CN115694425A - 一种波束形成器、方法及芯片 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种波束形成器、方法及芯片。波束形成器包括第一通道、第二通道和信号合并模块，第一通道包括第一通道滤波器，第一通道滤波器用于对输入信号进行滤波，以得到第一滤波信号，第一滤波信号包括期望信号；第二通道包括：第二通道阻塞模块，用于阻塞输入信号中的期望信号，以得到阻塞信号；补偿滤波器，与第二通道阻塞模块相连，用于对阻塞信号进行补偿滤波，以得到第二滤波信号；自适应滤波器，与补偿滤波器相连，用于对第二滤波信号进行自适应滤波，以得到第三滤波信号；信号合并模块用于合并第一滤波信号和第三滤波信号以得到输出信号。本申请提供的波束形成器具有更稳健的干扰抑制性能和更高的输出信噪比。

Description

一种波束形成器、方法及芯片
技术领域
本申请涉及一种信号处理装置，特别是涉及一种波束形成器、方法及芯片。
背景技术
波束形成是一种空间滤波技术，它在充分利用阵列的先验知识(如阵形、阵元特性等)的基础上，融合各阵元接收到的数据，以达到增强信号、抵消噪声和干扰的目的。线性约束最小方差(linear constraint minimum variance，LCMV)波束形成器是一种常用的波束形成方案。LCMV在已知期望信号的到达角(direction of arrival，DoA)时，通过对阵列系数施加一定的约束，使得期望信号以特定的增益和相位相应保留下来，而从其它方向到达的干扰信号在输出中被最小化。广义旁瓣对消器(generalized sidelobe canceller，GSC)是LCMV的一种等效实现，其将自适应波束形成的问题转化为无约束优化问题。GSC波束形成器包含主通道和若干辅助通道，其中主通道的静态加权矢量位于约束矩阵的值域，辅助通道上的自适应加权矢量位于约束矩阵的零空间。理想状况下，GSC波束形成器的主通道仅输出期望信号，而辅助通道中则是通过对期望信号进行阻塞从而仅输出噪声分量和非相关干扰分量，并最终达到抑制干扰的目的。然而，发明人在实际应用中发现，GSC波束形成器的性能受限于自适应过程的收敛速度和收敛权重，很难将干扰和噪声分量充分抑制，同时也可能造成期望信号泄漏到辅助通道导致部分抵消，从而降低GSC波束形成器的性能。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在于提供一种波束形成器、方法及芯片，用于解决现有技术中存在的上述问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本申请的第一方面提供一种波束形成器，所述波束形成器包括第一通道、第二通道和信号合并模块，其中：所述第一通道包括第一通道滤波器，所述第一通道滤波器用于对输入信号进行滤波，以得到第一滤波信号，所述第一滤波信号包括期望信号；所述第二通道包括：第二通道阻塞模块，用于阻塞所述输入信号中的所述期望信号，以得到阻塞信号；补偿滤波器，与所述第二通道阻塞模块相连，用于对所述阻塞信号进行补偿滤波，以得到第二滤波信号；自适应滤波器，与所述补偿滤波器相连，用于对所述第二滤波信号进行自适应滤波，以得到第三滤波信号；所述信号合并模块与所述第一通道滤波器和所述自适应滤波器相连，用于合并所述第一滤波信号和所述第三滤波信号以得到输出信号。
于所述第一方面的一实施例中，所述第二通道阻塞模块利用一阻塞矩阵对所述输入信号中的所述期望信号进行阻塞，所述补偿滤波器用于补偿所述阻塞矩阵的零点。
于所述第一方面的一实施例中，所述补偿滤波器的传输函数由所述阻塞矩阵的逆函数得到。
于所述第一方面的一实施例中，所述补偿滤波器的传输函数为所述阻塞矩阵的逆函数。
于所述第一方面的一实施例中，所述阻塞矩阵为
Figure BDA0003178457690000021
所述补偿滤波器的传输函数为
Figure BDA0003178457690000022
其中，α为小于1的正数。
于所述第一方面的一实施例中，所述输出信号为：
Figure BDA0003178457690000023
其中，wq为所述第一通道滤波器对应的权重矢量，wa为所述自适应滤波器对应的权重矢量，T为所述补偿滤波器对应的权重矢量，B为所述阻塞矩阵，x为所述输入信号。
于所述第一方面的一实施例中，所述自适应滤波器对应的权重矢量为：wa＝((B×T)HRxx×B×T)-1×(B×T)H×Rxx×wq，其中，Rxx为所述输入信号的自相关矩阵。
本申请的第二方面提供一种波束形成方法，所述波束形成方法包括：利用一第一通道滤波器对输入信号进行滤波，以得到第一滤波信号，所述第一滤波信号包括期望信号；利用一第二通道阻塞模块阻塞所述输入信号中的所述期望信号，以得到阻塞信号；利用一补偿滤波器对所述阻塞信号进行补偿滤波，以得到第二滤波信号；利用一自适应滤波器对所述第二滤波信号进行自适应滤波，以得到第三滤波信号；合并所述第一滤波信号和所述第三滤波信号以得到输出信号。
本申请的第三方面提供一种芯片，所述芯片包括本申请第一方面任一项所述的波束形成器。
如上所述，本申请一个或多个实施例提供了一种波束形成器，所述波束形成器通过在第二通道(也即辅助通道)设置补偿滤波器来对阻塞后的信号进行补偿滤波，能够有效改善自适应滤波器的输入信号质量，从而确保自适应滤波器能够收敛出较优的滤波系数，因而所述波束形成器具有更稳健的干扰抑制性能和更高的输出信噪比。
附图说明
图1显示为本申请所述波束形成器于一具体实施例中的结构示意图。
图2显示为本申请所述波束形成器于一具体实施例中的仿真结果示例图。
图3显示为本申请所述波束形成器于一具体实施例中的仿真结果示例图。
图4显示为本申请所述波束形成器于一具体实施例中的仿真结果示例图。
图5显示为本申请所述波束形成方法于一具体实施例中的流程图。
图6显示为本申请所述芯片于一具体实施例中的结构示意图。
元件标号说明
1 波束形成器
11 第一通道
111 第一通道滤波器
12 第二通道
121 第二通道阻塞模块
122 补偿滤波器
123 自适应滤波器
13 信号合并模块
S51～S55 步骤。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图示中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。此外，在本文中，诸如“第一”、“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
实际应用中，GSC波束形成器的性能受限于自适应过程的收敛速度和收敛权重，很难将干扰和噪声分量充分抑制，同时也可能造成期望信号泄漏到辅助通道导致部分抵消，降低GSC波束形成器的性能。针对这一问题，请参阅图1，本申请的一实施例中提供一种波束形成器1，所述波束形成器1包括第一通道11、第二通道12和信号合并模块13。
所述第一通道11包括第一通道滤波器111，所述第一通道滤波器111用于对输入信号进行滤波，以得到第一滤波信号。其中，所述输入信号是指所述波束形成器1接收到的信号，包含期望信号、干扰和噪声，所述第一通道滤波器111主要用于滤除所述输入信号中的干扰和噪声。所述第一滤波信号主要包括所述期望信号，也可能包括部分干扰和噪声。
所述第二通道12包括第二通道阻塞模块121、补偿滤波器122和自适应滤波器123。其中，所述第二通道阻塞模块121用于阻塞所述输入信号中的期望信号，以得到阻塞信号，所述阻塞信号主要包括干扰和噪声，也可能包括部分期望信号。所述补偿滤波器122与所述第二通道阻塞模块121相连，用于对所述阻塞信号进行补偿滤波，以得到第二滤波信号。所述自适应滤波器123与所述补偿滤波器122相连，用于对所述第二滤波信号进行自适应滤波，以使所述第一通道11和所述第二通道12之间的均方误差最小化。所述自适应滤波器123的输出为第三滤波信号，其中，所述第三滤波信号主要包括干扰和噪声，也可能包括部分期望信号。
所述信号合并模块13与所述第一通道滤波器111和所述自适应滤波器123相连，用于合并所述第一滤波信号和所述第三滤波信号以得到输出信号。其中，所述第三滤波信号和所述第一滤波信号均是由输入信号经过处理而得到，因而所述第三滤波信号与所述第一滤波信号具有相关性，基于此可知，所述信号合并模块13能够通过合并所述第一滤波信号和所述第三滤波信号来获取所述输出信号。例如，所述信号合并模块13可以利用所述第一滤波信号和所述第三滤波信号相减来得到所述输出信号。
根据以上描述可知，本实施例所述波束形成器1通过在所述第二通道12设置所述补偿滤波器122来对所述阻塞信号进行补偿滤波，能够有效改善所述自适应滤波器123的输入信号的质量，从而确保所述自适应滤波器123能够收敛出较优的滤波系数，因而所述波束形成器1具有更稳健的干扰抑制性能和更高的输出信噪比。
于本申请的一实施例中，所述第二通道阻塞模块121利用一阻塞矩阵对所述输入信号中的所述期望信号进行阻塞。所述补偿滤波器122用于补偿所述阻塞矩阵的零点，也即，本实施例中采用补偿所述阻塞矩阵零点的方法对所述补偿滤波器122进行设计。
可选地，所述补偿滤波器122的传输函数可以由所述阻塞矩阵的逆函数得到，其中，所述传输函数的选择依赖于其对性能的影响。
可选地，所述阻塞矩阵的逆函数即为所述补偿滤波器122的传输函数。例如，可以选取所述阻塞矩阵的某一行并获取该行对应的传输函数，此传输函数的逆函数即为所述补偿滤波器122的传输函数。
可选地，在波束形成系统中可以采用四元均匀线性阵列(uniform linear array，ULA)，若所述输入信号的DoA为0°，则所述阻塞矩阵可以为：
Figure BDA0003178457690000051
此时，一个补偿该阻塞矩阵的传输函数的z-变换可以为
Figure BDA0003178457690000052
其中，z是z-变换中的复变量，对应于时域，表示一个样本的延迟，α为所述补偿滤波器122的加权系数，用于稳定所述补偿滤波器122的传输函数，其取值为小于1的正数。
可选地，若所述输入信号的DoA不为0°，假定期望信号的导向矢量为a＝[a(1),a(2),...,a(M)]，则所述阻塞矩阵可以为
Figure BDA0003178457690000053
此时，可以通过上述求传输函数的逆函数的方式获取所述补偿滤波器122的传输函数。
于本申请的一实施例中，所述输出信号为：
Figure BDA0003178457690000054
其中，wq为所述第一通道滤波器111对应的权重矢量，wa为所述自适应滤波器123对应的权重矢量，T为所述补偿滤波器122对应的权重矢量(也即H(z)的有限泰勒级数展开)，B为所述阻塞矩阵，x为所述输入信号。
在LCMV准则下，wa的最优值为：
Figure BDA0003178457690000055
Figure BDA0003178457690000056
其中，Rxx所述输入信号的自相关矩阵。由于所述输入信号的自相关矩阵Rxx预先难以得到，且矩阵的求逆运算较为复杂，因此，实际应用中常采用最小均方(least mean square，LMS)算法自适应地计算所述自适应滤波器123对应的权重矢量wa。而根据自适应滤波理论，LMS算法的收敛速度和数值稳定性由矩阵((B×T)H×Rxx×B×T)-1(B×T)HRxx×wq的条件数决定，其中，该矩阵的条件数越小则LMS算法收敛越快，数值稳定性也就越高。
本实施例在所述第二通道阻塞模块121之后级联所述补偿滤波器122，能够显著降低上述矩阵的条件数，从而实现自适应权重矢量的快速收敛。例如，请参阅图2，显示为本实施例所述自适应滤波器123的输入信号的自相关矩阵条件数，以及相关技术中不采用补偿滤波器时自适应滤波器的输入信号的自相关矩阵条件数。对比可知，本实施例中所述自适应滤波器123的输入信号的自相关矩阵条件数小于相关技术中的该条件数，因此，本实施例能够实现自适应权重矩阵的快速收敛，且具有良好的数值稳定性。
此外，本实施例在所述第二通道阻塞模块121之后级联所述补偿滤波器122，能够改善所述波束形成器1的输出信噪比。例如，请参阅图3，显示为本实施例所述自适应滤波器123的输出信噪比，以及相关技术中不采用补偿滤波器时的输出信噪比。对比可知，本实施例中所述波束形成器1具有更高的输出信噪比。
再者，本实施例在所述第二通道阻塞模块121之后级联所述补偿滤波器122，能够减少所述自适应滤波器123对应的权重矢量wa的范数。例如，请参阅图4，显示为本实施例中权重矢量wa的范数、以及相关技术中不采用补偿滤波器时自适应滤波器对应的权重矢量的范数。该权重矢量wa的范数越小所述波束形成器1的稳健性越高，因此，本实施例所述波束形成器1具有更高的稳健性。
根据以上描述可知，与相关技术相比，本实施例所述波束形成器1具有更好的稳健性，其输出信号具有更高的信噪比，且所述波束形成器1中的自适应滤波器123具有更好的收敛性。
基于以上对所述波束形成器1的描述，本申请还提供一种波束形成方法。具体地，请参阅图5，于本申请的一实施例中，所述波束形成方法包括：
S51，利用一第一通道滤波器对输入信号进行滤波，以得到第一滤波信号，所述第一滤波信号包括所述输入信号中的期望信号。
S52，利用一第二通道阻塞模块阻塞所述输入信号中的期望信号，以得到阻塞信号。
S53，利用一补偿滤波器对所述阻塞信号进行补偿滤波，以得到第二滤波信号。
S54，利用一自适应滤波器对所述第二滤波信号进行自适应滤波，以得到第三滤波信号；
S55，合并所述第一滤波信号和所述第三滤波信号以得到输出信号。
其中，上述步骤S51～S55与图1所示波束形成器1中的相应模块或器件相对应，具体细节此处不作过多赘述。
需要说明的是，上述标号S51～S55仅用于标识具体的步骤，而非用于限制各步骤的执行顺序，实际应用中可以根据实际需求调整上述步骤的执行顺序，例如，可以先执行步骤S52再执行步骤S51，也可以同时执行步骤S51和S52。
基于以上对所述波束形成器的描述，本申请还提供一种芯片。请参阅图6，于本申请的一实施例中，所述芯片包括图1所示的波束形成器1。具体地，所述芯片包括所述波束形成器1中的至少部分器件。例如，所述芯片可以包含整个波束形成器1，也可以只包含所述波束形成器1中的第一通道滤波器111和/或第二通道阻塞模块121。所述芯片可表示为将利用半导体技术在晶圆上制造的波束形成器1进行封装而成的可售有源器件；或者表示为利用PCB封装技术将所述波束形成器1进行封装而成的可售有源器件。
综上所述，本申请提供了一种稳健的波束形成器，所述波束形成器在第二通道设置补偿滤波器来对所述阻塞信号进行处理，且根据补偿阻塞矩阵零点的原则来设计所述补偿滤波器，能够改善所述波束形成器中自适应滤波器的输入信号的质量，从而确保所述自适应滤波器能够收敛出更稳健且具有更好干扰抑制性能的滤波系数。并且，所述自适应滤波器采用补偿阻塞矩阵零点的原则进行设计具有实现简单的优点。因此，本申请有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种波束形成器，其特征在于，所述波束形成器包括第一通道、第二通道和信号合并模块，其中：
所述第一通道包括第一通道滤波器，所述第一通道滤波器用于对输入信号进行滤波，以得到第一滤波信号，所述第一滤波信号包括期望信号；
所述第二通道包括：
第二通道阻塞模块，用于阻塞所述输入信号中的所述期望信号，以得到阻塞信号；
补偿滤波器，与所述第二通道阻塞模块相连，用于对所述阻塞信号进行补偿滤波，以得到第二滤波信号；
自适应滤波器，与所述补偿滤波器相连，用于对所述第二滤波信号进行自适应滤波，以得到第三滤波信号；
所述信号合并模块与所述第一通道滤波器和所述自适应滤波器相连，用于合并所述第一滤波信号和所述第三滤波信号以得到输出信号。
2.根据权利要求1所述的波束形成器，其特征在于：所述第二通道阻塞模块利用一阻塞矩阵对所述输入信号中的所述期望信号进行阻塞，所述补偿滤波器用于补偿所述阻塞矩阵的零点。
3.根据权利要求2所述的波束形成器，其特征在于：所述补偿滤波器的传输函数由所述阻塞矩阵的逆函数得到。
4.根据权利要求3所述的波束形成器，其特征在于：所述补偿滤波器的传输函数为所述阻塞矩阵的逆函数。
5.根据权利要求4所述的波束形成器，其特征在于：所述阻塞矩阵为
Figure FDA0003178457680000011
所述补偿滤波器的传输函数为
Figure FDA0003178457680000012
其中，α为小于1的正数。
6.根据权利要求2所述的波束形成器，其特征在于，所述输出信号为：
Figure FDA0003178457680000013
其中，wq为所述第一通道滤波器对应的权重矢量，wa为所述自适应滤波器对应的权重矢量，T为所述补偿滤波器对应的权重矢量，B为所述阻塞矩阵，x为所述输入信号。
7.根据权利要求6所述的波束形成器，其特征在于，所述自适应滤波器对应的权重矢量为：wa＝((B×T)HRxx×B×T)-1×(B×T)H×Rxx×wq，其中，Rxx为所述输入信号的自相关矩阵。
8.一种波束形成方法，其特征在于，所述波束形成方法包括：
利用一第一通道滤波器对输入信号进行滤波，以得到第一滤波信号，所述第一滤波信号包括期望信号；
利用一第二通道阻塞模块阻塞所述输入信号中的所述期望信号，以得到阻塞信号；
利用一补偿滤波器对所述阻塞信号进行补偿滤波，以得到第二滤波信号；
利用一自适应滤波器对所述第二滤波信号进行自适应滤波，以得到第三滤波信号；
合并所述第一滤波信号和所述第三滤波信号以得到输出信号。
9.一种芯片，其特征在于：所述芯片包括权利要求1-7任一项所述的波束形成器。
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