本發(fā)明涉及衛(wèi)星導(dǎo)航、語(yǔ)音處理、通道均衡等寬帶信號(hào)抗干擾處理領(lǐng)域，特別是涉及一種基于陣列抗干擾方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1)自適應(yīng)濾波算法：

自適應(yīng)濾波算法在60年代以后才出現(xiàn)，且發(fā)展很快。自適應(yīng)濾波的概念是從仿生學(xué)中引伸出來(lái)的，生物能以各種有效的方式適應(yīng)生存環(huán)境，生命力極強(qiáng)。自適應(yīng)濾波算法的原理是利用前一時(shí)刻已獲得的濾波器參數(shù)等結(jié)果，自動(dòng)地調(diào)節(jié)現(xiàn)時(shí)刻的濾波器參數(shù)，以適應(yīng)信號(hào)與噪聲未知的或隨時(shí)間變化的統(tǒng)計(jì)特性，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)濾波。當(dāng)前比較主流的自適應(yīng)濾波方法包含LMS、RLS、DMI等。

LMS：最小均方誤差。其原理是用統(tǒng)計(jì)方法，大量數(shù)求平均，提出均方誤差最小準(zhǔn)則，即輸出信號(hào)與進(jìn)行信號(hào)之間誤差最小。定義為：

(1)自適應(yīng)濾波器的h(n)單位脈沖響應(yīng)受ε(n)誤差信號(hào)控制；

(2)根據(jù)ε(n)的值而自動(dòng)調(diào)節(jié)，使之適合下一刻(n+1)的輸入x(n+1)，以使輸出y(n+1)更接近于所期望的響應(yīng)d(n+1),直至均方誤差E[ε²(n)]達(dá)到最小值；

(3)y(n)最佳地逼近d(n)，系統(tǒng)完全適應(yīng)了所加入的兩個(gè)外來(lái)信號(hào)，即外界環(huán)境。

DMI：直接矩陣求逆算法。

該算法以參考信號(hào)與加權(quán)后的陣列輸出的均方誤差最小為優(yōu)化目標(biāo)，根據(jù)該系統(tǒng)的輸入和輸出來(lái)調(diào)節(jié)陣列的權(quán)矢量。算法設(shè)計(jì)準(zhǔn)則如下：

其中x(k)＝[x₀(k),x₁(k)L x_N-1(k)]表示N維接收信號(hào)向量，向量w表示自適應(yīng)權(quán)值；s.t表示約束，v＝[1,0…0]；由上述代價(jià)推出最優(yōu)權(quán)值為

其中由上式可以看出只要得到即可方便地得到權(quán)值。

RLS：遞歸最小二乘自適應(yīng)濾波。該方法為DMI的衍生算法，傳統(tǒng)的DMI算法需要直接計(jì)算在FPGA中實(shí)現(xiàn)需要占用大量的硬件資源，RLS算法依據(jù)矩陣求逆引理的理論通過(guò)遞歸的方法計(jì)算算得后，再通過(guò)公式(3)求得權(quán)值ω。

2)自適應(yīng)濾波算法與信號(hào)帶寬之間的關(guān)系：

自適應(yīng)濾波自均衡能力與通道的幅相起伏數(shù)以及寬帶干擾數(shù)有關(guān)。在無(wú)富余自由度條件下(例：4陣元抗3個(gè)干擾源)，通道的幅相起伏數(shù)越多，達(dá)到通道自均衡所需要的時(shí)域階數(shù)越多。

如圖1所示，是現(xiàn)有技術(shù)通用的陣列信號(hào)抗干擾方法示意圖。將M路陣元輸入信號(hào)直接輸入自適應(yīng)濾波器，進(jìn)行濾波后得到抗干擾輸出，自適應(yīng)濾波器可用LMS、RLS、DMI等算法實(shí)現(xiàn)；這種方法的缺陷是在無(wú)富余自由度抗寬帶干擾且通道的幅相起伏數(shù)較大時(shí)，較少時(shí)域階數(shù)系統(tǒng)抗寬帶干擾及多干擾的性能不好。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，提供一種基于子帶濾波的陣列抗干擾方法和系統(tǒng)，針對(duì)寬帶多干擾陣列信號(hào)，通過(guò)子帶濾波的方法減小通道起伏個(gè)數(shù)，從而提高系統(tǒng)抗寬帶干擾及多干擾的性能。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

1.一種基于子帶濾波的陣列抗干擾方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)對(duì)每路空域信號(hào)分別進(jìn)行同頻帶子帶劃分，劃分的每路子帶形成新的窄帶空域陣列信號(hào)；

2)將劃分后的窄帶空域陣列信號(hào)分別進(jìn)行自適應(yīng)濾波；

3)對(duì)自適應(yīng)濾波的輸出結(jié)果進(jìn)行疊加得到合路后的抗干擾輸出。

2.所述步驟1)中，采用FIR濾波器，將包含參考主路在內(nèi)的M路陣元輸入信號(hào)均通過(guò)FIR濾波器分解為N個(gè)子帶信號(hào)，形成M*N路窄帶信號(hào)。

3.所述步驟2)中，包括復(fù)數(shù)下變頻及濾波的步驟，對(duì)M*N路窄帶空域陣列信號(hào)的實(shí)數(shù)信號(hào)通過(guò)復(fù)數(shù)下變頻變?yōu)閺?fù)數(shù)信號(hào)，并濾掉高頻段信號(hào)。

4.所述步驟2)中，進(jìn)行自適應(yīng)濾波時(shí)，依據(jù)分解的N個(gè)子帶信號(hào)，分別取M個(gè)陣元的同一子帶號(hào)L(L＝1、2……N)的子帶信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)濾波，輸出N路子帶濾波信號(hào)。

5.所述步驟2)中，不同子帶號(hào)L的自適應(yīng)濾波采用不同的復(fù)系數(shù)W；對(duì)于第L組子帶，W(W_Li+j*W_Lq)作為自適應(yīng)濾波器系數(shù)向量組與輸入的第L路信號(hào)向量(X_Li+j*X_Lq)相乘，得到L路的濾波輸出y，y＝X*W，其中，X_Li為第L子帶的共M-1路的信號(hào)同相分量組成的行向量、X_Lq為第L子帶的共M-1路的信號(hào)正交分量組成的行向量；每一組濾波器系數(shù)W的計(jì)算可采用LMS、RLS、DMI自適應(yīng)濾波算法得到。

6.所述步驟3)中，包括對(duì)疊加后的抗干擾輸出信號(hào)進(jìn)行復(fù)數(shù)上變頻的步驟。

7.一種基于子帶濾波的陣列抗干擾系統(tǒng)，其特征在于，包括由M個(gè)FIR濾波器組成的子帶濾波器組、N個(gè)自適應(yīng)濾波器以及加法器，所述M個(gè)FIR濾波器用于對(duì)輸入的M路陣元空域信號(hào)分別進(jìn)行同頻帶子帶劃分，形成新的窄帶空域陣列信號(hào)；所述N個(gè)自適應(yīng)濾波器用于將劃分后的窄帶空域陣列信號(hào)，分別取不同陣元的相同頻帶的子帶信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)濾波，輸出N路濾波信號(hào)；所述加法器用于對(duì)濾波后的N路輸出信號(hào)進(jìn)行直接疊加，輸出合路后的抗干擾信號(hào)。

8.還包括M*N個(gè)下變頻數(shù)字變頻器和M*N個(gè)低通濾波器，用于對(duì)子帶劃分后的M*N路窄帶空域陣列信號(hào)進(jìn)行復(fù)數(shù)下變頻后濾掉高頻信號(hào)，再分別送入自適應(yīng)濾波器進(jìn)行自適應(yīng)濾波。

9.還包括一個(gè)上變頻數(shù)字變頻器，用于將疊加后的復(fù)數(shù)輸出信號(hào)進(jìn)行復(fù)數(shù)上變頻，取其正交分量，還原為原頻帶實(shí)數(shù)信號(hào)。

10.所述加法器采用累加器將N路同一時(shí)刻濾波器輸出信號(hào)直接累加輸出。

本發(fā)明的技術(shù)效果：

本發(fā)明提供一種基于子帶濾波的陣列抗干擾方法和系統(tǒng)，針對(duì)寬帶多干擾陣列信號(hào)，通過(guò)子帶濾波的方法減小通道起伏個(gè)數(shù)，從而提高系統(tǒng)抗寬帶干擾及多干擾的性能。

本發(fā)明涉及衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾、語(yǔ)音處理、通道均衡等信號(hào)處理領(lǐng)域，特別是有關(guān)寬帶信號(hào)自適應(yīng)處理算法相關(guān)領(lǐng)域。對(duì)于寬帶多干擾，抗干擾性能與干擾個(gè)數(shù)，歸一化延遲系數(shù)，通道內(nèi)起伏個(gè)數(shù)等參數(shù)相關(guān)。本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于在其它條件不變的情況下，通過(guò)子帶濾波的方法可減小通道起伏個(gè)數(shù)，從而提高抗寬帶干擾及多干擾性能，相關(guān)方法同樣適用于其它數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域。具體的，

1)本發(fā)明的方法為：每個(gè)陣元的輸入信號(hào)依據(jù)頻域特性，采用FIR濾波器進(jìn)行同頻帶子帶劃分，形成不同子帶的空域信號(hào)組，然后分別進(jìn)行自適應(yīng)濾波，實(shí)現(xiàn)不同子帶上的自適應(yīng)調(diào)整，得到各頻率段內(nèi)的映射，生成的誤差信號(hào)各自進(jìn)行反饋，提高了整個(gè)系統(tǒng)抗寬帶干擾及多干擾的性能。

2)本發(fā)明自適應(yīng)濾波中，不同的自適應(yīng)濾波器的濾波系數(shù)采用不同的復(fù)系數(shù)，調(diào)整精度高于實(shí)系數(shù)自適應(yīng)濾波，自適應(yīng)濾波效果也高于實(shí)系數(shù)自適應(yīng)濾波。

3)本發(fā)明對(duì)各子帶自適應(yīng)濾波的輸出采用直接疊加的方法還原整個(gè)頻帶內(nèi)的去除干擾后的信號(hào)，以還原有用信號(hào)帶寬，不至于導(dǎo)致能量損失。

附圖說(shuō)明

圖1為是現(xiàn)有技術(shù)通用的陣列信號(hào)抗干擾方法示意圖。

圖2為本發(fā)明基于子帶濾波的陣列抗干擾方法實(shí)施例示意圖。

圖3為本發(fā)明自適應(yīng)濾波器示意圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

一種基于子帶濾波的陣列抗干擾方法，包括以下步驟：

1)對(duì)每路空域信號(hào)分別進(jìn)行同頻帶子帶劃分，劃分的每路子帶形成新的窄帶空域陣列信號(hào)；

2)將劃分后的窄帶空域陣列信號(hào)分別進(jìn)行自適應(yīng)濾波；

3)對(duì)自適應(yīng)濾波的輸出結(jié)果進(jìn)行疊加得到合路后的抗干擾輸出。

如圖2所示，為本發(fā)明基于子帶濾波的陣列抗干擾方法實(shí)施例示意圖。

首先M路陣元輸入信號(hào)分別經(jīng)過(guò)由M個(gè)FIR濾波器組成的子帶濾波器組進(jìn)行同頻帶子帶劃分，得到M*N組子帶輸出；按需分別進(jìn)行M*N組輸出的復(fù)數(shù)下變頻和低通濾波；然后將不同陣元的相同頻帶的子帶復(fù)數(shù)輸出信號(hào)分別給N個(gè)自適應(yīng)濾波器進(jìn)行自適應(yīng)濾波，再將各自適應(yīng)濾波器的復(fù)數(shù)輸出進(jìn)行疊加，其結(jié)果按需進(jìn)行復(fù)數(shù)上變頻，即得到抗干擾輸出。

其中，步驟1)中，采用FIR濾波器，將包含參考主路在內(nèi)的M路陣元輸入信號(hào)均通過(guò)FIR濾波器分解為N個(gè)子帶信號(hào)，形成M*N路窄帶信號(hào)。

一個(gè)FIR濾波器由差分方程：描述，F(xiàn)IR濾波器的長(zhǎng)度為M，相比于IIR濾波器，F(xiàn)IR濾波器在濾波器通帶內(nèi)具有線性相位的特性。通過(guò)FIR濾波器將輸入的干擾信號(hào)進(jìn)行頻率映射到不同子帶。

為了進(jìn)行更精細(xì)的復(fù)數(shù)自適應(yīng)濾波，還包括復(fù)數(shù)下變頻及濾波的步驟，對(duì)M*N路窄帶空域陣列信號(hào)的實(shí)數(shù)信號(hào)通過(guò)復(fù)數(shù)下變頻變?yōu)閺?fù)數(shù)信號(hào)，并濾掉高頻段信號(hào)。

具體的，用sin(w₀*t)和cos(w₀*t)分別與輸入信號(hào)sin(w*t+△fi)相乘，得到下變頻后的I/Q相信號(hào)。其中，w表示輸入信號(hào)的角頻率，w₀表示下變頻操作減去的角頻率，△fi表示輸入信號(hào)與本地信號(hào)的相位差，△w＝w-w₀表示輸入信號(hào)與下變頻信號(hào)的角頻率差。

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)

經(jīng)過(guò)低通濾波濾掉高頻后的I/Q相信號(hào)為：

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)

步驟2)中，進(jìn)行自適應(yīng)濾波時(shí)，依據(jù)分解的N個(gè)子帶信號(hào)，分別取M個(gè)陣元的同一子帶號(hào)L(L＝1、2…..N)的子帶信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)濾波，輸出N路子帶濾波信號(hào)。在輸入信號(hào)為寬帶干擾的情況下，各子帶可分別作為一個(gè)窄帶信號(hào)進(jìn)行抗干擾處理。不同子帶號(hào)L的自適應(yīng)濾波采用不同的復(fù)系數(shù)W；對(duì)于第L組子帶，W(W_Li+j*W_Lq)作為自適應(yīng)濾波器系數(shù)向量組與輸入的第L信號(hào)向量(X_Li+j*X_Lq)相乘，得到L路的濾波輸出y，y＝X*W，其中，X_Li為第L子帶的共M-1路的信號(hào)同相分量組成的行向量、X_Lq為第L子帶的共M-1路的信號(hào)正交相分量組成的行向量。i、q分別表示信號(hào)的同相分量和正交分量。W采用復(fù)系數(shù)的優(yōu)勢(shì)在于，采用I、Q調(diào)相，可調(diào)節(jié)到一個(gè)采樣點(diǎn)內(nèi)的相位，精度大于實(shí)系數(shù)。

圖3是本發(fā)明的自適應(yīng)濾波器示意圖。各子帶的經(jīng)濾波下變頻的各陣元信號(hào)乘以自適應(yīng)算法產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)子帶對(duì)應(yīng)陣元的權(quán)值并累加，得對(duì)應(yīng)子帶除參考陣元外其余陣元濾波輸出，再與對(duì)應(yīng)子帶經(jīng)濾波下變頻的參考陣元信號(hào)相加得到自適應(yīng)濾波器的輸出，并且自適應(yīng)濾波器輸出反饋給自適應(yīng)算法進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整權(quán)值參數(shù)。其中，X_ni、X_nq分別表示經(jīng)子帶濾波下變頻后的第n路陣元的信號(hào)同相分量和正交分量，W_ni、W_nq分別表示由自適應(yīng)算法獲得的第n路陣元的權(quán)值實(shí)部和權(quán)值虛部，d_i、d_q分別表示參考陣元的信號(hào)同相分量和正交分量，y_i、y_q分別為除參考陣元外其余陣元濾波輸出同相分量和正交分量，e_i、e_q各為各陣元自適應(yīng)濾波輸出同相分量和正交分量。每一組濾波器系數(shù)W的計(jì)算可采用LMS、RLS、DMI自適應(yīng)濾波算法得到。

步驟3)中，包括對(duì)疊加后的抗干擾輸出信號(hào)進(jìn)行復(fù)數(shù)上變頻的步驟。

如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要將復(fù)數(shù)下變頻后的基帶信號(hào)恢復(fù)到原來(lái)的頻率段，則還需要對(duì)抗干擾輸出后的復(fù)數(shù)信號(hào)疊加后進(jìn)行復(fù)數(shù)上變頻。

如式(6)、(7)所示，經(jīng)過(guò)自適應(yīng)濾波后的抗干擾輸出結(jié)果依然位于中心頻點(diǎn)△w，帶寬為濾波器通帶帶寬的位置。為將此信號(hào)還原到原始輸入頻率，可采用式(4)、(5)中的w₀進(jìn)行復(fù)數(shù)上變頻：

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，即還原到原始輸入頻率。

相應(yīng)的，本發(fā)明的基于子帶濾波的陣列抗干擾系統(tǒng)，包括由M個(gè)FIR濾波器組成的子帶濾波器組、N個(gè)自適應(yīng)濾波器以及加法器，所述M個(gè)FIR濾波器用于對(duì)輸入的M路陣元空域信號(hào)分別進(jìn)行同頻帶子帶劃分，形成新的窄帶空域陣列信號(hào)；所述N個(gè)自適應(yīng)濾波器用于將劃分后的窄帶空域陣列信號(hào)，分別取不同陣元的相同頻帶的子帶信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)濾波，輸出N路濾波信號(hào)；所述加法器用于對(duì)濾波后的N路輸出信號(hào)進(jìn)行直接疊加，輸出合路后的抗干擾信號(hào)。

其中，加法器采用累加器將N路同一時(shí)刻濾波器輸出信號(hào)直接累加輸出。

還包括M*N個(gè)下變頻數(shù)字變頻器和M*N個(gè)低通濾波器，用于對(duì)子帶劃分后的窄帶空域陣列信號(hào)進(jìn)行復(fù)數(shù)下變頻后濾掉高頻信號(hào)，再分別送入自適應(yīng)濾波器進(jìn)行自適應(yīng)濾波。

還包括一個(gè)上變頻數(shù)字變頻器，用于將疊加后的復(fù)數(shù)輸出信號(hào)進(jìn)行上變頻，取其正交分量，還原為原頻帶實(shí)數(shù)信號(hào)。

在此指明，以上敘述有助于本領(lǐng)域技術(shù)人員理解本發(fā)明創(chuàng)造，但并非限制本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍。任何沒(méi)有脫離本發(fā)明創(chuàng)造實(shí)質(zhì)內(nèi)容的對(duì)以上敘述的等同替換、修飾改進(jìn)和/或刪繁從簡(jiǎn)而進(jìn)行的實(shí)施，均落入本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍。