CN111262754A - 一种基于畸变功率去除的窄带干扰检测方法及其通信装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于畸变功率去除的窄带干扰检测方法及其通信装置；利用传输两个数据包之间的空闲时间进行窄带干扰检测；包括以下步骤：首先获取噪声功率最小的子载波Pmin及其位置；然后计算平均噪声功率集合；最后基于平均噪声功率集合完成两次检测过程，判断子载波是否存在窄带干扰。该方法所需要的运算复杂度固定，性能最优，能够适用于专用电路(ASIC)和数字信号处理(DSP)，并且该方法还能够与高灵敏度的包检测一起工作，在及其嘈杂的信道上提供可靠的通信。

Description

一种基于畸变功率去除的窄带干扰检测方法及其通信装置
技术领域
本发明属于通信技术领域，特别涉及一种基于畸变功率去除的窄带干扰检测方法及其通信装置。
背景技术
通信设备和系统生存于纷繁复杂的电磁环境中，随着电子设备间的密度与日俱增，导致所占用的电磁频谱越来越宽，所传输的信息量越来越大，面临的电磁干扰也日益严重。
从电磁干扰信号频谱宽度，可以将电磁干扰分为宽带干扰源和窄带干扰源。在无线和有线通信系统中，远小于系统带宽的频带就称之为窄带干扰源。在这些干扰中，高功率的窄带干扰已经成为破坏通信系统顽存性最主要的因素之一，比如在无线局域网中，在相同频点上工作的蓝牙设备会对干扰范围内的WiFi设备产生窄带干扰。在类如网线或电力载波通信的有线通信系统中，短波无线电会带来射频上的窄带干扰。
窄带干扰通常表征为在相对孤立的窄频段上具有的能量远高于传输信号的平均能量。正交频分复用(OFDM)由于具有较高的频谱效率和良好的抗多径能力，被广泛应用在实际通信系统中，对于使用正交频分复用(OFDM)技术的通信系统而言，有效信号带宽内的窄带干扰会导致部分子载波上传输的有效信息遭受不同程度的损失。此外，在使用OFDM技术的接收机中，使用有限点数的快速傅里叶变换(FFT)将信号从时域变换到频域的过程会导致窄带干扰泄漏到相邻的子载波上。因此，在接收机中需要完成窄带干扰检测并将频域被干扰的子载波屏蔽。
在实际应用中，由于电磁环境的不可预知性，窄带干扰通常表征为干扰的数目不同、干扰的频率不同、干扰的带宽和强度不相同，较高功率的窄带干扰可能会掩盖那些低功率的窄带干扰信号。为了尽可能多的窄带干扰被检出，通常的检测是基于迭代的思想完成的,其大致过程如下：首先计算所有子载波上的平均功率；然后使用门限值NbiThr去屏蔽受污染的子载波，若第i个子载波上的功率Pmin>Pavg*NbiThr，那么我们就认为[i–NbiWidth,i+NbiWidth]区间内的子载波上检测到了窄带干扰，其中NbiWidth为预设的单边带窄带干扰屏蔽宽度；最后，基于更新屏蔽信息后的子载波计算新的平均功率，并仿照上一步进行新一轮的窄带干扰检测。
上述常规方法的弊端在于每一次检测的可靠性低，通过多次迭代检测的处理延时不固定且不可预测，会导致硬件的实时处理难以控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于畸变功率去除的窄带干扰检测方法及其通信装置，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于畸变功率去除的窄带干扰检测方法，包括以下步骤：
步骤1，获取噪声功率最小的子载波Pmin，以及噪声功率最小的子载波号Ind_min；
步骤2，计算剔除畸变功率的平均噪声功率；
步骤3，第一次窄带干扰检测；
1)计算子载波的功率Pj与平均功率集合中元素个数N平均的乘积tmpPowUnmask；
2)计算平均噪声功率集合中总功率V平均与去除窄带干扰的可编程阈值D_NbiThd的乘积tmpPowThd；
3)若tmpPowUnmask大于等于tmpPowThd，该子载波存在干扰，将数组Nbi_null_vec[j-NbiWidth，j+NbiWidth]写“0”；数组Nbi_null_vec[0：n-1]用来表征子载波是否存在干扰，其中Nbi_null_vec[i]为“0”代表第i个子载波存在干扰，“1”代表第i个子载波不存在干扰；
4)遍历子载波PNbiWidth、PNbiWidth+1……Pn-1-NbiWidth之后，完成第一次检测；
步骤4，第二次窄带干扰检测；
1)对于第j个子载波，若步骤3中Nbi_null_vec[j]值为“1”，则Nsum＝Nsum+1，Psum＝Psum+Pj，遍历所有子载波P0、P1……Pn-1，得到第一次检测无干扰子载波总数Nsum，第一次检测无干扰子载波总功率Psum；
2)对子载波PNbiWidth、PNbiWidth+1……Pn-1-NbiWidth，分别进行以下步骤；
3)将Pj作为检测子载波，计算子载波功率Pj与1)中第一次检测无干扰子载波总数Nsum的乘积COM2；
4)计算1)中第一次检测无干扰子载波功率Psum与预设值TH_GLB的乘积COM3；
5)若COM2大于COM3，该子载波存在干扰，更新数组Nbi_null_vec[j-NbiWidth，j+NbiWidth]为“0”；
6)遍历完子载波PNbiWidth、PNbiWidth+1……Pn-1-NbiWidth后，输出所有存在窄带干扰的子载波。
进一步的，步骤2具体包括：
步骤S21，建立计算平均噪声功率集合；并且将Pmin作为计算平均功率集合的第一个元素；
步骤S22，对子载波PInd_min+1、PInd_min+2……Pn-1，分别进行步骤S23-S25；
步骤S23，将Pj作为检测子载波，得到子载波Pj前m个子载波的功率之和Vj-m，以及子载波Pj之后m个子载波的功率之和Vj+m，取Pj+Vj-m和Pj+Vj+m中的最大值；
步骤S24，计算平均功率集合中小于等于m+1个子载波之和与去除功率的可编程阈值D_PowThd的乘积COM1；
步骤S25，若COM1大于步骤S23中的最大值，则将子载波Pj加入计算平均功率集合中；
步骤S26，遍历完子载波PInd_min+1、PInd_min+2……Pn-1之后，得到最终的计算平均功率集合，并且计算该集合所有子载波的总功率V平均，计算该集合元素的个数N平均。
进一步的，步骤1中最小功率值为从噪声功率的起点开始取若干个子载波，得到噪声功率值最小子载波。
进一步的，步骤2中计算平均功率集合中的元素数量小于m+1时，计算集合中所有元素之和与去除功率的可编程阈值D_PowThd的乘积COM1；步骤2中计算平均功率集合中的元素数量大于m+1时，计算集合中最后m+1个元素之和与去除功率的可编程阈值D_PowThd的乘积COM1。
进一步的，步骤2中去除功率的可编程阈值D_PowThd的值为5-15。
进一步的，步骤3中去除窄带干扰的可编程阈值D_NbiThd的值为6-10。
进一步的，所述步骤4中遍历完PNbiWidth、PNbiWidth+1……Pn-1-NbiWidth中每一个子载波，得到所有存在窄带干扰的子载波。
进一步的，在该方法运行的过程中，检测到数据包传输，则停止该方法的运行。
进一步的，一种通信装置，该通信装置具有数字信号处理芯片DSP或者专用集成电路芯片ASIC。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明提出的方法，其窄带干扰的检测过程所需要的运算复杂度固定，算法收敛快，检测性能卓越，适于实现ASIC芯片或DSP芯片。该方法在数据包传输的空闲时间段完成干扰的检测，避免了由于窄带信道造成的窄带干扰虚警，并且该方法与数据包检测结合紧密，提高了系统检测性能；该方法中第一次检测基于剔除畸变功率点的平均噪声功率集完成检测，当实际信道中包含窄带干扰强度比较低的情况，通过第二次检测搜索，确保信道中所有窄带干扰被正确检出。通过两次检测，在保证系统性能最优的情况下，实现最低的运算复杂度。
更进一步的，该方法在计算平均功率集合时剔除了畸变的功率点，提高了平均功率与实际噪声功率的相似度。
更进一步的，该方法中计算平均功率集合中元素之和依据集合中元素的数量进行相应的设置，使计算结果更可靠。
本发明的有益效果还在于：该方法能够适用于不同的通信芯片，包括专用电路芯片和数字信号处理芯片；该通信芯片能够检测多路窄带干扰，延时低且检测性能优越；该芯片的核心参数能够灵活配置，通过两次检测，在确保系统检测性能最优的情况下，实现最低的运算复杂度。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图；
图2为本发明方法中计算平均噪声功率的流程示意图；
图3为本发明中具有高噪声功率子载波的功率示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1至图3，一种基于畸变功率去除的窄带干扰检测方法，包括以下步骤：
步骤1，获取噪声功率最小的子载波Pmin，以及噪声功率最小的子载波号Ind_min；
步骤2，计算剔除畸变功率的平均噪声功率；
步骤3，第一次窄带干扰检测；
1)计算子载波的功率Pj与平均功率集合中元素个数N平均的乘积tmpPowUnmask；
2)计算平均噪声功率集合中总功率V平均与去除窄带干扰的可编程阈值D_NbiThd的乘积tmpPowThd；
3)若tmpPowUnmask大于等于tmpPowThd，该子载波存在干扰，将数组Nbi_null_vec[j-NbiWidth，j+NbiWidth]写“0”；数组Nbi_null_vec[0：n-1]用来表征子载波是否存在干扰，其中Nbi_null_vec[i]为“0”代表第i个子载波存在干扰，“1”代表第i个子载波不存在干扰；
4)遍历子载波PNbiWidth、PNbiWidth+1……Pn-1-NbiWidth之后，完成第一次检测；
步骤4，第二次窄带干扰检测；
1)对于第j个子载波，若步骤3中Nbi_null_vec[j]值为“1”，则Nsum＝Nsum+1，Psum＝Psum+Pj，遍历所有子载波P0、P1……Pn-1，得到第一次检测无干扰子载波总数Nsum，第一次检测无干扰子载波总功率Psum；
2)对子载波PNbiWidth、PNbiWidth+1……Pn-1-NbiWidth，分别进行以下步骤；
3)将Pj作为检测子载波，计算子载波功率Pj与1)中第一次检测无干扰子载波总数Nsum的乘积COM2；
4)计算1)中第一次检测无干扰子载波功率Psum与预设值TH_GLB的乘积COM3；
5)若COM2大于COM3，该子载波存在干扰，更新数组Nbi_null_vec[j-NbiWidth，j+NbiWidth]为“0”；
6)遍历完子载波PNbiWidth、PNbiWidth+1……Pn-1-NbiWidth后，输出所有存在窄带干扰的子载波。
步骤2具体包括：
步骤S21，建立计算平均噪声功率集合；并且将Pmin作为计算平均功率集合的第一个元素；
步骤S22，对子载波PInd_min+1、PInd_min+2……Pn-1，分别进行步骤S23-S25；
步骤S23，将Pj作为检测子载波，得到子载波Pj前m个子载波的功率之和Vj-m，以及子载波Pj之后m个子载波的功率之和Vj+m，取Pj+Vj-m和Pj+Vj+m中的最大值；
步骤S24，计算平均功率集合中小于等于m+1个子载波之和与去除功率的可编程阈值D_PowThd的乘积COM1；
步骤S25，若COM1大于步骤S23中的最大值，则将子载波Pj加入计算平均功率集合中；
步骤S26，遍历完子载波PInd_min+1、PInd_min+2……Pn-1之后，得到最终的计算平均功率集合，并且计算该集合所有子载波的总功率V平均，计算该集合元素的个数N平均。
步骤1中最小功率值为从噪声功率的起点开始取若干个子载波，得到噪声功率值最小子载波。
步骤2中计算平均功率集合中的元素数量小于m+1时，计算集合中所有元素之和与去除功率的可编程阈值D_PowThd的乘积COM1；步骤2中计算平均功率集合中的元素数量大于m+1时，计算集合中最后m+1个元素之和与去除功率的可编程阈值D_PowThd的乘积COM1。
步骤2中去除功率的可编程阈值D_PowThd的值为5-15。
步骤3中去除窄带干扰的可编程阈值D_NbiThd的值为6-10。
所述步骤4中遍历完PNbiWidth、PNbiWidth+1……Pn-1-NbiWidth中每一个子载波，得到所有存在窄带干扰的子载波。
在该方法运行的过程中，检测到数据包传输，则停止该方法的运行。
一种通信装置，该通信装置具有数字信号处理芯片DSP或者专用集成电路芯片ASIC。
实施例为：
本实施例中检测窄带干扰的方法在传输数据包传输的空闲时间段进行，若检测到数据包传输，则停止该检测方法。
传输带宽上有128个子载波，分别为：P0、P1…Pi…P126、P127；选取前10个子载波，并且得到噪声功率最小的子载波P4。
然后构建平均功率集合，并且将P4作为该集合的第一个子载波。
从子载波P5开始遍历所有的子载波，检测后续子载波是否能够加入平均功率集合，具体过程如下：
计算子载波P5之前的2个子载波的功率之和得到V5-2，计算子载波P5之后的2个子载波的功率之和得到V5+2；其中P5之前的2个子载波包括P3、P4，P5之后的2个子载波包括P6和P7。在本发明中如果检测到最后两个子载波P126、P127，后两个子载波之和分别为V126+2＝P126+P127、V127+2＝P127+P127。
比较P5+V5+2和P5+V5-2的大小，得到其中的最大值。
计算平均功率集合中小于等于3个子载波和与去除功率的可编程阈值的乘积COM1。
比较COM1与上述P5+V5+2和P5+V5-2的最大值，若COM1大于该最大值，则将子载波P5加入到计算平均功率集合中，否则，不更新平均功率集合。
在检测子载波P15是否能够加入计算平均功率集合时，此时计算平均功率集合有4个元素，按照先后顺序分别为P4、P6、P9和P12。
计算子载波P15之前2个子载波功率之和得到V15-2，计算子载波P15之后2个子载波功率之和得到V15+2；其中P15之前的2个子载波包括P13、P14，P15之后的2个子载波包括P16、P17。
比较P15+V15+2和P15+V15-2的大小，得到其中的最大值。
计算平均功率集合中3个子载波和与去除功率的可编程阈值的乘积COM1。在检测子载波P15时，计算平均功率集合中有4个子载波，选择后更新的三个子载波P6、P9和P12，则COM1为三个子载波和与去除功率的可编程阈值的乘积。
比较COM1与上述P15+V15+2和P15+V15-2的最大值，若COM1大于该最大值，P15更新到计算平均功率集合。
按照顺序对所有子载波完成检测，得到的计算平均功率集合中共有65个子载波，计算这65个子载波的功率之和V平均。
计算平均噪声功率集合的总功率V平均与去除干扰的可编程阈值的乘积，得到tmpPowThd；将每一个子载波的功率乘以65与tmpPowThd进行比较，若大于tmpPowThd，则该子载波存在窄带干扰，更新表征子载波是否存在干扰的数组Nbi_null_vec[i-5，i+5]中元素为“0”，得到第一次检测后所有子载波是否存在干扰的标志信息。
统计第一次检测后无干扰子载波的个数Nsum和总功率Psum。
重新开始检测，以第5个子载波为例，计算P5与Nsum的乘积COM2，计算Psum与预设值的乘积COM3，比较COM2与COM3，若COM2大于COM3，更新Nbi_null_vec[0，10]为“0”，依次对所有子载波进行处理，得到最终的窄带干扰子载波。
本发明还提供了一种通信装置，该通信装置具有数字信号处理芯片(DSP)或者专用集成电路芯片(ASIC)。

Claims (9)

1.一种基于畸变功率去除的窄带干扰检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，获取噪声功率最小的子载波Pmin，以及噪声功率最小的子载波号Ind_min；
步骤2，计算剔除畸变功率的平均噪声功率；
步骤3，第一次窄带干扰检测；
1)计算子载波的功率Pj与平均功率集合中元素个数N平均的乘积tmpPowUnmask；
2)计算平均噪声功率集合中总功率V平均与去除窄带干扰的可编程阈值D_NbiThd的乘积tmpPowThd；
3)若tmpPowUnmask大于等于tmpPowThd，该子载波存在干扰，将数组Nbi_null_vec[j-NbiWidth，j+NbiWidth]写“0”；数组Nbi_null_vec[0：n-1]用来表征子载波是否存在干扰，其中Nbi_null_vec[i]为“0”代表第i个子载波存在干扰，“1”代表第i个子载波不存在干扰；
4)遍历子载波PNbiWidth、PNbiWidth+1……Pn-1-NbiWidth之后，完成第一次检测；
步骤4，第二次窄带干扰检测；
1)对于第j个子载波，若步骤3中Nbi_null_vec[j]值为“1”，则Nsum＝Nsum+1，Psum＝Psum+Pj，遍历所有子载波P0、P1……Pn-1，得到第一次检测无干扰子载波总数Nsum，第一次检测无干扰子载波总功率Psum；
2)对子载波PNbiWidth、PNbiWidth+1……Pn-1-NbiWidth，分别进行以下步骤；
3)将Pj作为检测子载波，计算子载波功率Pj与1)中第一次检测无干扰子载波总数Nsum的乘积COM2；
4)计算1)中第一次检测无干扰子载波功率Psum与预设值TH_GLB的乘积COM3；
5)若COM2大于COM3，该子载波存在干扰，更新数组Nbi_null_vec[j-NbiWidth，j+NbiWidth]为“0”；
6)遍历完子载波PNbiWidth、PNbiWidth+1……Pn-1-NbiWidth后，输出所有存在窄带干扰的子载波。
2.根据权利要求1所述的一种基于畸变功率去除的窄带干扰检测方法，其特征在于，步骤2具体包括：
步骤S21，建立计算平均噪声功率集合；并且将Pmin作为计算平均功率集合的第一个元素；
步骤S22，对子载波PInd_min+1、PInd_min+2……Pn-1，分别进行步骤S23-S25；
步骤S23，将Pj作为检测子载波，得到子载波Pj前m个子载波的功率之和Vj-m，以及子载波Pj之后m个子载波的功率之和Vj+m，取Pj+Vj-m和Pj+Vj+m中的最大值；
步骤S24，计算平均功率集合中小于等于m+1个子载波之和与去除功率的可编程阈值D_PowThd的乘积COM1；
步骤S25，若COM1大于步骤S23中的最大值，则将子载波Pj加入计算平均功率集合中；
步骤S26，遍历完子载波PInd_min+1、PInd_min+2……Pn-1之后，得到最终的计算平均功率集合，并且计算该集合所有子载波的总功率V平均，计算该集合元素的个数N平均。
3.根据权利要求1所述的一种基于畸变功率去除的窄带干扰检测方法，其特征在于，步骤1中最小功率值为从噪声功率的起点开始取若干个子载波，得到噪声功率值最小子载波。
4.根据权利要求2所述的一种基于畸变功率去除的窄带干扰检测方法，其特征在于，步骤2中计算平均功率集合中的元素数量小于m+1时，计算集合中所有元素之和与去除功率的可编程阈值D_PowThd的乘积COM1；步骤2中计算平均功率集合中的元素数量大于m+1时，计算集合中最后m+1个元素之和与去除功率的可编程阈值D_PowThd的乘积COM1。
5.根据权利要求2所述的一种基于畸变功率去除的窄带干扰检测方法，其特征在于，步骤2中去除功率的可编程阈值D_PowThd的值为5-15。
6.根据权利要求1所述的一种基于畸变功率去除的窄带干扰检测方法，其特征在于，步骤3中去除窄带干扰的可编程阈值D_NbiThd的值为6-10。
7.根据权利要求1所述的一种基于畸变功率去除的窄带干扰检测方法，其特征在于，所述步骤4中遍历完PNbiWidth、PNbiWidth+1……Pn-1-NbiWidth中每一个子载波，得到所有存在窄带干扰的子载波。
8.根据权利要求1所述的一种基于畸变功率去除的窄带干扰检测方法，其特征在于，在该方法运行的过程中，检测到数据包传输，则停止该方法的运行。
9.一种通信装置，其特征在于，该通信装置具有数字信号处理芯片DSP或者专用集成电路芯片ASIC。
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