一种基于iir滤波器的抗强干扰装置及方法
阅读说明：本技术 一种基于iir滤波器的抗强干扰装置及方法 (Anti-strong interference device and method based on IIR filter ) 是由 金鑫 安建平 王帅 马啸 杨烜赫 贺梦尧 宋哲 方金辉 于 2020-03-25 设计创作，主要内容包括：本发明实施例提供一种基于IIR滤波器的抗强干扰装置及方法,该方法包括获取输入信号,通过所述下变频单元将输入信号与下变频单元预存的跳频图案进行解跳,得到基带数据,对所述基带数据进行抽取处理,得到抽取后的基带数据；通过所述抗混叠干扰滤波单元对所述抽取后的基带数据进行干扰抑制,得到抗干扰信号；通过所述相位补偿单元对所述抗干扰信号进行非线性相位群时延补偿得到非线性补偿输出信号。通过由多个IIR滤波器级联组成的抗混叠干扰滤波单元将抽取后的基带数据进行抗干扰处理,同时通过相位补偿单元,针对于抗混叠干扰滤波单元导致的不同频点非线性相位进行群时延补偿,从而有效抵抗跳频系统强干扰。(The embodiment of the invention provides an anti-strong interference device and method based on an IIR filter, and the method comprises the steps of obtaining an input signal, carrying out debounce on the input signal and a frequency hopping pattern prestored in a down-conversion unit through the down-conversion unit to obtain baseband data, and carrying out extraction processing on the baseband data to obtain the extracted baseband data; performing interference suppression on the extracted baseband data through the anti-aliasing interference filtering unit to obtain an anti-interference signal; and carrying out nonlinear phase group delay compensation on the anti-interference signal through the phase compensation unit to obtain a nonlinear compensation output signal. The anti-interference processing is carried out on the extracted baseband data through the anti-aliasing interference filtering unit formed by cascading a plurality of IIR filters, and meanwhile, the group delay compensation is carried out aiming at different frequency point nonlinear phases caused by the anti-aliasing interference filtering unit through the phase compensation unit, so that the strong interference of a frequency hopping system is effectively resisted.)
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种基于IIR滤波器的抗强干扰装置及方法。
背景技术
跳频通信系统具有高躲避性和抗截获性，可以应用于智能弹药、无人机、无人艇、无人车和低轨卫星的通信系统中，抵抗干扰保证准确数据传输。
在跳频通信系统中，通信双方约定跳频图案，以多种频率传输不同符号，以此增强信号鲁棒性，且跳速越高抵抗躲避干扰的能力越强。所以在符号速率和跳频点数不变的情况下，扩频比与带宽和抗干扰能力成正相关。随着软件无线电平台内部逻辑存储资源的提升，有助于在实现跳频通信系统时进行射频前端宽开系统采样，在软件无线电平台内部实现多频点下变频功能，可实现抗干扰能力强，跳频图案灵活可变的跳频系统。
然而，这种宽开跳频采样系统在软件无线电平台内部做瞬时下变频时需要对同步信号进行抽取处理再传递给后续同步算法单元，因此由抽取算法造成混叠干扰或者带外干扰无法忽视，尤其是被干扰频点功率很大的情况下，所以在同步信号处理之前加上一级高阻带抑制度的抗干扰滤波器组十分必要。抗干扰滤波器组通用的实现办法是采用非递归型滤波器，但是高阶抑制度其抽头系数极高，实现资源复杂度高。
因此如何更好的解决抽取算法造成混叠干扰或者带外干扰的问题，已经成为业界亟待解决的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种基于IIR滤波器的抗强干扰装置及方法，用以解决上述背景技术中提出的技术问题，或至少部分解决上述背景技术中提出的技术问题。
第一方面，本发明实施例提供一种基于IIR滤波器的抗强干扰装置，包括：下变频单元、抗混叠干扰滤波单元和相位补偿单元；
其中，所述下变频单元用于将跳频图案解跳为基带数据，对所述基带数据进行抽取处理，得到抽取后的基带数据，将所述抽取后的基带数据发送到所述抗混叠干扰滤波单元；
其中，所述抗混叠干扰滤波单元用于对所述抽取后的基带数据进行干扰抑制，得到抗干扰信号，并将所述抗干扰信号发送到所述相位补偿单元；
其中，所述相位补偿单元用于对所述抗干扰信号进行非线性相位群时延补偿得到非线性补偿输出信号。
更具体的，所述装置还包括：匹配滤波单元和同步处理单元；
其中，所述匹配滤波单元接收相位补偿单元发送的非线性补偿输出信号进行匹配滤波，得到匹配滤波输出信号，并将所述匹配滤波输出信号发送到同步处理单元；
其中，所述同步处理单元用于对所述匹配滤波输出信号进行同步处理。
更具体的，所述相位补偿单元具体用于：
根据IIR滤波器的相频特性信息确定跳频图案中每个频点对应的相位信息；
根据跳频图案中每个频点对应的相位信息和预设延迟时间生成跳频图案延迟查找表；
根据所述跳频图案延迟查找表进行非线性相位群时延补偿。
更具体的，所述抗混叠干扰滤波单元由多个IIR滤波器级联组成。
第二方面，本发明实施例提供一种应用第一方面所述基于IIR滤波器的抗强干扰装置的抗强干扰方法，包括：
获取输入信号，通过所述下变频单元根据输入信号生成跳频图案，将所述跳频图案进行解跳，得到基带数据，对所述基带数据进行抽取处理，得到抽取后的基带数据；
通过所述抗混叠干扰滤波单元对所述抽取后的基带数据进行干扰抑制，得到抗干扰信息；
通过所述相位补偿单元对所述抗干扰信号进行非线性相位群时延补偿得到非线性补偿输出信号。
更具体的，所述通过所述相位补偿单元对所述抗干扰信号进行非线性相位群时延补偿得到非线性补偿输出信号的步骤，具体包括：
根据跳频图案延迟查找表确定跳频图案各频点切换延迟时间信息；
根据所述跳频图案各频点切换延迟时间信息对所述抗干扰信号进行非线性相位群时延补偿得到非线性补偿输出信号；
其中，所述跳频图案延迟查找表根据跳频图案中每个频点对应的相位信息和预设延迟时间生成。
更具体的，所述通过所述抗混叠干扰滤波单元对所述抽取后的基带数据进行干扰抑制的步骤具体包括：
将所述抽取后的基带数据输入抗混叠干扰滤波单元，将窄带干扰、单音干扰、多音干扰和混叠干扰进行抑制。
第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第二方面所述抗强干扰方法的步骤。
第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第二方面所述抗强干扰方法的步骤。
本发明实施例提供的一种基于IIR滤波器的抗强干扰装置及方法，通过由多个IIR滤波器级联组成的抗混叠干扰滤波单元将抽取后的基带数据进行抗干扰处理，同时通过相位补偿单元，针对于抗混叠干扰滤波单元导致的不同频点非线性相位进行群时延补偿，从而有效抵抗跳频系统强干扰。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例中所描述的基于IIR滤波器的抗强干扰装置结构示意图；
图2为本发明另一实施例中所描述的基于IIR滤波器的抗强干扰装置结构示意图；
图3为本发明一实施例所描述的抗混叠干扰滤波单元结构示意图；
图4为本发明一实施例所描述的抗强干扰方法流程图；
图5本发明一实施例所描述的FIR、IIR、IIR补偿系统三个跳频接收系统无干扰误码率仿真图；
图6为本发明一实施例所描述的FIR、IIR、IIR补偿系统三个跳频接收系统30dB全带宽干扰下的误码率仿真图；
图7为本发明一实施例所描述的FIR、IIR、IIR补偿系统三个跳频接收系统40dB窄带干扰下的误码率仿真图；
图8为本发明一实施例所描述的电子设备结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
对于抽取处理，所导致的混叠干扰或者带外干扰现进行如下说明：
设基带信号为
x(n)＝x(t)|t＝nTs，
抽取倍数为N，则抽取后信号为y(n)＝x(Nn)，
傅里叶表达式为
其物理含义为将信号在频谱上以2π/N为间隔做周期延拓。设信号最高频率为fc,原始采样率为fs,若Nfc>fs，则有效带宽之外的干扰会被混叠进有效带内造成干扰。此外，带外干扰会对其余频点造成影响，所以需要高阶阻带抑制度的滤波器。
图1为本发明一实施例中所描述的基于IIR滤波器的抗强干扰装置结构示意图，如图1所示，包括：下变频单元110、抗混叠干扰滤波单元120和相位补偿单元130。
其中，所述下变频单元110用于将跳频图案解跳为基带数据，对所述基带数据进行抽取处理，得到抽取后的基带数据，将所述抽取后的基带数据发送到所述抗混叠干扰滤波单元120；
其中，所述抗混叠干扰滤波单元120用于对所述抽取后的基带数据进行干扰抑制，得到抗干扰信号，并将所述抗干扰信号发送到所述相位补偿单元130；
其中，所述相位补偿单元130用于对所述抗干扰信号进行非线性相位群时延补偿得到非线性补偿输出信号。
具体的，本发明实施例中所描述的抗混叠干扰滤波单元是由多个IIR滤波器采用级联结构所组成的，其中，每一个基本节都是一对零极点，便于对每一个基本节进行单独调整。
而本发明实施例中所描述抽取后的基带数据输入抗混叠干扰滤波单元后，抗混叠干扰滤波单元会对不同频点产生非线性相位，即使在发端跳频点切换的时候保证相位从固定相位开始变化，经过信道和非线性处理单元后多个跳频点的相位关系不再固定，无法实现相干接收，本发明实施例中所描述的相位补偿单元用于解决该问题。
本发明实施例中所描述的相位补偿单元在跳频点切换时，调用跳频图案延迟查找表，在跳频点切换时顺次进行相位补偿延迟，此处所描述的跳频图案延迟查找表是指通过绘制MATLAB中IIR滤波器的相频特性，用polyfit函数去拟合曲线，估计跳频图案中各个频率对应的相位Td，在跳频点切换时顺次延迟(2π-Td)时间。
在本发明一实施例中，设干扰为J,算法经过N倍抽取，下面分析Nfc>fs情况下，混叠干扰和某一窄带干扰为带外干扰的情况下，接收信号经过抗混叠干扰滤波单元后对于相干接收的影响。
假设输入信号为
wi表示跳频图案，表示各个频点有固定的初始相位。
抗混叠干扰滤波单元的输入信号为r(t)＝s(t)+n(t)+J(t),
n(t)为加性高斯白噪声，J(t)为干扰。
对于抗混叠干扰滤波单元,输入信号经过滤波单元后，输出信号结果为
其中KI随wi变化而变化、所以将多个输出的结果直接加到一起，各个跳频之间的相位关系不再明确。所以要把各个跳频点对应的相位做一个补偿因子使得
这样才可以作为相干算法接收机的数据输入。否则，相位随机的接收信号采用非相干的方法接收，损失信噪比。所以我们在选取IIR滤波器作为抗干扰处理单元时，需加上相位补偿单元。。
本发明实施例通过由多个IIR滤波器级联组成的抗混叠干扰滤波单元将抽取后的基带数据进行抗干扰处理，同时通过相位补偿单元，针对于抗混叠干扰滤波单元导致的不同频点非线性相位进行群时延补偿，从而有效抵抗跳频系统强干扰。
在上述实施例的基础上，所述装置还包括：匹配滤波单元和同步处理单元；
其中，所述匹配滤波单元接收相位补偿单元发送的非线性补偿输出信号进行匹配滤波，得到匹配滤波输出信号，并将所述匹配滤波输出信号发送到同步处理单元；
其中，所述同步处理单元用于对所述匹配滤波输出信号进行同步处理。
具体的，图2为本发明另一实施例中所描述的基于IIR滤波器的抗强干扰装置结构示意图，如图2所示，包括AD单元210，下变频单元110、抗混叠干扰滤波单元120、相位补偿单元130、匹配滤波单元220和同步处理单元230。
本发明实施例中所描述的AD单元210是指模拟信号转换为数字信号的电路模块。
本发明实施例中所描述的匹配滤波单元220用于对线性补偿输出信号进行匹配滤波，得到匹配滤波输出信号，本发明实施例中所描述的同步处理单元230为相干跳频接收机的后续算法处理单元。用于完成接收信号的解扩解调、频偏补偿，输出信息序列，即正确的接收信号和后验信息。
在上述实施例的基础上，所述相位补偿单元具体用于：
根据IIR滤波器的相频特性信息确定跳频图案中每个频点对应的相位信息；
根据跳频图案中每个频点对应的相位信息和跳频图案各频点相位补偿信息生成跳频图案延迟查找表；
根据所述跳频图案延迟查找表进行非线性相位群时延补偿。
具体的，本发明实施例中所描述的跳频图案各频点相位补偿信息可以是指2π-Td，不同跳频频率对应的相位为Td。
本发明实施例中所描述的跳频图案延迟查找表可以是通过绘制MATLAB中IIR的相频特性，用polyfit函数去拟合曲线，估计跳频图案中各个频率对应的相位Td，在跳频点切换时顺次延迟(2π-Td)时间，从而将各个频点的相位和跳频图案各频点相位补偿信息存入跳频图案延迟查找表。
本发明实施例通过将跳频图案延迟存为查找表从而实现对于基带信号经过抗混叠滤波器组会对不同频点产生非线性相位的群时延补偿，使得非线性补偿输出信号能够作为相干算法接收机的数据输入。
在上述实施例的基础上，所述抗混叠干扰滤波单元由多个IIR滤波器级联组成。
具体的，图3为本发明一实施例所描述的抗混叠干扰滤波单元结构示意图，如图3所示，该单元由多个IIR滤波器级联组成，H(z)表示一个IIR滤波器，xi(n)表示某一节单元输入信号，yi(n)表示某一节单元输出信号。
图4为本发明一实施例所描述的抗强干扰方法流程图，如图4所示，包括：
步骤S1，获取输入信号，通过所述下变频单元根据输入信号生成跳频图案，将所述跳频图案进行解跳，得到基带数据，对所述基带数据进行抽取处理，得到抽取后的基带数据；
步骤S2，通过所述抗混叠干扰滤波单元对所述抽取后的基带数据进行干扰抑制，得到抗干扰信息；
步骤S3，通过所述相位补偿单元对所述抗干扰信号进行非线性相位群时延补偿得到非线性补偿输出信号。
具体的，本发明实施例中所描述的抽取后的基带数据存在无法忽视的混叠干扰或者带外干扰。
本发明实施例中所描述的干扰抑制具体是指窄带干扰、单音干扰、多音干扰等多类型的带外或者混叠干扰抑制。
更具体的，所述通过所述相位补偿单元对所述抗干扰信号进行非线性相位群时延补偿得到非线性补偿输出信号的步骤，具体包括；
根据跳频图案延迟查找表确定跳频图案各频点相位补偿延迟信息；
根据所述跳频图案各频点相位补偿延迟信息对所述抗干扰信号进行非线性相位群时延补偿得到非线性补偿输出信号；
其中，所述跳频图案延迟查找表根据跳频图案中每个频点对应的相位信息和预设延迟时间生成。
本发明实施例中所描述的非线性相位群时延补偿具体是指根据IIR滤波器的相频特性信息确定跳频图案中每个频点对应的相位信息；根据跳频图案中每个频点对应的相位信息和跳频图案各频点相位补偿信息生成跳频图案延迟查找表，根据所述跳频图案延迟查找表进行非线性相位群时延补偿。
本发明实施例通过由多个IIR滤波器级联组成的抗混叠干扰滤波单元将抽取后的基带数据进行抗干扰处理，同时通过相位补偿单元，针对于抗混叠干扰滤波单元导致的不同频点非线性相位进行群时延补偿，从而有效抵抗跳频系统强干扰。
在本发明另一实施例中，以窄带干扰40dB(5％带宽)、30dB全频带抗干扰要求指标为例。首先，用FDATOOL工具设计阻带抑制度为60dB的10阶IIR滤波器。IIR滤波器的模拟实现类型选择切比雪夫II型模型(雪夫II型滤波器可保证通带平坦，且相同阻带抑制度情况下滤波器阶数少)，阻带抑制度和过渡带宽可以随系统参数而灵活改变。将10阶IIR滤波器的5对零极点数据结果在MATLAB中进行16bit量化处理。将量化处理后的零极点数据保存为.coe文件导入软件无线电平台作为查找表。同样将不同跳频频率对应的相位Td和相位补偿延迟2π-Td导入软件无线电平台作为查找表，作为补偿相位因子。
其次，用软件无线电平台实现一个最简单的二阶IIR单元作为基本单元，将基本单元例化5次，且5个单元分别调用查找表中的不同零极点结果。将基本单元级联起来，作为数据滤波单元。将当前频点的数据滤波单元输出经过相位补偿单元进行相位补偿，作为同步单元的输入。
将抗干扰单元单独实现后可以引入相干接收机算法单元进行抗干扰算法性能的测试，测试结果与FIR compiler核替换了IIR抗干扰单元进行抗干扰性能对比，测试相同指标不同类型干扰的性能。在无干扰的情况下，测试FIR跳频接收机、IIR跳频接收机、IIR非线性补偿接收机误码性能，图5本发明一实施例所描述的FIR、IIR、IIR补偿系统三个跳频接收系统无干扰误码率仿真图，如图5所示，在无干扰的情况下，测试FIR相干跳频接收机、IIR相干跳频接收机、IIR非线性补偿相干跳频接收机误码性能，图6为本发明一实施例所描述的FIR、IIR、IIR补偿系统三个跳频接收系统30dB全带宽干扰下的误码率仿真图，如图6所示，在宽带30dB干扰的情况下，测试FIR跳频接收机、IIR相干跳频接收机、IIR非线性补偿相干跳频接收机误码性能，图7为本发明一实施例所描述的FIR、IIR、IIR补偿系统三个跳频接收系统40dB窄带干扰下的误码率仿真图，如图7所示。综合分析可知，FIR接收机与IIR非线性补偿相干接收机性能测试结果近似一致。在FPGA实现时，IIR非线性补偿相干跳频接收机比起通用的FIR跳频接收机在资源方面降低25％DSP SLICE，降低了资源复杂度。
图8为本发明一实施例所描述的电子设备结构示意图，如图8所示，该电子设备可以包括：处理器(processor810、通信接口(Communications Interface)820、存储器(memory)830和通信总线840，其中，处理器810，通信接口820，存储器830通过通信总线840完成相互间的通信。处理器810可以调用存储器830中的逻辑指令，以执行如下方法：获取输入信号，通过所述下变频单元根据输入信号生成跳频图案，将所述跳频图案进行解跳，得到基带数据，对所述基带数据进行抽取处理，得到抽取后的基带数据；通过所述抗混叠干扰滤波单元对所述抽取后的基带数据进行干扰抑制，得到抗干扰信息；通过所述相位补偿单元对所述抗干扰信号进行非线性相位群时延补偿得到非线性补偿输出信号。
此外，上述的存储器830中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本发明实施例公开一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法，例如包括：获取输入信号，通过所述下变频单元根据输入信号生成跳频图案，将所述跳频图案进行解跳，得到基带数据，对所述基带数据进行抽取处理，得到抽取后的基带数据；通过所述抗混叠干扰滤波单元对所述抽取后的基带数据进行干扰抑制，得到抗干扰信息；通过所述相位补偿单元对所述抗干扰信号进行非线性相位群时延补偿得到非线性补偿输出信号。
本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储服务器指令，该计算机指令使计算机执行上述各实施例提供的方法，例如包括：获取输入信号，通过所述下变频单元根据输入信号生成跳频图案，将所述跳频图案进行解跳，得到基带数据，对所述基带数据进行抽取处理，得到抽取后的基带数据；通过所述抗混叠干扰滤波单元对所述抽取后的基带数据进行干扰抑制，得到抗干扰信息；通过所述相位补偿单元对所述抗干扰信号进行非线性相位群时延补偿得到非线性补偿输出信号。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。