CN104483679A - 一种gnss数字中频信号窄带干扰抑制方法及相应的电路 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种GNSS数字中频信号窄带干扰抑制方法,所述方法包括,信号预处理步骤,将所述数字中频信号 x(n) 用下变频到零中频附近,滤除信号带外高频分量,得到所述零中频降采样信号;窄带干扰估计步骤,利用所述零中频降采样信号估计出所述窄带干扰的中心频率;窄带干扰滤除步骤,根据所述窄带干扰的中心频率将所述窄带干扰中心频率下变频到零中频附近,滤除所述窄带干扰零中频附近的干扰分量。采用本发明的技术方案后,可以实现简易实现包括北斗、GPS等在内的GNSS窄带干扰抑制,硬件资源消耗少,在硬件资源消耗优于OFFT技术方案。
Description
技术领域
本发明属于信号处理技术领域,特别涉及一种GNSS数字中频信号窄带干扰抑制方法及相应的电路。
背景技术
GNSS(Global Navigation Satellite System,全球导航卫星系统),如美国的GPS(Global Positioning System,全球定位系统)、欧洲的伽利略(Galileo)系统、俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)系统、中国的北斗卫星导航系统﹝BeiDou(或BD或COMPASS) Navigation Satellite System)等,在全球范围内为数量不限的海陆空用户提供全天候的、连续、精确的位置、速度和时间信息,在人们生活中发挥着日益重要的作用。
GNSS信号到达接收天线的信号十分微弱,通常淹没在噪声之中,极易受到频带内其它信号的干扰,使接收机导航精度恶化或完全失去信号的跟踪。按照干扰带宽相比较GNSS信号带宽的大小,将其分为宽带干扰和窄带干扰两种。窄带干扰的一种极限情况是由一个单频构成的信号,即所谓CW(Continuous Wave,连续波)。
在《GPS原理与应用 (第2版)》((美)卡普兰等主编,寇艳红译,北京:电子工业出版社,2007 年)一书中,作者指出,宽带干扰的抑制通常采用接收机跟踪门限增强技术或空域自适应波束形成技术,前者需借助IMU(Inertial Measurement Unit,惯性测量单元)等设备的辅助信息,后者需用采纳多阵元天线。窄带干扰可通过频率剔除技术抑制,通常在数字中频前端通过横向滤波或FFT(Fast Fourier Tranform,快速傅立叶变换)的方式进行,可有效地将窄带干扰能量抑制在热噪声基底以下。
图1为自适应时域滤波技术原理示意图,它是一种典型横向滤波器方法,实现原理如下:数字中频信号(包含有用信号、干扰和噪声)与其进行自适应滤波器滤波后的信号求差,得到的误差信号经自适应算法(比如LMS(Least Mean Square,最小均方差),RLS(Recursive Least Squares,迭代最小二乘)等)采用某种代价函数最小化准则来更新自适应滤波器系数,以达到干扰抑制的目的。这种方法可较好地抑制多个单频干扰,但具有硬件实现复杂度高、收敛时间缓慢、群时延变化等缺点。
图2为OFFT技术原理示意图。OFFT(Overlapped Fast Fourier Transform,交叠快速傅立叶变换)技术是一种典型频域频率剔除技术,它的设计思路是将数字中频数据分两路(分别经1/2FFT块长度延迟和不延迟)独立进行加窗、FFT、干扰频率剔除、IFFT后,按照一定的算法进行合路。OFFT方法具有设计容易、可同时滤除多个窄带干扰等优点,但需要4个FFT引擎,硬件实现复杂度高,且频率分辨率较低,对信号衰减较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种GNSS数字中频信号窄带干扰抑制方法及相应的电路。
本发明提供一种GNSS数字中频信号窄带干扰抑制方法,所述方法包括,信号预处理步骤,将所述数字中频信号x(n)用下变频到零中频附近,滤除信号带外高频分量,得到所述零中频降采样信号;窄带干扰估计步骤,利用所述零中频降采样信号估计出所述窄带干扰的中心频率;窄带干扰滤除步骤,根据所述窄带干扰的中心频率将所述窄带干扰中心频率下变频到零中频附近,滤除所述窄带干扰零中频附近的干扰分量。
更进一步,所述方法还包括,上变频步骤,根据所述窄带干扰的中心频率将经过所述窄带干扰滤除步骤处理的信号上变频至f2频率进行捕获和跟踪处理。
更进一步,所述窄带干扰估计步骤还包括,扫描所述零中频降采样信号得到2个窄带干扰jam1和jam2的中心频率 和;所述窄带干扰滤除步骤还包括,根据所述中心频率滤除所述窄带干扰jam1;如果所述窄带干扰jam2存在,根据()滤除所述窄带干扰jam2。
更进一步,所述信号预处理步骤还包括,将所述数字中频信号x(n)乘以因子下变频到零中频附近,经1MHz低通滤波器滤除高频部分,得到带宽为1MHz的解析信号,由欠采样模块按4倍欠采样,得到所述零中频降采样信号x lp (n) ,其中f 1 为所述数字中频信号x(n)中频频率,中频数字化采样率fs =16f 0 , f 0 为C/A码速率。
更进一步,所述窄带干扰滤除步骤还包括,将所述零中频降采样信号乘以因子,使所述窄带干扰jam1频谱中心将干扰频谱中心移动到零频,再进入高通滤波器进行高通滤波,滤除零频附近的窄带干扰,输出解析信号xhp(n) ;如果所述窄带干扰jam2存在,将所述输出解析信号xhp(n) 乘以因子,使所述窄带干扰jam2频谱中心移动到零频,再进入高通滤波模块进行高通滤波,滤除零频附近的窄带干扰。
本发明还一种GNSS数字中频信号窄带干扰抑制电路,所述电路包括,预处理模块、谱分析模块、干扰滤除模块以及上变频模块;所述预处理模块将所述数字中频信号x(n)用下变频到零中频附近,滤除信号带外高频分量,得到所述零中频降采样信号;所述谱分析模块利用所述零中频降采样信号估计出所述窄带干扰的中心频率;所述干扰滤除模块根据所述窄带干扰的中心频率将所述窄带干扰中心频率下变频到零中频附近,滤除所述窄带干扰零中频附近的干扰分量;所述上变频模块根据所述窄带干扰的中心频率将经过所述窄带干扰滤除步骤处理的信号上变频至f2频率进行捕获和跟踪处理。
更进一步,所述预处理模块包括1MHz低通滤波器,所述低通滤波器采用两级级联,其中LP1滤波器为梳状FIR滤波器,LP2滤波器为低通FIR滤波器。
更进一步,所述LP1滤波器的通带分别为(0,0.7f0)、(3.3f0,4.7f0)、(7.3f0,8f0),阻带分别为(f0,3f0)、(5f0,7f0);所述LP2滤波器的通带为(0,f0),阻带为(3f0,8f0);所述FIR滤波器阶数为(M+1),输入信号和其经M级延迟的信号分别与FIR滤波器系数h(i)(i=0,1,…,M)相乘、累加后输出信号。
更进一步,所述干扰滤除模块包括频率移动模块及高通滤波器,所述高通滤波器包括N1阶高通梳状滤波器及N2阶高通子滤波器,将干扰频谱中心移动到零频后,一路进入高通梳状滤波器,经延迟单元进行N2/2点延迟;另一路经延迟单元进行N1/2点延迟,并减去所述高通梳状滤波器的输出信号,再经过所述高通子滤波器滤波,与第一路输出的信号相加,输出低频滤除后的解析信号。
更进一步,所述干扰滤除模块包括干扰滤除模块及干扰滤除模块, 用于消除不同的窄带干扰。
采用本发明的技术方案后,可以实现简易实现包括北斗、GPS等在内的GNSS窄带干扰抑制,硬件资源消耗少,在硬件资源消耗优于OFFT技术方案。
附图说明
图1为自适应时域滤波技术原理示意图;
图2为OFFT技术原理示意图;
图3为本发明的基于FIR滤波的GNSS窄带干扰抑制方法原理示意图;
图4是预处理模块1在某GPS接收机中实现示意图;
图5为1MHz低通滤波器12的框图;
图6是某GPS接收机中LP1滤波器121一种具体化的幅频响应图;
图7是LP2滤波器122的一种具体化的幅频响应图;
图8是1MHz低通滤波器12等效幅频响应图;
图9是FIR滤波器的一种实现示意图;
图10是干扰滤除模块2原理框图;
图11是高通滤波器22的原理框图;
图12为高通梳状滤波器221的原理框图;
图13是高通梳状滤波器221一种具体化的幅频响应图;
图14是高通子滤波器223一种具体化的幅频响应图;
图15是高通滤波器22等效幅频响应图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明的基本设计思路是将数字中频信号用复指数下变频到零中频附近,用低通滤波器滤除信号带外高频分量,然后利用估计出的窄带干扰中心频率或单频干扰频率,将窄带干扰或单频干扰变频到零中频附近,用高通滤波器将零频附近的干扰分量滤除,再按原估计出的干扰频率将信号变频回零中频(或其它中频频率)。
图3为本发明的基于FIR滤波的GNSS窄带干扰抑制方法原理示意图。数字中频信号x(n)进入预处理模块1进行预处理,输出零中频降采样的解析信号,一路进入谱分析模块5扫描得到2个窄带干扰jam1和jam2的中心频率 和;另一路进入干扰滤除模块2,根据谱分析模块5扫描得到的窄带干扰jam1中心频率滤除jam1,再进入干扰滤除模块3,根据谱分析模块5扫描得到的窄带干扰jam2中心频率与干扰jam1中心频率之差()滤除jam2;最后送入上变频模块4,根据谱分析模块5扫描得到的窄带干扰jam2中心频率上变频到f2频率,输出信号y(n)。频率f2可根据信号捕获和跟踪的需要进行配置,一般取值为输出信号采样率1/4附近。
图4是预处理模块1在某GPS接收机中实现示意图,其中,GPS C/A码速率为f0,中频频率为f1,中频数字化采样率为fs=16f0。接收机数字中频信号x(n)进入下变频到零中频模块11乘以因子下变频到零中频,原信号的下边带为低于1MHz的低通信号,原信号的上边带为高于7MHz的高通信号,再经1MHz低通滤波器12滤除高频部分,得到带宽为1MHz的解析信号,由欠采样模块13按4倍欠采样,得到预处理模块1的输出信号xlp(n) 。
图5为1MHz低通滤波器12的框图,其采用两级级联以减少乘法次数。LP1滤波器121为FIR梳状滤波器,LP2滤波器122为FIR低通滤波器,输入信号xin(n) 经LP1滤波器121及LP2滤波器122后输出xout(n)。
图6是某GPS接收机中LP1滤波器121一种具体化的幅频响应图,其通带分别为(0,0.7f0)、(3.3f0,4.7f0)、(7.3f0,8f0),阻带分别为(f0,3f0)、(5f0,7f0)。
图7是LP2滤波器122的一种具体化的幅频响应图,其通带为(0,f0),阻带为(3f0,8f0)。
图8是1MHz低通滤波器12等效幅频响应图,其通带为(0,0.7f0),阻带为(f0,8f0)。
图9是FIR滤波器的一种实现示意图,FIR滤波器阶数为(M+1),输入信号x1(n)和其经M级延迟的信号分别与FIR滤波器系数h(i)(i=0,1,…,M)相乘、累加后输出信号y1(n)。M取值为使满足通带、阻带、通带幅度、阻带幅度等滤波器参数的最小整数。
图10是干扰滤除模块2原理框图,预处理模块1输出的零中频解析信号xlp(n)进入频率移动模块21,根据谱分析模块5得出的窄带干扰中心频率fjam1,乘以因子,将干扰频谱中心移动到零频,再进入高通滤波器22进行高通滤波,滤除零频附近的窄带干扰,输出解析信号xhp(n)。
图11是高通滤波器22的原理框图,其采用频率响应掩膜法进行设计。N1为高通梳状滤波器221阶数,N2为高通子滤波器223阶数。经频率移动模块21处理后的解析信号,一路进入高通梳状滤波器221,经延迟单元224进行N2/2点延迟;另一路经延迟单元222进行N1/2点延迟,并减去高通梳状滤波器221输出信号,再经过高通子滤波器223滤波,与第一路输出的信号相加,输出低频滤除后的解析信号。
图12为高通梳状滤波器221的原理框图,其由高通原型滤波器系数中间插入若干零值实现。
图13是高通梳状滤波器221一种具体化的幅频响应图,由高通原型滤波器系数中间插入4个零值实现,高通梳状滤波器221通带分别为(0.2f0,0.6f0)、(f0,1.4f0)、(1.8f0,2f0),阻带分别为(0,0.1f0)、(0.7f0,0.9f0)、(1.5f0,1.7f0)。
图14是高通子滤波器223一种具体化的幅频响应图,其通带为(0.6f0,2f0),阻带为(0,0.1f0)。
图15是高通滤波器22等效幅频响应图,其通带为(0.2f0,2f0),阻带为(0,0.1f0)。
若经谱分析模块5检测存在2个窄带干扰,那么经干扰滤除模块2处理后的信号须继续进入干扰滤除模块3处理。干扰滤除模块3原理与干扰滤除模块2一致,见图11所示,根据谱分析模块5得出的第2个窄带干扰中心频率fjam2,将经干扰滤除模块2处理后的信号乘以因子,使第2个窄带干扰频谱中心移动到零频,再进入高通滤波模块22进行高通滤波,滤除零频附近的窄带或单频干扰。
经干扰滤除模块3处理后的信号进入上变频模块4,乘以因子,使扩频码频谱中心移动到f2频率附近,至基带进行信号捕获和跟踪。频率f2可根据信号捕获和跟踪的需要进行配置,一般取值为输出数据采样率1/4附近。
谱分析模块5的作用是估计出单频或窄带干扰的中心频率。对于单个窄带干扰或单频干扰,有很多谱估计方法可以估计干扰中心频率,这里采用FFT方法同时估计多个窄带干扰或单频干扰的中心频率。
采用本发明的技术方案解决现有技术在硬件资源消耗大的缺点。以文中所用具体化实现为例,不考虑干扰滤除模块3和谱分析模块5,硬件乘法器和加法器数量分别总计82个和151个,各模块硬件资源消耗情况详细如下:
下变频到零中频模块11需要的乘法器为2;
LP1低通滤波器121阶数为24,滤波器设计采用偶对称实系数,需要的乘法器为24,需要的加法器为48;
LP2低通滤波器122阶数为20,滤波器设计采用偶对称实系数,需要的乘法器为20,需要的加法器为40;
频率移动模块21需要的乘法器为4,需要的加法器为2;
高通原型滤波器阶数为18,滤波器设计采用偶对称实系数,需要的乘法器为18,需要的加法器为36;
高通子滤波器223阶数为12,需要的乘法器为12,需要的加法器为24;
上变频模块4需要的乘法器为2,需要的加法器为1。
以OFFT技术方案为例,不考虑流水线控制、加窗、滤波门限算法等电路硬件资源消耗情况,仅考虑FFT/IFFT硬件资源消耗,实际工程一般选择FFT/IFFT点数为256,硬件乘法器和加法器数量分别总计116个和62个,各模块硬件资源消耗情况详细如下:
FFT由log2(256)=8级蝶形运算单元组成,对于流水线架构的FFT引擎一般采用DIF(Decimation In Frequency,频域抽取)方法,此时第一级蝶形运算单元需要的乘法器为2,加法器为1,其余级蝶形运算单元需要的乘法器为4×7=28,加法器为4×7=28;
IFFT分析类似,第一至第七级蝶形运算单元需要的乘法器为4×7=28,加法器为4×7=28,其余级蝶形运算单元需要的乘法器为加法器为2。
在实际电路中乘法器所消耗硬件资源远大于加法器,以上分析表明本发明技术方案在硬件资源消耗优于OFFT技术方案。
高通滤波器22的设计也可采用其它方法,如IFIR(Interpolated Finite Impulse Response,内插有限冲激响应)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种GNSS数字中频信号窄带干扰抑制方法,其特征在于,所述方法包括,信号预处理步骤,将所述数字中频信号x(n)用下变频到零中频附近,滤除信号带外高频分量,得到所述零中频降采样信号;窄带干扰估计步骤,利用所述零中频降采样信号估计出所述窄带干扰的中心频率;窄带干扰滤除步骤,根据所述窄带干扰的中心频率将所述窄带干扰中心频率下变频到零中频附近,滤除所述窄带干扰零中频附近的干扰分量。
2.如权利要求1所述的窄带干扰抑制方法,其特征在于,所述方法还包括,上变频步骤,根据所述窄带干扰的中心频率将经过所述窄带干扰滤除步骤处理的信号上变频至f 2 频率进行捕获和跟踪处理。
3.如权利要求1至2中任意一项所述的窄带干扰抑制方法,其特征在于,所述窄带干扰估计步骤还包括,扫描所述零中频降采样信号得到2个窄带干扰jam1和jam2的中心频率 和;所述窄带干扰滤除步骤还包括,根据所述中心频率滤除所述窄带干扰jam1;如果所述窄带干扰jam2存在,根据()滤除所述窄带干扰jam2。
4.如权利要求1至2中任意一项所述的窄带干扰抑制方法,其特征在于,所述信号预处理步骤还包括,将所述数字中频信号x(n)乘以因子下变频到零中频附近,经1MHz低通滤波器(12)滤除高频部分,得到带宽为1MHz的解析信号,由欠采样模块(13)按4倍欠采样,得到所述零中频降采样信号x lp (n) ,其中f 1 为所述数字中频信号x(n)中频频率,中频数字化采样率fs =16f 0 , f 0 为C/A码速率。
5.如权利要求3所述的窄带干扰抑制方法,其特征在于,所述窄带干扰滤除步骤还包括,将所述零中频降采样信号乘以因子,使所述窄带干扰jam1频谱中心将干扰频谱中心移动到零频,再进入高通滤波器(22)进行高通滤波,滤除零频附近的窄带干扰,输出解析信号x hp (n) ;如果所述窄带干扰jam2存在,将所述输出解析信号x hp (n) 乘以因子,使所述窄带干扰jam2频谱中心移动到零频,再进入高通滤波模块(22)进行高通滤波,滤除零频附近的窄带干扰。
6.一种GNSS数字中频信号窄带干扰抑制电路,其特征在于,所述电路包括,预处理模块(1)、谱分析模块(5)、干扰滤除模块(2,3)以及上变频模块(4);所述预处理模块(1)将所述数字中频信号x(n)用下变频到零中频附近,滤除信号带外高频分量,得到所述零中频降采样信号;所述谱分析模块(5)利用所述零中频降采样信号估计出所述窄带干扰的中心频率;所述干扰滤除模块(2,3)根据所述窄带干扰的中心频率将所述窄带干扰中心频率下变频到零中频附近,滤除所述窄带干扰零中频附近的干扰分量;所述上变频模块(4)根据所述窄带干扰的中心频率将经过所述窄带干扰滤除步骤处理的信号上变频至f 2 频率进行捕获和跟踪处理。
7.如权利要求6所述的窄带干扰抑制电路,其特征在于,所述预处理模块(1)包括1MHz低通滤波器(12),所述低通滤波器(12)采用两级级联,其中LP1滤波器(121)为梳状FIR滤波器,LP2滤波器(122)为低通FIR滤波器。
8.如权利要求7所述的窄带干扰抑制电路,其特征在于,所述LP1滤波器(121)的通带分别为(0,0.7f 0 )、(3.3f 0 ,4.7f 0 )、(7.3f 0 ,8f 0 ),阻带分别为(f 0 ,3f 0 )、(5f 0 ,7f 0 );所述LP2滤波器(122)的通带为(0,f 0 ),阻带为(3f 0 ,8f 0 );所述FIR滤波器阶数为(M+1),输入信号和其经M级延迟的信号分别与FIR滤波器系数h(i)(i=0,1,…,M)相乘、累加后输出信号。
9.如权利要求6所述的窄带干扰抑制电路,其特征在于,所述干扰滤除模块(2,3)包括频率移动模块(21)及高通滤波器(22),所述高通滤波器(22) 包括N1阶高通梳状滤波器(221)及N2阶高通子滤波器(223),将干扰频谱中心移动到零频后,一路进入高通梳状滤波器(221),经延迟单元(224)进行N2/2点延迟;另一路经延迟单元(222)进行N1/2点延迟,并减去所述高通梳状滤波器(221)的输出信号,再经过所述高通子滤波器(223)滤波,与第一路输出的信号相加,输出低频滤除后的解析信号。
10.如权利要求9所述的窄带干扰抑制电路,其特征在于,所述干扰滤除模块(2,3)包括干扰滤除模块(2)及干扰滤除模块(3), 用于消除不同的窄带干扰。
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韩煜 等: "脉冲信号检测中的窄带干扰抑制器设计", 《微电子学与计算机》 * |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN105259559A (zh) * | 2015-09-28 | 2016-01-20 | 湖南中森通信科技有限公司 | 北斗rdss导航型接收机窄带干扰检测与抑止方法 |
CN110286392A (zh) * | 2019-07-31 | 2019-09-27 | 中国电子科技集团公司第五十四研究所 | 一种基于降采样的频域抗窄带干扰实现方法 |
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PB01 | Publication | ||
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |