CN105791194A - 一种可抗窄带干扰的同步方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可抗窄带干扰的同步方法及其系统，所述方法包括一种可抗窄带干扰检测方法和一种可抗窄带干扰抑制方法，用于检测系统带宽内窄带干扰的检测模块，能滤除窄带干扰的自适应FIR滤波器，互相关计算模块，比较器以及能够计算发送端和接收端之间的中心频率偏差的频率偏差估计模块。所述系统包括窄带干扰检测模块、可配置的自适应FIR滤波器、互相关计算模块、比较器和载波频率偏差估计模块；所述自适应FIR滤波器分别连接窄带干扰检测模块、互相关计算模块和载波频率偏差估计模块；所述互相关计算模块、比较器和载波频率偏差估计模块依次连接。

Description

一种可抗窄带干扰的同步方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种检测方法及其系统，具体讲涉及一种可抗窄带干扰的同步方法及其系统。

背景技术

很多文献记载了对定时同步和频率同步展开研究。利用OFDM系统循环前缀中包含的冗余信息，设计了最大似然(MaximumLikelihood，ML)估计器来检测数据包包头并估计载波频率偏差。分析了载波频率偏差对OFDM系统性能的影响并利用重复结构的前导序列来估计载波频率偏差。通过前导序列中两个相同部分的自相关计算，可以快速地完成定时同步和频率同步。设计了特殊的前导序列，使得定时同步的相关峰更加尖锐。

上述都针对无线通信系统，窄带干扰对同步技术的影响并没有考虑。定时同步和频率同步在窄带干扰场景下将会存在较大的误差。现有文献提出了一种针对电力线通信系统中窄带干扰的同步算法,它通过对OFDM训练符号的循环延伸部分进行扰码操作，来对抗窄带干扰的影响。但是采用扰码技术后，训练序列频谱的带外将会大大增加，从而会干扰其他相邻频段的系统。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种可抗窄带干扰的同步方法一种可抗窄带干扰的同步方法及其系统，接收端采用了基于快速傅里叶变换(FastFourierTransform，FFT)窄带干扰检测模块，在数据包传输空闲时期，对信道中存在的窄带干扰进行统计并提供详细的窄带干扰信息，如窄带干扰的数量、每个窄带干扰能量、带宽、中心频率等。基于窄带干扰检测模块得到的统计信息，可以计算自适应有限冲击响应(FiniteImpulseResponse，FIR)滤波器的参数。自适应FIR滤波器配置完成之后，就可滤除相应的检测到的窄带干扰。仿真结果显示，采用窄带干扰检测和自适应滤波器后，定时同步和频率同步受窄带干扰的影响将大大降低。此外，自适应滤波器的设计只包含了单位圆上的零点，有利于滤波器参数的计算并大大减少了自适应滤波器实现的资源。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种可抗窄带干扰的同步方法，其改进之处在于，所述方法包括一种可抗窄带干扰检测方法和一种可抗窄带干扰抑制方法，用于检测系统带宽内窄带干扰的检测模块，能滤除窄带干扰的自适应FIR滤波器，互相关计算模块，比较器以及能够计算发送端和接收端之间的中心频率偏差的频率偏差估计模块。

优选的，所述一种可抗窄带干扰检测包括

(1)进行FFT变换；

(2)计算每个子载波能量；

(3)得到每个子载波的平均能量；

(4)检测能量最大的子载波将其能量记为P_max；

(5)判断P_max是否大于门限值；

(6)检测其相邻的子载波，得到一个能量均超过门限值的相邻子载波集合；

(7)存储该子载波集合的信息；

(8)将该集合中子载波能量均设置为0，返回步骤(4)。

进一步地，所述步骤(1)包括接收端利用傅里叶变换，将接收到的时域信号转变为频域信号。

进一步地，所述步骤(2)包括计算频域上每个OFDM子载波上能量。

进一步地，所述步骤(3)包括使用一个指数无线脉冲响应IIR滤波器计算每个子载波上的平均能量。

进一步地，所述步骤(4)包括检测模块找出一个拥有最大载波能量的子载波记为I_max。

进一步地，所述步骤(5)包括将P_max与一个设定的门限值进行比较；P_max小于门限值，窄带干扰检测结束，计算自适应滤波器的配置参数。

进一步地，所述步骤(6)包括将子载波I_max周围的子载波能量与门限值进行比较并得到一个子载波集合记为G_n；在这个子载波集合中，所有的子载波能量均超过门限值。

进一步地，所述步骤(7)包括将子载波集合G_n的信息存储起来，其包括子载波能量和子载波序号。

进一步地，根据存储的子载波信息，获取其窄带干扰数量、能量、中心频率和带宽；通过这些信息计算出自适应滤波器的参数并且配置改滤波器。

进一步地，所述步骤(8)包括将集合G_n中的子载波能量设置为零，返回步骤(4)进行下一轮的最大子载波能量检测并得到下一个子载波集合G_n+1，直到P_max小于设定的门限值为止。

优选的，所述一种可抗窄带干扰抑制则利用窄带干扰数量、能量、中心频率和带宽信息，配置自适应FIR滤波器，并在归一化和自相关操作前，将窄带干扰滤除，从而减小系统带内窄带干扰对定时同步性能的影响。

本发明基于另一目的提供一种可抗窄带干扰的同步系统，其改进之处在于，所述系统包括窄带干扰检测模块、可配置的自适应FIR滤波器、互相关计算模块、比较器和载波频率偏差估计模块；

所述自适应FIR滤波器分别连接窄带干扰检测模块、互相关计算模块和载波频率偏差估计模块；

所述互相关计算模块、比较器和载波频率偏差估计模块依次连接。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

1)本发明提出的窄带干扰抑制方法，能够使系统在窄带干扰环境下的同步性能得到很大程度的提升。

2)本发明提出的窄带干扰检测方案，能够检测出系统带宽内的窄带干扰，并且获取其信息，如窄带干扰数量、能量、中心频率和带宽等。通过这些信息能计算出自适应滤波器的参数并且配置改滤波器。

3)本发明提出的用于抑制窄带干扰的自适应滤波器，能够根据窄带干扰的信息进行灵活地配置。通过选择合适的系数，自适应滤波器能够滤除多个窄带干扰，不管干扰信号是时单频信号或是具有一定带宽的调制信号。

附图说明

图1为本发明提供的一种可抗窄带干扰同步系统结构图。

图2为本发明提供的一种可抗窄带干扰检测流程图。

图3为本发明提供的自适应滤波器设计示意图。

图4为本发明提供的定时同步在窄带干扰情况下的性能图。

图5为本发明提供的频率同步在窄带干扰情况下的性能图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

230MHz频段(223.025～235.000MHz)是作为遥测、遥控、数据传输等业务使用的频段，分配给了能源、军队、地震、气象等多个行业使用。电力负荷控制使用其中的40个离散频点，每个频点25kHz。各行业使用的频率交叉分布，且各行业使用的频率之间间隔很小。电力230MHz通信不仅面临来自其他行业230MHz设备的干扰，还面临着来自同行业其他230MHz通信设备的干扰。此外，随着智能电网的发展，为了承载更高速率要求的业务，离散的频谱聚合及高频谱利用率的调制方法(如正交频分复用，OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing,OFDM)得到越来越多的关注。但这种采用频谱聚合方法的系统同样面临来自其他行业和同行业设备的干扰。

如图1所示，本发明提出的用于230MHz电力专网系统的同步结构，它包括一个窄带干扰检测模块、一个可配置的自适应FIR滤波器、一个互相关计算模块、一个比较器和一个载波频率偏差估计模块。其中窄带干扰检测模块用于获取窄带干扰的数量、功率、中心载波和带宽等信息并且基于这些信息配置自适应滤波器；自适应滤波器可灵活地进行配置并滤除窄带干扰；互相关模块对接收到的信号和接收端存储的前导序列进行相关运算；比较器将互相关模块的输出与一个特定的门限值进行比较；载波频率偏差估计模块计算发送端和接收端之间的中心频率偏差。

本发明提出了一种可抗窄带干扰检测方法，用于获取窄带干扰数量、能量、中心频点和带宽等信息。如图2所示，

如图2所示，窄带干扰检测的处理流程，该过程可以在收发端数据包传输的空闲时期进行。

1、收端利用傅里叶变换，将接收到的时域信号转变为频域信号。

2、计算频域上每个OFDM子载波上能量。由于子载波能量是时变的，为了使子载波能量统计更加精确，可以对以上两个步骤进行重复操作，之后再计算每个子载波上的平均能量。

3、计算每个子载波上的平均能量会有较大的时延并消耗较多的存储资源，一个较为简单的计算平均值的方法是使用一个指数无线脉冲响应(IIR)滤波器。

4、检测模块找到一个拥有最大载波能量的子载波(记为I_max)并将其能量(记为P_max)与一个设定的门限值进行比较。如果P_max小于这个门限值，那么窄带干扰检测结束，计算自适应滤波器的配置参数。

5、将子载波I_max周围的子载波能量与门限值进行比较并得到一个子载波集合(记为G_n)。在这个子载波集合中，所有的子载波能量都超过了门限值。

6、它们的信息(包括子载波能量和子载波序号)都将被存储起来。

7、将集合G_n中的所有子载波能量设置为零，进行下一轮的最大子载波能量检测并得到下一个子载波集合G_n+1,直到P_max小于设定的门限值为止。

8、根据存储的子载波信息，得到窄带干扰的数量、能量、中心频点和带宽等信息，计算出自适应滤波器的系数并且配置它。窄带干扰检测模块与自适应滤波器并行工作，可减少处理时延，并且在一段时间后重新进行窄带干扰检测，更新窄带干扰信息和滤波器参数。

本发明提出的同步方案中，通过应用一个窄带干扰抑制模块，可以提升系统在窄带干扰情况下的同步性能。在互相关计算之前，窄带干扰抑制模块能够将检测到的窄带干扰能量衰减到一定度。窄带干扰抑制模块基于一个自适应FIR滤波器，该滤波器的系数根据窄带干扰检测模块提供的信息可以进行配置。如图3所示，自适应滤波器只有零点没有极点，而且零点以成对的形式出现在单位圆上。一对零点能滤除一个窄带干扰，这两个零点之间的距离决定了窄带干扰衰减的值以及能被滤除的窄带干扰的带宽。自适应滤波器的Z变换形式如下：

$H\left(z\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}(1+e^{j{\mathrm{\θ}}_{i1}}\·z^{-1})\·(1+e^{j{\mathrm{\θ}}_{i2}}\·z^{-1})---\left(1\right)$

θ_i1＝α_i+Δα_iθ_i2＝α_i-Δα_i(2)

${\mathrm{\α}}_i=\mathrm{\π}+\frac{2\mathrm{\π}\·(f_{\mathrm{NBi}}-f_c)}{f_s}---\left(3\right)$

其中，N表示被检测出来在系统带宽内的窄带干扰的数量；f_NBi表示第i个窄带干扰的中心频率；f_c是系统的载波频率而f_s表示采样频率；Δα_i是一个可调节的系数，可以通过需要被滤除的窄带干扰的带宽和衰减量来确定Δα_i的值(表一给出了Δα_i的一些可能值)。通过配置自适应滤波器的系数，系统能够滤除多个窄带干扰，不管这个干扰信号是单频信号或是具有一定带宽的调制信号。根据式(1)，可计算得到自适应滤波器脉冲响应的参数。式(4)给出了一个自适应滤波器实例的脉冲响应参数：

$h=[1,(e^{j{\mathrm{\θ}}_{11}}+e^{j{\mathrm{\θ}}_{12}}),e^{j({\mathrm{\θ}}_{11}+{\mathrm{\θ}}_{12})}]---\left(4\right)$

这个自适应滤波器实例可以滤除一个窄带干扰，而且只是一个二阶滤波器，容易硬件实现，所引起的时延也可以忽略不计。(图4和图5给出了应用该自适应滤波器实例之后，系统在窄带干扰环境下的定时同步和频率同步性能。图4中，发送端输出信号平均功率为0dB，信道中的窄带干扰是一个单频信号并出现在系统带宽内，可以看出，应用自适应滤波器实例带来了25dB左右的性能提升；图5中，窄带干扰的频率为230.07MHz，可以看出，传统的频率同步随着干扰能量的增加误差逐渐变大，而本专利提出的方案则基本不受窄带干扰影响。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (13)

1.一种可抗窄带干扰的同步方法，其特征在于，所述方法包括一种可抗窄带干扰检测方法和一种可抗窄带干扰抑制方法，用于检测系统带宽内窄带干扰的检测模块，能滤除窄带干扰的自适应FIR滤波器，互相关计算模块，比较器以及能够计算发送端和接收端之间的中心频率偏差的频率偏差估计模块。

2.如权利要求1所述的一种可抗窄带干扰的同步方法，其特征在于，所述一种可抗窄带干扰检测包括

(1)进行FFT变换；

(2)计算每个子载波能量；

(3)得到每个子载波的平均能量；

(4)检测能量最大的子载波将其能量记为P_max；

(5)判断P_max是否大于门限值；

(6)检测其相邻的子载波，得到一个能量均超过门限值的相邻子载波集合；

(7)存储该子载波集合的信息；

(8)将该集合中子载波能量均设置为0，返回步骤(4)。

3.如权利要求2所述的一种可抗窄带干扰的同步方法，其特征在于，所述步骤(1)包括接收端利用傅里叶变换，将接收到的时域信号转变为频域信号。

4.如权利要求2所述的一种可抗窄带干扰的同步方法，其特征在于，所述步骤(2)包括计算频域上每个OFDM子载波上能量。

5.如权利要求2所述的一种可抗窄带干扰的同步方法，其特征在于，所述步骤(3)包括使用一个指数无线脉冲响应IIR滤波器计算每个子载波上的平均能量。

6.如权利要求2所述的一种可抗窄带干扰的同步方法，其特征在于，所述步骤(4)包括检测模块找出一个拥有最大载波能量的子载波记为I_max。

7.如权利要求2所述的一种可抗窄带干扰的同步方法，其特征在于，所述步骤(5)包括将P_max与一个设定的门限值进行比较；P_max小于门限值，窄带干扰检测结束，计算自适应滤波器的配置参数。

8.如权利要求2所述的一种可抗窄带干扰的同步方法，其特征在于，所述步骤(6)包括将子载波I_max周围的子载波能量与门限值进行比较并得到一个子载波集合记为G_n；在这个子载波集合中，所有的子载波能量均超过门限值。

9.如权利要求2所述的一种可抗窄带干扰的同步方法，其特征在于，所述步骤(7)包括将子载波集合G_n的信息存储起来，其包括子载波能量和子载波序号。

10.如权利要求9所述的一种可抗窄带干扰的同步方法，其特征在于，根据存储的子载波信息，获取其窄带干扰数量、能量、中心频率和带宽；通过这些信息计算出自适应滤波器的参数并且配置改滤波器。

11.如权利要求2所述的一种可抗窄带干扰的同步方法，其特征在于，所述步骤(8)包括将集合G_n中的子载波能量设置为零，返回步骤(4)进行下一轮的最大子载波能量检测并得到下一个子载波集合G_n+1，直到P_max小于设定的门限值为止。

12.如权利要求1所述的一种可抗窄带干扰的同步方法，其特征在于，所述一种可抗窄带干扰抑制则利用窄带干扰数量、能量、中心频率和带宽信息，配置自适应FIR滤波器，并在归一化和自相关操作前，将窄带干扰滤除，从而减小系统带内窄带干扰对定时同步性能的影响。

13.一种可抗窄带干扰的同步系统，其特征在于，所述系统包括窄带干扰检测模块、可配置的自适应FIR滤波器、互相关计算模块、比较器和载波频率偏差估计模块；

所述自适应FIR滤波器分别连接窄带干扰检测模块、互相关计算模块和载波频率偏差估计模块；

所述互相关计算模块、比较器和载波频率偏差估计模块依次连接。