一种空域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，尤指一种空域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，阵列天线波束形成技术广泛应用于扩频通信系统。
实际应用环境中，干扰形式和强度是快速时变的，传统的空域滤波器往往不能满足实际干扰的抑制作用。
发明内容
本申请提供了一种空域自适应滤波处理方法、装置、设备和计算机可读存储介质，以提高空域滤波的干扰适应性以及抗干扰能力。
本申请实施例提供了一种空域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；
对每路数字中频信号进行周期延时，得到延时信号；
将所述数字中频信号和延时信号通过傅立叶变换，转换为频域数据；
根据所述频域数据确定样本协方差矩阵，根据所述样本协方差矩阵确定子带权系数；
基于所述子带权系数对所述频域数据进行滤波，对滤波后的频域数据进行傅里叶逆变换，转换为时域数据并输出。
本申请实施例还提供一种空域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；
延时模块，用于对每路数字中频信号进行周期延时，得到延时信号；
第二信号转换模块，用于将所述数字中频信号和延时信号通过傅立叶变换，转换为频域数据；
权系数模块，用于根据所述频域数据确定样本协方差矩阵，根据所述样本协方差矩阵确定子带权系数；
滤波输出模块，用于基于所述子带权系数对所述频域数据进行滤波，对滤波后的频域数据进行傅里叶逆变换，转换为时域数据并输出。
本申请实施例还提供一种空域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域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域自适应滤波处理方法。
与相关技术相比，本申请包括：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；对每路数字中频信号进行周期延时，得到延时信号；将所述数字中频信号和延时信号通过傅立叶变换，转换为频域数据；根据所述频域数据确定样本协方差矩阵，根据所述样本协方差矩阵确定子带权系数；基于所述子带权系数对所述频域数据进行滤波，对滤波后的频域数据进行傅里叶逆变换，转换为时域数据并输出。本申请实施例通过对数字中频信号进行周期延时，可以在时域上有效去除干扰，提高空域滤波器的干扰适应性以及抗干扰能力。
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域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域自适应滤波处理的示意图；
图3为本申请实施例的空域自适应滤波处理装置的示意图。
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域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，例如可以是GNSS(Global NavigationSatellite System，全球导航卫星系统)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，得到的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(n),...,xM(n)，n表示时刻的离散点序号。
步骤102，对每路数字中频信号进行周期延时，得到延时信号。
在一实施例中，对每路数字中频信号进行周期延时N个采样时间，周期数为L。N为正整数，为预设的固定值。L为0或正整数，为可变值，且预设有初始值。
其中，第m路延时信号的表达式为xm(n-N),xm(n-2N),...,xm(n-LN)， m＝1,2,...,M。
步骤103，将所述数字中频信号和延时信号通过傅立叶变换，转换为频域数据。
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)。
将第m路信号及其延时信号分别进行K点傅里叶变换，得到频域信号 Xmk(n)，m＝1,2,...,M，k＝1,2,...,K，表示第m个阵元数字中频数据经过FFT之后对应频点fk上的频域数值。
步骤104，根据所述频域数据确定样本协方差矩阵，根据所述样本协方差矩阵确定子带权系数。
在一实施例中，迭代收敛计算窄子带fk对应的样本协方差矩阵
其中，α,β为预设的迭代系数，α,β∈(0,1)，n表示时刻的离散点序号，k表示频点，Rk(n)表示第n时刻的协方差矩阵，M表示阵元数，K为频点个数，N 表示采样时间个数，N为正整数，L为周期延时所采用的周期数，L为0或正整数。
在一实施例中，按照下式计算所述子带权系数wk：
其中，
步骤105，基于所述子带权系数对所述频域数据进行滤波，对滤波后的频域数据进行傅里叶逆变换，转换为时域数据并输出。
其中，进行空域滤波：
将空域滤波后的频域数据Y(fk)进行K点快速傅里叶逆变换(IFFT)，得到时域数据输出，可记作y(n)。
本申请实施例通过对数字中频信号进行周期延时，可以在时域上有效去除干扰，提高空域滤波器的干扰适应性以及抗干扰能力。
在一实施例中，步骤104之后，还包括：
根据所述频域数据和子带权系数计算输出功率；
根据所述输出功率计算并更新周期延时所采用的周期数。
在一实施例中，按照下式计算n时刻k频点的输出功率Pk(n)：
其中，
在一实施例中，按照下式计算并更新所述周期数L：
其中，n表示时刻的离散点序号，k表示频点，Pk(n)表示n时刻k频点的输出功率，q为控制系数，[.]表示取整运算，[b1,b2]代表有用信号带宽，b1、b2为正整数。
更新后的周期数L用于步骤102的周期延时。
本申请实施例采用自适应调整通道并行FFT周期数，迭代更新协方差矩阵运算，通过统计有用信号带内输出功率的变化量来更新通道并行FFT周期数，实现自适应可调的空频滤波处理，达到适应变化干扰抑制的效果。
参照图2，以一个应用实例进行说明。
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，输出的M路模拟中频信号经过AD采样得到M路数字中频信号x1(n),...,xM(n)。对每路数字中频信号进行周期延时N个采样时间，周期数为L。N为正整数，L为0或正整数。即得到第m路延时信号的表达式为 xm(n-N),xm(n-2N),...,xm(n-LN)，TS是采样时间，m＝1,2,...,M。
将第m路信号及其延时信号分别进行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(n)，m＝1,2,...,M， k＝1,2,...,K表示第m个阵元数字中频数据经过FFT之后对应频点fk上的频域数值。
计算各通道频域数据的协方差矩阵，对应每个频域窄子带fk分别计算，则
在窄子带fk对应的样本协方差矩阵实现过程中，采用迭代收敛方式计算，即：
设计空域自适应滤波器的滤波权系数，如图2所示滤波权系数矢量为 {wmk}，m＝1,2,...,M，k＝1,2,...,K。用X表示频域输入信号矩阵为
X＝[X11,X12,...,X1K,...,XM1,XM2,...,XMK]T
由线性约束最小方差准则，该滤波器可以描述为以下最优化问题，对于窄子带fk，求解如下最优化方程
ωk表示窄子带fk频点信号对应的空间归一化频率，
利用拉格朗日乘子法可以推导出空域自适应滤波器的子带权系数
μ为常系数，公式中Rk(n)是个变化值。
由于外界的电磁干扰环境是时变的，需要设计的空域滤波器具备各种干扰的适应性。当滤波权系数归一化的情况下，输出功率越小代表抗干扰能力越强，因此可根据输出功率大小选择N、L值。
每路中频信号设计的并行FFT个数为L+1，即每路中频信号除了当前信号x(n)之外，还有L个延时信号x(n-NTS),x(n-2NTS),...,x(n-LNTS)，均进行FFT。对于平稳干扰信号，当L越大，干扰统计量即协方差矩阵越精确，干扰抑制度越高，阵列输出功率也就越小。所以L可通过如下公式确定：
[.]表示取整运算，[b1,b2]代表有用信号带宽，b1、b2为正整数。q为控制系数，按照阵列输出功率的增量来调节L。q可以是经验值，q越大，收敛速度越快，但是q过大，可能会导致系统不稳定。
根据更新的L(n+1)，重复协方差矩阵Rk计算步骤，更新滤波器的子带权系数wk，再更新输出功率Pk(n)，循环迭代更新L(n)。当L(n)迭代收敛后，输出功率趋于稳定。
空域滤波后的频域数据为：
如图3所示，本申请实施例还提供一种空域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；
延时模块22，用于对每路数字中频信号进行周期延时，得到延时信号；
第二信号转换模块23，用于将所述数字中频信号和延时信号通过傅立叶变换，转换为频域数据；
权系数模块24，用于根据所述频域数据确定样本协方差矩阵，根据所述样本协方差矩阵确定子带权系数；
滤波输出模块25，用于基于所述子带权系数对所述频域数据进行滤波，对滤波后的频域数据进行傅里叶逆变换，转换为时域数据并输出。
在一实施例中，所述权系数模块24，用于：
所述根据所述频域数据确定样本协方差矩阵，包括：
按照下式根据频域数据Xmk(n)，m＝1,2,...,M，k＝1,2,...,K计算样本协方差矩阵
其中，α,β为预设的迭代系数，α,β∈(0,1)，n表示时刻的离散点序号，k表示频点，Rk(n)表示第n时刻的协方差矩阵，M表示阵元数，K为频点个数，N 表示采样时间个数，N为正整数，L为周期延时所采用的周期数，L为0或正整数。
在一实施例中，所述权系数模块24，用于：
按照下式计算所述子带权系数wk：
其中，
本申请实施例通过对数字中频信号进行周期延时，可以在时域上有效去除干扰，提高空域滤波器的干扰适应性以及抗干扰能力。
在一实施例中，所述装置还包括：
更新模块，用于根据所述频域数据和子带权系数计算输出功率，根据所述输出功率计算并更新周期延时所采用的周期数。
在一实施例中，所述更新模块，用于：
按照下式计算n时刻k频点的输出功率Pk(n)：
其中，
在一实施例中，所述更新模块，用于：
按照下式计算并更新所述周期数L：
其中，n表示时刻的离散点序号，k表示频点，Pk(n)表示n时刻k频点的输出功率，q为控制系数，[.]表示取整运算，[b1,b2]代表有用信号带宽，b1、b2为正整数。
本申请实施例采用自适应调整通道并行FFT周期数，迭代更新协方差矩阵运算，通过统计有用信号带内输出功率的变化量来更新通道并行FFT周期数，实现自适应可调的空频滤波处理，达到适应变化干扰抑制的效果。
本申请实施例还提供一种空域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域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域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。
