CN105259560B - 一种小型化北斗卫星导航抗干扰阵列信号处理板卡及其抗干扰处理方法 - Google Patents
一种小型化北斗卫星导航抗干扰阵列信号处理板卡及其抗干扰处理方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种小型化北斗卫星导航抗干扰阵列信号处理板卡及其抗干扰处理方法,板卡包括:模数转换模块、抗干扰处理模块、数模转换模块、时钟分配模块和电源模块;模数转换模块对所接收的模拟中频信号进行量化处理,输出数字中频信号;抗干扰处理模块将模数转换模块输出的N路数字中频信号进行数字带通滤波和数字下变频处理,变为N路基带复信号;对所述N路基带复信号根据抗干扰算法进行抗干扰滤波,得到抗干扰处理后的数字中频信号;数模转换模块,将抗干扰处理模块输出的数字中频信号转换为模拟中频信号,输出给射频前端模块。本发明简化了系统构架,降低了系统复杂度,减小了功耗,减小了系统尺寸,降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种小型化北斗卫星导航抗干扰阵列信号处理板卡及其抗干扰处理方法。
背景技术
北斗系统是我国自主设计的卫星导航系统,其功能性能与美国GPS系统相当,已被广泛应用各种领域,使用者能够通过卫星导航终端获取精确的位置、速度、时间等信息,但是在复杂电磁环境或电子对抗环境中,干扰会导致卫星导航终端捕获时间延长、虚警概率增加,严重时甚至会造成卫星导航终端失锁而无法工作。因此,抗干扰技术已成为保障卫星导航终端安全和可靠工作的关键技术,具备高抗干扰能力的卫星导航终端是我国北斗系统产业化应用的关键技术之一。为实现卫星导航信号的抗干扰处理,必须采用复杂的阵列信号处理技术和自适应抗干扰算法。
1、阵列抗干扰算法是关键核心技术
(1)由信号处理方法可分为空域、空时联合和空频联合。空域自由度少,仅能对抗窄带干扰;空时联合和空频联合方法扩展了自由度,能对抗多个窄带和宽带干扰。
(2)由权值求解方法可分为直接矩阵求逆(DMI),递归最小二乘(RLS)和最小方差(LMS)等。DMI性能最好,复杂度最高,实时性较差;LMS性能最差,但易于实现,实时性好;RLS介于两者之间。
(3)由对期望信号先验信息的需求可分为不需要先验信息的功率倒置算法(PI),和需要先验信息的线性约束最小方差(LCMV)等。
目前多数抗干扰算法都处于理论研究阶段,能够真正实现工程应用,满足实时性要求的主要有:空时联合-PI-LMS算法;空时联合-PI-DMI算法,空时联合-LCMV-DMI算法(需要惯导辅助),空频联合-DMI算法等。
2、抗干扰处理板卡
现有的抗干扰处理板卡主要由微处理器(MCU),大规模现场可编程门阵列(FPGA)组成。FPGA主要完成抗干扰算法的逻辑、时序功能的实现,MCU协助FPGA完成运算,同时进行任务调度和接口控制。现有的处理板卡为满足运算需求,通常采用信号处理器(DSP)+FPGA的构架,DSP分担了大量的运算任务,但系统设计复杂,功耗大,成本高,外形尺寸大,限制了其使用范围。
现有抗干扰处理板卡,在抗干扰算法复杂度,资源消耗,抗干扰能力和实时性,以及板卡成本、功耗等方面很难取得平衡。
发明内容
本发明所解决的技术问题是,针对现有系统功耗大、系统构架复杂,抗干扰性能低,成本高的缺点,提供一种小型化北斗卫星导航抗干扰阵列信号处理板卡及其抗干扰处理方法,简化了系统构架,降低了系统复杂度,减小了功耗,减小了系统尺寸,降低了成本。
本发明的技术方案为:
一种小型化北斗卫星导航抗干扰阵列信号处理板卡,包括:模数转换模块、抗干扰处理模块、数模转换模块、时钟分配模块和电源模块;
所述模数转换模块包括N个模数采样通道;每个模数采样通道各从射频前端模块接收一路模拟中频信号,用于对所接收的模拟中频信号进行量化处理,输出数字中频信号;
所述抗干扰处理模块,用于将模数转换模块输出的N路数字中频信号进行数字带通滤波和数字下变频处理,变为N路基带复信号;对所述N路基带复信号根据抗干扰算法进行抗干扰滤波,得到抗干扰处理后的数字中频信号;采用的抗干扰算法即为下述抗干扰处理方法中的步骤二至步骤八;
所述数模转换模块,用于将抗干扰处理模块输出的数字中频信号转换为模拟中频信号,输出给射频前端模块;
所述时钟分配模块,用于对射频前端模块输入的模拟或数字时钟信号进行整形分配,输出给模数转换模块、抗干扰处理模块和数模转换模块使用;
所述电源模块用于为各个模块供电。
所述的小型化北斗卫星导航抗干扰阵列信号处理板卡,还包括串口和USB接口,用于与外部设备进行数据通信。
抗干扰处理模块集成有现场可编程门阵列和嵌入式微处理器;抗干扰处理模块以现场可编程门阵列(FPGA)为核心,配合嵌入式微处理器(ARM),通过软硬件结合的方式实现抗干扰算法。针对自相关求解和矩阵求逆计算复杂,资源消耗大的难点,设计了专用的IP核,提高了效率;同时使用新型低功耗,小规模器件进行设计,降低复杂度,减小功耗,减小板卡尺寸。
所述模数转换模块采用AD9566芯片;该芯片集成了两个16位的高速ADC,采样速率最高可达125MSPS;提高系统集成度,改善通道一致性,采用高速16bitADC,提高了信号链路有效动态范围,理论上可达到96dBc动态。
所述时钟分配模块采用AD9528芯片;AD9528为14通道高速时钟分配驱动芯片,能提供低功耗、多路输出时钟分配功能,具有低抖动性能,还配有片内集成两级锁相环(PLL)和电压控制振荡器(VCO);能降低时钟抖动,提高模数转换模块的有效位数。
所述电源模块同时为射频前端模块供电。
所述电源模块采用LM22677芯片;LM22677芯片为高集成度,大功率,宽电压输入的DC-DC电源变换电路,输出电流5A,输出电压5~42V可调,能提高集成度,方便使用。
一种小型化北斗卫星导航抗干扰阵列信号处理板卡的抗干扰处理方法:所述小型化北斗卫星导航抗干扰阵列信号处理板卡为上述任一项所述的小型化北斗卫星导航抗干扰阵列信号处理板卡;抗干扰处理方法包括以下步骤:
步骤一、中频信号采样:
通过模数转换模块,从射频前端模块接收N路模拟中频信号,对所接收的模拟中频信号进行量化处理,输出N路数字中频信号;
步骤二、对模数转换模块输出的N路数字中频信号进行数字带通滤波和数字下变频处理,变为N路基带复信号;
步骤三、将N路基带复信号输入数字延迟线,并将各抽头数据进行组合,成为空时矢量信号Xst=[x11,x12,L,x1M,x21,x22,L,x2M,L,xN1,xN2,LxNM],其中M为抽头数;
步骤四、对每p个快拍的空时矢量信号数据进行块处理,计算一个自相关矩阵:p为快拍数,[.]H表示共轭转置矩阵;Xst(k)为第k个快拍的空时矢量信号;自相关矩阵的计算过程直接在FPGA内部实现;
步骤五、根据以下公式进行空时权值Wst=[wst11,wst12,L,wstNM]求解:
其中,Rst -1为步骤四得到的Rst的逆矩阵;ast为空时导向矢量,
式中符号表示Kronecker积,
为空域导向矢量,
n=1,2,…,N;[xn,yn,zn]为天线阵元n的空间坐标,[·]T为转置,·为点乘,θ和分别为空间信号的仰角和方位角;at=[1,0…0]为时域导向矢量,矢量长度为M;
权值求解的过程通过专用的矩阵求逆和权值回带FPGAIP核,求解全部在FPGA内部实现,资源开销小,无需使用DSP等专用计算单元。由于使用器件少,从而降低了系统复杂度、功耗、体积。
步骤六、将计算得到的空时权值Wst=[wst11,wst12,L,wstNM]作为CNLMS(约束归一化最小方差)迭代的初始权值W(1),通过以下公式进行迭代:
W(1)=[wst11,wst12,…wstNM]
P0=I-ast(ast H*ast)-1ast
S=ast(ast H*ast)-1
y(n)=W(n)HXst(n),n=1,2,…
W(n+1)=P0(W(n)-μXst(n)y(n)*/(Xst(n)HXst(n)))-S,n=1,2,…
其中,W(1)为初始权值;y(n)为波束形成的输出信号;μ为迭代步长,μ<1;P0,S是由ast确定的常量。
上述迭代持续进行,直到步骤四和步骤五通过块处理得到的空时权值更新,则本轮迭代结束,以新的空时权值作为初始权值W(1)开始下一轮迭代;
步骤七、上述每一轮迭代过程最后输出的信号y(n),即为经过抗干扰处理的有用信号;
步骤八、对经过抗干扰处理的信号y(n)进行数字上变频,并通过数模转换模块,转换为模拟中频信号。
本发明的抗干扰算法,采用空时自适应处理结构的最小方差无失真响应(MVDR)准则,首先通过直接矩阵求逆(DMI),块处理模式得到空时权值,作为波束形成模块的初始权值;波束形成模块再以初始权值为基础,按照约束归一化最小方差准则(CNLMS)进行权值的实时迭代,最后使用实时权值对空时信号进行加权输出。该处理方法结合了MVDR-DMI块处理方法的快速收敛优点和CNLMS连续处理方法的快速跟踪优点,具有较好抗干扰性能,同时在资源消耗、实时性和性能之间取得较好的平衡。
有益效果:
1、本发明提供了一种结合了DMI和CNLMS的高性能、高实时性阵列信号自适应抗干扰算法,其中DMI所使用的复杂运算和CNLMS的迭代过程完全在FPGA内部实现,去掉了对高性能DSP处理器的需求;
2、使用了最新的集成电路和嵌入式系统技术,简化系统构架,采用ARM处理器+大规模现场可编程门阵列的系统构架,降低系统复杂度,减小功耗,减小系统尺寸,降低成本;实现了高性能、小尺寸、低功耗、低成本的板卡设计。
3、与现有抗干扰处理板卡相比,本发明由算法层面入手对系统进行优化,所有处理由FPGA独立完成,同时采用多通道ADC、宽输入电源等高集成度系统设计方法,在保证性能的前提下,降低运算资源的开销和处理器要求;实现了处理板卡的小型化,最终的板卡尺寸为70*90mm;采用低成本、低功耗FPGA+ARM系统构架,功耗下降1/2,成本下降1/2;采用了空时联合DMI+CNLMS抗干扰处理方法,抗干扰性能单干扰优于90dBc,三干扰优于80dBc,具有较强实用性。
4、本发明能够兼顾复杂度,资源消耗,抗干扰能力和实时性的算法,具有很强的竞争力。
5、本发明还集成了宽电压输入电源模块,能够为射频前端供电,进一步减小了系统尺寸,提高了板卡的易用性。
附图说明
图1为本发明一种小型化北斗卫星导航抗干扰阵列信号处理板卡的原理框图;
图2为本发明空时自适应处理结构图;
图3为本发明的抗干扰处理方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步具体说明。
本发明公开了一种小型化北斗卫星导航抗干扰阵列信号处理板卡,原理框图见图1,包括:模数转换模块、抗干扰处理模块、数模转换模块、时钟分配模块和电源模块;
所述模数转换模块包括N个模数采样通道;每个模数采样通道各从射频前端模块接收一路模拟中频信号,用于对所接收的模拟中频信号进行量化处理,输出数字中频信号;
所述抗干扰处理模块,用于将模数转换模块输出的N路数字中频信号进行数字带通滤波和数字下变频处理,变为N路基带复信号;对所述N路基带复信号根据抗干扰算法进行抗干扰滤波,得到抗干扰处理后的数字中频信号;
所述数模转换模块,用于将抗干扰处理模块输出的数字中频信号转换为模拟中频信号,输出给射频前端模块;
所述时钟分配模块,用于对射频前端模块输入的模拟或数字时钟信号进行整形分配,输出给模数转换模块、抗干扰处理模块和数模转换模块使用;
所述电源模块用于为各个模块供电。
所述的小型化北斗卫星导航抗干扰阵列信号处理板卡,还包括串口和USB接口,用于与外部设备进行数据通信。
抗干扰处理模块集成有现场可编程门阵列和嵌入式微处理器;抗干扰处理模块以现场可编程门阵列(FPGA)为核心,配合嵌入式微处理器(ARM),通过软硬件结合的方式实现抗干扰算法。针对自相关求解和矩阵求逆计算复杂,资源消耗大的难点,设计了专用的IP核,提高了效率;同时使用新型低功耗,小规模器件进行设计,降低复杂度,减小功耗,减小板卡尺寸。
所述模数转换模块采用AD9566芯片;该芯片集成了两个16位的高速ADC,采样速率最高可达125MSPS;提高系统集成度,改善通道一致性,采用高速16bitADC,提高了信号链路有效动态范围,理论上可达到96dBc动态。
所述时钟分配模块采用AD9528芯片;AD9528为14通道高速时钟分配驱动芯片,能提供低功耗、多路输出时钟分配功能,具有低抖动性能,还配有片内集成两级锁相环(PLL)和电压控制振荡器(VCO);能降低时钟抖动,提高模数转换模块的有效位数。
所述电源模块同时为射频前端模块供电。
所述电源模块采用LM22677芯片;LM22677芯片为高集成度,大功率,宽电压输入的DC-DC电源变换电路,输出电流5A,输出电压5~42V可调,能提高集成度,方便使用。
一种小型化北斗卫星导航抗干扰阵列信号处理板卡的抗干扰处理方法:所述小型化北斗卫星导航抗干扰阵列信号处理板卡为上述任一项所述的小型化北斗卫星导航抗干扰阵列信号处理板卡;本发明的抗干扰信号处理流程如图3,抗干扰处理方法包括以下步骤:
步骤一、中频信号采样:
通过模数转换模块,从射频前端模块接收N路模拟中频信号,对所接收的模拟中频信号进行量化处理,输出N路数字中频信号;
步骤二、对模数转换模块输出的N路数字中频信号进行数字带通滤波和数字下变频处理,变为N路基带复信号;
步骤三、将N路基带复信号输入数字延迟线,并将各抽头数据进行组合,成为空时矢量信号Xst=[x11,x12,L,x1M,x21,x22,L,x2M,L,xN1,xN2,LxNM],其中M为抽头数;
步骤四、对每p个快拍的空时矢量信号数据进行块处理,计算一个自相关矩阵:p为快拍数,[.]H表示共轭转置矩阵;Xst(k)为第k个快拍的空时矢量信号;自相关矩阵的计算过程直接在FPGA内部实现;
步骤五、根据以下公式进行空时权值Wst=[wst11,wst12,L,wstNM]求解:
其中,Rst -1为步骤四得到的Rst的逆矩阵;ast为空时导向矢量,
式中符号表示Kronecker积,
为空域导向矢量,
n=1,2,…,N;[xn,yn,zn]为天线阵元n的空间坐标,[·]T为转置,·为点乘,θ和分别为空间信号的仰角和方位角;at=[1,0…0]为时域导向矢量,矢量长度为M;;
权值求解的过程通过专用的矩阵求逆和权值回带FPGAIP核,求解全部在FPGA内部实现,资源开销小,无需使用DSP等专用计算单元。由于使用器件少,从而降低了系统复杂度、功耗、体积。
步骤六、将计算得到的空时权值Wst=[wst11,wst12,L,wstNM]作为CNLMS(约束归一化最小方差)迭代的初始权值W(1),通过以下公式进行迭代:
W(1)=[wst11,wst12,…wstNM]
P0=I-ast(ast H*ast)-1ast
S=ast(ast H*ast)-1
y(n)=W(n)HXst(n),n=1,2,…
W(n+1)=P0(W(n)-μXst(n)y(n)*/(Xst(n)HXst(n)))-S,n=1,2,…
其中,W(1)为初始权值;y(n)为波束形成的输出信号;μ为迭代步长,μ<1;P0,S是由ast确定的常量。
空时自适应处理结构如图2所示;上述迭代持续进行,直到步骤四和步骤五通过块处理得到的空时权值更新,则本轮迭代结束,以新的空时权值作为初始权值W(1)开始下一轮迭代;
步骤七、上述每一轮迭代过程最后输出的信号y(n),即为经过抗干扰处理的有用信号;
步骤八、对经过抗干扰处理的信号y(n)进行数字上变频,并通过数模转换模块,转换为模拟中频信号。
与现有抗干扰处理板卡相比,本发明由算法层面入手对系统进行优化,所有处理由FPGA独立完成,同时采用多通道ADC、宽输入电源等高集成度系统设计方法,在保证性能的前提下,实现了处理板卡的小型化,最终的板卡尺寸为70*90mm;采用低成本、低功耗FPGA+ARM系统构架,功耗下降1/2,成本下降1/2;采用了空时联合DMI+CNLMS抗干扰处理方法,抗干扰性能单干扰优于90dBc,三干扰优于80dBc,具有较强实用性。
Claims (8)
1.一种小型化北斗卫星导航抗干扰阵列信号处理板卡,其特征在于,包括:模数转换模块、抗干扰处理模块、数模转换模块、时钟分配模块和电源模块;
所述模数转换模块包括N个模数采样通道;每个模数采样通道各从射频前端模块接收一路模拟中频信号,用于对所接收的模拟中频信号进行量化处理,输出数字中频信号;
所述抗干扰处理模块,用于将模数转换模块输出的N路数字中频信号进行数字带通滤波和数字下变频处理,变为N路基带复信号;对所述N路基带复信号根据抗干扰算法进行抗干扰滤波,得到抗干扰处理后的数字中频信号;
所述数模转换模块,用于将抗干扰处理模块输出的数字中频信号转换为模拟中频信号,输出给射频前端模块;
所述时钟分配模块,用于对射频前端模块输入的模拟或数字时钟信号进行整形分配,输出给模数转换模块、抗干扰处理模块和数模转换模块使用;
所述电源模块用于为各个模块供电;
小型化北斗卫星导航抗干扰阵列信号处理板卡的抗干扰处理步骤为:
步骤一、中频信号采样:
通过模数转换模块,从射频前端模块接收N路模拟中频信号,对所接收的模拟中频信号进行量化处理,输出N路数字中频信号;
步骤二、对模数转换模块输出的N路数字中频信号进行数字带通滤波和数字下变频处理,变为N路基带复信号;
步骤三、将N路基带复信号输入数字延迟线,并将各抽头数据进行组合,成为空时矢量信号Xst=[x11,x12,…,x1M,x21,x22,…,x2M,…,xN1,xN2,…xNM],其中M为抽头数;
步骤四、对每p个快拍的空时矢量信号数据进行块处理,计算一个自相关矩阵:p为快拍数,[.]H表示共轭转置矩阵;Xst(k)为第k个快拍的空时矢量信号;
步骤五、根据以下公式进行空时权值Wst=[wst11,wst12,…,wstNM]求解:
其中,Rst -1为步骤四得到的Rst的逆矩阵;ast为空时导向矢量,
式中符号表示Kronecker积,
为空域导向矢量,
n=1,2,···,N;[xn,yn,zn]为天线阵元n的空间坐标,[·]T为转置,·为点乘,θ和分别为空间信号的仰角和方位角;at=[1,0···0]为时域导向矢量,矢量长度为M;
步骤六、将计算得到的空时权值Wst=[wst11,wst12,…,wstNM]作为CNLMS迭代的初始权值W(1),通过以下公式进行迭代:
W(1)=[wst11,wst12,…wstNM]
P0=I-ast(ast H*ast)-1ast
S=ast(ast H*ast)-1
y(n)=W(n)HXst(n),n=1,2,···
W(n+1)=P0(W(n)-μXst(n)y(n)*/(Xst(n)HXst(n)))-S,n=1,2,…
其中,W(1)为初始权值;y(n)为波束形成的输出信号;μ为迭代步长,μ<1;P0,S是由ast确定的常量;
上述迭代持续进行,直到步骤四和步骤五通过块处理得到的空时权值更新,则本轮迭代结束,以新的空时权值作为初始权值W(1)开始下一轮迭代;
步骤七、上述每一轮迭代过程最后输出的信号y(n),即为经过抗干扰处理的有用信号;
步骤八、对经过抗干扰处理的信号y(n)进行数字上变频,并通过数模转换模块,转换为模拟中频信号。
2.根据权利要求1所述的小型化北斗卫星导航抗干扰阵列信号处理板卡,其特征在于,还包括串口和USB接口,用于与外部设备进行数据通信。
3.根据权利要求1所述的小型化北斗卫星导航抗干扰阵列信号处理板卡,其特征在于,抗干扰处理模块集成有现场可编程门阵列和嵌入式微处理器。
4.根据权利要求1所述的小型化北斗卫星导航抗干扰阵列信号处理板卡,其特征在于,所述模数转换模块采用AD9566芯片。
5.根据权利要求1所述的小型化北斗卫星导航抗干扰阵列信号处理板卡,其特征在于,所述时钟分配模块采用AD9528芯片。
6.根据权利要求1所述的小型化北斗卫星导航抗干扰阵列信号处理板卡,其特征在于,所述电源模块同时为射频前端模块供电。
7.根据权利要求1所述的小型化北斗卫星导航抗干扰阵列信号处理板卡,其特征在于,所述电源模块采用LM22677芯片。
8.一种小型化北斗卫星导航抗干扰阵列信号处理板卡的抗干扰处理方法:所述小型化北斗卫星导航抗干扰阵列信号处理板卡为权利要求1~7中任一项所述的小型化北斗卫星导航抗干扰阵列信号处理板卡;抗干扰处理方法包括以下步骤:
步骤一、中频信号采样:
通过模数转换模块,从射频前端模块接收N路模拟中频信号,对所接收的模拟中频信号进行量化处理,输出N路数字中频信号;
步骤二、对模数转换模块输出的N路数字中频信号进行数字带通滤波和数字下变频处理,变为N路基带复信号;
步骤三、将N路基带复信号输入数字延迟线,并将各抽头数据进行组合,成为空时矢量信号Xst=[x11,x12,…,x1M,x21,x22,…,x2M,…,xN1,xN2,…xNM],其中M为抽头数;
步骤四、对每p个快拍的空时矢量信号数据进行块处理,计算一个自相关矩阵:p为快拍数,[.]H表示共轭转置矩阵;Xst(k)为第k个快拍的空时矢量信号;
步骤五、根据以下公式进行空时权值Wst=[wst11,wst12,…,wstNM]求解:
其中,Rst -1为步骤四得到的Rst的逆矩阵;ast为空时导向矢量,
式中符号表示Kronecker积,
为空域导向矢量,
n=1,2,...,N;[xn,yn,zn]为天线阵元n的空间坐标,[·]T为转置,·为点乘,θ和分别为空间信号的仰角和方位角;at=[1,0...0]为时域导向矢量,矢量长度为M;
步骤六、将计算得到的空时权值Wst=[wst11,wst12,…,wstNM]作为CNLMS迭代的初始权值W(1),通过以下公式进行迭代:
W(1)=[wst11,wst12,…wstNM]
P0=I-ast(ast H*ast)-1ast
S=ast(ast H*ast)-1
y(n)=W(n)HXst(n),n=1,2,...
W(n+1)=P0(W(n)-μXst(n)y(n)*/(Xst(n)HXst(n)))-S,n=1,2,…
其中,W(1)为初始权值;y(n)为波束形成的输出信号;μ为迭代步长,μ<1;P0,S是由ast确定的常量;
上述迭代持续进行,直到步骤四和步骤五通过块处理得到的空时权值更新,则本轮迭代结束,以新的空时权值作为初始权值W(1)开始下一轮迭代;
步骤七、上述每一轮迭代过程最后输出的信号y(n),即为经过抗干扰处理的有用信号;
步骤八、对经过抗干扰处理的信号y(n)进行数字上变频,并通过数模转换模块,转换为模拟中频信号。
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