窄带干扰抑制方法及模块与流程

本发明干扰抑制技术，尤其涉及窄带干扰抑制方法及窄带干扰抑制模块。
背景技术：
：由于全球卫星导航系统(gnss)具有固有的脆弱性、我们面临的电磁环境越来越复杂及各类卫星导航干扰技术的长足发展使得卫星导航系统的精密应用面临严峻的挑战。在这些挑战中，最为普遍和典型的就是窄带干扰。窄带干扰限制了接收机的性能。为了提高导航接收机的性能，窄带干扰抑制技术是非常有必要的。现有的窄带干扰抑制技术主要分为时域窄带干扰抑制技术和基于fft/ifft的频域窄带干扰抑制技术。相比而言，时域窄带干扰抑制技术硬件实现复杂度高、收敛时间长等缺点。频域窄带干扰抑制技术的核心是利用数字信号处理技术估计信号的频谱，并在频域遍历所有频点，查找超过门限阈值的干扰频点，并对超过门限的干扰频点进行滤波处理，从而达到有效抑制干扰、保留有用信号的目的。与时域窄带干扰抑制技术相比，频域窄带干扰抑制技术不存在收敛问题，对干扰类型不敏感，干扰探测的灵敏度低。另外，在实际应用场景中，窄带干扰信号并不是一直存在，在干扰信号不存在的情况下，输入数字中频信号如果仍然经过抗干扰模块的进行系列处理，必然会增加接收机的工作功耗。因此，迫切需要一种改进方案，提高干扰信号探测的灵敏度，并且可以自适应的选择抗干扰模块的开启与关闭，实现模块功耗的控制。技术实现要素：本发明解决的问题是现有窄带干扰抑制模块探测灵敏度较低的问题。本发明解决的另一问题是现有窄带干扰抑制模块探测灵敏度较低且功耗较大的问题。为解决上述问题的至少一个，本发明提供一种窄带干扰抑制模块。该抑制模块包括信号变换模块、干扰检测模块和干扰处理模块。所述信号变换模块将接收的中频信号从时域信号变为频域信号。所述干扰检测模块包括非相干累加模块和干扰判断模块，其中，非相干累加模块对所述频域信号执行非相干累加操作以获得包括信号功率的非相干累加结果，所述干扰判断模块对非相干累加结果进行噪声估计以获得噪声估计值，基于噪声估计结果和阈值门限判断所述频域信号是否有干扰，在有干扰的情况下，传输频域信号的干扰频点信息至所述干扰处理模块。所述干扰处理模块在有干扰的情况下，接收所述频域信号并基于所述干扰频点信息对所述频域信号进行干扰抑制处理以消除所述中频信号的干扰。本发明的另一方面还公开一种gnss芯片，该芯片包括前述的模块。本发明的另一方面还公开一种oem板卡，该板卡具有上述窄带干扰抑制模块。本发明的另一方面还公开一种接收机，该接收机具有上述oem板卡。本发明另一方面还提供一种窄带干扰抑制方法，该方法包括如下步骤：将输入的中频信号变换为频域信号；对所述频域信号执行非相干累加操作获得非相干累加结果，对非相干累加结果进行噪声估计以获得噪声估计值，基于噪声估计结果和阈值门限判断所述频域信号是否有干扰，在有干扰的情况下获得干扰频点信息在有干扰的情况下，接收所述频域信号并基于所述干扰频点信息对所述频域信号进行干扰抑制处理以消除所述中频信号中的干扰。与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：本发明通过非相干累加模块对频域信号(也即fft模块的输出)进行非相干累加，通过这种方式，让原本隐藏在噪声之中，峰值不突出的干扰频点经过非相干累加后其频域峰值很突出，有利于提高对弱干扰信号检测的准确度和灵敏度。另外，所述干扰判断模块在噪声估计过程中，阈值门限随非相干结果增大而增大，随非相干结果减小而减小，实现自适应的噪声估计，由此，对于强度、频率不断变化的干扰，能够根据其变化自适应的调整阈值门限，提高弱干扰信号判断的准确度和灵敏度。另一方面，本发明设置bypass通路、干扰控制开关、数据选通开关、定时控制开关和定时模块。通过干扰检测模块输出使能信号控制干扰控制开关和数据选通开关以降低扰检测模块后的所有模块的功耗，在此基础上，增加定时模块、定时控制开关后，基于干扰检测模块输出的使能信号、定时模块的定时时间及其相应控制方式而控制从重叠加窗模块开始整个干扰抑制模块的功耗，使其功耗降低。上述两手段的结合，不仅使得探测灵敏度和准确度高，而且，还能降低干扰抑制模块的功耗。附图说明图1是本发明窄带干扰抑制模块第一实施方式的原理框图；图2是图1的干扰检测模块一种实施方式的处理流程图；图3是图1的干扰检测模块的非相干累加的灵敏度分析示意图；图4是本发明窄带干扰抑制模块第二实施方式的原理框图；图5是图4所示实施方式的干扰判断模块的处理流程图；图6是本发明窄带干扰抑制模块第三实施方式的原理框图；图7是图6所示实施方式的窄带干扰抑制模块的状态转换图；图8是图6所示窄带干扰抑制模块的工作状态时序图；图9是本发明窄带干扰抑制模块第四实施方式的原理框图。具体实施方式为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。请参阅图1，图1是本发明窄带干扰抑制模块的第一实施方式，该实施方式是基于非相干累加的窄带干扰抑制模块。该模块1包括信号变化模块、干扰检测模块13和干扰处理模块14。信号变换模块用于将接收的中频信号变换为频域信号，在本实施方式中包括重叠加窗模块11和fft模块12。所述重叠加窗模块11对输入的中频信号做重叠加窗处理得到加窗信号。所述fft模块12对加窗信号进行fft运算得到频域信号。所述干扰检测模块13包括非相干累加模块131和干扰判断模块132。所述非相干累加模块131对所述频域信号执行非相干累加操作以获得包括信号功率的非相干累加结果，更为具体的，针对频域信号的n点fft结果计算所有频点的信号功率，并进行非相干累加，若非相干累加次数未达到设定次数，则，继续累加直至非相干累加次数达到设定次数，在达到后，传输所有频点的非相干累加结果给所述干扰判断模块。所述干扰判断模块132对非相干累加结果进行噪声估计以获得噪声估计值，基于噪声估计结果和阈值门限判断所述频域信号是否有干扰，在有干扰的情况下，传输频域信号的干扰频点信息至所述干扰处理模块14。请参阅图2并结合图1详细说明本实施方式的干扰检测模块13，特别是非相干累加模块131的工作过程如下：1.非相干累加参数初始化，非相干累加次数n初始化为0，非相干累加结果pnc初始化为0：2.对fft模块12输出的频域信号的n点fft结果计算每个频点的信号功率p：p＝[p(i)]3.非相干累加，同时，更新非相干累加结果pnc和非相干次数n；4.判断非相干累加次数n是否达到设定次数nnc，若不超过，则回到2，等待下一次fft结果；5.如果非相干累加次数n达到设定次数nnc，则传输非相干累加结果给所述干扰判断模块132。干扰判断模块132对非相干累加结果pnc做噪声估计；6.对非相干累加结果pnc频点，干扰判断模块132结合估计噪声检测干扰频点，以获得噪声估计值，基于噪声估计结果和阈值门限判断所述频域信号是否有干扰，在有干扰的情况下，传输频域信号的干扰频点信息至所述干扰处理模块14。判断干扰的方法可以采用现有技术，在此不再赘述，也可以采用如第二实施方式所述的方法。请继续参阅图1，干扰处理模块14在有干扰的情况下，接收所述频域信号并基于所述干扰频点信息对所述频域信号进行干扰抑制以消除所述中频信号的干扰。在本实施方式中，所述干扰处理模块14包括干扰抑制模块141、ifft模块142、反加窗模块143和去重叠处理模块144。所述干扰抑制模块141在有干扰的情况下基于来自干扰判断模块132的干扰频点信息对接收的中频信号进行干扰抑制处理以得到干扰抑制后的频域信号。所述ifft模块142将干扰抑制后的频域信号经过ifft变换到时域。所述反加窗模块143对时域信号进行反加窗函数处理。所述去重叠处理模块144对经过反加窗处理的时域信号进行去重叠处理，最终得到消除干扰的中频信号。请参阅图3，本实施方式的干扰检测模块主要采用频域信号非相干累加算法进行干扰频点检测。非相干累加让原本隐藏在噪声之中，峰值不突出的干扰频点，经过非相干累加之后，使得干扰频点峰值突出，有利于提高对弱干扰信号检测的准确度和灵敏度。具体的，如图3中的3a～3c所示，经过fft变换后，对于频域峰值并不是非常明显的频点f1和f2，由于干扰信号与噪声均值的比值不突出，很难被检测成干扰频点。但是，经过若干次非相干积分累加(3a+3b+3c+……)，干扰频点的能量会逐渐凸显出来，如图3d所示，若干次非相干积分累加后频点f1和f2的值大于阈值，从而被检测出来。在一定程度上，伴随非相干积分累加次数的增加，干扰信号检测灵敏度越好，但是当非相干累加次数过度增加，干扰信号检测的灵敏度上升有限，当非相干积分累加次数为1次的时候，则退化成最简单的干扰检测器，对干扰信号检测的灵敏度最弱。所以，在实际应用中，非相干累加的设定次数为16～64，比如1、2、5、7、11、15、16、18、20、25、27、29、35、39、43、48、52、55、57、59、61、63、64等。请参阅图4，本发明窄带干扰抑制模块的第二实施方式中，所述干扰判断模块132包括噪声估计模块1321和干扰频点判断模块1322。噪声估计模块1321采用自适应的方法来做噪声能量估计，从而，根据估计的噪声能量计算出阈值门限，也就是所述干扰判断模块的阈值门限随非相干结果增大而增大，随非相干结果减小而减小，更为具体的，所述噪声估计模块1321接收所述非相干累加模块的非相干累加结果，在该频点是干扰频点的情况下累加上次的噪声估计值而得到当前噪声估计值，在该频点不是干扰频点的情况下累加该频点的信号功率而得到当前噪声估计值，在所有频点累加完成后，计算噪声估计值的均值，基于该均值更新所述阈值门限。所述干扰频点判断模块对每一个频点的非相干功率与所述阈值门限进行比较，在该频点的所述信号功率大于所述阈值门限的情况下，判定该频点存在干扰并更新所述干扰频点信息，反之，该频点无干扰并更新干扰频点信息。采用上述噪声估计模块1321后，对于强度、频率不断变化的干扰，也能根据其变化自动调整阈值门限，从而，确保探测的准确度，特别的，在和非相干累加模块131一起使用的情况下，不仅能提高灵敏度，也能确保探测的准确度。请参阅图5并结合图4，上述干扰判断模块132的工作流程如下：1.输入频域信号经过非相干累加后的非相干累加结果pnc，初始化干扰判断阈值t，和噪声估计值nacc；2.判断第i个频点是否在带内，是带内频点则转到3，不是带内频点则i＝i+1继续判断下一个频点；3.继续判断第i个频点是否是干扰频点，如果不是干扰频点则累加该频点信号功率pnc(i)，如果是干扰频点则累加上次噪声估计值4.判断所有n个频点是否累加完毕，如果累加完毕，则继续5，否则跳回2，i＝i+1继续判断下一个频点；5.当所有n个频点累加完毕后，求噪声估计值的均值(当前噪声估计值)nmean；nmean＝nacc/n6.噪声估计模块1321对当前噪声估计值做平滑滤波处理；k为常数7.更新上次估计噪声值8.对估计噪声乘以指定系数更新阈值门限t。t＝r*nfilter,r为常数上述两实施方式虽然大幅度提高了干扰抑制模块对干扰信号的检测灵敏度，但是，干扰抑制模块的功耗相对较大，特别是干扰抑制模块在常开的情况下，将会大大占用整个导航接收机模块的硬件资源，为了解决这个问题，本发明还提出两种方式控制硬件功耗。方式一：控制从信号变换模块(重叠加窗模块)开始整个干扰抑制模块所有硬件模块的功耗，这样，在没有干扰时，整个干扰抑制模块都不用打开，干扰抑制模块的功耗可以忽略不计；方式二：控制干扰检测模块后所有工作模块的功耗，这样，使得干扰抑制模块仅在有干扰时才将后续模块打开，从而，降低功耗。请参阅图6，图6作为本发明的降低功耗的第一实施方式，在该实施方式中，该干扰抑制模块包括干扰控制开关k1、数据选通开关k2、定时控制开关k3和定时模块15。干扰控制开关k1默认状态为断开，只受干扰检测模块13的干扰使能信号控制，在干扰使能信号有效的情况下闭合，在干扰使能信号无效的情况下断开。数据选通开关k2默认状态为连接到bypass通路，也只受干扰检测模块13输出的选通使能信号控制，在有干扰的情况下，选通使能信号有效而使得数据选通开关连通到干扰处理模块14的输出端，从b点输出干扰抑制后的中频信号，在无干扰的情况下，选通使能信号无效而使得数据选通开关k3连通到a点而使得中频信号从bypass通路输出。所述定时模块15每隔预设时间间隔输出的定时使能信号有效。定时控制开关k3的默认状态是断开状态，受定时模块15和干扰检测模块13输出的使能信号共同控制，具体的，所述定时控制开关k3仅在无干扰且闭合的时间间隔未达到预设时间间隔的情况下断开，在断开的情况下，中频信号经过所述bypass通路处理后输出，反之，该定时控制开关闭合，在该定时开关闭合的情况下，中频信号传输给所述信号变换模块，定时控制开关k3的闭合/断开控制如下表所示：表1.定时控制开关k3的导通/断开控制定时模块输出干扰检测模块输出k3的状态1enable导通1disable导通0enable导通0disable断开从上述表一可以看出，所述定时控制开关k3仅在无干扰且闭合的时间间隔未达到预设时间间隔的情况下断开，中频信号经过所述bypass通路处理后输出，反之，该定时控制开关闭合，在闭合的情况下，传输中频信号给信号变换模块。更为具体的，所述干扰检测模块在判断中频信号有干扰的情况下，输出的干扰使能信号有效并将干扰频点信息传输给干扰抑制模块141，所述定时模块在记录的时间间隔达到预设时间的情况下输出的定时使能信号有效，所述定时控制开关在干扰使能信号有效和定时使能信号有效的情况下闭合；或者，所述干扰检测模块在无干扰的情况下输出的干扰使能信号无效，所述定时控制开关在该干扰使能信号无效和定时使能信号有效的的情况下下闭合；或者，所述定时模块在记录的时间未达到预设时间间隔的情况下输出的定时使能信号无效，所述干扰检测模块在无干扰的情况下输出的干扰使能信号无效，所述定时控制开关在该定时使能信号无效和干扰使能信号无效的的情况下断开；或者，所述定时模块在记录的时间未达到预设时间间隔的情况下输出的定时使能信号无效，所述干扰模块在有干扰的情况下输出的干扰使能信号有效，所述定时控制开关在该干扰使能信号有效和定时使能信号无效的情况下闭合。请参阅图6和图7，在图6中，干扰抑制模块有两条数据通路，分别为bypass通路和干扰抑制通路。bypass通路是指输入中频信号数据不经过干扰抑制模块的任何模块处理，直接输出的数据通路；干扰抑制通路是指输入中频信号数据经过干扰抑制的所有模块处理后输出的数据通路，至少包括信号变换模块、干扰检测模块和干扰处理模块。干扰抑制模块的输入中频信号数据被复制成两份，分别经过这两条通路，而且这两条通路具有相同的延迟，所以在数据选通开关k2切换的时候整个模块输出的数据是完全无缝连接的去干扰的中频信号数据。这两条数据通路在干扰控制开关k1、数据选通开关k2、定时控制开关k3的控制之下，整个模块可以处于bypass状态、detector状态或者cwi状态，如图7所示。bypass状态是指输入中频信号数据不经过任何干扰抑制模块处理，直接经过bypass通路后输出的模块状态；detector状态是指输入中频信号数据到达干扰检测模块，开始启动干扰检测功能，在干扰还没有被检测到的情况下，中频信号数据还是经过bypass通路输出的模块状态；cwi状态是指输入中频信号数据经过干扰检测模块后再经过干扰抑制滤波模块，最后经过去重叠处理模块，数据经过干扰抑制通路输出的模块状态。请继续参阅图7并结合图6和图8，干扰抑制模块在工作过程中，会通过图6中的三个开关来控制模块工作状态的转换。三种工作状态的转换流程如下：第一步，模块开机后，定时控制开关k3和干扰控制开关k1断开，数据选通开关k2向a端点导通，数字中频信号数据经过bypass通路输出，模块处于bypass状态，持续一段时间后，进入下一步；第二步，经过一段时间后，定时控制开关k3导通，干扰控制开关k1依然断开，数据选通开关k2向a端点导通，数字中频信号数据到达干扰检测模块13，干扰检测模块13开启，模块处于detector状态，detector状态是模块的过度状态，当没有检测到干扰时，模块恢复到bypass状态，从第一步继续循环，当模块检测到干扰时，模块开始进入cwi状态；第三步，定时控制开关k3和干扰控制开关k1导通，且数据选通开关k2向b端点导通，模块处于cwi状态，如果干扰检测模块检测不到干扰的次数超过预先设定的阈值时，模块恢复到bypass状态，从第一步继续循环，否则模块维持在cwi状态。根据三种状态下干扰抑制模块各模块的运作情况，不同的工作状态，模块的功耗相差很大，功耗从小到大依次为bypass状态、detector状态、cwi状态，其中bypass状态下的干扰抑制模块功耗可以忽略不计，cwi状态下的干扰抑制模块功耗最大，detector状态下的功耗介于两者之间。请参阅图9，图9是本发明功耗控制的第二实施方式，与前述相同的工作过程等不再赘述，不同之处详细叙述如下：干扰控制开关k1的默认状态为断开。数据选通开关k2的默认状态是连通bypass通路。在fft模块处理得到的频域信号先传输给非相干累加模块131。经过非相干累加后传输给干扰判断模块132。干扰判断模块132判断非相干累加结果是否有干扰。在没有干扰的情况下，干扰检测模块13的干扰判断模块132产生的无效的干扰使能信号disable及无效的选通使能信号disable。干扰控制开关k1在该无效的使能信号的控制下断开。数据选通开关k2在该选通无效的使能信号disable的控制下连通bypass通路。在有干扰的情况下，干扰判断模块132产生有效的干扰使能信号和有效的选通使能信号，同时传输干扰频点信息给干扰抑制模块141。干扰控制开关k1在有效的干扰使能信号enable的控制下闭合。数据选通开关k3在有效的选通使能信号enable的控制下连接到干扰处理模块14的输出端。频域信号在干扰控制开关k1闭合的情况下传输给干扰抑制模块141。干扰抑制模块141基于来自干扰检测模块13的干扰判断模块132的干扰频点信息进行干扰抑制处理。ifft模块142、反加窗模块143和去重叠处理模块144的工作过程如前所述，在此不再赘述。请参阅图8并结合图6、图7和图9，上述两种方式的功耗分析如下：两种功耗控制方式导致了模块处于三种不同的工作状态，当模块处于某个复杂的干扰环境之下时，模块通过功耗不同的三种工作状态的切换来使模块的总功耗达到最优，如图8所示。首先，模块开机，初始化为bypass状态，定时控制模块控制开关k3每隔预设时间间隔t1秒导通，模块开始进入detector状态，持续时间t2秒，干扰检测模块检测有无干扰，如果没有干扰，干扰检测模块输出disable信号而使得开关k1和开关k3断开，恢复bypass状态，开关k3继续等待下一个预设时间间隔导通。在图6中，前4个时间间隔内导通开关k3后，均没有检测到干扰。在第5个时间间隔，定时控制模块导通开关k3后，干扰检测模块检测到干扰，模块进入cwi状态。这个过程中的功耗为p1＝5*t1*pb+4*t2*pd；其中pb为模块bypass状态功耗，pd为模块detector状态功耗。其次，由于开关k3的导通，模块处于cwi状态持续时间为t2秒，干扰检测模块持续检测被输入的中频数据，直到连续检测不到干扰的次数超过预先设定的阈值时，干扰检测模块控制开关k1和k3断开，重新回到bypass状态。在这个过程中的功耗为p2＝t3*pc；其中pc为模块cwi状态下功耗。最后，模块重新回到bypass状态后，开关k3继续等待下一个时间间隔的到来导通，使模块进入detector状态，干扰检测模块重新检测干扰是否存在，继续上述过程，如此循环。所以整个模块的功耗可以表示为p＝p1+p2+…；一方面，由于bypass状态的干扰抑制模块的功耗pb可以忽略不计，另一方面，detector状态持续时间t2相比较模块整个工作时间长度而言可以忽略不计，所以最后模块的功耗可以近似于cwi状态的功耗：p≈p2；即模块所有功耗用在了干扰抑制的目的上，没有干扰的时候，模块几乎不用产生功耗，从而达到了干扰抑制模块功耗控制的目的。当前第1页12