CN114257285B - 一种通感一体化基站感知信号滤波方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种通感一体化基站感知信号滤波方法及系统，包括：获取感知回波信号数据；对基站基带采样数据进行数字移频处理；利用多级抽取滤波器对数字移频后的基站基带采样数据进行滤波及抽取，得到感知回波信号基带数据。本发明解决了感知信号带宽与基站基带带宽不匹配的问题，通过设计抽取滤波器对感知回波信号进行滤波和抽取，实现了感知信号带外干扰的抑制以及感知信号带宽与采样率的匹配，有效提升了感知回波信号的信干噪比，提高了基站的感知能力。

Description

一种通感一体化基站感知信号滤波方法及系统

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种通感一体化基站感知信号滤波方法及系统。

背景技术

随着移动通信的发展，尤其是5G有源天线阵列的应用，通信系统与探测系统的架构趋于一致，且通信系统的频段与探测频段几乎重合或者共用，通感一体化成为移动通信网络的发展趋势。基站作为移动通信网络最主要的节点，通过在原有基站基础上增加感知功能，形成通感一体化基站，在辅助通信性能提升的同时，可开启新的网络服务，如低空监视、室内定位等。

通感一体化基站复用相同的硬件资源，无论感知还是通信，基站的基带带宽及基带采样率是固定的。根据感知任务的不同，基站需使用不同的感知信号样式及感知信号带宽，这导致了感知信号带宽与基站基带带宽不匹配，因此需要对基站基带信号进行数字抽取滤波，将感知信号带宽外的信号予以滤除以降低干扰，并实现感知信号带宽与采样率的匹配。

目前，尚未有针对通感一体化基站的感知回波信号抽取滤波方法。

发明内容

为解决现有技术存在的难题，本发明提供了一种通感一体化基站感知信号滤波方法，包括以下步骤：

获取感知回波信号数据：所述通感一体化基站为基站的通信工作模式与感知工作模式均以时分复用的方式实现，且复用相同的硬件资源；当基站工作于感知工作模式时，基站发射感知信号，并采样得到基站基带采样数据；

对基站基带采样数据进行数字移频处理：根据发射的感知信号中心频率，对基站基带采样数据进行数字移频，将其中的感知回波信号的中心频率移到零频；

根据所采用的滤波器结构以及感知信号带宽和采样率，确定滤波器级数及各级滤波器，得到多级抽取滤波器，所述多级抽取滤波器包括第1～N-1级的半带滤波器和第N级的低通滤波器；利用多级抽取滤波器对数字移频后的基站基带采样数据进行滤波及抽取，得到感知回波信号基带数据。

进一步地，所述第1～N-1级的半带滤波器的抽取因子为2，第N级的低通滤波器的抽取因子为D，所述N和D的确定的公式具体为：

其中，f_S为基站的基带采样率，f_G为所需采样率，N∈{1,2,3,…},D∈{2,3,4,…}且/> 表示向下取整运算，log₂()表示以2为底的对数运算。

进一步地，所述第1～N-1级的半带滤波器的具体公式为：

h_hb＝FilterDesign(α,β，A_pass，A_stop)

其中，h_hb表示第1～N-1级的半带滤波器，FilterDesign表示滤波器设计， A_pass和A_stop分别为半带滤波器的通带波纹和阻带衰减。

进一步地，所述第N级的低通滤波器的具体公式为：

h_lp＝FilterDesign(γ，μ，A′_pass，A′_stop)

其中，h_lp表示第N级的低通滤波器，Filter Design表示滤波器设计， 为第n级滤波器的通带截止频率，/>B_G为感知信号带宽，/>表示第n级滤波器的阻带截止频率，n＝1,2,…,N。

进一步地，所述对基站基带采样数据X(k,c)进行数字移频处理的具体公式为：

其中，X(k,c),k＝1,2,…,K,c＝1,2,…,C表示基站基带采样数据，K为采样点数，C为基站天线的通道数，F_G＝发射的感知信号中心频率-基站射频中心频率，为采样时间间隔，f_S为基站基带采样数据的采样率。

本发明还提供了一种通感一体化基站感知信号滤波系统，所述滤波系统基于上述通感一体化基站感知信号滤波方法，包括采样模块、数字移频模块和抽取滤波模块；所述采样模块对基站发射的感知信号对应的回波信号进行采样，得到基站基带采样数据；所述数字移频模块将基站基带采样数据中感知回波信号的中心频率移到零频；所述抽取滤波模块利用多级抽取滤波器对数字移频后的基站基带采样数据进行滤波及抽取，得到感知回波信号基带数据。

本发明与现有技术相比，其有益效果如下：解决了感知信号带宽与基站基带带宽不匹配问题，通过设计抽取滤波器对感知回波信号进行滤波和抽取，实现了感知信号带外干扰的抑制以及感知信号带宽与采样率的匹配，有效提升了感知回波信号的信干噪比，提高了基站的感知能力。

附图说明

图1为实施例一的时分通感一体化基站感知信号滤波方法流程图。

图2为实施例一的感知回波信号数据获取流程图。

图3为实施例一的基站基带采样数据数字移频处理流程图。

图4为实施例一的抽取滤波形成感知回波信号基带数据流程图。

图5为实施例一的多级抽取滤波器示意图。

具体实施方式

下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步详细描述。

实施例一：

本实施例提供了一种通感一体化基站感知信号滤波方法，如图1所示，包括以下步骤：

1、感知回波信号数据获取：基站的通信功能与感知功能以时分复用的方式实现，并且复用相同的硬件资源；当基站工作于感知工作模式时，基站发射感知信号，并采样得到基站基带采样数据。感知回波信号数据获取的具体流程图如图2所示，包括以下步骤：

1.1、基站通信感知时分工作：基站的通信功能与感知功能以时分复用的方式实现，并且复用相同的硬件资源，因此无论是通信工作模式还是感知工作模式，基站的基带工作带宽B_S及基带采样率f_S是固定的。当感知信号的带宽小于B_S时，需要通过数字抽样滤波器将带外信号滤除，以抑制带外干扰，并实现感知信号带宽与采样率的匹配。

1.2、对基站基带数据进行采样：当基站工作于感知工作模式时，基站发射感知信号，并对回波信号以采样率f_S进行基带采样，记基站基带采样数据为

X(k,c),k＝1,2,…,K,c＝1,2,…,C

其中K为采样点数，C为基站天线的通道数；所述基站基带采样数据中包含感知回波信号。

2、基站基带采样数据数字移频处理：根据发射的感知信号中心频率，对基站基带采样数据进行数字移频，将其中的感知回波信号的中心频率移到零频。基站基带采样数据数字移频处理的具体流程图如图3所示，包括以下步骤：

2.1、移频量确定：记F_G＝发射的感知信号中心频率-基站射频中心频率，则基站基带采样数据所需的移频量为-F_G。

2.2、数字移频处理：按以下公式对步骤1.2中的基站基带采样数据X(k,c)进行移频处理

其中K为采样点数，C为基站天线的通道数，为采样时间间隔。

3、抽取滤波形成感知回波信号基带数据：抽取滤波器采用多级结构以降低实现复杂度，首先根据所采用的滤波器结构以及感知信号带宽和采样率，完成滤波器级数确定及各级滤波器设计；然后利用该多级滤波器对基站基带数据进行滤波及抽取，形成感知回波信号基带数据。抽取滤波形成感知回波信号基带数据的具体流程图如图4所示，包括以下步骤：

3.1、抽取滤波器方案确定：为了降低实现复杂度，采用多级抽取滤波器结构，且抽取因子为整数；记抽取滤波器的级数为N，采用的N级抽取滤波器结构为：前N-1级滤波器使用相同的半带滤波器且每一级的抽取因子都为2，第N级滤波器为常规低通滤波器，抽取因子为D。N级抽取滤波器结构如图5所示，其中2↓和D↓分别表示进行抽取因子为2和D的数据抽取，分别将采样率降为了原先的和/>采用这种抽取滤波结构，对使用的感知信号带宽和采样率有一定限制，记感知信号的带宽为B_G，所需采样率为f_G，则感知信号采样率f_G与基站采样率f_S具有如下关系：

且/>

对于给定的感知信号采样率，抽取滤波方案由参数N和D确定，具体为：

其中，表示向下取整运算，log₂()表示以2为底的对数运算。

3.2、各级滤波器设计：进行前N-1级半带滤波器和第N级常规低通滤波器的设计，在满足要求的基础上最小化滤波器阶数以降低实现复杂度。

记第n级滤波器的通带截止频率为阻带截止频率为对于前N-1级半带滤波器，每一级的抽取因子都为2，因此经过n(n＝1,2,…,N-1)级滤波和抽取后，输出数据的采样率为/>经过第N级滤波和抽取后，输出数据的采样率为/>

前N-1级半带滤波器h_hb设计过程如下：

第n(n＝1,2,…,N-1)级半带滤波器输入信号的采样率为半带滤波具有如下性质：

采用归一化的方法进行半带滤波器设计，令带入上式可知α+β＝1。为了最小化感知回波信号的损失及抑制带外干扰，应满足以下条件：

其中在半带滤波器的通带波纹A_pass和阻带衰减A_stop给定的情况下，/>时滤波器阶数最小，由此可得：

由于α+β＝1，可以计算得到则前N-1级半带滤波器半带滤波的设计如下：

h_hb＝FilterDesign(a,β,A_pass，A_stop)

FilterDesign表示滤波器设计，可采用已有算法进行设计。

第N级低通滤波器h_lp设计过程如下：

第N级滤波器为低通滤波器，其输入数据采样率为其通带截止频率应为 (B_G为感知信号带宽)，其阻带截止频率记为/>则B_G、/>和f_G具有以下关系

采用归一化的方法进行滤波器的设计，记带入上式得到：

因此由于D≥2即可保证/>第N级低通滤波器设计如下：

h_lp＝FilterDesign(γ,μ,A′_pass,A′_stop)

其中，A′_pass和A′_stop分别为低通滤波器的通带波纹和阻带衰减，FilterDesign表示滤波器设计，可采用已有算法进行设计。

3.3、感知回波信号基带数据形成：使用上述设计的多级抽取滤波器对步骤2.2中的移频后数据Y(k,c)进行滤波及抽取，即可得到感知回波信号的基带数据

实施例二

本实施例具体为一种通感一体化基站感知信号滤波系统，所述滤波系统基于实施例一的通感一体化基站感知信号滤波方法，包括采样模块、数字移频模块和抽取滤波模块；所述采样模块对基站发射的感知信号对应的回波信号进行采样，得到基站基带采样数据；所述数字移频模块将基站基带采样数据中感知回波信号的中心频率移到零频；所述抽取滤波模块利用多级抽取滤波器对数字移频后的基站基带采样数据进行滤波及抽取，得到感知回波信号基带数据。

本发明针对通感一体化基站系统，提供一种感知回波信号的抽取滤波方法，实现了在基站感知工作模式下，对感知信号带外干扰的滤除以及感知信号带宽与采样率的匹配，提升了感知回波信号的信干噪比。

本发明通过对感知回波数据进行数字移频、多级抽取滤波器设计、滤波抽取形成基带数据等步骤，完成基站感知工作模式下带外干扰的抑制及降采样，实现了感知信号带宽与采样率的匹配，使得基站在复用硬件的情况下实现通信感知一体化功能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种通感一体化基站感知信号滤波方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取感知回波信号数据：所述通感一体化基站为基站的通信工作模式与感知工作模式以时分复用的方式实现，且复用相同的硬件资源；当基站工作于感知工作模式时，基站发射感知信号，并采样得到基站基带采样数据；

对基站基带采样数据进行数字移频处理：根据发射的感知信号中心频率，对基站基带采样数据进行数字移频，将其中的感知回波信号中心频率移到零频；

根据所采用的滤波器结构以及感知信号带宽和采样率，确定滤波器级数及各级滤波器，得到多级抽取滤波器，所述多级抽取滤波器包括第1～N-1级的半带滤波器和第N级的低通滤波器；利用多级抽取滤波器对数字移频后的基站基带采样数据进行滤波及抽取，得到感知回波信号基带数据；

所述第1～N-1级的半带滤波器的抽取因子为2，第N级的低通滤波器的抽取因子为D，所述N和D的确定的公式具体为：

其中，f_S为基站的基带采样率，f_G为所需采样率， 且/> 表示向下取整运算，log₂()表示以2为底的对数运算；

所述第1～N-1级的半带滤波器的具体公式为：

h_hb＝FilterDesign(α,β,A_pass,A_stop)

其中，h_hb表示第1～N-1级的半带滤波器，FilterDesign表示滤波器设计， A_pass和A_stop分别为半带滤波器的通带波纹和阻带衰减；

所述第N级的低通滤波器的具体公式为：

h_lp＝FilterDesign(γ,μ,A′_pass,A′_stop)

其中，h_lp表示第N级的低通滤波器，FilterDesign表示滤波器设计， 为第n级滤波器的通带截止频率，/>B_G为感知信号带宽，/>表示第n级滤波器的阻带截止频率，n＝1,2,…,N。

2.根据权利要求1所述的通感一体化基站感知信号滤波方法，其特征在于，所述对基站基带采样数据X(k,c)进行数字移频处理的具体公式为：

其中，X(k,c),k＝1,2,…,K,c＝1,2,…,C表示基站基带采样数据，K为采样点数，C为基站天线的通道数，F_G＝发射的感知信号中心频率-基站射频中心频率，为采样时间间隔，f_S为基站基带采样数据的采样率。

3.一种通感一体化基站感知信号滤波系统，其特征在于，所述滤波系统基于权利要求1-2任一权利要求所述的通感一体化基站感知信号滤波方法，包括采样模块、数字移频模块和抽取滤波模块；所述采样模块对基站发射的感知信号对应的回波信号进行采样，得到基站基带采样数据；所述数字移频模块将基站基带采样数据中感知回波信号的中心频率移到零频；所述抽取滤波模块利用多级抽取滤波器对数字移频后的基站基带采样数据进行滤波及抽取，得到感知回波信号基带数据。