一种基于子带滤波的阵列抗干扰方法和系统与流程

本发明涉及卫星导航、语音处理、通道均衡等宽带信号抗干扰处理领域，特别是涉及一种基于阵列抗干扰方法和系统。

背景技术：

1)自适应滤波算法：

自适应滤波算法在60年代以后才出现，且发展很快。自适应滤波的概念是从仿生学中引伸出来的，生物能以各种有效的方式适应生存环境，生命力极强。自适应滤波算法的原理是利用前一时刻已获得的滤波器参数等结果，自动地调节现时刻的滤波器参数，以适应信号与噪声未知的或随时间变化的统计特性，从而实现最优滤波。当前比较主流的自适应滤波方法包含LMS、RLS、DMI等。

LMS：最小均方误差。其原理是用统计方法，大量数求平均，提出均方误差最小准则，即输出信号与进行信号之间误差最小。定义为：

(1)自适应滤波器的h(n)单位脉冲响应受ε(n)误差信号控制；

(2)根据ε(n)的值而自动调节，使之适合下一刻(n+1)的输入x(n+1)，以使输出y(n+1)更接近于所期望的响应d(n+1),直至均方误差E[ε²(n)]达到最小值；

(3)y(n)最佳地逼近d(n)，系统完全适应了所加入的两个外来信号，即外界环境。

DMI：直接矩阵求逆算法。

该算法以参考信号与加权后的阵列输出的均方误差最小为优化目标，根据该系统的输入和输出来调节阵列的权矢量。算法设计准则如下：

其中x(k)＝[x₀(k),x₁(k)L x_N-1(k)]表示N维接收信号向量，向量w表示自适应权值；s.t表示约束，v＝[1,0…0]；由上述代价推出最优权值为

其中由上式可以看出只要得到即可方便地得到权值。

RLS：递归最小二乘自适应滤波。该方法为DMI的衍生算法，传统的DMI算法需要直接计算在FPGA中实现需要占用大量的硬件资源，RLS算法依据矩阵求逆引理的理论通过递归的方法计算算得后，再通过公式(3)求得权值ω。

2)自适应滤波算法与信号带宽之间的关系：

自适应滤波自均衡能力与通道的幅相起伏数以及宽带干扰数有关。在无富余自由度条件下(例：4阵元抗3个干扰源)，通道的幅相起伏数越多，达到通道自均衡所需要的时域阶数越多。

如图1所示，是现有技术通用的阵列信号抗干扰方法示意图。将M路阵元输入信号直接输入自适应滤波器，进行滤波后得到抗干扰输出，自适应滤波器可用LMS、RLS、DMI等算法实现；这种方法的缺陷是在无富余自由度抗宽带干扰且通道的幅相起伏数较大时，较少时域阶数系统抗宽带干扰及多干扰的性能不好。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的缺陷和不足，提供一种基于子带滤波的阵列抗干扰方法和系统，针对宽带多干扰阵列信号，通过子带滤波的方法减小通道起伏个数，从而提高系统抗宽带干扰及多干扰的性能。

本发明的技术方案是：

1.一种基于子带滤波的阵列抗干扰方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对每路空域信号分别进行同频带子带划分，划分的每路子带形成新的窄带空域阵列信号；

2)将划分后的窄带空域阵列信号分别进行自适应滤波；

3)对自适应滤波的输出结果进行叠加得到合路后的抗干扰输出。

2.所述步骤1)中，采用FIR滤波器，将包含参考主路在内的M路阵元输入信号均通过FIR滤波器分解为N个子带信号，形成M*N路窄带信号。

3.所述步骤2)中，包括复数下变频及滤波的步骤，对M*N路窄带空域阵列信号的实数信号通过复数下变频变为复数信号，并滤掉高频段信号。

4.所述步骤2)中，进行自适应滤波时，依据分解的N个子带信号，分别取M个阵元的同一子带号L(L＝1、2……N)的子带信号进行自适应滤波，输出N路子带滤波信号。

5.所述步骤2)中，不同子带号L的自适应滤波采用不同的复系数W；对于第L组子带，W(W_Li+j*W_Lq)作为自适应滤波器系数向量组与输入的第L路信号向量(X_Li+j*X_Lq)相乘，得到L路的滤波输出y，y＝X*W，其中，X_Li为第L子带的共M-1路的信号同相分量组成的行向量、X_Lq为第L子带的共M-1路的信号正交分量组成的行向量；每一组滤波器系数W的计算可采用LMS、RLS、DMI自适应滤波算法得到。

6.所述步骤3)中，包括对叠加后的抗干扰输出信号进行复数上变频的步骤。

7.一种基于子带滤波的阵列抗干扰系统，其特征在于，包括由M个FIR滤波器组成的子带滤波器组、N个自适应滤波器以及加法器，所述M个FIR滤波器用于对输入的M路阵元空域信号分别进行同频带子带划分，形成新的窄带空域阵列信号；所述N个自适应滤波器用于将划分后的窄带空域阵列信号，分别取不同阵元的相同频带的子带信号进行自适应滤波，输出N路滤波信号；所述加法器用于对滤波后的N路输出信号进行直接叠加，输出合路后的抗干扰信号。

8.还包括M*N个下变频数字变频器和M*N个低通滤波器，用于对子带划分后的M*N路窄带空域阵列信号进行复数下变频后滤掉高频信号，再分别送入自适应滤波器进行自适应滤波。

9.还包括一个上变频数字变频器，用于将叠加后的复数输出信号进行复数上变频，取其正交分量，还原为原频带实数信号。

10.所述加法器采用累加器将N路同一时刻滤波器输出信号直接累加输出。

本发明的技术效果：

本发明提供一种基于子带滤波的阵列抗干扰方法和系统，针对宽带多干扰阵列信号，通过子带滤波的方法减小通道起伏个数，从而提高系统抗宽带干扰及多干扰的性能。

本发明涉及卫星导航抗干扰、语音处理、通道均衡等信号处理领域，特别是有关宽带信号自适应处理算法相关领域。对于宽带多干扰，抗干扰性能与干扰个数，归一化延迟系数，通道内起伏个数等参数相关。本发明的创新之处在于在其它条件不变的情况下，通过子带滤波的方法可减小通道起伏个数，从而提高抗宽带干扰及多干扰性能，相关方法同样适用于其它数字信号处理领域。具体的，

1)本发明的方法为：每个阵元的输入信号依据频域特性，采用FIR滤波器进行同频带子带划分，形成不同子带的空域信号组，然后分别进行自适应滤波，实现不同子带上的自适应调整，得到各频率段内的映射，生成的误差信号各自进行反馈，提高了整个系统抗宽带干扰及多干扰的性能。

2)本发明自适应滤波中，不同的自适应滤波器的滤波系数采用不同的复系数，调整精度高于实系数自适应滤波，自适应滤波效果也高于实系数自适应滤波。

3)本发明对各子带自适应滤波的输出采用直接叠加的方法还原整个频带内的去除干扰后的信号，以还原有用信号带宽，不至于导致能量损失。

附图说明

图1为是现有技术通用的阵列信号抗干扰方法示意图。

图2为本发明基于子带滤波的阵列抗干扰方法实施例示意图。

图3为本发明自适应滤波器示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例做进一步的详细说明。

一种基于子带滤波的阵列抗干扰方法，包括以下步骤：

1)对每路空域信号分别进行同频带子带划分，划分的每路子带形成新的窄带空域阵列信号；

2)将划分后的窄带空域阵列信号分别进行自适应滤波；

3)对自适应滤波的输出结果进行叠加得到合路后的抗干扰输出。

如图2所示，为本发明基于子带滤波的阵列抗干扰方法实施例示意图。

首先M路阵元输入信号分别经过由M个FIR滤波器组成的子带滤波器组进行同频带子带划分，得到M*N组子带输出；按需分别进行M*N组输出的复数下变频和低通滤波；然后将不同阵元的相同频带的子带复数输出信号分别给N个自适应滤波器进行自适应滤波，再将各自适应滤波器的复数输出进行叠加，其结果按需进行复数上变频，即得到抗干扰输出。

其中，步骤1)中，采用FIR滤波器，将包含参考主路在内的M路阵元输入信号均通过FIR滤波器分解为N个子带信号，形成M*N路窄带信号。

一个FIR滤波器由差分方程：描述，FIR滤波器的长度为M，相比于IIR滤波器，FIR滤波器在滤波器通带内具有线性相位的特性。通过FIR滤波器将输入的干扰信号进行频率映射到不同子带。

为了进行更精细的复数自适应滤波，还包括复数下变频及滤波的步骤，对M*N路窄带空域阵列信号的实数信号通过复数下变频变为复数信号，并滤掉高频段信号。

具体的，用sin(w₀*t)和cos(w₀*t)分别与输入信号sin(w*t+△fi)相乘，得到下变频后的I/Q相信号。其中，w表示输入信号的角频率，w₀表示下变频操作减去的角频率，△fi表示输入信号与本地信号的相位差，△w＝w-w₀表示输入信号与下变频信号的角频率差。

I＝sin(w*t+△fi)*sin(w₀*t)＝sin((w₀+△w)*t+△fi)*sin(w₀*t)

＝1/2cos(△w*t+△fi)–1/2cos((2*w₀+△w)*t+△fi)) (4)

Q＝sin(w*t+△fi)*cos(w₀*t)＝sin((w₀+△w)*t+△fi)*cos(w₀*t)

＝1/2sin(△w*t+△fi)+1/2sin((2*w₀+△w)*t+△fi)) (5)

经过低通滤波滤掉高频后的I/Q相信号为：

I＝sin(w*t+△fi)*sin(w₀*t)＝sin((w₀+△w)*t+△fi)*sin(w₀*t)

＝1/2cos(△w*t+△fi) (6)

Q＝sin(w*t+△fi)*cos(w₀*t)＝sin((w₀+△w)*t+△fi)*cos(w₀*t)

＝1/2sin(△w*t+△fi) (7)

步骤2)中，进行自适应滤波时，依据分解的N个子带信号，分别取M个阵元的同一子带号L(L＝1、2…..N)的子带信号进行自适应滤波，输出N路子带滤波信号。在输入信号为宽带干扰的情况下，各子带可分别作为一个窄带信号进行抗干扰处理。不同子带号L的自适应滤波采用不同的复系数W；对于第L组子带，W(W_Li+j*W_Lq)作为自适应滤波器系数向量组与输入的第L信号向量(X_Li+j*X_Lq)相乘，得到L路的滤波输出y，y＝X*W，其中，X_Li为第L子带的共M-1路的信号同相分量组成的行向量、X_Lq为第L子带的共M-1路的信号正交相分量组成的行向量。i、q分别表示信号的同相分量和正交分量。W采用复系数的优势在于，采用I、Q调相，可调节到一个采样点内的相位，精度大于实系数。

图3是本发明的自适应滤波器示意图。各子带的经滤波下变频的各阵元信号乘以自适应算法产生的对应子带对应阵元的权值并累加，得对应子带除参考阵元外其余阵元滤波输出，再与对应子带经滤波下变频的参考阵元信号相加得到自适应滤波器的输出，并且自适应滤波器输出反馈给自适应算法进行自适应调整权值参数。其中，X_ni、X_nq分别表示经子带滤波下变频后的第n路阵元的信号同相分量和正交分量，W_ni、W_nq分别表示由自适应算法获得的第n路阵元的权值实部和权值虚部，d_i、d_q分别表示参考阵元的信号同相分量和正交分量，y_i、y_q分别为除参考阵元外其余阵元滤波输出同相分量和正交分量，e_i、e_q各为各阵元自适应滤波输出同相分量和正交分量。每一组滤波器系数W的计算可采用LMS、RLS、DMI自适应滤波算法得到。

步骤3)中，包括对叠加后的抗干扰输出信号进行复数上变频的步骤。

如果系统设计需要将复数下变频后的基带信号恢复到原来的频率段，则还需要对抗干扰输出后的复数信号叠加后进行复数上变频。

如式(6)、(7)所示，经过自适应滤波后的抗干扰输出结果依然位于中心频点△w，带宽为滤波器通带带宽的位置。为将此信号还原到原始输入频率，可采用式(4)、(5)中的w₀进行复数上变频：

I+j*Q＝(cos(△w*t+△fi)+j*sin(△w*t+△fi))*(cos(w₀*t)+j*sin(w₀*t))

＝cos((△w+w₀)*t+△fi)+j*sin((△w+w₀)*t+△fi)

＝cos(w*t+△fi)+j*sin(w*t+△fi) (8)

取Q支路，即还原到原始输入频率。

相应的，本发明的基于子带滤波的阵列抗干扰系统，包括由M个FIR滤波器组成的子带滤波器组、N个自适应滤波器以及加法器，所述M个FIR滤波器用于对输入的M路阵元空域信号分别进行同频带子带划分，形成新的窄带空域阵列信号；所述N个自适应滤波器用于将划分后的窄带空域阵列信号，分别取不同阵元的相同频带的子带信号进行自适应滤波，输出N路滤波信号；所述加法器用于对滤波后的N路输出信号进行直接叠加，输出合路后的抗干扰信号。

其中，加法器采用累加器将N路同一时刻滤波器输出信号直接累加输出。

还包括M*N个下变频数字变频器和M*N个低通滤波器，用于对子带划分后的窄带空域阵列信号进行复数下变频后滤掉高频信号，再分别送入自适应滤波器进行自适应滤波。

还包括一个上变频数字变频器，用于将叠加后的复数输出信号进行上变频，取其正交分量，还原为原频带实数信号。

在此指明，以上叙述有助于本领域技术人员理解本发明创造，但并非限制本发明创造的保护范围。任何没有脱离本发明创造实质内容的对以上叙述的等同替换、修饰改进和/或删繁从简而进行的实施，均落入本发明创造的保护范围。