CN116136602B - 北斗抗干扰通道带内频谱幅度和时延一致性装置及方法 - Google Patents

北斗抗干扰通道带内频谱幅度和时延一致性装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于通信基带技术领域，特别涉及一种北斗抗干扰的通道带内频谱幅度和时延一致性装置及方法，所述装置由射频前端通道、ADC采样、FFT变换器、均值频谱计算器、幅度补偿函数计算器、时延补偿函数计算器、FFT逆变器1、FFT逆变器2、卷积运算器1、卷积运算器2组成，且其实现导航信号通道带内频谱幅度和时延一致等。本发明由射频前端通道、ADC采样、FFT变换器、均值频谱计算器、幅度补偿函数计算器、时延补偿函数计算器、FFT逆变器1、FFT逆变器2、卷积运算器1、卷积运算器2组成且采用数字计算和补偿的方法，实现通道带内频谱幅度和时延一致性。

Description

北斗抗干扰通道带内频谱幅度和时延一致性装置及方法
技术领域
本发明属于通信基带技术领域，特别涉及一种北斗抗干扰的通道带内频谱幅度和时延一致性装置及方法。
背景技术
随着卫星通信产业的不断发展，卫星通信核心模组中的基带技术，已经成为产业的关键核心技术，全世界都在为卫星无线通信领域基带技术找寻新的突破，尤其是北斗抗宽带压制干扰技术的实现对信道的一致性要求极高，但现有技术中由于硬件链路误差，在工程上往往很难实现整个通道的幅度和相位特性完全一致，因此亟需研发一种能够采用数字计算和补偿的方法，从而实现通道带内频谱幅度和时延一致性的北斗抗干扰通道带内频谱幅度和时延一致性装置及方法。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了克服现有技术中由于硬件链路误差，在工程上往往很难实现整个通道的幅度和相位特性完全一致的问题，本发明提供一种能够采用数字计算和补偿的方法，从而实现通道带内频谱幅度和时延一致性的北斗抗干扰通道带内频谱幅度和时延一致性装置及方法。
(二)技术方案
本发明通过如下技术方案实现：本发明提出了一种北斗抗干扰通道带内频谱幅度和时延一致性装置，所述装置由射频前端通道、ADC采样、FFT变换器、均值频谱计算器、幅度补偿函数计算器、时延补偿函数计算器、FFT逆变器1、FFT逆变器2、卷积运算器1、卷积运算器2组成；其连接关系为：射频前端通道连接于ADC采样，ADC采样分别连接于FFT变换器、卷积运算器1，卷积运算器1连接于卷积运算器2，FFT变换器连接于均值频谱计算器，均值频谱计算器分别连接于幅度补偿函数计算器、时延补偿函数计算器，幅度补偿函数计算器连接于FFT逆变器1，FFT逆变器1连接于卷积运算器1，时延补偿函数计算器连接于FFT逆变器2，FFT逆变器2连接于卷积运算器2；且其实现导航信号通道带内频谱幅度和时延一致。
本发明还提供一种北斗抗干扰通道带内频谱幅度和时延一致性方法；所述方法具体步骤如下：
S1：无干扰卫星导航信号输入；
S2：射频前端通道对无干扰卫星导航信号进行处理到中频信号；
S3：中频信号经过ADC采样；
S4：采样后的信号通过FFT变换器分析通道内不同频率的频谱和时延；
S5：通过均值频谱计算器输出变换为幅度特性和相位特性；
S6：幅度特性和相位特性分别与幅度补偿函数计算器和时延补偿函数计算器分别计算出幅度补偿函数、时延补偿函数；
S7：幅度补偿函数、时延补偿函数分别与FFT逆变器1、FFT逆变器2进行变换，变换后，在分别与ADC采样的时域信号中的卷积运算器1、卷积运算器2进行卷积，得到频谱幅度平坦、时延一致的导航信号。
作为优选地，所述均值频谱计算器：采用双RAM乒乓缓存方式实现，过程如下：
①初始化两张RAM缓存，初始值全部置为0；
②读取RAM1中的缓存数据；
③与输入的FFT变换结果相加；
④存储到RAM2缓存中；
⑤读取RAM2中的缓存数据；
⑥与新一轮输入的FFT变换器变换结果相加；
⑦存储到RAM1缓存中；
⑧重复2～7过程直到达到预定次数；
⑨输出变换结果均值，Y(i)＝a(i)+j×b(i)；a为变换结果均值的实部，b为虚部，j2＝-1。
作为优选地，ADC采样信号做FFT变换后，采用多周期平均的方式，从而使得统计结果更为准确的反应信道的误差。
作为优选地，幅度特性，相位特性分成两个支路，前后进行补偿，可以确保对应的逆变函数计算更为简单，可以利用硬件计算直接生成；生成方法如下：
幅度补偿计算器采用先预设理想频谱幅度值为A，均值频谱计算器输出的幅度特性Xa(n)，(n＝1,2，......,k)，其中，k为FFT变换的点数；补偿函数H1(n)＝A-Xa(n)；
时延补偿计算器采用先预设理想最大时延设为B，均值频谱计算器输出的相位特性Xb(n)，(n＝1,2，......,k)，其中，k为FFT变换的点数；补偿函数H2(n)＝B-Xb(n)。
作为优选地，幅度补偿计算器采用先预设理想频谱幅度值为A，均值频谱计算器输出的幅度特性Amp(i)，(i＝1,2，......,k)，其中，k为FFT变换的点数；补偿函数H1(i)＝A÷Amp(i)。
作为优先地，时延补偿计算器采用先预设理想最大时延设为B，均值频谱计算器输出的相位特性Pha(i)，(i＝1,2，......,k)，其中，k为FFT变换的点数；补偿函数H2(i)＝B÷Pha(i)。
作为优选地，幅度特性为均值FFT变换结果的模值，
Figure GDA0004239949400000031
Figure GDA0004239949400000032
相位特性为均值FFT变换结果的相位值，即Pha(i)＝arctg[a(i)÷b(i)]。
作为优选地，所述方法采用傅里叶变换的特性，频域相乘等于时域卷积的特点，通过时域卷积实现频谱补偿；其中，卷积运算器1、卷积运算器2的系数分别由频域的幅度补偿函数H1和时延补偿函数H2逆变得到。
作为优选地，卷积运算器1、卷积运算器2采用移位寄存器和乘法器实现，输入的ADC采样信号经过N级移位寄存器缓存，并且每经过一级乘以相应的系数，实现卷积运算，其中，N级系数对应FFT逆变换结果中的1～N个点。
作为优选地，FFT变化器变换和FFT逆变器逆变换均为学术上通用
的变换公式，公式如下：
FFT变化器变换：F(u)＝∫f(x)e^(-2πixu)dx；
FFT逆变器逆变换：F(x)＝(1/2π)∫F(u)e^(2πixu)du。
(三)有益效果
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
本发明由射频前端通道、ADC采样、FFT变换器、均值频谱计算器、幅度补偿函数计算器、时延补偿函数计算器、FFT逆变器1、FFT逆变器2、卷积运算器1、卷积运算器2组成且采用数字计算和补偿的方法，实现通道带内频谱幅度和时延一致性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的装置结构及其流程示意图。
图2为本发明卷积运算器1、卷积运算器2的实现方法示意图。
图3为本发明的均值频谱计算器实现方法示意图。
图4为实施例中ADC采样数据频谱的500到900为带内信号理想状态下为平坦频谱幅度的示意图。
图5为实施例中ADC采样数据频谱实际采样示意图。
图6为实施例中实际ADC采样信号频谱幅度与本发明所述装置及方法处理后的频谱幅度对比示意图。
图7为实施例中ADC采样数据频谱的500到900为带内信号理想状态下为平坦频谱幅度与本发明所述装置及方法处理后的频谱幅度对比图。
具体实施方式
本技术方案中：
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1-3所示，本发明提出了一种北斗抗干扰通道带内频谱幅度和时延一致性装置，所述装置由射频前端通道、ADC采样、FFT变换器、均值频谱计算器、幅度补偿函数计算器、时延补偿函数计算器、FFT逆变器1、FFT逆变器2、卷积运算器1、卷积运算器2组成；其连接关系为：射频前端通道连接于ADC采样，ADC采样分别连接于FFT变换器、卷积运算器1，卷积运算器1连接于卷积运算器2，FFT变换器连接于均值频谱计算器，均值频谱计算器分别连接于幅度补偿函数计算器、时延补偿函数计算器，幅度补偿函数计算器连接于FFT逆变器1，FFT逆变器1连接于卷积运算器1，时延补偿函数计算器连接于FFT逆变器2，FFT逆变器2连接于卷积运算器2；，且其实现导航信号通道带内频谱幅度和时延一致(图1所示)；
本发明还提供一种北斗抗干扰通道带内频谱幅度和时延一致性方法；所述方法具体步骤如下图1所示：
S1：无干扰卫星导航信号输入；
S2：射频前端通道对无干扰卫星导航信号进行处理到中频信号；
S3：中频信号经过ADC采样；
S4：采样后的信号通过FFT变换器分析通道内不同频率的频谱和时延；
S5：通过均值频谱计算器输出变换为幅度特性和相位特性；
S6：幅度特性和相位特性分别与幅度补偿函数计算器和时延补偿函数计算器分别计算出幅度补偿函数、时延补偿函数；
S7：幅度补偿函数、时延补偿函数分别与FFT逆变器1、FFT逆变器2进行变换，变换后，在分别与ADC采样的时域信号中的卷积运算器1、卷积运算器2进行卷积，得到频谱幅度平坦、时延一致的导航信号；
其中，所述均值频谱计算器：采用双RAM乒乓缓存方式实现，过程如下(图3所示)：
①初始化两张RAM缓存，初始值全部置为0；
②读取RAM1中的缓存数据；
③与输入的FFT变换结果相加；
④存储到RAM2缓存中；
⑤读取RAM2中的缓存数据；
⑥与新一轮输入的FFT变换器变换结果相加；
⑦存储到RAM1缓存中；
⑧重复2～7过程直到达到预定次数；
⑨输出变换结果均值，Y(i)＝a(i)+j×b(i)；a为变换结果均值的实部，b为虚部，j2＝-1；
其中，ADC采样信号做FFT变换后，采用多周期平均的方式，从而使得统计结果更为准确的反应信道的误差；
其中，幅度特性，相位特性分成两个支路，前后进行补偿，可以确保对应的逆变函数计算更为简单，可以利用硬件计算直接生成；生成方法如下：
幅度补偿计算器采用先预设理想频谱幅度值为A，均值频谱计算器输出的幅度特性Xa(n)，(n＝1,2，......,k)，其中，k为FFT变换的点数；补偿函数H1(n)＝A-Xa(n)；
时延补偿计算器采用先预设理想最大时延设为B，均值频谱计算器输出的相位特性Xb(n)，(n＝1,2，......,k)，其中，k为FFT变换的点数；补偿函数H2(n)＝B-Xb(n)；
其中，幅度补偿计算器采用先预设理想频谱幅度值为A，均值频谱计算器输出的幅度特性Amp(i)，(i＝1,2，......,k)，其中，k为FFT变换的点数；补偿函数H1(i)＝A÷Amp(i)；
作为优先地，时延补偿计算器采用先预设理想最大时延设为B，均值频谱计算器输出的相位特性Pha(i)，(i＝1,2，......,k)，其中，k为FFT变换的点数；补偿函数H2(i)＝B÷Pha(i)；
其中，幅度特性为均值FFT变换结果的模值，
Figure GDA0004239949400000071
Figure GDA0004239949400000072
相位特性为均值FFT变换结果的相位值，即Pha(i)＝arctg[a(i)÷b(i)]；
其中，所述方法采用傅里叶变换的特性，频域相乘等于时域卷积的特点，通过时域卷积实现频谱补偿；其中，卷积运算器1、卷积运算器2的系数分别由频域的幅度补偿函数H1和时延补偿函数H2逆变得到；
其中，卷积运算器1、卷积运算器2采用移位寄存器和乘法器实现，输入的ADC采样信号经过N级移位寄存器缓存，并且每经过一级乘以相应的系数，实现卷积运算，其中，N级系数对应FFT逆变换结果中的1～N个点；
其中，FFT变化器变换和FFT逆变器逆变换均为学术上通用的变换公式，公式如下：
FFT变化器变换：F(u)＝∫f(x)e^(-2πixu)dx；
FFT逆变器逆变换：F(x)＝(1/2π)∫F(u)e^(2πixu)du。
本发明由射频前端通道、ADC采样、FFT变换器、均值频谱计算器、幅度补偿函数计算器、时延补偿函数计算器、FFT逆变器1、FFT逆变器2、卷积运算器1、卷积运算器2组成且采用数字计算和补偿的方法，实现通道带内频谱幅度和时延一致性。
实施例：(图4-图7中，图中横坐标代表频率，每个点对应26.25KHz，例如横坐标600代表频率15.75MHz；纵坐标代表相对功率频谱的dB值，实际数值被放大了10倍显示，180代表功率谱密度18dBm；)
1、原本理想的ADC采样数据频谱应该为如下
(1)从500到900为带内信号，理论上应该平坦，如图4所示，2、由于通道时延和幅度的误差特性，导致ADC采样数据如下(图5所示)
(12.5851135578839 -5.55188722918064 -15.1483977418114
0.201473806142650 6.40806059940918 2.59535356310833-7.35240057009370-3.95893551995627 3.13073517589224-19.0587574834987 -9.42220226900997 -1.01552903164024-8.54650203608070 3.90080185270435……13.5743471406740-1.97980921500093 -5.16283167598041 -21.0626267879444
2.31096013365259)
实际通道带内往往约靠近中心频率幅度越高，往两边越来越小，这是由于实际电路设计中滤波器、放大器等器件特性造成的；
3、对ADC数据进行FFT变换，并经过均值频谱计算器进行均值运算，得到如下频谱数据；
(6.68521794578533 6.53544640760398 6.56866232404924
6.71210505364337 6.61614285782842 6.45618016973358……
6.69247328403105 6.58866064301147 6.67536070192938
6.45042704975892 6.83255341065940)
4、设定目标幅度常数A＝7
5、求得幅度补偿函数
H1(i)＝A÷Amp(i)得到H1系统函数如下(0.314782054214675 0.4645535923960170.431337675950756
0.287894946356626 0.383857142171579 0.543819830266417
0.374482035767441 0.780839531058693……0.597280083038276
0.307526715968953 0.411339356988532 0.324639298070623
0.549572950241084 0.167446589340603)
6、对H1进行傅里叶逆变换，得到h1为：
(-2432.40960331782+5.55225201948814e-15i-111.829913326384+0.129234924264496i 1886.34715911540-4.35802757024332i
199.210728231764-0.690673465835129i-797.563064782726+3.68400238152647i-90.4276121606352+0.522956224705962i
58.5873788639691-0.402859984968556i-25.4092127616911+0.203286787703583i……118.878510258763+1.10159204004091i
-25.4092127616911-0.203286787703614i 58.5873788639691+0.402859984968586i-90.4276121606353-0.522956224705964i-797.563064782726-3.68400238152641i 199.210728231764+0.690673465835137i 1886.34715911540+4.35802757024322i-111.829913326384-0.129234924264505i)
7、将ADC数据与h1进行卷积运算，然后进行FFT变换后得到新的ADC采样数据频谱如下：(下线为实际ADC采样信号频谱幅度，上线为经过本专利处理后的频谱幅度)图6所示；
8、图7所示，对比目标下线为目标曲线，上线为经过本专利处理后的曲线，可以看出处理后的频谱幅度平坦要求与目标基本一致，数值为稍大一点，是由于本专利为了保证H1全为正数，设置的A＝7是一个大于原本频谱的平均值的，所以经过变换后会有一定的数字增益，不影响后续信号处理)。
以上所述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 (8)

1.一种北斗抗干扰通道带内频谱幅度和时延一致性方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下：
S1：无干扰卫星导航信号输入；
S2：射频前端通道对无干扰卫星导航信号进行处理到中频信号；
S3：中频信号经过ADC采样；
S4：采样后的信号通过FFT变换器分析通道内不同频率的频谱和时延；
S5：通过均值频谱计算器输出变换为幅度特性和相位特性；
S6：幅度特性和相位特性分别与幅度补偿函数计算器和时延补偿函数计算器分别计算出幅度补偿函数、时延补偿函数；
S7：幅度补偿函数、时延补偿函数分别与FFT逆变器1、FFT逆变器2进行变换，变换后，在分别与ADC采样的时域信号中的卷积运算器1、卷积运算器2进行卷积，得到频谱幅度平坦、时延一致的导航信号；
所述均值频谱计算器：采用双RAM乒乓缓存方式实现，过程如下：
①初始化两张RAM缓存，初始值全部置为0；
②读取RAM1中的缓存数据；
③与输入的FFT变换结果相加；
④存储到RAM2缓存中；
⑤读取RAM2中的缓存数据；
⑥与新一轮输入的FFT变换器变换结果相加；
⑦存储到RAM1缓存中；
⑧重复2～7过程直到达到预定次数；
⑨输出变换结果均值，Y(i)＝a(i)+j×b(i)；a为变换结果均值的实部，b为虚部，j2＝-1。
2.根据权利要求1所述的一种北斗抗干扰通道带内频谱幅度和时延一致性方法，其特征在于：幅度特性，相位特性分成两个支路，前后进行补偿，利用硬件计算直接生成；生成方法如下：
幅度补偿计算器采用先预设理想频谱幅度值为A，均值频谱计算器输出的幅度特性Xa(n)，(n＝1,2，......,k)，其中，k为FFT变换的点数；补偿函数H1(n)＝A-Xa(n)；
时延补偿计算器采用先预设理想最大时延设为B，均值频谱计算器输出的相位特性Xb(n)，(n＝1,2，......,k)，其中，k为FFT变换的点数；补偿函数H2(n)＝B-Xb(n)。
3.根据权利要求2所述的一种北斗抗干扰通道带内频谱幅度和时延一致性方法，其特征在于：幅度特性为均值FFT变换结果的模值，
Figure FDA0004246330320000021
Figure FDA0004246330320000022
相位特性为均值FFT变换结果的相位值，即Pha(i)＝arctg[a(i)÷b(i)]。
4.根据权利要求3所述的一种北斗抗干扰通道带内频谱幅度和时延一致性方法，其特征在于：幅度补偿计算器采用先预设理想频谱幅度值为A，均值频谱计算器输出的幅度特性Amp(i)，(i＝1,2，......,k)，其中，k为FFT变换的点数；补偿函数H1(i)＝A÷Amp(i)。
5.根据权利要求3所述的一种北斗抗干扰通道带内频谱幅度和时延一致性方法，其特征在于：时延补偿计算器采用先预设理想最大时延设为B，均值频谱计算器输出的相位特性Pha(i)，(i＝1,2，......,k)，其中，k为FFT变换的点数；补偿函数H2(i)＝B÷Pha(i)。
6.根据权利要求1所述的一种北斗抗干扰通道带内频谱幅度和时延一致性方法，其特征在于：所述方法采用傅里叶变换的特性，频域相乘等于时域卷积的特点，通过时域卷积实现频谱补偿；其中，卷积运算器1、卷积运算器2的系数分别由频域的幅度补偿函数H1和时延补偿函数H2逆变得到。
7.根据权利要求1所述的一种北斗抗干扰通道带内频谱幅度和时延一致性方法，其特征在于：卷积运算器1、卷积运算器2采用移位寄存器和乘法器实现，输入的ADC采样信号经过N级移位寄存器缓存，并且每经过一级乘以相应的系数，实现卷积运算，其中，N级系数对应FFT逆变换结果中的1～N个点。
8.一种北斗抗干扰通道带内频谱幅度和时延一致性装置，应用于权利要求1-7任一项所述的北斗抗干扰通道带内频谱幅度和时延一致性方法，其特征在于：所述装置由射频前端通道、ADC采样、FFT变换器、均值频谱计算器、幅度补偿函数计算器、时延补偿函数计算器、FFT逆变器1、FFT逆变器2、卷积运算器1、卷积运算器2组成；其连接关系为：射频前端通道连接于ADC采样，ADC采样分别连接于FFT变换器、卷积运算器1，卷积运算器1连接于卷积运算器2，FFT变换器连接于均值频谱计算器，均值频谱计算器分别连接于幅度补偿函数计算器、时延补偿函数计算器，幅度补偿函数计算器连接于FFT逆变器1，FFT逆变器1连接于卷积运算器1，时延补偿函数计算器连接于FFT逆变器2，FFT逆变器2连接于卷积运算器2。
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