一种基于fpga的数字零中频自适应陷波方法
【专利摘要】本发明公开一种基于FPGA新型数字零中频自适应陷波方法，包括以下步骤：步骤1：利用FFT变换将采样的中频信号变换到频域；步骤2：在频域内对中频信号进行频谱统计量分析和门限判决，判断NBI个数及其中心频率;步骤3：如果没有干扰，转到步骤7；如果有干扰，则通过正交数字下变频器对采样的中频信号进行正交解调，并利用低通滤波器只保留采样中频带通信号的正频率分量，变换获得基带信号；步骤4：对基带信号进行频谱搬移，将第一个干扰点搬到零频，通过高通滤波器滤除干扰频谱分量，从而抑制掉第一个干扰点；步骤5：重复步骤4的操作，直至全部抑制其他干扰点；步骤6：将干扰抑制处理后的信号变换为实信号；步骤7：由基带处理模块进行解调输出。
【专利说明】—种基于FPGA的数字零中频自适应陷波方法
【技术领域】
[0001]本发明属于通信【技术领域】，涉及扩频通信系统中强窄带干扰抑制，具体涉及一种基于FPGA的数字零中频自适应陷波器。
【背景技术】
[0002]直扩通信系统(DDDS)中，发射典型的低截获概率信号，信号所占频谱宽，功率密度低，对多种类型的干扰具有较好的抑制性能，但实际中往往受到系统带宽的限制，使系统本身固有的扩频增益不足以抑制大功率的强窄带干扰NBI (Narrow-Band Interference)。故在解扩前需要借助信号处理技术在不增加信号带宽的条件下，对强窄带干扰进行抑制，提闻系统的抗干扰能力。
[0003]目前扩频系统NBI抑制技术主要分为三种:时域干扰抑制技术，变换域干扰抑制技术，码辅助干扰抑制技术。关于这三种技术，郭黎利，殷复莲，卢满宏等人发表的文章《DSSS/CDMA系统窄带干扰抑制技术概述[J]》(电子学报.2009, 10:2248-2257)中对其优缺点进行了详细的介绍，这三种技术的共同的特点是设计各种不同算法的陷波器(notchfilter)，先对中频信号进行各种方式的变换处理，然后检测信号中的NBI，并使用陷波器消除信号中的特定频率NBI，最后对中频信号进行恢复补偿，以便于后续的信号基带处理和解调解扩。图1给出了扩频系统基于这三种技术的传统NBI抑制模型，由图可以看出，这种方法将干扰检测和干扰抑制紧密结合在一起，在NBI检测前需要对中频的原始信号S (t)做预处理，无论系统是否有NBI，对S(t)都有一定程度的破坏，虽然在后期采用各种方法来补偿恢复中频信号，但增加了系统设计的复杂度和硬件开销，工程上实现困难。
【发明内容】
[0004]因此，针对上述的问题，本发明提出一种基于FPGA新型数字零中频自适应陷波器，简化设计算法，降低系统设计的复杂度和硬件开销，并有效抑制扩频系统中的NBI，从而解决现有技术之不足。
[0005]为了解决上述技术问题，本发明所采用的设计思想是，将干扰检测和干扰抑制模块完全分离，检测模块的任务仅仅是采用传统的NBI检测技术判断扩频系统是否有NBI，如果没有NBI，直接输出原始中频信号S(t);如果有NBI，复制S(t)信号，再送到干扰抑制模块对NBI陷波抑制后输出S’ (t)。这样，由于不需要对干扰检测处理过的信号进行各种恢复补偿，因此很大程度上降低了系统实现的复杂性，提高了系统的可靠性。本发明采用上述新的扩频系统NBI抑制模型，结合可编程逻辑门阵列(FPGA)的数字零中频处理技术，设计了一种新型的FPGA数字零中频自适应陷波方法以及陷波器。该陷波方法首先对采样后的数字中频信号进行基于门限估计的频域NBI检测，并对NBI进行统计量分析，找到NBI的归一化中心频率；然后采用数字正交解调将中频信号搬移到零中频(基带)，并在基带将NBI通过频谱搬移到零频陷波滤除，再经过信号重构，恢复带通信号(实信号)，最后送到基带处理模块解调输出。同时给出了陷波器的两个主要模块:基于门限估计的频域NBI检测模块和数字零中频NBI抑制模块的具体实现方法，实现对直接序列扩频系统(DSSS)中NBI的自适应陷波抑制。
[0006]具体的，本发明的一种基于FPGA新型数字零中频自适应陷波方法，包括以下步骤:
[0007]步骤1:利用FFT变换将采样的中频信号变换到频域；
[0008]步骤2:在频域内对中频信号进行频谱统计量分析和门限判决，判断NBI个数及其中心频率；
[0009]步骤3:如果没有干扰，转到步骤7对采样的原始中频信号进行直接输出；如果有干扰，则进行干扰抑制，通过正交数字下变频器(DDC)对采样的中频信号进行正交解调，并利用低通滤波器只保留采样中频带通信号的正频率分量，变换获得基带信号；[0010]步骤4:对基带信号进行频谱搬移，将第一个干扰点搬到零频，通过高通滤波器滤除干扰频谱分量，从而抑制掉第一个干扰点；
[0011]步骤5:如果干扰点多于一个，重复步骤4的操作，即将第一次或第二次干扰抑制处理后的信号再进行频谱搬移，将干扰点搬到零频，通过高通滤波器滤除干扰频谱分量，从而抑制掉其他干扰点(第二个或第三个干扰点等等);
[0012]步骤6:将干扰抑制处理后的信号变换为实信号(带通信号);
[0013]步骤7:由基带处理模块进行解调输出。
[0014]其中，所述步骤2中，门限判决是采用基于变换频域的NBI门限检测估计方法。现有技术中，对于干扰检测门限的设计，常用的方法有N-sigma算法、σ 2最大似然估计法、中值滤波法等。由于N-sigma算法在工程上比较容易实现，因此，本发明采用该种算法，并对该算法的有关参量进行一定的工程近似计算。具体的，该门限判决包括如下步骤:
[0015]步骤21:建立信号模型，对于直扩通信系统，在发射端通过将信号与伪随机(Pseudo-Noise, PN)序列相乘，把信号扩展在一个宽的频谱上；在接收端，通过将相同的PN序列与接受信号相乘，从而恢复信号。接收的中频信号x(t) —般由3部分组成:
[0016]X (t) =s (t) +i (t) +n (t)(I)
[0017]其中s(t)是扩频信号，i(t)是窄带干扰，n(t)是加性高斯白噪声(均值μ为零，方差为σ 2)。
[0018]X (t)以PN码元速率采样后,可表示为:
[0019]X (k) =s (k) +i (k) +n (k)(2)
[0020]其中s (k)和n (k)在时间上不相关，而与i (k)具有相关性；
[0021]步骤22 =NBI抑制首先需要对中频信号进行采样，对采样的数字信号通过1024点FFT对接收信号进行频谱分析，通过对频谱信息进行统计分析，找出干扰点，然后进行NBI抑制。其目标是从较宽频率范围的信号中去除窄带干扰。这些干扰占据了较少的频率点，并且其幅值高于FFT的噪声台阶。在没有窄带干扰的情况下扩频信号加上噪声是一个近似高斯分布。由于干扰叠加在信号上，使频谱分布发生了畸变。在没有受到干扰影响的部分，信号的频谱分布保持着高斯分布的形状；在受到影响的频率部分，频谱分布在期望信号频谱的上方。在没有干扰的情况下，大多数信号小于均值(μ)加两倍标准方差(σ);当有一系列干扰或干扰的总能量增大时，平均值相对于高斯分布部分的均值上升了，并且标准方差也由于干扰的存在而增大。这种畸变要求选择一个更靠近均值的门限来滤除与干扰信号相关的频率部分。因此，本发明滤除门限的确定方法如下:首先将FFT数据按照每1024个点划分为不同的数据块，对每个1024点的FFT数据块,计算数据块中每个频率点幅度的分贝值，然后计算该数据块的标准方差σ和均值μ ;根据标准方差σ从预先设定的加权集合选取适当的加权因子N，设定干扰检测门为:
[0022]Th= μ +N σ(3)
[0023]式中，N为量化因子；
[0024]σ 分 4 个水平 σ。，O1, σ 2，σ 3，σ 4，N 也分为 N。，N1, N2, N3, N4, N 的选择与 σ 有关。
【权利要求】
1.一种基于FPGA新型数字零中频自适应陷波方法，包括以下步骤: 步骤1:利用FFT变换将采样的中频信号变换到频域； 步骤2:在频域内对中频信号进行频谱统计量分析和门限判决，判断NBI个数及其中心频率； 步骤3:根据门限判决结果，如果没有干扰，转到步骤7对采样的原始中频信号进行直接输出；如果有干扰，则进行NBI干扰抑制，通过正交数字下变频器对采样的中频信号进行正交解调，并利用低通滤波器只保留采样中频带通信号的正频率分量，变换获得基带信号; 步骤4:对基带信号进行频谱搬移，将第一个干扰点搬到零频，通过高通滤波器滤除干扰频谱分量，从而抑制掉第一个干扰点； 步骤5:如果干扰点多于一个，重复步骤4的操作，即将第一次或第二次干扰抑制处理后的信号再进行频谱搬移，将干扰点搬到零频，通过高通滤波器滤除干扰频谱分量，从而抑制掉其他干扰点； 步骤6:将干扰抑制处理后的信号变换为实信号； 步骤7:由基带处理模块进行解调输出。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA新型数字零中频自适应陷波方法，其特征在于:所述步骤2中的门限判决包括如下步骤: 步骤21:建立信号模型，对于直扩通信系统，在发射端通过将信号与伪随机序列相乘，把信号扩展在一个宽的频谱上；在接收端，通过将相同的PN序列与接受信号相乘，从而恢复信号；其中，接收的中频信号X(t) —般由3部分组成: X (t) =s (t) +i (t) +n (t)(I) 其中s(t)是扩频信号，i(t)是窄带干扰，n(t)是加性高斯白噪声，n(t)的均值μ为零，n(t)的方差为σ2; x(t)以PN码元速率采样后,表示为:
X (k) =s (k) +i (k) +n (k)(2) 其中s (k)和n (k)在时间上不相关，而s (k)与i (k)有相关性； 步骤22:将FFT数据按照每1024个点划分为不同的数据块，对每个1024点的FFT数据块，计算数据块中每个频率点幅度的分贝值，然后计算该数据块的标准方差σ和均值μ ；根据标准方差σ从预先设定的加权集合选取适当的加权因子N，设定干扰检测门为: Th= μ+No(3) 式中，N为量化因子； O分4个水平O。，O1, O 2，σ 3, O 4，N分为N。, N1, N2, N3, N4, N的选择与σ有关:
3.根据权利要求1所述的基于FPGA新型数字零中频自适应陷波方法，其特征在于:所述步骤3中的NBI信号抑制包括以下步骤: 步骤31，构造基带信号:令中频带通信号的数学表达式为:
【文档编号】H04B1/71GK103634026SQ201310636364
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年12月2日 优先权日:2013年12月2日
【发明者】李铁军, 邵桂芳, 陈虹宇, 杜勇, 潘金艳, 文玉华 申请人:集美大学