专利名称：一种自适应中值门限频域抗干扰装置及方法
技术领域：
本发明涉及数字信号处理领域，尤其涉及一种自适应中值门限频域抗干扰装置及方法。
背景技术：
直接序列扩频系统(以下称为直扩系统)射频信号带宽比窄带通信系统的射频带宽大得多，因此更容易受到同频带其它射频信号的干扰，特别在军事通信中还会受到敌方有意的干扰。当这些干扰信号功率超过接收机能容许的最大干扰时，系统就无法正常工作。扩频通信技术本身具有强抗干扰能力，其抗干扰能力主要取决于扩频处理增益的大小。实际中，直扩系统的处理增益往往受到带宽和系统复杂度的限制。然而，直扩信号的频谱是具有伪随机噪声特性的宽带信号，而干扰信号通常是窄带信号，即干扰的总带宽比扩频信号的带宽小得多。利用这一区别，可以在扩频信号解扩之前借助信号处理技术抑制窄带干扰，使系统的干扰容限大幅度提闻。窄带干扰抑制技术的研究起始于20世纪70年代末期，目前对窄带干扰抑制的研究主要集中在时域自适应滤波技术和变换域处理技术。其中时域自适应滤波技术是基于扩频信号和热噪声信号都是宽带信号，相关性及可预测性差；而窄带干扰信号的相关性较强，其当前值可由过去值估计得出，按照某种最优准则，如最小均方误差准则，可估计当前窄带干扰，从接收信号中减去该估计值，即可实现窄带干扰抑制。变换域处理技术是利用扩频信号、热噪声和窄带干扰在频域上的不同表现特征来去除干扰信号。扩频信号和热噪声的频谱相对比较平坦，而窄带干扰信号的频谱往往集中在某些频点上，表现为单根或多根峰值，因此可以在变换域检测窄带干扰的谱线并相应地消除干扰。现有技术中基于快速傅立叶变换FFT的频域窄带干扰抑制技术原理如图I所示。先对没有解扩的扩频信号进行FFT运算，转化到频域，然后在频域上识别出窄带干扰，去掉或钳位干扰频率点的功率，最后经过IFFT模块重新将频域信号转化到时域上，送给后续模块处理。设输入信号表示为r (η)，当FFT的点数为Nft时，频域输出为R(k) = Y4 r(n)e-j2mn^，k = 0，l，2，···，Nft-I(I)
n=0从式⑴可以看出，FFT运算的结果包含了 Nft个频率点，为fk = 2 Π k/NFT, k =
0,1,2-, NFT-1，频率分辨率为2 Π /Nft。如果信号中的频率分量没有准确地落在这些可分辨的频率点上，信号的FFT变换就会有频谱泄露的现象。FFT变换相当于对时域信号作Nft点的截断处理，在频域相当于信号频谱与该截断函数的频谱卷积，这样就造成频谱泄露。因为截断函数的功率谱为sine函数，其第一旁瓣只比主瓣低13. 46dB，对于比有用信号大几十dB的干扰来说，其旁瓣仍然比信号大得多，整个信号频域都被干扰污染。这样，在进行干扰抑制时，无法彻底消除干扰或不得不损失更多的有用信号来滤除干扰。
发明内容
本发明的目的是为了有效进行干扰抑制，同时避免有用信号的损失，通过预先对输入信号加入窗函数的方法，并通过估计中值门限快速滤除干扰。一种自适应中值门限频域抗干扰装置，所述自适应中值门限频域抗干扰装置包括依次相连的第一存储器，快速傅立叶变换FFT单元，快速傅立叶逆变换IFFT单元，自动增益AGC单元，和第二存储器，其特征在于，所述自适应中值门限频域抗干扰装置包括设置于所述第一存储器前端的加窗单元，用于对输入信号进行加窗处理；位于FFT单元与IFFT单元间的干扰识别与抑制单元，所述干扰识别与抑制单元用于对FFT单元输出的频域信号进行干扰识别和抑制，包括依次相连的第三存储器和干扰消除单元，以及功率检测单元和中值门限估计单元，所述功率检测单元的输入端与第三存储器的输入端相连，接收频域信号，所述功率检测单元的输出端与中值门限估计单元的输入端相连，所述中值门限估计单元的输出端与干扰消除单元相连，所述干扰消除单元根据中 值门限消除频域信号中的干扰后输出。所述的加窗单元设置有窗函数，输入信号与窗函数相乘，用于减轻FFT运算后的频谱泄露。所述的功率检测单元对输入的频域信号进行功率计算，计算结果送入到所述的中值门限估计单元。所述中值门限估计单元根据功率计算结果，计算出中值门限。所述干扰消除模块采用干扰归零或干扰钳位法处理干扰谱线。本发明还公开了一种自适应中值门限频域抗干扰方法，用于直接序列扩频系统消除干扰，所述自适应中值门限频域抗干扰方法包括步骤步骤I、将输入信号加窗后进行FFT变换；步骤2、对FFT变换后的信号进行功率检测，估计出中值门限；步骤3、根据中值门限对干扰谱线进行处理；进一步地，所述中值门限估计方法包括步骤步骤a、初始化，设置中值门限系数a。；步骤b、估计中值，设待估中值的数据集数据个数为D，数据类型为二进制无符号整数，数据位数为Q，数据值按2的对数分段，其边界值集合为{2°，21，22，. . .，20-1}，定义Q个变量Ia0, a1； a2，…，aQ_J，Bi表示序列中数值范围为[2l,2i+1)的数据个数，O彡i彡Q-I ;步骤C、按照如下公式估计中值Xm :xM = 3 · 2rl其中q值满足且；步骤d、对估计中值进行微调，得到中值门限Th Th = 4/3 · α 0 · χΜ。所述根据中值门限对干扰谱线处理是采用干扰归零或干扰钳位法处理干扰谱线。进一步地，将经过干扰谱线处理后的信号进行IFFT变换后，进行自动增益控制处理，对处理后的信号缓存后将已在频域上滤除干扰的信号输出。与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果I)本发明采用了加窗处理，对输入信号进行加窗处理，平滑Nft点截断序列的边界不连续性，以减轻频谱泄露；同时采用变换域处理技术，利用FFT和IFFT实现时频域间的相互转换，能有效地滤除接收机信号带宽内的窄带干扰信号，抗干扰能力强。2)本发明数据处理的实时性强，虽然所述的FFT和IFFT模块都是以数据块形式处理，但是经过存储模块缓存处理后，从整体上看是流水线形式的，即同一时间输入和输出的数据量相等，只是引入了一个固定的时延。3)本发明提出了自适应中值门限算法，只考虑未受干扰频谱统计特性，忽略干扰谱线统计特性，使得门限值始终随着未受干扰谱线的变化而变化。同时本发明提出了二进制对数分段的一趟扫描中值估计算法，在对每个数据从高位到低位完成一次扫描后就能得到估计的中值，只需用到少量的计数器和I位比较器，与传统的冒泡法等相比显著降低了运算时间复杂度和存储空间需求，大大简化了系统的运算量和存储量，也更适合在数字器件上实现。
图I是频域窄带干扰抑制原理示意图；图2是用于扩频接收机的自适应中值门限频域抗干扰算法的框图；图3是加窗频域窄带干扰抑制原理示意图；图4是干扰消除与抑制模块的结构示意框图；图5是FFT幅度概率密度分布与门限选取关系；图6是FFT幅度中值概率密度分布曲线；图7是FFT幅度概率密度分布和中值门限概率密度分布关系；图8是实际扩频信号功率谱密度；图9是二进制对数分段示意图；图10是不同干信比情况下误比特率仿真结果；图11是流水线型实时数据处理结构示意框图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本发明的限定。如图I所示，一种自适应中值门限频域抗干扰装置可以在FPGA、CPLD、ASIC、DSP等数字器件上实现，对接收信号进行预处理，滤除接收信号中的窄带干扰信号后再送至伪码和载波捕获跟踪t旲块。所述频域抗干扰算法包括窗函数模块、存储器A模块、FFT模块、干扰识别与抑制模块、IFFT模块、自动增益控制模块、存储器B模块。其中窗函数模块、存储器A模块、FFT模块、干扰识别与抑制模块、IFFT模块、自动增益控制模块以及存储器B模块依次相连。所述加窗函数模块对输入信号进行加窗处理，用于平滑FFT运算时Nft点截断序列的边界不连续性，从而减轻FFT运算后的频谱泄露。在进行FFT变换之前增加一个合适的窗函数，如图3所示，图中窗函数的旁瓣应尽可能地低。但旁瓣降低的同时，往往伴随着主瓣宽度增加。从时域上看，窗函数的目的是平滑Nft点截断序列的边界不连续性，以减轻频谱泄露，但同时对信号的系数加权也造成了有用信号的损失。不考虑窄带干扰的影响，接收信号为r (n) = s (η) +η (η)(2)其中s(n)和n(n)分别是接收到的有用扩频信号和高斯白噪声信号，设窗函数为w(n),n = 0，1，2. ..，NFT-1，则加窗后的信号为rw (η) = s (n) w (η) +η (η) w (η)(3)因此窗函数的噪声增益，即噪声方差增益，也叫非相干增益，为
权利要求
1.一种自适应中值门限频域抗干扰装置，所述自适应中值门限频域抗干扰装置包括依次相连的第一存储器，快速傅立叶变换FFT单元，快速傅立叶逆变换IFFT单元，自动增益AGC单元，和第二存储器，其特征在于，所述自适应中值门限频域抗干扰装置包括 设置于所述第一存储器前端的加窗单元，用于对输入信号进行加窗处理； 位于FFT单元与IFFT单元间的干扰识别与抑制单元，所述干扰识别与抑制单元用于对FFT单元输出的频域信号进行干扰识别和抑制，包括依次相连的第三存储器和干扰消除单元，以及功率检测单元和中值门限估计单元，所述功率检测单元的输入端与第三存储器的输入端相连，接收频域信号，所述功率检测单元的输出端与中值门限估计单元的输入端相连，所述中值门限估计单元的输出端与干扰消除单元相连，所述干扰消除单元根据中值门限消除频域信号中的干扰后输出。
2.根据权利要求I所述的自适应中值门限频域抗干扰装置，其特征在于，所述的加窗单元设置有窗函数，输入信号与窗函数相乘，用于减轻FFT运算后的频谱泄露。
3.根据权利要求I所述的自适应中值门限频域抗干扰装置，其特征在于，所述的功率检测单元对输入的频域信号进行功率计算，计算结果送入到所述的中值门限估计单元。
4.根据权利要求3所述的自适应中值门限频域抗干扰装置，其特征在于，所述中值门限估计单元根据功率计算结果，计算出中值门限。
5.根据权利要求I所述的自适应中值门限频域抗干扰装置，其特征在于，所述干扰消除模块采用干扰归零或干扰钳位法处理干扰谱线。
6.一种自适应中值门限频域抗干扰方法，用于直接序列扩频系统消除干扰，其特征在于，所述自适应中值门限频域抗干扰方法包括步骤 步骤I、将输入信号加窗后进行FFT变换； 步骤2、对FFT变换后的信号进行功率检测，估计出中值门限； 步骤3、根据中值门限对干扰谱线进行处理。
7.根据权利要求6所述的自适应中值门限频域抗干扰方法，其特征在于，所述中值门限估计方法包括步骤 步骤a、初始化，设置中值门限系数Citl; 步骤b、估计中值，设待估中值的数据集数据个数为D，数据类型为二进制无符号整数，数据位数为Q，数据值按2的对数分段，其边界值集合为{2°，21，22，. . .，2°-1}，定义Q个变量{a0, a1； a2，…，aQ_J , Bi表示序列中数值范围为[2l,2i+1)的数据个数，O彡i彡Q-I ; 步骤C、按照如下公式估计中值xM Xm = 3 · 2rl 其中q值满足
8.根据权利要求6所述的自适应中值门限频域抗干扰方法，其特征在于，所述根据中值门限对干扰谱线处理是采用干扰归零或干扰钳位法处理干扰谱线。
9.根据权利要求8所述的自适应中值门限频域抗干扰方法，其特征在于，将经过干扰谱线处理后的信号进行IFFT变换后，进行自动增益控制处理 ，对处理后的信号缓存后输出。
全文摘要
本发明公开了一种自适应中值门限频域抗干扰装置及方法，通过时频域间的相互转换，滤除接收机信号带宽内的窄带干扰信号，所述抗干扰装置包括加窗单元，对输入信号进行加窗处理后进行FFT变换，然后送入干扰识别与抑制单元，所述干扰识别与抑制单元用于对FFT单元输出的频域信号进行干扰识别和抑制，包括依次相连的存储器和干扰消除单元，以及功率检测单元和中值门限估计单元，所述功率检测单元的输入端与存储器的输入端相连，接收频域信号，所述功率检测单元的输出端与中值门限估计单元的输入端相连，所述中值门限估计单元的输出端与干扰消除单元相连，所述干扰消除单元根据中值门限消除频域信号中的干扰后输出，能够快速有效的消除干扰。
文档编号H04B1/71GK102664657SQ20121011644
公开日2012年9月12日 申请日期2012年4月19日 优先权日2012年4月19日
发明者张朝杰, 杨伟君, 袁铁山, 金仲和, 金小军 申请人:浙江大学