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一种空时频级联自适应滤波处理方法、装置及设备

2021-02-01 15:23:59

一种空时频级联自适应滤波处理方法、装置及设备

  技术领域

  本文涉及通信领域,尤指一种空时频级联自适应滤波处理方法、装置、设备和计算机可读存储介质。

  背景技术

  为了在复杂电磁环境中抑制掉强压制式干扰,阵列天线自适应滤波技术广泛应用于扩频通信系统。

  但是,实际工程应用中,阵列通道幅相误差严重影响空域滤波器抗干扰性能,可能导致滤波器失效。

  发明内容

  本申请提供了一种空时频级联自适应滤波处理方法、装置、设备和计算机可读存储介质,以增滤波的稳健性。

  本申请实施例提供了一种空时频级联自适应滤波处理方法,包括:

  将输入信号经变频放大和模数转换,得到多路数字中频信号;

  从所述多路数字中频信号对应的通道中选择参考通道;

  将所述多路数字中频信号通过傅立叶变换,转换为频域数据,基于所述参考通道的频域数据确定每个非参考通道的幅相差校正系数;

  按照所述幅相差校正系数分别对每个非参考通道的频域数据进行校正;

  将校正后的非参考通道的频域数据进行傅立叶逆变换,得到时域数据。

  本申请实施例还提供一种空时频级联自适应滤波处理装置,包括:

  第一信号转换模块,用于将输入信号经变频放大和模数转换,得到多路数字中频信号;

  参考通道选择模块,用于从所述多路数字中频信号对应的通道中选择参考通道;

  第二信号转换模块,用于将所述多路数字中频信号通过傅立叶变换,转换为频域数据,基于所述参考通道的频域数据确定每个非参考通道的幅相差校正系数;

  校正模块,用于按照所述幅相差校正系数分别对每个非参考通道的频域数据进行校正;

  第三信号转换模块,用于将校正后的非参考通道的频域数据进行傅立叶逆变换,得到时域数据。

  本申请实施例还提供一种空时频级联自适应滤波处理设备,包括:存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述程序时实现所述空时频级联自适应滤波处理方法。

  本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质,存储有计算机可执行指令,所述计算机可执行指令用于执行所述空时频级联自适应滤波处理方法。

  与相关技术相比,本申请实施例包括:将输入信号经变频放大和模数转换,得到多路数字中频信号;从所述多路数字中频信号对应的通道中选择参考通道;将所述多路数字中频信号通过傅立叶变换,转换为频域数据,基于所述参考通道的频域数据确定每个非参考通道的幅相差校正系数;按照所述幅相差校正系数分别对每个非参考通道的频域数据进行校正;将校正后的非参考通道的频域数据进行傅立叶逆变换,得到时域数据。本申请实施例基于参考通道进行频域幅相误差校正,可以提高宽带干扰抑制能力,同时增强了自适应滤波的稳健性。

  本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。

  附图说明

  附图用来提供对本申请技术方案的理解,并且构成说明书的一部分,与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案,并不构成对本申请技术方案的限制。

  图1为本申请实施例的空时频级联自适应滤波处理方法的流程图;

  图2为本申请应用实例的空时频级联自适应滤波处理结构的示意图;

  图3为本申请实施例的空时频级联自适应滤波处理的示意图。

  具体实施方式

  本申请描述了多个实施例,但是该描述是示例性的,而不是限制性的,并且对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是,在本申请所描述的实施例包含的范围内可以有更多的实施例和实现方案。尽管在附图中示出了许多可能的特征组合,并在具体实施方式中进行了讨论,但是所公开的特征的许多其它组合方式也是可能的。除非特意加以限制的情况以外,任何实施例的任何特征或元件可以与任何其它实施例中的任何其他特征或元件结合使用,或可以替代任何其它实施例中的任何其他特征或元件。

  本申请包括并设想了与本领域普通技术人员已知的特征和元件的组合。本申请已经公开的实施例、特征和元件也可以与任何常规特征或元件组合,以形成由权利要求限定的独特的发明方案。任何实施例的任何特征或元件也可以与来自其它发明方案的特征或元件组合,以形成另一个由权利要求限定的独特的发明方案。因此,应当理解,在本申请中示出和/或讨论的任何特征可以单独地或以任何适当的组合来实现。因此,除了根据所附权利要求及其等同替换所做的限制以外,实施例不受其它限制。此外,可以在所附权利要求的保护范围内进行各种修改和改变。

  此外,在描述具有代表性的实施例时,说明书可能已经将方法和/或过程呈现为特定的步骤序列。然而,在该方法或过程不依赖于本文所述步骤的特定顺序的程度上,该方法或过程不应限于所述的特定顺序的步骤。如本领域普通技术人员将理解的,其它的步骤顺序也是可能的。因此,说明书中阐述的步骤的特定顺序不应被解释为对权利要求的限制。此外,针对该方法和/或过程的权利要求不应限于按照所写顺序执行它们的步骤,本领域技术人员可以容易地理解,这些顺序可以变化,并且仍然保持在本申请实施例的精神和范围内。

  如图1所示,本申请实施例提供一种空时频级联自适应滤波处理方法,包括:

  步骤101,将输入信号经变频放大和模数转换,得到多路数字中频信号。

  其中,所述输入信号可以包括导航信号。

  设接收天线阵列共有M个阵元,输入信号通过M个阵元接收,经过射频电路变频放大处理,由于各路射频通道的幅频、相频响应不同,设M个通道的传输函数为Hm(ω),m=1,2,...,M。输出后的M路模拟中频信号经过AD(模拟转数字)采样得到M路数字中频信号x1(h),...,xM(h),h表示时刻的离散点序号。阵列输入矢量为x=[x1,...,xM]T,权矢量为b=[b1,...bM]T。

  步骤102,从所述多路数字中频信号对应的通道中选择参考通道。

  在一实施例中,计算每个通道为主通道时的输出功率,将最小的输出功率对应的通道作为参考通道。

  在一实施例中,m通道为主通道时的约束矢量记作sm=[0,...,1,...,0]T,其中,m通道对应是位置设置为1。分别计算每个通道为主通道时的输出功率,选择最小输出功率Pm对应的通道m为参考通道。其中μ为常系数,Rxx为通道接收数据相关矩阵。

  步骤103,将所述多路数字中频信号通过傅立叶变换,转换为频域数据,基于所述参考通道的频域数据确定每个非参考通道的幅相差校正系数。

  所述傅立叶变换可以是快速傅立叶变换(FFT)或者离散傅立叶变换(DFT)。

  本步骤中,M路数字中频信号分别进行K点傅里叶变换,每路数字中频信号在频域上划分为K个窄子带。得到频域信号xmk(l),表示第m个阵元数字中频数据经过FFT之后对应频点fk上的第l个快拍数。

  在一实施例中,确定所述参考通道的频域数据与所述非参考通道m的频域数据的幅度比αmk和相位差βmk,通过下式确定幅相差校正系数wmk:

  

  其中,k表示频点。设参考通道为a通道,xak为参考通道的频域数据,xmk为非参考通道的频域数据。

  步骤104,按照所述幅相差校正系数分别对每个非参考通道的频域数据进行校正。

  其中,通过xmkwmk的方式分别对每个非参考通道的频域数据进行校正。

  步骤105,将校正后的非参考通道的频域数据进行傅立叶逆变换,得到时域数据。

  其中,通道校正后数据xmkwmk进入K点快速傅里叶逆变换(IFFT),得到时域数据。

  在一实施例中,步骤105之后,还包括:

  对非参考通道的时域数据进行FIR(Finite Impulse Response,有限长单位冲激响应)滤波,将滤波后得到的时域数据以及所述参考通道的时域数据作为输出数据。

  在一实施例中,将所述非参考通道的时域数据输入N阶FIR滤波器组,所述N阶FIR滤波器组采用的滤波系数矢量为:

  

  其中,E表示加权平均,ya表示所述参考通道a的时域数据,YM表示所述FIR滤波器组的所有抽头的输入信号。

  其中,参考通道a的时域数据ya为步骤101~102中得到的参考通道的数字中频信号。

  本申请实施例基于参考通道进行频域幅相误差校正,可以提高宽带干扰抑制能力,同时增强了自适应滤波的稳健性。

  参照图2,以输入信号为导航信号,参考通道为第一通道(通道1)为例进行说明。图中F表示频域间隔,T表示时域间隔。

  接收天线阵列共有M个阵元,导航信号通过M个阵元接收,经过射频电路变频放大处理,由于各路射频通道的幅频、相频响应不同,设M个通道的传输函数为Hm(ω),m=1,2,...,M。

  输出后的M路模拟中频信号经过AD采样得到M路数字中频信号x1(h),...,xM(h),h表示时刻的离散点序号。每路数字中频进入参考通道选择处理。

  当阵列输入矢量为x=[x1,...,xM]T,权矢量为b=[b1,...bM]T,阵列输出功率为:

  Pout=E{(bHx)(bHx)*}=bHRxxb

  由于实际情况是空间干扰与噪声不相关,且干扰功率远大于噪声功率,所以接收数据相关矩阵Rxx可表示如下:

  

  其中ξ=1/2πB,σj为干扰功率,B为接收带宽,

  当阵列权矢量b归一化的情况下,阵列输出功率越小代表抗干扰能力越强,故选择输出功率最小的通道作为参考通道。

  设约束矢量s取值为通道m的系数为1,其余系数均为0,代表通道m的输出,记作sm=[0,...,1,...,0]T。则通道m为主通道时的输出功率为

  Pm=bHRxxb

  空域滤波器以输出功率最小为准则,可求得其中μ为常系数。代入上式得,选择最小输出功率Pm对应的通道为参考通道。如图2所示,设参考通道为通道1。

  空域滤波器希望AD前端的各通道幅相一致,即传输函数为Hm(ω),m=1,2,...,M相同,而实际情况每个通道之间的幅频、相频响应差异较大,所以对通道在数字域进行幅度相位校正。

  M路数字中频信号分别进行K点快速傅里叶变换(FFT),每路数字中频信号在频域上划分为K个窄子带。得到频域信号xmk(l),表示第m个阵元数字中频数据经过FFT之后对应频点fk上的第l个快拍数。

  同一个宽带信号同时经过传输函数Hm(ω),m=1,2,...,M后,可以通过校正各通道的频域信号xmk(l)的幅度相位来实现通道的校正。

  为了得到通道间不一致程度,以参考通道的数据为参考信号,那么对应频点fk上的通道m与通道1之间的幅相差校正系数表示为

  

  其中m=2,...,M,k=1,2,...,K,αmk为幅度比,βmk为相位差。

  第二至M通道中频信号x2(h),...,xM(h)分别经过幅相校正系数校正后,进行K点快速傅里叶逆变换(IFFT),得到时域数据输出,记作,y2(h),...,yM(h)。

  y1(h)等于x1(h)。除了参考通道以外,y2(n),...,yM(n)每路信号设计一个N阶FIR滤波器,则阵元m后的FIR各抽头输入信号为ym1(h)=ym(h),ym2(h)=ym(h-1),……,ymN(h)=ym(h-N+1)。通过M-1个FIR滤波器组进行参考通道的干扰对消处理。设FIR滤波器组的系数表示为{qmn},m=2,...,M,n=1,2,...,N,系数矢量记作:

  Q=[q21,...,q2N,...,qM1,...,qMN]T

  最佳化准则可以归结为参考通道对消处理后的功率最小:

  

  式中YM=[y2(h),y2(h-1),...,y2(h-N+1),...,yM(h-N+1)]T。

  Pout取最小值的最佳权Q可令梯度为零求解:

  

  当为满秩时,可求解正规方程唯一解从而实现多通道自适应滤波,空时频级联自适应滤波器的最终输出为:Y(n)=y1(h)+q21y2(h)+...+q2Ny2(h-N+1)+...+qM1yM(h)...+qMNyM(h-N+1)。

  如图3所示,本申请实施例还提供一种空时频级联自适应滤波处理装置,包括:

  第一信号转换模块21,用于将输入信号经变频放大和模数转换,得到多路数字中频信号;

  参考通道选择模块22,用于从所述多路数字中频信号对应的通道中选择参考通道;

  第二信号转换模块23,用于将所述多路数字中频信号通过傅立叶变换,转换为频域数据,基于所述参考通道的频域数据确定每个非参考通道的幅相差校正系数;

  校正模块24,用于按照所述幅相差校正系数分别对每个非参考通道的频域数据进行校正;

  第三信号转换模块25,用于将校正后的非参考通道的频域数据进行傅立叶逆变换,得到时域数据。

  在一实施例中,所述参考通道选择模块22,用于:

  计算每个通道为主通道时的输出功率,将最小的输出功率对应的通道作为参考通道。

  在一实施例中,所述参考通道选择模块22,用于按照下式计算m通道为主通道时的输出功率Pm:

  

  其中,μ为常系数,m通道为主通道时的约束矢量,Rxx为通道接收数据相关矩阵,sm为约束矢量。

  在一实施例中,所述第二信号转换模块23,用于:

  确定所述参考通道的频域数据与所述非参考通道m的频域数据的幅度比αmk和相位差βmk,通过下式确定幅相差校正系数wmk:

  wmk=αmkexp(jβmk)

  其中,k表示频点。

  在一实施例中,所述装置还包括:

  输出模块,用于对非参考通道的时域数据进行FIR滤波,将滤波后得到的时域数据以及所述参考通道的时域数据作为输出数据。

  在一实施例中,所述输出模块,用于:

  将所述非参考通道的时域数据输入N阶FIR滤波器组,所述N阶FIR滤波器组采用的滤波系数矢量为:

  

  其中,E表示加权平均,ya表示所述参考通道的时域数据,YM表示所述FIR滤波器组的所有抽头的输入信号。

  本申请实施例提出了一种空时频级联自适应滤波处理方法及装置。由于各通道传输函数不同,通过数据预处理选择参考通道,提出了基于参考通道的频域幅相误差校正方法,提高空时滤波器通道模型一致性的前提下,进行参考通道的干扰对消自适应滤波设计。本申请实施例提出的空时频级联自适应滤波有效解决宽带波束形成器失效的情况,提高宽带干扰抑制能力,同时增强了自适应滤波算法的稳健性。

  本申请实施例还提出一种空时频级联自适应滤波处理设备,包括:存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述程序时实现所述空时频级联自适应滤波处理方法。

  本申请实施例还提出一种计算机可读存储介质,存储有计算机可执行指令,所述计算机可执行指令用于执行所述空时频级联自适应滤波处理方法。

  在本实施例中,上述存储介质可以包括但不限于:U盘、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

  本领域普通技术人员可以理解,上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中,在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分;例如,一个物理组件可以具有多个功能,或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器,如数字信号处理器或微处理器执行的软件,或者被实施为硬件,或者被实施为集成电路,如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上,计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的,术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外,本领域普通技术人员公知的是,通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据,并且可包括任何信息递送介质。

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