CN112769469A - 一种基于波束形成控制运算阵元数的方法及装置 - Google Patents

一种基于波束形成控制运算阵元数的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于波束形成控制运算阵元数的方法，包括如下步骤，S1.将多通道宽带信号接收装置所接收的空间信号转换为数字信号，并对数字信号进行预处理；S2.通过MVDR波束形成算法生成信号的方向图，并判断干扰信息；S3.根据干扰信息，确定参与运算的阵元及通道，并对所述的阵元及通道进行空域抗干扰滤波；同时本发明还提供了使用该方法的相关装置；采用本发明的方法及装置，能够有效的完成对干扰信号的有无及干扰源个数的识别；并且在明确干扰是否存在及干扰源个数后，可选择性的对某些阵元及通道进行抗干扰处理，对于没有选择的阵元及通道，可以及时的关闭其电源和时钟，从而达到降低系统功耗以及通道间干扰的目的。

Description

一种基于波束形成控制运算阵元数的方法及装置
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体而言，涉及一种基于波束形成控制运算阵元数的方法及装置。
背景技术
随着我国北斗三号卫星的全球部署，不管军用还是民用，应用范围越来越宽。但是目前电子设备也越来越多，空间中时刻存在各种有意及无意的干扰，使得通信环境也日趋恶化，因此，大多数环境下都要求北斗设备具备抗干扰功能，对其抗干扰方面的研究也日益加深。抗干扰电路的启动，使得北斗设备在一定的干扰环境下仍然能够正常工作，但是也会给北斗设备带来体积增大、功耗增加及处理时间增大等影响。在实际使用的某些条件下(如干扰个数很少、干扰功率很弱及环境中没有干扰)，可以减小参与运算的阵元个数，或者关闭抗干扰电路以节省功耗及处理时间，以自适应相应环境变化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于波束形成控制运算阵元数的方法及采用该方法的装置，其能够根据空域中干扰的情况，控制通道的工作情况，从而达到降低功耗的目的。
本发明的实施例通过以下技术方案实现：
第一方面，提供一种基于波束形成控制运算阵元数的方法，包括如下步骤：
S1.将多通道宽带信号接收装置所接收的空间信号转换为数字信号，并对数字信号进行预处理；
S2.通过MVDR波束形成算法生成信号的方向图，并判断干扰信息；
S3.根据干扰信息，确定参与运算的阵元及通道，并对所述的阵元及通道进行空域抗干扰滤波；
进一步的，所述S1之前还包括，调试并确保每个通道的电路正常可靠。
进一步的，所述干扰信息包括干扰的方向以及干扰源的数目。
进一步的，所述S2具体包括：
S21.在每一通道取一快拍数据构造空间相关矩阵R；
S22.统计M阶矩阵对角线元素之和，并和预设门限值比较，确定空间中是否存在干扰，若不存在干扰则执行S3，否则执行S23；
S23.对空间相关矩阵R求逆并求特征值，所述特征值大于所述预设门限值的个数即为空间环境中干扰源的数量λ；
S24.采用MVDR波束形成算法，对整个空域进行扫描，获得最小输出功率Pout，前λ个Pout所对应的方向即为λ个干扰的真实方向。
进一步的，所述S3具体为，
若不存在干扰则不进行抗干扰处理选择一通道直接输出，并关闭其余M-1个阵元与通道的电源和时钟；
若存在干扰则选择输出通道之后进行抗干扰处理。
进一步的，所述若存在干扰则选择输出通道之后进行抗干扰处理具体包括，根据干扰源的数量λ，确定参与抗干扰运算的阵元数为λ+1，并关闭其余阵元与通道的电源和时钟，并对参与运算的λ+1个阵元与通道进行空域抗干扰滤波处理。
第二方面，提供一种基于波束形成控制运算阵元数的装置，包括多个阵元、多个与所述阵元连接的通道、信号输出组件、干扰估计组件以及控制模块，所述信号输出组件和干扰估计组件均连接有多个所述通道，所述干扰估计组件还与所述控制模块连接；所述控制模块用于根据干扰信息控制所述通道的工作。
进一步的，所述通道包括依次连接的射频信道、模数转换器以及数字信号处理电路，所述数字信号处理电路连接有所述信号输出组件和干扰估计组件。
进一步的，所述信号输出组件包括依次连接的空域滤波电路和自动增益控制电路。
进一步的，所述干扰估计组件包括空间相关矩阵构建模块、空间相关矩阵处理模块以及干扰估计模块；所述空间相关矩阵构建模块用于接收各个所述通道中数字信号处理电路输出的信号并构建空间相关矩阵；所述空间相关矩阵处理模块用于对空间相关矩阵求逆以及求特征值；所述干扰估计模块用于根据空间相关矩阵的逆以及特征值估计干扰个数并通过MVDR算法估计干扰源方位。
本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
1、本发明利用波束形成技术控制参与运算阵元数的方法，采用波束形成算法和空间干扰方位分析，能够有效的完成对干扰信号的有无及干扰源个数的识别；
2、在明确干扰是否存在及干扰源个数后，可选择性的对某些阵元及通道进行抗干扰处理，对于没有选择的阵元及通道，可以及时的关闭其电源和时钟，从而达到降低系统功耗的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的方法流程示意图；
图2为本发明的硬件装置结构示意图；
图3为本发明的干扰估计组件结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
第一方面，如图1所示，提供一种基于波束形成控制运算阵元数的方法，包括如下步骤：
S1.将多通道宽带信号接收装置所接收的空间信号转换为数字信号，并对数字信号进行预处理；
需要说明的是，S1之前还需要对硬件装置进行调试并确保每个通道的电路正常可靠，以确保后续构建的空间相关矩阵的准确性，从而确保后续能准确的获取干扰信息。
S2.通过MVDR波束形成算法生成信号的方向图，并判断干扰信息；具体如下：
S21.在每一通道取一快拍数据构造空间相关矩阵R，如公式(1)所示，
Figure BDA0002912883390000061
其中，N为快拍数，x表示每个通道的采样时间，n表示采样时刻，H表示共轭转置。
S22.统计M阶矩阵对角线元素之和，并和预设门限值比较，确定空间中是否存在干扰，若不存在干扰则执行S3，否则执行S23；其中M为总阵元数，门限值可以根据硬件设备的不同进行设置，以确保在不同的硬件设备中，该方法具有较好的效果。
S23.对空间相关矩阵R求逆并求特征值，特征值中大于预设门限值的个数即为空间环境中干扰源的数量λ；
S24.采用MVDR波束形成算法，对整个空域进行扫描，获得最小输出功率Pout，前λ个Pout所对应的方向即为λ个干扰的真实方向；其中Pout的计算如式(2)所示，
Figure BDA0002912883390000062
其中wopt为最优权值，R-1为矩阵R的逆，s0为整个空域的扫描角度。
其中，干扰信息包括干扰的方向以及干扰源的数目。
S3.根据干扰信息，确定参与运算的阵元及通道，并对阵元及通道进行空域抗干扰滤波；具体包括两种情况，即有无干扰。
若不存在干扰则不进行抗干扰处理选择一通道直接输出，并关闭其余M-1个阵元与通道的电源和时钟；达到节约能耗的目的，同时也能在一定程度上减少通道间可能产生的串扰。
若存在干扰则选择输出通道之后进行抗干扰处理，具体如下：
根据干扰源的数量λ，确定参与抗干扰运算的阵元数为λ+1，并关闭其余阵元与通道的电源和时钟，并对参与运算的λ+1个阵元与通道进行空域抗干扰滤波处理。
该方法通过利用数字波束形成技术判断环境中是否存在干扰以及干扰源的个数，从而自适应的控制参与运算的阵元及通道数，对于不参与运算的阵元及通道，关闭其电源及时钟，从而降低系统功耗以及提升抗干扰处理的效果。
第二方面，如图2所示，提供一种基于波束形成控制运算阵元数的装置，包括多个阵元、多个与阵元连接的通道、信号输出组件、干扰估计组件以及控制模块，信号输出组件和干扰估计组件均连接有多个通道，干扰估计组件还与控制模块连接；控制模块用于根据干扰信息控制通道的工作。
其中，通道包括依次连接的射频信道、模数转换器以及数字信号处理电路，数字信号处理电路连接有信号输出组件和干扰估计组件；
信号输出组件包括依次连接的空域滤波电路和自动增益控制电路；空域滤波电路用于进行空域抗干扰滤波，进而在一定程度上消除空间干扰，并将抗干扰的结果送至自动增益控制电路中，从而使得自动增益控制电路能够根据抗干扰的结果信息输出较为平稳的信号幅度。
如图3所示，干扰估计组件包括空间相关矩阵构建模块、空间相关矩阵处理模块以及干扰估计模块；空间相关矩阵构建模块用于接收各个通道中数字信号处理电路输出的信号并构建空间相关矩阵；空间相关矩阵处理模块用于对空间相关矩阵求逆以及求特征值；干扰估计模块用于根据空间相关矩阵的逆以及特征值估计干扰个数并通过MVDR算法估计干扰源方位。
本发明中的装置利用本发明所提供的方法进行工作，工作过程如下：
空间信号通过阵元阵列接收后，首先在射频信道中进行下变频、滤波及放大处理，通过模数转换器将变频后的模拟信号转换为数字信号，然后各个通道中的数字信号通过数字信号处理电路进一步进行处理；干扰估计组件接收到各路通道处理后的数字信号，并基于MVDR波束形成的方法估计有无干扰及干扰源的个数；再根据干扰源的个数选择参与抗干扰运算的阵元及通道数，并关闭剩余没有参与运算的阵元及通道，达到降低能耗以及通道间干扰的目的；最后参与抗干扰运算的阵元及通道输出的信号经空域滤波电路进行抗干扰处理再发送给自动增益控制电路，并由自动增益控制电路根据抗干扰的结果信息输出较为平稳的信号幅度。
通过本发明所提供的技术方案，能够有效的完成对干扰信号的有无及干扰源个数的识别；并且在明确干扰是否存在及干扰源个数后，可选择性的对某些阵元及通道进行抗干扰处理，对于没有选择的阵元及通道，可以及时的关闭其电源和时钟，从而达到降低系统功耗以及通道间干扰的目的。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于波束形成控制运算阵元数的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.将多通道宽带信号接收装置所接收的空间信号转换为数字信号，并对数字信号进行预处理；
S2.通过MVDR波束形成算法生成信号的方向图，并判断干扰信息；
S3.根据干扰信息，确定参与运算的阵元及通道，并对所述的阵元及通道进行空域抗干扰滤波。
2.根据权利要求1所述控制运算阵元数的方法，其特征在于，所述S1之前还包括，调试并确保每个通道的电路正常可靠。
3.根据权利要求1所述控制运算阵元数的方法，其特征在于，所述干扰信息包括干扰的方向以及干扰源的数目。
4.根据权利要求3所述控制运算阵元数的方法，其特征在于，所述S2具体包括：
S21.在每一通道取一快拍数据构造空间相关矩阵R，如式(1)所示，
Figure FDA0002912883380000011
其中，N为快拍数，x表示每个通道的采样数据，n表示采样时刻，H表示共轭转置；
S22.统计M阶矩阵对角线元素之和，并和预设门限值比较，确定空间中是否存在干扰，若不存在干扰则执行S3，否则执行S23；
S23.对空间相关矩阵R求逆并求特征值，所述特征值大于所述预设门限值的个数即为空间环境中干扰源的数量λ；
S24.采用MVDR波束形成算法，对整个空域进行扫描，获得最小输出功率Pout，前λ个Pout所对应的方向即为λ个干扰的真实方向。
5.根据权利要求1所述控制运算阵元数的方法，其特征在于，所述S3具体为，
若不存在干扰则不进行抗干扰处理选择一通道直接输出，并关闭其余M-1个阵元与通道的电源和时钟；
若存在干扰则选择输出通道之后进行抗干扰处理。
6.根据权利要求5所述控制运算阵元数的方法，其特征在于，所述若存在干扰则选择输出通道之后进行抗干扰处理具体包括，根据干扰源的数量λ，确定参与抗干扰运算的阵元数为λ+1，并关闭其余阵元与通道的电源和时钟，并对参与运算的λ+1个阵元与通道进行空域抗干扰滤波处理。
7.一种基于波束形成控制运算阵元数的装置，其特征在于，包括多个阵元、多个与所述阵元连接的通道、信号输出组件、干扰估计组件以及控制模块，所述信号输出组件和干扰估计组件均连接有多个所述通道，所述干扰估计组件还与所述控制模块连接；所述控制模块用于根据干扰信息控制所述通道的工作。
8.根据权利要求7所述控制运算阵元数的装置，其特征在于，所述通道包括依次连接的射频信道、模数转换器以及数字信号处理电路，所述数字信号处理电路连接有所述信号输出组件和干扰估计组件。
9.根据权利要求8所述控制运算阵元数的装置，其特征在于，所述信号输出组件包括依次连接的空域滤波电路和自动增益控制电路。
10.根据权利要求9所述控制运算阵元数的装置，其特征在于，所述干扰估计组件包括空间相关矩阵构建模块、空间相关矩阵处理模块以及干扰估计模块；所述空间相关矩阵构建模块用于接收各个所述通道中数字信号处理电路输出的信号并构建空间相关矩阵；所述空间相关矩阵处理模块用于对空间相关矩阵求逆以及求特征值；所述干扰估计模块用于根据空间相关矩阵的逆以及特征值估计干扰个数并通过MVDR算法估计干扰源方位。
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