一種單頻幹擾檢測和消除的方法及其裝置的製作方法
2023-12-11 17:01:47 2
專利名稱：一種單頻幹擾檢測和消除的方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及通信領域中的單頻幹擾檢測及消除技術，具體涉及了一種頻域單頻幹擾檢測及時域陷波單頻幹擾消除的方法，及一種頻域單頻幹擾檢測及時域陷波單頻幹擾消除的裝置。
背景技術：
在傳輸介質中，多種系統及設備間發射的信號混雜在一起，若某個通信系統的傳輸帶寬內混雜了其它系統或設備產生的單ー頻率的信號，則該單頻信號即是對該通信系統的單頻幹擾。若單頻幹擾的功率較大，通信系統的同步以及信道估計等將受到較大影響。仿真及系統測試證明，通信系統的傳輸速率因單頻幹擾的影響而顯著下降，需要採用合適的方法檢測及消除單頻幹擾。根據處理域的不同，單頻幹擾消除方法可以分為變換域消除方法和時域消除方法兩大類。在變換域消除方法中，最常用的變換是傅立葉變換，其利用傅立葉變換將時域信號變換成頻域信號，並在頻域上檢測和消除單頻幹擾信號，最後再利用反傅立葉變換將頻域信號變換為時域信號。變換域方法的主要缺點在幹，需先將時域信號變換到變換域，處理之後再變換回時域，該過程中使用的變換和逆變換方法通常較複雜，實現複雜度和硬體資源開銷較大。時域單頻幹擾消除方法所採用的幹擾檢測方法主要有兩種第一，可利用自適應濾波的方法對單頻幹擾信號進行預測或估計；第二，在頻域估計單頻幹擾信號所在的頻率。完成對單頻幹擾信號的估計或檢測後，可在時域進行幹擾消除。對於自適應濾波檢測方法，可根據對幹擾信號的估計結果進行幹擾對消，從而恢復出原始信號。對於頻域檢測方法，通常在時域利用陷波濾波器濾除幹擾信號。這兩種方法中，後者的實現複雜度低於前者。如圖I所示，是現有的頻域檢測時域消除單頻幹擾方法結構圖，頻域檢測時域濾波的方法的具體處理過程為先利用FFT (Fast Fourier Transform，快速傅立葉變換)將時域信號變換成頻域信號；當單頻幹擾信號的功率相對於有用信號的功率達到一定程度時，其在頻域上單頻頻率處的響應會出現ー個峰值，通過檢測頻域信號的峰值的位置就可以得知單頻幹擾信號的頻率；最後利用在該頻率處陷波的濾波器就可以濾除單頻幹擾信號。但是，通信系統中存在的單頻幹擾信號的頻率不是固定的常數，因此濾波器的阻帶頻率範圍需要跟隨單頻幹擾信號的頻率變化而改變，也即需要用不同係數的濾波器進行陷波。現有的利用濾波器陷波來消除單頻幹擾的算法，基本都是根據單頻幹擾信號的頻率自適應地計算濾波器係數，其實現複雜度過高且硬體資源消耗過多，從而難以實現。此外，現有頻域單頻幹擾檢測方法採用FFT進行時頻域變換，實現複雜度也較高，大大增加了系統的硬體資源開銷。
發明內容
本發明提出一種低複雜度的頻域單頻幹擾檢測及時域陷波單頻幹擾消除的方法。為了克服現有時域單頻幹擾消除方法中因自適應計算濾波器係數而造成的實現複雜度過高的缺點，本發明採用了固定係數的陷波濾波器。為了達到濾除單頻幹擾信號的目的，本發明根據檢測出的單頻信號的頻率，將時域信號的頻譜整體搬移，使得單頻幹擾信號的頻率經過搬移後包含在濾波器阻帶頻率範圍內。頻譜搬移後的時域信號經過固定係數的濾波器消除單頻幹擾信號後，再將其頻譜搬移回到原來的頻帶，得到消除單頻幹擾後的信號。此外，本發明還優化了頻域單頻幹擾檢測方法中的時頻域變換方法。考慮到在一段時間內，系統中存在的單頻幹擾信號功率幾乎不發生變化，所以不需要對輸入時域信號進行實時的傅立葉變換。與普通的FFT算法用ー個FFT塊內的時域信號得到所有頻域信號不同的是，本發明每次用I個FFT塊內的時域 信號計算I個頻域信號，通過多個FFT塊的時域信號得到完整的頻域信號。該方法僅需ー個複數乘加器即可實現，實現複雜度遠低於FFT。同吋，為保證用不同FFT塊的時域信號進行FFT得到的頻域功率譜的穩定性和可靠性，本發明增加了功率檢測功能。當輸入信號的功率經過檢測進入穩定狀態後才進行單頻幹擾判決，從而降低了因輸入信號功率變化而導致的單頻幹擾檢測錯誤概率。本發明提出的一種頻域單頻幹擾檢測和時域單頻幹擾消除的方法，其步驟為I)將時域輸入信號Xin(n)劃分為多組，每組長度均為N，根據每N組信號得到所述輸入信號帶寬內N個頻點上頻域信號X(k)，其中，O彡k彡N-I ;2)根據所述步驟I)中頻域信號x(k)得到頻域信號模方值|x(k) I2，並計算出每N個模方值中的最大值Pmax,記錄所述模方最大值Pmax在N個值中的位置L，設所述位置L對應的頻率為fsinか—frai;同時計算N個模方值的平均值pavOTa雙，設定單頻幹擾判決閥值為pthMS，；3)根據步驟I)、2)中所述最大模方值Pmax、平均模方值Pavwa雙以及設定的單頻幹擾判決閾值Ptos，檢測輸入信號Xin (η)帶寬內是否存在單頻幹擾信號，若沒有檢測出單頻幹擾信號則輸出信號(η)為輸入信號Xin(η)若檢測到單頻幹擾信號則進入步驟4)；4)根據所述單頻幹擾信號的頻率fsinかfM1計算單頻幹擾消除時的移頻參數值
fshift ;5)根據步驟4)中所述移頻參數值fshift對輸入信號Xin(η)的頻譜進行整體搬移，使單頻幹擾所在頻率處於陷波濾波器阻帶頻率範圍內，得到移頻後信號xshift(n)；6)對5)中移頻後的信號xshift(n)利用固定係數陷波濾波器濾除單頻幹擾，得到濾
波後的信號 Xfilter (η) 7)根據步驟4)所述的移頻參數值fshift將6)中的信號xfiltOT(n)的頻譜整體搬移回原信號頻帶，完成單頻幹擾的消除，經過選擇器輸出得到消除單頻幹擾後的信號Xwt(H)。所述選擇器的作用是如果輸入信號中存在單頻幹擾，則輸出信號Xwt (η)為Xfiltw (η)經過移頻回原信號頻帶的信號；若不存在單頻幹擾，則輸出信號XUt (η)為輸入信號Xin(η)，即不做任何操作直接將輸入信號輸出。所述步驟I)中，根據第k組N個時域信號計算頻域信號x(k)的方法為，採用但不限於DFT (離散傅立葉變換)算法，DFT (離散傅立葉變換)的計算公式為
J\[—\~ J 7Τ ΚX{k) = y'xm(n)-e N ;其中，0<k；^N-l
n=0其中，計算第k個頻點上頻域信號x(k)的過程為對第k組N個輸入信號與計算第k個頻點的N個係數^進行點乘，並對點乘結果求和後得到X (k)，即每N2個輸入信號xin (η)得到ー組N個頻域信號X (k)。
所述步驟I)中，N為自然數，N值越大，則f越小，其中，fs是輸入信號xin(n)的採
樣頻率，即FFT後的頻域解析度越高，則檢測單頻幹擾頻率的精度越高。更進一歩，所述步驟2)中，每N個模方值中的最大值所在的位置L的計算方法為設每N個模方值中的最大值為pmax = |X(L) I2，則最大值所在位置為し更進一歩，所述步驟2)中，設輸入信號Xin(n)的採樣頻率是ち，則位置L對應的頻
率的計算公式為ZsmgOg =〔1 -'—咬。更進一歩，所述步驟3)中，檢測輸入信號Xin(η)中是否存在單頻幹擾的方法為當連續多個最大模方值Pmax超過單頻幹擾判決閾值Pthres且最大模方值所在的位置L不變吋， 則判決輸入信號Xin(η)中存在單頻幹擾信號；否則，判決為不存在單頻信號。所述步驟5)中所述陷波濾波器阻帶頻率範圍為[fstpl，fstop2]，為使單頻幹擾信號的頻率經過搬移後落在濾波器阻帶頻率範圍內，則xfiltOT (η)應滿足fshift+fshift—一 e (fstopl,fStop2)的條件。更進一歩，所述步驟5)中根據fshift對輸入信號Xin(η)的頻譜整體搬移的計算公式為^^) = ' ;27^於，其中，4是輸入信號Xin⑷的採樣頻率，所述步驟5)中根
據f—將信號xfilte>)的頻譜整體搬移回原頻帶的方法為:xout{n) = xfilter{xW27Cf-nA，其中，fs是輸入信號Xin(H)的採樣頻率。本發明還包括一種在頻域進行單頻幹擾檢測和時域進行單頻幹擾消除的裝置，包括串行DFT(離散傅立葉變換)模塊、計算模方值模塊、判決模塊、計算移頻大小模塊、濾波器模塊和移頻模塊，其中，串行DFT(離散傅立葉變換)模塊，用於將時域輸入信號xin(η)變換成頻域信號x(k)；計算模方值模塊，用於計算頻域信號x(k)的模方值，確定每N個模方值中的最大值P_及其所在的位置し，並計算每N個模方值的平均值Paraage ；判決模塊，根據pmax及Pavera雙判斷輸入信號Xin(η)中是否存在單頻幹擾信號；計算移頻大小模塊，用於計算使單頻幹擾信號的頻率經過搬移後落在濾波器阻帶頻率範圍內的移頻值fshift ;移頻模塊，用於將輸入信號Xin(η)的頻譜整體搬移fshift，得到信號xshift(n)，或用於將信號Xfilto (η)的頻譜整體搬移-fshift，得到消除單頻幹擾後的信號XUt (η)；濾波器模塊，用於濾除信號Xshift(η)中的單頻幹擾，得到信號Xfilto(H)。當連續多個模方平均值Pavwage變化不大時,則代表輸入信號xin(η)的功率達到穩定，此時開始判決是否存在單頻幹擾信號；否則，需等待至輸入信號功率穩定後進行判決，以減少單頻幹擾檢測的錯誤概率。單頻幹擾判決閾值Pthres的選取方法如下首先，確定系統中不消除單頻幹擾信號時可容忍的有用信號功率與單頻信號功率的最小比值；然後，根據輸入信號Xin(η)的功率及前述比值，計算必須進行單頻幹擾消除的最小單頻幹擾信號功率，即單頻幹擾判決閾值Pthres0為了降低單頻幹擾檢測的虛警概率，僅當連續多個最大模方值Pmax超過單頻幹擾判決閾值Pthres且最大模方值所在的位置L不變時才判決存在單頻幹擾，該次數可根據系統需要滿足的判決虛警概率及可容忍的單頻檢測時間來決定。次數越多，則判決虛警概率越低，單頻檢測時間越長。本發明不對所述濾波器的設計進行限制。在濾波器頻譜模板中，濾波器的阻帶中心頻率可以根據系統工作的頻帶範圍進行設定。濾波器阻帶頻率範圍越小，且濾波器過渡帶越窄，則單頻信號頻率附近受影響的頻帶越小，系統傳輸效率損失越低，但所需濾波器級數越多。因此阻帶頻率範圍及過渡帶大小應根據系統所需性能與硬體資源消耗折中選擇。在濾波器模型方面，希望濾波器滾降較快，通帶內的頻譜平坦，因此需綜合考慮這兩點選取濾波器實現模型。本發明的有益效果I.本發明提出的頻域單頻幹擾檢測方法採用了串行DFT方法將時域信號變換至頻域，相比其它檢測方法通常採用的FFT實現方法節約了大量硬體資源。此外，本發明根據頻域信號平均功率判斷頻域功率譜的穩定性，並在頻域功率譜穩定後進行單頻幹擾判決，大大提高了單頻幹擾檢測的準確性。2.本發明提出的時域單頻幹擾消除方法在時域陷波時採用固定係數的濾波器，並將輸入信號移頻至單頻幹擾信號落入濾波器阻帶範圍，從而無須根據單頻幹擾頻率實時計算濾波器係數。相比於現有的自適應計算濾波器係數的方法，大大減少了算法的實現複雜度。
圖I現有的頻域檢測時域消除單頻幹擾方法結構圖；圖2本發明的單頻幹擾檢測及消除方法結構圖；圖3本發明提出的串行DFT(離散傅立葉變換)模塊結構圖。
具體實施例方式下面列舉本發明的I個具體實施例，但本發明的技術方案並不限於此，任何本領域技術人員均可在不違背本發明的技術原理下，依照本發明的權利要求所做的等同變換都屬於本發明的保護範圍。在圖2中，串行DFT (離散傅立葉變換)模塊(如圖3所示的串行模塊結構)，用於將時域輸入信號Xin(η)變換成頻域信號X(k);計算模方值模塊，用於計算頻域信號x(k)的模方值，確定每N個模方值中的最大值Pmax及其所在的位置L，並計算每N個模方值的平均值P—;判決模塊，根據Pmax及P 判斷輸入信號Xin(n)中是否存在單頻幹擾信號；計算移頻大小模塊，用於計算使單頻幹擾信號的頻率經過搬移後落在濾波器阻帶頻率範圍內的移頻值fshift ;移頻模塊，用於將輸入信號Xin(η)的頻譜整體搬移fshift，得到信號xshift(n)，或用於將信號Xfilto (η)的頻譜整體搬移_fshift，得到消除單頻幹擾後的信號XUt (η);濾波器模塊，用於濾除信號Xshift(η)中的單頻幹擾，得到信號Xfiltw(η)。例I :設輸入信號Xin(η)的採樣頻率fs = 16MHZ，阻帶濾波器阻帶頻率範圍為、\%-^-\mhz\%+^- \MHZ。
I 256 J { 256 J
a)在串行DFT模塊中將時域輸入信號xin(n)進行串行DFT，變換成頻域信號x (k)，DFT長度為N = 256。計算過程為依據公式り=w—，用xin(0)，xin(l)，
M=O
Kxin(255)計算出X(O)，再用Xin(256)，Xin(257)，Kxin(511)計算出x⑴，以此類推。當用2562個輸入信號xin (η)得到256個頻域信號x(k)時，完成了ー組DFT，頻域信號進入計算模方值模塊；b)計算a)中頻域信號x(k)的模方值|x(k) I2，找出每256個模方值中最大的模方值Pmax及其所在的位置L，並計算256個模方值的平均值Paverage,則與位置L相對應的頻 率/smgfc _=(レ 128)^MHZ，其中，Le
；c)在判決模塊中根據b)中最大模方值Pmax、平均模方值Pavwagei以及設定的閾值PthMS，判決是否有單頻幹擾信號；d)若c)中判決存在單頻信號，根據單頻幹擾信號的頻率fsinか—frai計算移頻大小fshift，取/# = ·ΗΖ - Jsmgle freq = (256 - L)吾MHZ。e)若c)中判決存在單頻信號，移頻模塊I根據fshift將輸入信號Xin(η)的頻譜進行整體搬移，X# (n\ = xm (η)^2πη{256^。此吋，單頻幹擾信號的頻率經過搬移後落在濾波
器阻帶頻率範圍內，即/# +/smgfc—/叫e[U-^MHZ^ + ^MHZ\ ；f)若c)中判決存在單頻信號，對e)中移頻後的信號Xshift(η)利用所述規定了阻帶頻率範圍的帶阻濾波器進行單頻幹擾消除，在濾波器模塊中得到無單頻幹擾的信號
Xfilter、打ノ ；g)若c)中判決存在單頻信號，移頻模塊2根據fshift對f)中信號Xfilter(H)的頻譜進行整體搬移，得到消除單頻幹擾後的信號X- = Xfilter [n)^ —;2Λ(256—%56 ；h)若c)中判決不存在單頻信號，則不進行單頻幹擾消除，輸出信號Xwt (η)等於輸入信號xin (η)。
權利要求
1.一種單頻幹擾檢測和消除的方法，其步驟為 1)將時域輸入信號Xin(η)劃分為多組，每組長度均為N，根據每N組信號得到所述輸入信號帶寬內N個頻點上頻域信號X (k)，其中，O彡k彡N-I ; 2)根據所述步驟I)中頻域信號x(k)得到頻域信號模方值|x(k)I2，並計算出每N個模方值中的最大值Pmax,記錄所述模方最大值Pmax在N個值中的位置L，設所述位置L對應的頻率為fsingle—fM1 ;同時計算N個模方值的平均值pavOTa…設定單頻幹擾判決閥值為Pthres,； 3)根據步驟1)、2)中所述最大模方值Pmax、平均模方值Paraage以及設定的單頻幹擾判決閾值Pthres,檢測輸入信號xin(n)帶寬內是否存在單頻幹擾信號，若沒有檢測出單頻幹擾信號則輸出信號XUt (η)為輸入信號Xin(η);若檢測到單頻幹擾信號則進入步驟4)； 4)根據所述單頻幹擾信號的頻率fsingle—一計算單頻幹擾消除時的移頻參數值fshift; 5)根據步驟4)中所述移頻參數值4_,對輸入信號^11(11)的頻譜進行整體搬移，得到移頻後信號Xshift (η)； 6)對5)中移頻後的信號^^_)利用固定係數濾波器濾除單頻幹擾，得到濾波後的信ilter (η)7)根據步驟4)所述的移頻參數值fshift將6)中的濾波後信號Xfilto(η)的頻譜搬移回原信號頻帶，完成單頻幹擾的消除。
2.如權利要求I所述的單頻幹擾檢測和消除的方法，其特徵在於，步驟I)中根據第k組N個時域信號計算頻域信號X (k)的方法為DFT (離散傅立葉變換)，所述DFT (離散傅立葉變換)的計算公式為
3.如權利要求I所述的單頻幹擾檢測和消除的方法，其特徵在於，所述步驟I)中，N為自然數，N值越大，則I越小，其中，fs是輸入信號Xin(η)的採樣頻率，即FFT後的頻域解析度越高，則檢測單頻幹擾頻率的精度越高。
4.如權利要求I所述的單頻幹擾檢測和消除的方法，其特徵在於，步驟2)中每N個模方值中的最大值所在的位置L的計算方法為設每N個模方值中的最大值為Pmax= |X(L) I2，則最大值所在位置為L。
5.如權利要求I所述的單頻幹擾檢測和消除的方法，其特徵在於，所述步驟2)中，設輸入信號Xin(η)的採樣頻率是fs，則位置L對應的頻率的計算公式為/smgfc—_
6.如權利要求I所述的單頻幹擾檢測和消除的方法，其特徵在於，所述步驟3)中，檢測輸入信號Xin(H)中是否存在單頻幹擾的方法為:當連續多個最大模方值Pmax超過單頻幹擾判決閾值Pttoes且最大模方值所在的位置L不變時，則判決輸入信號Xin(η)中存在單頻幹擾信號；否則，判決為不存在單頻信號。
7.如權利要求I所述的單頻幹擾檢測和消除的方法，其特徵在於，所述步驟5)中所述濾波器阻帶頻率範圍為[fstopl，fstp2]，為使單頻幹擾信號的頻率經過搬移後落在濾波器阻帶頻率範圍內，則 Xfilter (η)應滿足 fshift+f shift. _freq e (f stopl ^ f Stop2)的條件。
8.如權利要求I所述的單頻幹擾檢測和消除的方法，其特徵在於，所述步驟5)中根據fshift對輸入信號Xin(H)的頻譜整體搬移的計算方法為
9.一種在頻域進行單頻幹擾檢測和時域進行單頻幹擾消除的裝置，包括串行DFT(離散傅立葉變換)模塊、計算模方值模塊、判決模塊、計算移頻大小模塊、濾波器模塊和移頻模塊，其中， 串行DFT(離散傅立葉變換)模塊，用於將時域輸入信號^>)變換成頻域信號x(k)；計算模方值模塊，用於計算頻域信號X (k)的模方值，確定每N個模方值中的最大值Pmax及其所在的位置L，並計算每N個模方值的平均值Paverage ； 判決模塊，根據Pmax及pavCTage判斷輸入信號Xin(η)中是否存在單頻幹擾信號； 計算移頻大小模塊，用於計算使單頻幹擾信號的頻率經過搬移後落在濾波器陽帶頻率範圍內的移頻值fshift ； 濾波器模塊，用於濾除信號Xshift (η)中的單頻幹擾，得到信號Xflite(η)； 移頻模塊，用於將輸入信號Xin(η)的頻譜整體搬移fshift，得到信號xshift(n)，或用於將信號xfiltCT(n)的頻譜整體搬移_fshift，得到消除單頻幹擾後的信號χ_(η)。
全文摘要
本發明涉及單頻幹擾檢測和擾消除的方法，通過設置串行DFT模塊簡化了時域輸入信號變化為頻域輸入信號，相比其它檢測方法通常採用的FFT實現方法節約了大量硬體資源。在消除單頻信號幹擾時用輸入信號移頻並使用固定係數的濾波器方法替代自適應濾波器方法。本發明還公開了一種單頻幹擾檢測和消除的系統，該系統包括，串行DFT(離散傅立葉變換)模塊、計算模方值模塊、判決模塊、計算移頻大小模塊、陷波濾波器模塊和移頻模塊。其中，串行DFT(離散傅立葉變換)模塊用於將時域輸入信號xin(n)變換成頻域信號x(k)；濾波器模塊用於濾除信號xshift(n)中的單頻幹擾，得到信號xfilter(n)。
文檔編號H04L25/03GK102664843SQ20121010211
公開日2012年9月12日 申請日期2012年4月9日 優先權日2012年3月2日
發明者才宇, 李鬥, 李紅濱, 趙玉萍, 趙輝 申請人:北京三梯通網絡技術有限公司, 北京大學