CN117526980A - 一种基于内插fir带通滤波与自适应陷波算法的罗兰c接收机信号处理方法及系统 - Google Patents
一种基于内插fir带通滤波与自适应陷波算法的罗兰c接收机信号处理方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于内插FIR带通滤波与自适应陷波算法的罗兰C接收机信号处理方法，先对包含噪声的信号进行内插带通滤波以滤掉带外噪声，对滤掉带外噪声的信号进行频谱分析后，再进行自适应陷波处理滤除带内连续波干扰，得到去噪信号；或者先对包含噪声的信号进行频谱分析，再进行自适应陷波处理滤除带内连续波干扰，对滤除带内连续波干扰的信号进行内插带通滤波，以滤掉带外噪声得到去噪信号。本发明所公开的方法，将内插FIR带通滤波与自适应陷波处理相结合，联合进行噪声抑制，可以有效抑制罗兰C（eLoran）接收机传输过程中的主要噪声，完善了现有的噪声抑制技术。
Description
技术领域
本发明属于长波授时领域，特别涉及该领域中的一种基于内插FIR带通滤波与自适应陷波算法的罗兰C接收机信号处理方法及系统，可应用于罗兰C(eLoran)接收机信号处理，也可在其它领域进行终端接收信号处理。
背景技术
北斗卫星授时易受干扰和攻击、覆盖空间有限，而地基长波授时信号抗干扰能力强，将两者相结合，共同构建综合授时系统，可以互为补充与增强，形成天地一体、星地综合互备、立体交叉、分层保障的国家时频服务保障新格局。
长波授时信号在大气中传播会受到各种噪声和其他无线电信号的影响，包括白噪声以及其它频带内外的连续波干扰，现有技术主要是利用带通滤波和自适应滤波器对带外噪声进行滤除，而对带内噪声几乎没有进行处理。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于内插FIR带通滤波与自适应陷波算法的罗兰C接收机信号处理方法及系统。
本发明采用如下技术方案：
一种基于内插FIR带通滤波与自适应陷波算法的罗兰C接收机信号处理方法，其改进之处在于：先对包含噪声的信号进行内插带通滤波以滤掉带外噪声，对滤掉带外噪声的信号进行频谱分析后，再进行自适应陷波处理滤除带内连续波干扰，得到去噪信号；或者先对包含噪声的信号进行频谱分析，再进行自适应陷波处理滤除带内连续波干扰，对滤除带内连续波干扰的信号进行内插带通滤波，以滤掉带外噪声得到去噪信号。
进一步的，内插FIR带通滤波器设计为：内插系数L＝10，设计带通滤波器的中心频率为1000kHz，通带上截止频率为900kHz，下截止频率为1100kHz，阻带上截止频率800kHz，下截止频率为1200kHz，阶数为59阶；设计低通滤波器的通带截止频率为120kHz，阻带截止频率为500kHz，阶数为29阶；将经过上抽样的镜像带通滤波器与低通滤波器相级联，得到整体滤波器。
进一步的，自适应陷波处理包括如下步骤：干扰频点检测：将输入数据进行分段，每段M个数据，采用重叠保留法，重叠率为50％，分段长度为L，每段数据表示为：
xc(i，n)＝xL(i，n)+xint(i，n)n＝0，1，…(M-1)
i＝1，2，…L
上式中，xL(i，n)表示第i段第n个标准罗兰C信号的观测值，xint(i，n)是该位置处对应的干扰信号，对该段数据加窗进行平滑滤波，窗函数用ω(n)，n＝0，1，…，(M-1)表示，则：
xfil(i，n)＝xc(i，n)ω(n)n＝0，1，…(M-1)
i＝1，2，…L
第i段的功率谱表示为：
L段数据的功率谱平均：
标准的罗兰C信号中心频率为100KHz，90％的能量集中在90-110KHz的频带范围内，根据信号的功率谱分析，判断出干扰点的频点及干扰幅度，进而进行陷波处理；
陷波器为无限冲击响应数字滤波器，单一频率陷波器传递函数为：
上式中，z1为滤波器的零点，为滤波器的共轭零点，p1为滤波器的极点，/>为滤波器的共轭极点，令：
则：
上式中，w0＝2πf0，f0为陷波器中心频率，Ts为采样间隔，r为陷波器带宽参数。
一种基于内插FIR带通滤波与自适应陷波算法的罗兰C接收机信号处理系统，其改进之处在于：包括FPGA和双核ARM9，FPGA包括FFT IP核、陷波器IP核和FIR带通滤波器IP核，FPGA与双核ARM9之间采用AXI总线通信，双核ARM9为FPGA提供系统时钟和复位信号，在双核ARM9外围挂载AXI接口来控制FFT IP核的数据输入输出，经过FFT IP核运算后，FFT IP核将实时分析的频谱数据通过AXI总线上传到双核ARM9，双核ARM9进行浮点运算得到陷波器的滤波系数，该滤波系数通过AXI总线下发到陷波器IP核，陷波器IP核根据实时下发的滤波系数进行滤波运算。
进一步的，FFT IP核包括AXI总线接口、aclk时钟端和数据输出端；AXI总线接口用于和双核ARM9进行通讯，配置IP核参数，aclk时钟端使用A/D转换时钟作为IP核的驱动时钟，数据输出端输出经FFT运算后的实、虚部值以及相应状态信息。
进一步的，陷波器IP核包括DataIn端、axi_aclk时钟端和DataOut端，DataIn端输入待滤波A/D数据，axi_aclk时钟端使用A/D转换时钟作为陷波器IP核的驱动时钟，DataOut端输出16位截断和32位全精度陷波后的两种数据。
进一步的，FIR带通滤波器IP核预制带通滤波器系数，包括数据输入端，aclk时钟端和数据输出端，数据输入端输入待滤波数据，aclk时钟端使用A/D转换时钟，保持数据输出的同步，数据输出端输出滤波后的数据。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的方法，将内插FIR带通滤波与自适应陷波处理相结合，联合进行噪声抑制，可以有效抑制罗兰C(eLoran)接收机传输过程中的主要噪声，完善了现有的噪声抑制技术。
本发明所公开的系统，可以高效准确的实施本发明方法。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图I；
图2是本发明方法的流程示意图II；
图3是本发明方法的流程示意图III；
图4是含噪信号时域图；
图5是含噪信号频谱图；
图6是滤波后信号时域图；
图7是滤波后信号频谱图；
图8是FIR原型滤波器频谱图；
图9是镜像滤波器频谱图；
图10是低通滤波器频谱图；
图11是内插FIR滤波器频谱图；
图12是自适应陷波流程图；
图13是陷波前后时域对比图；
图14是陷波前后频域对比图；
图15是陷波前后TOA受连续波干扰对比图；
图16是FFT IP核示意图；
图17是陷波器IP核示意图；
图18是FIR带通滤波器IP核示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，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。
实施例1，本实施例公开了一种基于内插FIR带通滤波与自适应陷波算法的罗兰C接收机信号处理方法，如图1所示，先对包含噪声的信号进行内插带通滤波以滤掉带外噪声(高斯白噪声以及带外连续波干扰)，对滤掉带外噪声的信号进行频谱分析后，再进行自适应陷波处理滤除带内连续波干扰，得到满足性能要求的去噪信号；
如图2所示，或者先对包含噪声的信号进行频谱分析，再进行自适应陷波处理滤除带内连续波干扰，对滤除带内连续波干扰的信号进行内插带通滤波，以滤掉带外噪声得到去噪信号。也就是说，如图3所示，含有噪声的原始信号经过傅里叶变换后，得到信号的频域频谱信息，在信号的频域内，对目标频率和噪声情况进行分析，得到噪声信号的频率及幅度，计算相应的滤波器系数并发送给陷波器进行陷波处理，陷波处理后的信号经过FIR带通完成全部滤波操作，得到最终的去噪信号。图4是含噪信号时域图；图5是含噪信号频谱图；图6是滤波后信号时域图；图7是滤波后信号频谱图。
内插FIR带通滤波器设计为：选择合适的内插系数L＝10，设计带通滤波器F(z)的中心频率为ω0 (F)＝Lω0＝1000kHz，通带上截止频率为下截止频率为阻带上截止频率为/>下截止频率为/>带通滤波器F(z)阶数为59阶，幅频响应如图8所示。
在带通滤波器F(z)相邻的两个采样点之间插入内插系数L-1个0值的采样点，得到如图9所示的镜像滤波器频谱图，该镜像滤波器频谱图以fs/2L＝10000/20＝500kHz的整数倍为对称轴。
设计低通滤波器的通带截止频率ωp为120kHz，阻带截止频率ωs为500kHz，阶数为29阶，幅频响应如图10所示。
将经过上抽样的镜像带通滤波器与低通滤波器相级联，得到整体滤波器，幅频响应如图11所示。
在内插FIR带通滤波器的设计过程中，实现带通滤波器需要的乘法器数目为：
同样，实现低通滤波器所需的乘法器数目为：
因此，实现内插FIR所需要的乘法器的总数为：
Rin＝30+15＝45
而采用直接FIR滤波器设计需要584的阶数才能满足要求，需要293个乘法器。
下面列表对两种滤波器的阶数及乘法器数量进行对比。
| 滤波器阶数 | 乘法器 | |
| 传统结构的FIR滤波器 | 584 | 293 |
| 内插FIR带通滤波器 | 88 | 45 |
因此，采用内插FIR带通滤波器节约了大约84％的计算量。
设计自适应陷波器抑制带内连续波干扰：
陷波法能靶向明确地抑制带噪信号中的某一噪声频率，同时不损失混合信号中的其他有用频率成分，由于窄带干扰的频率随着环境和时间的不同是千变万化的，想要很好的抑制窄带干扰，就需要自适应检测窄带干扰频率，根据检测到的干扰频率点进行陷波处理。
如图12所示，自适应陷波处理包括如下步骤：干扰频点检测，就是分析观测信号的功率谱，结合有用信号的频谱特性，判断出干扰频点的位置及强度，其具体步骤如下：
将输入数据进行分段，每段M个数据，采用重叠保留法，重叠率为50％，分段长度为L，每段数据表示为：
xc(i，n)＝xL(i，n)+xint(i，n)n＝0，1，…(M-1)
i＝1，2，…L
上式中，xL(i，n)表示第i段第n个标准罗兰C信号的观测值，xint(i，n)是该位置处对应的干扰信号，对该段数据加窗进行平滑滤波，窗函数用ω(n)，n＝0，1，…，(M-1)表示，则：
xfil(i，n)＝xc(i，n)ω(n)n＝0，1，…(M-1)
i＝1，2，…L
第i段的功率谱表示为：
L段数据的功率谱平均：
标准的罗兰C信号中心频率为100KHz，90％的能量集中在90-110KHz的频带范围内，根据信号的功率谱分析，判断出干扰点的频点及干扰幅度，进而进行陷波处理；
陷波器为无限冲击响应数字滤波器，单一频率陷波器传递函数为：
上式中，z1为滤波器的零点，为滤波器的共轭零点，p1为滤波器的极点，/>为滤波器的共轭极点，令：
则：
上式中，w0＝2πf0，f0为陷波器中心频率，Ts为采样间隔，r为陷波器带宽参数，r值越接近1，H(z)滤波作用越明显。
通过MATLAB仿真，在eLoran信号中添加频率为90KHz的带内连续波干扰，信号发射功率不变的条件下，连续波干扰为-10dB时，陷波前后时域波形与幅频特性对比分别如图13，14所示。由图可以看出，通过陷波处理，时域和频域都能较好地恢复受干扰的eLoran信号。通过改变连续波干扰的功率来将干扰信号比率变化区间设置为-40dB＜SNR＜10dB，从而仿真连续波干扰对TOA测量误差的影响。
图15为对连续波干扰进行陷波处理后，TOA测量误差随连续波干扰的变化曲线图及陷波前后对比图。可以看出，经过陷波处理，TOA测量误差明显减小，在连续波干扰为10dB时，TOA测量误差小于0.2us。
本实施例还公开了一种基于内插FIR带通滤波与自适应陷波算法的罗兰C接收机信号处理系统，根据算法原理及时序要求，硬件基于Xilinx的ZYNQ平台，实现ARM系统调用底层FFT IP核完成相应算法。ZYNQ平台内部包括两部分，即PL和PS，PL为FPGA逻辑部分，PS为双核ARM9，FPGA包括FFT IP核、陷波器IP核和FIR带通滤波器IP核，FPGA与双核ARM9之间采用高性能的AXI总线通信，双核ARM9为FPGA提供系统时钟和复位等基本信号。在双核ARM9外围挂载AXI接口来控制FFT IP核的数据输入输出。由于陷波点频率及幅度的不可预知性，使得滤波系数不能预制在滤波器中，需要实时计算并调整相应的滤波系数，经过FFT IP核运算后，FFT IP核将实时分析的频谱数据通过AXI总线上传到双核ARM9，双核ARM9进行浮点运算得到陷波器的滤波系数，该滤波系数通过AXI总线下发到陷波器IP核，陷波器IP核根据实时下发的滤波系数进行滤波运算。
如图16所示，FFT IP核包括左侧AXI总线接口、aclk时钟端和右侧数据输出端；AXI总线接口用于和双核ARM9进行通讯，配置IP核参数，aclk时钟端使用A/D转换时钟作为IP核的驱动时钟，保证数据输出频率和AD采样频率相一致。数据输出端输出经FFT运算后的实、虚部值以及相应状态信息。
如图17所示，陷波器IP核包括左侧DataIn端、axi_aclk时钟端和右侧DataOut端，DataIn端输入待滤波A/D数据，axi_aclk时钟端使用A/D转换时钟作为陷波器IP核的驱动时钟，保证数据输出频率和AD采样频率相一致，经过运算后，由DataOut端输出16位截断和32位全精度陷波后的两种数据。
陷波后的数据进入FIR带通滤波器IP核，Matlab计算的带通滤波器系数预制在FIR带通滤波器IP核中，经过FIR带通滤波处理，进一步压制带外噪声，完成全部滤波数据处理过程。
如图18所示，FIR带通滤波器IP核包括左侧数据输入端，aclk时钟端和右侧数据输出端，数据输入端输入待滤波数据，aclk时钟端使用A/D转换时钟，保持数据输出的同步，数据输出端输出滤波后的数据。
Claims (7)
1.一种基于内插FIR带通滤波与自适应陷波算法的罗兰C接收机信号处理方法，其特征在于：先对包含噪声的信号进行内插带通滤波以滤掉带外噪声，对滤掉带外噪声的信号进行频谱分析后，再进行自适应陷波处理滤除带内连续波干扰，得到去噪信号；或者先对包含噪声的信号进行频谱分析，再进行自适应陷波处理滤除带内连续波干扰，对滤除带内连续波干扰的信号进行内插带通滤波，以滤掉带外噪声得到去噪信号。
2.根据权利要求1所述基于内插FIR带通滤波与自适应陷波算法的罗兰C接收机信号处理方法，其特征在于，内插FIR带通滤波器设计为：内插系数L＝10，设计带通滤波器的中心频率为1000kHz，通带上截止频率为900kHz，下截止频率为1100kHz，阻带上截止频率800kHz，下截止频率为1200kHz，阶数为59阶；设计低通滤波器的通带截止频率为120kHz，阻带截止频率为500kHz，阶数为29阶；将经过上抽样的镜像带通滤波器与低通滤波器相级联，得到整体滤波器。
3.根据权利要求2所述基于内插FIR带通滤波与自适应陷波算法的罗兰C接收机信号处理方法，其特征在于，自适应陷波处理包括如下步骤：
干扰频点检测：将输入数据进行分段，每段M个数据，采用重叠保留法，重叠率为50％，分段长度为L，每段数据表示为：
xc(i,n)＝xL(i,n)+xint(i,n)n＝0,1,…(M-1)
i＝1,2,…L
上式中，xL(i,n)表示第i段第n个标准罗兰C信号的观测值，xint(i,n)是该位置处对应的干扰信号，对该段数据加窗进行平滑滤波，窗函数用ω(n)，n＝0,1,…，(M-1)表示，则：
xfil(i,n)＝xc(i,n)ω(n)n＝0,1,…(M-1)
i＝1,2,…L
第i段的功率谱表示为：
L段数据的功率谱平均：
标准的罗兰C信号中心频率为100KHz，90％的能量集中在90—110KHz的频带范围内，根据信号的功率谱分析，判断出干扰点的频点及干扰幅度，进而进行陷波处理；
陷波器为无限冲击响应数字滤波器，单一频率陷波器传递函数为：
上式中，z1为滤波器的零点，为滤波器的共轭零点，p1为滤波器的极点，/>为滤波器的共轭极点，令：
则：
上式中，w0＝2πf0，f0为陷波器中心频率，Ts为采样间隔，r为陷波器带宽参数。
4.一种基于内插FIR带通滤波与自适应陷波算法的罗兰C接收机信号处理系统，其特征在于：包括FPGA和双核ARM9，FPGA包括FFT IP核、陷波器IP核和FIR带通滤波器IP核，FPGA与双核ARM9之间采用AXI总线通信，双核ARM9为FPGA提供系统时钟和复位信号，在双核ARM9外围挂载AXI接口来控制FFT IP核的数据输入输出，经过FFT IP核运算后，FFT IP核将实时分析的频谱数据通过AXI总线上传到双核ARM9，双核ARM9进行浮点运算得到陷波器的滤波系数，该滤波系数通过AXI总线下发到陷波器IP核，陷波器IP核根据实时下发的滤波系数进行滤波运算。
5.根据权利要求4所述基于内插FIR带通滤波与自适应陷波算法的罗兰C接收机信号处理系统，其特征在于：FFT IP核包括AXI总线接口、aclk时钟端和数据输出端；AXI总线接口用于和双核ARM9进行通讯，配置IP核参数，aclk时钟端使用A/D转换时钟作为IP核的驱动时钟，数据输出端输出经FFT运算后的实、虚部值以及相应状态信息。
6.根据权利要求4所述基于内插FIR带通滤波与自适应陷波算法的罗兰C接收机信号处理系统，其特征在于：陷波器IP核包括DataIn端、axi_aclk时钟端和DataOut端，DataIn端输入待滤波A/D数据，axi_aclk时钟端使用A/D转换时钟作为陷波器IP核的驱动时钟，DataOut端输出16位截断和32位全精度陷波后的两种数据。
7.根据权利要求4所述基于内插FIR带通滤波与自适应陷波算法的罗兰C接收机信号处理系统，其特征在于：FIR带通滤波器IP核预制带通滤波器系数，包括数据输入端，aclk时钟端和数据输出端，数据输入端输入待滤波数据，aclk时钟端使用A/D转换时钟，保持数据输出的同步，数据输出端输出滤波后的数据。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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