该连续波干扰的估计信号；而数字锁相环电路是较为常见的一电路，无需实时地对GNSS接收机所接收的时域信号进行FFT变换和FFT反换，避免了FFT变换和FFT反变换这些复杂的技术实现；而且也克服了现有术中需要预先知道连续波干扰的频点这一难题。进一步地，通过将射频前端输出信号的频带分成多个的子频带，对多个子频带分别进行处理，可进一步低硬件实现难度，并且也可加快处理速度。

Description

连续波干扰信号的估计器、估计方法、消除器及消除方法

技术领域

本发明涉及卫星导航与定位领域，特别涉及连续波干扰信号的估计器、估计方法、消除器及消除方法。

背景技术

GPS作为新一代卫星导航与定位系统，不仅具有全球性、全天候、连续的精密三维导航与定位能力，其迅速发展也引起各国军事部门和广大民用部门的广泛关注。GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)卫星信号通常采用扩频通信方式(Spread Spectrum Communication，扩展频谱通信)，即用来传输信息的信号带宽远大于所传信息必需的最小带宽。

GNSS接收机在接收GNSS卫星信号时，会受到各种各样的电磁干扰。常见的干扰源包括无线通信系统、电视台、电台、雷达、电离层闪烁、甚至GNSS接收机的内部时钟所产生的谐波也会对GNSS接收机带来干扰。

根据干扰信号的带宽相对于GNSS卫星信号的带宽的大小，可大致将其分为窄带干扰和宽带干扰两种。窄带干扰的一个特例是单频干扰，即正弦或余弦形式的连续波干扰，它的能量集中在单个频率上。其余的窄带干扰可以视作为数量较少的单频干扰的叠加。窄带干扰的频率越接近于GNSS卫星信号的中心频率，它对接收机的影响越严重。窄带干扰会使GNSS接收机捕获到错误的相关峰、跟踪在错误的频率上，使其定位精度降低。

一种现有的GNSS接收机检测并消除窄带干扰的方法为：首先，接收机将收到的时域信号通过FFT变换(快速傅里叶变换)转换为频域信号；其次，在该频域信号中找到窄带干扰信号的频率点，并对这些频率点上的功率予以消除；最后，将频域信号再通过FFT反变换(快速傅里叶反变换)转换为时域信号，进行后续的解扩处理。由于GNSS卫星信号采用扩频通信方式，因而其能量被均匀地分布在很宽的频带上，并且功率谱密度极低。而窄带干扰信号的能量则集中地分布在很窄的频带上(可视为数量较少的频率点的集合)，并且功率谱密度极高。在频域信号中，接收机只需要找出功率谱密度显著变大的频率点，这就是窄带干扰信号的频率点。然后，接收机将这些频率点的功率置为0或置为与其周边的频率点的功率一致，即可消除窄带干扰。但是，这种方法一方面由于需要实时地对GNSS接收机所接收的时域信号进行FFT变换和FFT反变换，技术实现复杂，并且计算量很大。另一方面，GNSS接收机所接收的扩频信号经过上述方法处理需要消耗一定的时间，因而实时性较差。

另一种现有的GNSS接收机检测并消除窄带干扰的方法为：在已知窄带干扰的频率点时，设置一个或多个陷波器(带阻滤波器)，将这些频率点的信号滤除掉。但是这种方法需要预先知道窄带干扰的频率点，这是一个难题；并且无法应对突然进入的窄带干扰信号。为此又有一种改进，即采用自适应陷波器(自适应滤波器)。这种改进方法不需要预先知道窄带干扰的频率点，但是技术实现的复杂度高、计算量大，并且需要一定的稳定时间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种连续波干扰信号的估计器、估计方法、消除器及消除方法，使得连续波干扰能够自适应地被消除，并且技术实现简单。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种连续波干扰信号的估计器，包含：数字锁相环、幅度检测器以及信号生成器；

所述数字锁相环用于获取输入信号中连续波干扰信号的频率或正弦波；

所述幅度检测器用于检测输入信号中连续波干扰信号的振幅；

所述信号生成器用于根据所述数字锁相环获取的频率或正弦波与所述幅度检测器检测得到的振幅，得到连续波干扰的估计信号。

本发明的实施方式还提供了一种连续波干扰信号的消除器，所述连续波干扰消除器对射频前端的输出信号的整个频带进行处理；

包含一个上述连续波干扰信号估计器和一个减法器；

所述连续波干扰信号估计器的输入信号为射频前端的输出信号；

所述减法器用于将所述射频前端的输出信号与所述连续波干扰信号估计器得到的连续波干扰的估计信号相减，得到消除连续波干扰之后的信号，供后续处理。

本发明的实施方式还提供了一种连续波干扰信号的消除器，包含若干个上述连续波干扰信号估计器和若干个减法器；所述连续波干扰信号估计器与所述减法器一一对应；

其中，射频前端的输出信号的频带被分成与所述连续波干扰消除器的数目相等的子频带，每一个连续波干扰信号估计器处理一个子频带；

第一级连续波干扰信号估计器的输入是射频前端的输出信号，与第一级连续波干扰信号估计器对应的减法器将所述射频前端的输出信号与第一连续波干扰信号估计器得到的连续波干扰的估计信号相减，输出至第二级连续波干扰消除器；

从第二级开始，当前级连续波干扰消除器的输入信号是前一级连续波干扰消除器的输出信号，与所述当前级连续波干扰信号估计器对应的减法器将所述前一级连续波干扰消除器的输出信号与当前级连续波干扰信号估计器得到的连续波干扰的估计信号相减，输出至后一级连续波干扰消除器；

将最后一级减法器的输出信号作为消除连续波干扰之后的信号，供后续处理。

本发明的实施方式还提供了一种连续波干扰信号的消除器，包含若干个连续波干扰信号估计器和一个减法器；所述若干个连续波干扰信号估计器并联连接；

其中，射频前端的输出信号的频带被分成与所述连续波干扰消除器的数目相等的子频带，每一个连续波干扰信号估计器处理一个子频带；

所述若干个连续波干扰信号估计器的输入均为射频前端的输出信号；

所述减法器用于将所述射频前端的输出信号与各连续波干扰信号估计器得到连续波干扰的估计信号相减，得到消除连续波干扰之后的信号，供后续处理。

本发明的实施方式还提供了一种连续波干扰信号的估计方法，包含以下步骤：

通过数字锁相环获取输入信号中连续波干扰信号的频率或正弦波；

检测输入信号中连续波干扰信号的振幅；

根据所述数字锁相环获取的频率或正弦波与所述检测得到的振幅，得到连续波干扰的估计信号。

本发明的实施方式还提供了一种连续波干扰信号的消除方法，包含以下步骤：

将射频前端的输出信号与采用上述连续波干扰信号估计方法获取的连续波干扰的估计信号相减，得到消除连续波干扰之后的信号，供后续处理。

本发明实施方式相对于现有技术而言，具有如下优点：

1、通过采用数字锁相环检测连续波干扰信号的频率或正弦波和振幅，可以非常容易获得连续波干扰的估计信号，便于后续消除该连续波干扰的估计信号；而数字锁相环电路是较为常见的一种电路，无需实时地对GNSS接收机所接收的时域信号进行FFT变换和FFT反变换，避免了FFT变换和FFT反变换这些复杂的技术实现；而且也克服了现有技术中需要预先知道连续波干扰的频点这一难题。

2、通过将射频前端的输出信号的频带分成多个的子频带，每一个连续波干扰信号估计器只处理一个子频带，可使每一个连续波干扰信号估计器只需要扫描本子频带，处理带宽变窄，一方面，可进一步降低硬件实现难度，另一方面也可加快处理速度。

3、通过多个连续波干扰信号估计器并行处理多个子频带，单个连续波干扰信号估计器的处理带宽变窄，可进一步降低硬件实现难度；又由于多个子频带是并行处理的，可进一步加快处理速度。

另外，所述数字锁相环包含混频器、环路滤波器、控制字存储器、加法器和第一数字振荡器；

所述混频器用于将所述输入信号与所述第一数字振荡器的输出信号进行混频，得到混频信号；

所述环路滤波器用于形成高阶反馈，控制环路带宽，得到所述输入信号与所述第一数字振荡器的输出信号之间的频率差的频率控制字；

所述控制字存储器用于存储本地频率控制字；

所述加法器用于将所述控制字存储器存储的本地频率控制字与所述环路滤波器输出的频率控制字相加，得到连续波干扰信号的频率控制字；

所述第一数字振荡器用于根据所述加法器输出的连续波干扰信号的控制字生成相应频率的连续波干扰信号的正弦波，并输出至所述混频器和所述信号生成器；

所述幅度检测器检测所述混频信号的幅度。

另外，以预设的时间间隔向所述控制字存储器写入不同的本地频率控制字；其中，所述本地频率控制字在输入信号的带宽内变化。

通过向本地频率控制字在固定间隔时间内写入不同的控制字，用以达到扫频的目的，从而克服了需要预先知道连续波干扰的频率这一难题。

另外，所述信号生成器包含：频率控制字读取器和第二数字振荡器；

所述频率控制字读取器用于读取所述加法器输出的连续波干扰信号的频率控制字；

所述第二数字振荡器用于根据所述频率控制字读取器读取的频率控制字和所述幅度检测器检测得到的振幅生成连续波干扰的估计信号。

另外，所述信号生成器为乘法器；

所述乘法器将所述第一数字振荡器生成的正弦波与所述幅度检测器检测得到的振幅相乘，得到连续波干扰的估计信号。

通过将第一数字振荡器生成的正弦波与幅度检测器检测得到的振幅直接相乘，可使硬件实现更简单。

附图说明

图1是根据本发明第一实施方式的连续波干扰信号的估计器的结构示意图；

图2是根据本发明第一实施方式的连续波干扰信号的估计器的另一种结构示意图；

图3是根据本发明第二实施方式的连续波干扰连续波干扰信号的消除器的结构示意图；

图4是根据本发明第三实施方式的连续波干扰信号的消除器的结构示意图；

图5是根据本发明第四实施方式的连续波干扰信号的消除器的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种连续波干扰信号的估计器，其结构如图1和图2所示，具体包含：数字锁相环100、幅度检测器200以及信号生成器300。其中，数字锁相环用于获取输入信号中连续波干扰信号的频率或正弦波；幅度检测器用于检测输入信号中连续波干扰信号的振幅；信号生成器用于根据数字锁相环获取的频率或正弦波与幅度检测器检测得到的振幅，得到连续波干扰的估计信号。

进一步地，数字锁相环100包含混频器101、环路滤波器102、控制字存储器104、加法器103和第一数字振荡器105；混频器用于将输入信号与第一数字振荡器的输出信号进行混频，得到混频信号；环路滤波器用于形成高阶反馈，控制环路带宽，得到输入信号与第一数字振荡器的输出信号之间的频率差的频率控制字；控制字存储器用于存储本地频率控制字；加法器用于将控制字存储器存储的本地频率控制字与环路滤波器输出的频率控制字相加，得到连续波干扰信号的频率控制字；第一数字振荡器用于根据加法器输出的连续波干扰信号的控制字生成相应频率的连续波干扰信号的正弦波，并输出至混频器；幅度检测器检测混频信号的幅度。

其中，可以通过向控制字存储器写入不同的控制字，实现扫频的目的。具体地说，以预设的时间间隔向所述控制字存储器写入不同的本地频率控制字；并且，本地频率控制字在输入信号的带宽内变化。比如说，假设GPS或北斗信号所占用的信号带宽为nMHz，CPU计算这个带宽内所有频率控制字，然后通过向本地频率控制字在固定间隔时间内写入不同的控制字，用以达到扫频的目的。

在本实施方式中，可以通过获取连续波干扰信号的频率来估计连续波干扰信号的方案，如图1所示。信号生成器根据数字锁相环获取的频率与幅度检测器检测得到的振幅，得到连续波干扰的估计信号。具体地说，信号生成器包含：频率控制字读取器和第二数字振荡器；频率控制字读取器用于读取加法器输出的连续波干扰信号的频率控制字；第二数字振荡器用于根据频率控制字读取器读取的频率控制字和幅度检测器检测得到的振幅生成连续波干扰的估计信号。也就是图1中所示，读取数字锁相环中加法器输出的频率控制字，用这个频率控制字与振幅生成连续波干扰的估计信号。在实际实现中，并不局限于本实施方式所说的第二数字振荡器生成正弦波，获取得到频率和振幅之后，可以采用现有的任何可产生正弦波的信号发生器，现有的任何可产生正弦波的信号发生器或信号生成方法都应包含在本发明的保护范围之内，在此不一一例举。

还可以直接获取数字锁相环中数字振荡器(为了区分，称之为“第一数字振荡器”)生成的正弦波，如图2所示。信号生成器用于根据数字锁相环获取的正弦波与幅度检测器检测得到的振幅，得到连续波干扰的估计信号。具体地说，信号生成器为乘法器；乘法器将第一数字振荡器生成的正弦波与幅度检测器检测得到的振幅相乘，得到连续波干扰的估计信号。与图1中的方案相比，可以省去一个“第二数字振荡器”，使硬件实现更简单。

与现有技术相比，本实施方式采用数字锁相环检测连续波干扰信号的频率或正弦波和振幅，可以非常容易获得连续波干扰的估计信号，便于后续消除该连续波干扰的估计信号；而数字锁相环电路是较为常见的一种电路，无需实时地对GNSS接收机所接收的时域信号进行FFT变换和FFT反变换，避免了FFT变换和FFT反变换这些复杂的技术实现；而且也克服了现有技术中需要预先知道连续波干扰的频点这一难题。

本发明的第二实施方式涉及一种连续波干扰信号的消除器，对射频前端的输出信号的整个频带进行处理。如图3所示，具体包含一个第一实施方式的连续波干扰信号的估计器和一个减法器；连续波干扰信号估计器的输入信号为射频前端的输出信号；减法器用于将射频前端的输出信号与连续波干扰信号估计器得到的连续波干扰的估计信号相减，得到消除连续波干扰之后的信号，供后续处理。

与现有技术相比，本实施方式先获得连续波干扰的估计信号，然后直接从射频前端的输出信号中减去该估计信号，可自适应地消除连续波干扰，硬件实现简单。

本发明第三实施方式涉及一种连续波干扰信号的消除器，如图4所示，包含：若干个第一实施方式的连续波干扰信号估计器和若干个减法器；连续波干扰信号估计器与减法器一一对应。

其中，射频前端的输出信号的频带被分成与连续波干扰消除器的数目相等的子频带，每一个连续波干扰消除器处理一个子频带。

第一级连续波干扰信号估计器的输入是射频前端的输出信号，与第一级连续波干扰信号估计器对应的减法器将射频前端的输出信号与第一连续波干扰信号估计器得到的连续波干扰的估计信号相减，输出至第二级连续波干扰消除器。

从第二级开始，当前级连续波干扰消除器的输入信号是前一级连续波干扰消除器的输出信号，与当前级连续波干扰信号估计器对应的减法器将前一级连续波干扰消除器的输出信号与当前级连续波干扰信号估计器得到的连续波干扰的估计信号相减，输出至后一级连续波干扰消除器。

将最后一级减法器的输出信号作为消除连续波干扰之后的信号，供后续处理。

比如说，图4中，减法器1将射频前端的输出信号与连续波干扰信号估计器1的输出相减，输出至连续波干扰信号估计器2；减法器2将连续波干扰信号估计器1的输出信号与连续波干扰信号估计器2的输出相减，输出至连续波干扰信号估计器3；依此类推，减法器N将连续波干扰信号估计器N-1的输出信号与连续波干扰信号估计器N的输出相减，减法器N的输出信号作为消除连续波干扰之后的信号，供后续处理。

通过将射频前端的输出信号的频带分成多个的子频带，每一个连续波干扰信号估计器只处理一个子频带，可使每一个连续波干扰信号估计器只需要扫描本子频带，处理带宽变窄，一方面，可进一步降低硬件实现难度，另一方面也可加快处理速度。

本发明第四实施方式涉及一种连续波干扰信号的消除器，如图5所示，包含：包含若干个连续波干扰信号估计器和一个减法器；若干个连续波干扰信号估计器并联连接。通过多个连续波干扰信号估计器并行处理多个子频带，单个连续波干扰信号估计器的处理处理带宽变窄，可进一步降低硬件实现难度；又由于多个子频带是并行处理的，可进一步加快处理速度。

其中，射频前端的输出信号的频带被分成与连续波干扰消除器的数目相等的子频带，每一个连续波干扰信号估计器处理一个子频带。

干个连续波干扰消除器的输入均为射频前端的输出信号。

减法器用于将射频前端的输出信号与各连续波干扰信号估计器得到连续波干扰的估计信号相减，得到消除连续波干扰之后的信号，供后续处理。比如说，图5中，N个连续波干扰信号估计器处理N个子频带，得到N个连续波干扰的估计信号，用射频前端的输出信号减去这N个连续波干扰的估计信号，就得到消除连续波干扰之后的信号。

本发明第五实施方式涉及一种连续波干扰信号的估计方法，包含以下步骤：

通过数字锁相环获取输入信号中连续波干扰信号的频率或正弦波；

检测输入信号中连续波干扰信号的振幅；

根据数字锁相环获取的频率或正弦波与检测得到的振幅，得到连续波干扰的估计信号。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的方法实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

本发明第六实施方式涉及一种连续波干扰信号的消除方法，将射频前端的输出信号与采用第五实施方式的连续波干扰信号估计方法获取的连续波干扰的估计信号相减，得到消除连续波干扰之后的信号，供后续处理。

由于第二实施方式与本实施方式相互对应，因此本实施方式可与第二实施方式互相配合实施。第二实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，在第二实施方式中所能达到的技术效果在本实施方式中也同样可以实现，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第二实施方式中。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (5)

1.一种连续波干扰信号消除器，其特征在于，包含若干个连续波干扰信号估计器和若干个减法器；所述连续波干扰信号估计器与所述减法器一一对应；

其中，射频前端的输出信号的频带被分成与所述连续波干扰信号估计器的数目相等的子频带，每一个连续波干扰信号消除器处理一个子频带；

第一级连续波干扰信号估计器的输入是射频前端的输出信号，与第一级连续波干扰信号估计器对应的减法器将所述射频前端的输出信号与第一连续波干扰信号估计器得到的连续波干扰的估计信号相减，输出至第二级连续波干扰信号消除器；

从第二级开始，当前级连续波干扰信号消除器的输入信号是前一级连续波干扰信号消除器的输出信号，与所述当前级连续波干扰信号估计器对应的减法器将所述前一级连续波干扰信号消除器的输出信号与当前级连续波干扰信号估计器得到的连续波干扰的估计信号相减，输出至后一级连续波干扰信号消除器；

将最后一级减法器的输出信号作为消除连续波干扰之后的信号，供后续处理；

所述连续波干扰信号估计器包含：数字锁相环、幅度检测器以及信号生成器；

所述数字锁相环用于获取输入信号中连续波干扰信号的频率或正弦波；

所述幅度检测器用于检测输入信号中连续波干扰信号的振幅；

所述信号生成器用于根据所述数字锁相环获取的频率或正弦波与所述幅度检测器检测得到的振幅，得到连续波干扰的估计信号；

其中，所述信号生成器包含：频率控制字读取器和第二数字振荡器；

所述频率控制字读取器用于读取所述数字锁相环获取的连续波干扰信号的频率控制字；

所述第二数字振荡器用于根据所述频率控制字读取器读取的频率控制字和所述幅度检测器检测得到的振幅生成连续波干扰的估计信号。

2.根据权利要求1所述的连续波干扰信号消除器，其特征在于，所述数字锁相环包含混频器、环路滤波器、控制字存储器、加法器和第一数字振荡器；

所述混频器用于将所述输入信号与所述第一数字振荡器的输出信号进行混频，得到混频信号；

所述环路滤波器用于形成高阶反馈，控制环路带宽，得到所述输入信号与所述第一数字振荡器的输出信号之间的频率差的频率控制字；

所述控制字存储器用于存储本地频率控制字；

所述加法器用于将所述控制字存储器存储的本地频率控制字与所述环路滤波器输出的频率控制字相加，得到连续波干扰信号的频率控制字；

所述第一数字振荡器用于根据所述加法器输出的连续波干扰信号的控制字生成相应频率的连续波干扰信号的正弦波，并输出至所述混频器；

所述幅度检测器检测所述混频信号的幅度。

3.根据权利要求2所述的连续波干扰信号消除器，其特征在于，以预设的时间间隔向所述控制字存储器写入不同的本地频率控制字；

其中，所述本地频率控制字在输入信号的带宽内变化。

4.根据权利要求2所述的连续波干扰信号消除器，其特征在于，所述信号生成器为乘法器；

所述乘法器将所述第一数字振荡器生成的正弦波与所述幅度检测器检测得到的振幅相乘，得到连续波干扰的估计信号。

5.一种连续波干扰信号的消除器，其特征在于，包含若干个连续波干扰信号估计器和一个减法器；所述若干个连续波干扰信号估计器并联连接；

其中，射频前端的输出信号的频带被分成与所述连续波干扰信号估计器的数目相等的子频带，每一个连续波干扰信号估计器处理一个子频带；

所述若干个连续波干扰信号估计器的输入均为射频前端的输出信号；

所述减法器用于将所述射频前端的输出信号与各连续波干扰信号估计器得到连续波干扰的估计信号相减，得到消除连续波干扰之后的信号，供后续处理；

所述连续波干扰信号估计器包含：数字锁相环、幅度检测器以及信号生成器；

所述数字锁相环用于获取输入信号中连续波干扰信号的频率或正弦波；

所述幅度检测器用于检测输入信号中连续波干扰信号的振幅；

所述信号生成器用于根据所述数字锁相环获取的频率或正弦波与所述幅度检测器检测得到的振幅，得到连续波干扰的估计信号；

其中，所述信号生成器包含：频率控制字读取器和第二数字振荡器；

所述频率控制字读取器用于读取所述数字锁相环获取的连续波干扰信号的频率控制字；

所述第二数字振荡器用于根据所述频率控制字读取器读取的频率控制字和所述幅度检测器检测得到的振幅生成连续波干扰的估计信号。