CN103684339B - 抑制窄带单音干扰的滤波方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种抑制窄带单音干扰的滤波方法及装置，所述方法包括以下步骤：步骤S1：Notch滤波器根据载波信号中心频率与窄带单音干扰频率的差值读取该滤波器时域迭代式的滤波系数的索引值；步骤S2：Notch滤波器根据所述索引值读取该滤波器时域迭代式的滤波系数；步骤S3：Notch滤波器根据时域迭代式及其滤波系数计算对所述载波信号进行滤波并输出滤波结果。本发明抑制窄带单音干扰的滤波方法及装置通过Notch滤波器根据载波信号中心频率与窄带单音干扰频率的差值读取索引值，以及与该索引值对应的滤波器时域迭代式的滤波系数从而进行滤波，其设计简单、滤波效果较佳，非常具有实用性。

Description

抑制窄带单音干扰的滤波方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种抑制窄带单音干扰的滤波方法及装置。

背景技术

在通信过程中，由于各种原因，常会有一些与被测信号无关的电压或电流存在，这样会影响通信数据的性能和质量。这些信号叫做干扰，它分为内部干扰和外部干扰。

内部干扰，是通信***内部各部件间的互相干扰，这种干扰可通过通信装置的合理设计、零部件的合理布局，或采取隔离措施等加以消除或减弱。

外部干扰，是由通信***外部的因素产生的，常见的干扰包括：

1、机械干扰

机械干扰最为严重，也很广泛。机械振动会使导线在磁场中运动，产生感应电动势。抑制这类干扰，用减振措施即可，如采用减振弹簧或减振橡胶等。

2、温度干扰

由于温度过高、波动且不均匀，在检测中温度常导致电子元件参数变化或产生热电势，从而对测量结果造成严重干扰。在工程上，一般采用热屏蔽方法抑制热干扰，如把敏感元件装入恒温箱中。在电子测量装置中，常采用温度补偿措施，以补偿温度变化对检测结果的影响。

3、电磁干扰

由于厂矿中发电机、电动机及气体放电器件等杂散电磁场的存在，电场或磁场的变化，会使电或磁的干扰进入电子测量装置中，引起干扰信号。

现有的通讯***中，时域发射信号经过信道之后会混入窄带单音干扰，该窄带单音干扰为复指数形式：

$i_l\left(t\right)=A_0{e}^{j{\mathrm{\φ}}_0}{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_0(t+t_l)},$

其中，A₀为单音干扰的幅度，φ₀为单音干扰的初始相位，f₀为已知的单音干扰的频率。

混入单音干扰的时域信号到达接收端之后，需要对该窄带单音干扰进行滤波处理，通常是加入滤波器模块实现窄带干扰抑制功能，但加入的滤波模块通常仅能对特定单一的干扰进行滤波，效果不佳。

发明内容

本发明的目的是提出一种设计简单、效果较佳的抑制窄带单音干扰的滤波方法。

为达到上述目的，本发明提出了一种抑制窄带单音干扰的滤波方法，包括以下步骤：

步骤S1：Notch滤波器根据载波信号中心频率与窄带单音干扰频率的差值读取该滤波器时域迭代式的滤波系数的索引值；

步骤S2：Notch滤波器根据所述索引值读取该滤波器时域迭代式的滤波系数；

步骤S3：Notch滤波器根据时域迭代式及其滤波系数计算对所述载波信号进行滤波并输出滤波结果。

进一步，在上述抑制窄带单音干扰的滤波方法中，所述步骤S1之前还包括：Notch滤波器在每帧滤波前重新初始化。

进一步，在上述抑制窄带单音干扰的滤波方法中，所述步骤S1之前还包括：

根据载波信号中心频率与窄带单音干扰频率的差值，存储该差值与该滤波器时域迭代式的滤波系数对应的索引值。

进一步，在上述抑制窄带单音干扰的滤波方法中，所述步骤S2具体包括：

步骤S201：Notch滤波器根据所述索引值得到该滤波器时域迭代式的滤波系数的存储地址，所述索引值与该滤波系数的存储地址存在一一映射的一种对应关系；

步骤S202：Notch滤波器根据所述存储地址读取该滤波器时域迭代式的滤波系数。

进一步，在上述抑制窄带单音干扰的滤波方法中，所述Notch滤波器的滤波系数存储采用ROM，ROM深度为64，数据位宽为96bit。

另，本发明提供一种抑制窄带单音干扰的滤波装置，包括：

索引值读取单元，用于Notch滤波器根据载波信号中心频率与窄带单音干扰频率的差值读取该滤波器时域迭代式的滤波系数的索引值；

滤波系数读取单元，用于Notch滤波器根据所述索引值读取该滤波器时域迭代式的滤波系数；及

滤波计算单元，用于Notch滤波器根据时域迭代式及其滤波系数计算对所述载波信号进行滤波并输出滤波结果。

进一步，在上述抑制窄带单音干扰的滤波装置中，所述滤波装置还包括初始化单元，用于Notch滤波器在每帧滤波前重新初始化。

进一步，在上述抑制窄带单音干扰的滤波装置中，所述滤波装置还包括索引值存储单元，用于根据载波信号中心频率与窄带单音干扰频率的差值，存储该差值与该滤波器时域迭代式的滤波系数对应的索引值。

进一步，在上述抑制窄带单音干扰的滤波装置中，所述滤波系数读取单元进一步包括：

存储地址子单元，用于Notch滤波器根据所述索引值得到该滤波器时域迭代式的滤波系数的存储地址，所述索引值与该滤波系数的存储地址存在一一映射的一种对应关系；及

滤波系数子单元，用于Notch滤波器根据所述存储地址读取该滤波器时域迭代式的滤波系数。

进一步，在上述抑制窄带单音干扰的滤波装置中，所述Notch滤波器的滤波系数存储采用ROM，ROM深度为64，数据位宽为96bit。

本发明抑制窄带单音干扰的滤波方法及装置通过Notch滤波器根据载波信号中心频率与窄带单音干扰频率的差值读取索引值，以及与该索引值对应的滤波器时域迭代式的滤波系数从而进行滤波，其设计简单、滤波效果较佳，非常具有实用性。

附图说明

图1为本发明抑制窄带单音干扰的滤波方法一实施例的流程示意图；

图2为载波中心频率与窄带单音干扰频率的差值与索引值对应关系结构示意图；

图3为图1步骤S2的具体流程示意图；

图4为图1步骤S3中计算复数乘法实现的结构示意图；

图5为本发明抑制窄带单音干扰的滤波装置一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

本发明抑制窄带单音干扰的滤波方法采用Notch滤波器进行滤波，该Notch滤波器在单位圆上只能有一个零点。为了降低实现代价，采用一阶IIRNotch滤波器有效抑制窄带单音干扰，该Notch滤波器的***函数为：

$\frac{\frac{1-j\tan \left(\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{2}\right)}{1+\frac{\tan \left(\frac{B_{\mathrm{\ω}}}{2}\right)}{1+\cos \left({\mathrm{\ω}}_0\right)}-j\tan \left(\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{2}\right)\sqrt{1-\frac{{\tan }^2\left(\frac{B_{\mathrm{\ω}}}{2}\right)}{{\sin }^2{\mathrm{\ω}}_0}}}-\frac{1+j\tan \left(\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{2}\right)}{1+\frac{\tan \left(\frac{B_{\mathrm{\ω}}}{2}\right)}{1+\cos \left({\mathrm{\ω}}_0\right)}-j\tan \left(\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{2}\right)\sqrt{1-\frac{{\tan }^2\left(\frac{B_{\mathrm{\ω}}}{2}\right)}{{\sin }^2{\mathrm{\ω}}_0}}}{z}^{-1}}{1-\frac{1-\frac{\tan \left(\frac{B_{\mathrm{\ω}}}{2}\right)}{1+\cos \left({\mathrm{\ω}}_0\right)}+j\tan \left(\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{2}\right)\sqrt{1-\frac{{\tan }^2\left(\frac{B_{\mathrm{\ω}}}{2}\right)}{{\sin }^2{\mathrm{\ω}}_0}}}{1+\frac{\tan \left(\frac{B_{\mathrm{\ω}}}{2}\right)}{1+\cos \left({\mathrm{\ω}}_0\right)}-j\tan \left(\frac{{\mathrm{\ω}}_0}{2}\right)\sqrt{1-\frac{{\tan }^2\left(\frac{B_{\mathrm{\ω}}}{2}\right)}{{\sin }^2{\mathrm{\ω}}_0}}}{z}^{-1}}$

其中，ω₀＝2πf₀/F_s为数字Notch角频率，B_ω＝2πB/F_s，B为3-dBNotch带宽，Fs为采样频率。

请参阅图1，本发明抑制窄带单音干扰的滤波方法包括以下步骤：

步骤S1：Notch滤波器根据载波信号中心频率与窄带单音干扰频率的差值读取该滤波器时域迭代式的滤波系数的索引值；

步骤S2：Notch滤波器根据所述索引值读取该滤波器时域迭代式的滤波系数；

步骤S3：Notch滤波器根据时域迭代式及其滤波系数计算对所述载波信号进行滤波并输出滤波结果。

本发明抑制窄带单音干扰的滤波方法采用Notch滤波器，其时域迭代式为：

y(n)＝α₁y(n-1)+β₀x(n)+β₁x(n-1)(1)

其中，α，β₀，β₁为Notch滤波器的滤波系数。

实现时，根据载波信号中心频率与窄带单音干扰频率的差值不同，该Notch滤波器选择不同的滤波系数进行滤波。

所述步骤S1之前还包括：Notch滤波器在每帧滤波前重新初始化。

Notch滤波器以帧为单位进行滤波，每帧开始，Notch滤波器都需要重新初始化(y(n)＝0)，即采用接收复位信号对滤波器进行复位。每帧都初始化有一个好处，可以忽略IIR滤波器固有的误差累积问题。

由公式(1)可见，Notch滤波器有三个复系数(即滤波系数)，该通信***当载波中心频率与窄带单音干扰频率相同时，接收性能不会受到任何影响，无需进行Notch滤波，但为了保证***信号处理的一致性，该情况下也进行滤波处理，滤波器系数取α₁＝0，β₀＝1，β₁＝0，该滤波器系数采用Q15定标，则16’h7FFF表示1(浮点数的滤波系数定点化，即将滤波系数乘以2¹⁵后取整，用16bit二进制数表示)。

设该通信***配置载波信号中心频率时，步进值为25KHz。假设***存在51种不同滤波系数组合情况(包括滤波系数为α₁＝0，β₀＝1，β₁＝0的情况)。滤波器复系数实部和虚部的位宽均为16bit，则滤波器系数共需51*3*(16+16)bit＝612Byte的存储空间。

该滤波器的滤波系数存储采用ROM，ROM深度为64，数据位宽为96bit。滤波器三个复系数ROM中存储方式为：

d95-d80α₁实部，d79-d64α₁虚部；d63-d48β₀实部，d47-d32β₀虚部；d31-d16β₁实部，d15-d0β₁虚部。(该滤波器的滤波系数的实部和虚部采用Q15定标后位宽均为16bit)

请参阅图2，图2为载波中心频率与窄带单音干扰频率的差值与索引值对应关系结构示意图。所述步骤S1之前还包括：

根据载波信号中心频率与窄带单音干扰频率的差值，存储该差值与该滤波器时域迭代式的滤波系数对应的索引值。

该通信***工作时，根据载波中心频率f与窄带单音干扰频率f₀的差值(Δf＝f-f₀)读取索引(Index)值。

请参阅图3，所述步骤S2具体包括：

步骤S201：Notch滤波器根据所述索引值得到该滤波器时域迭代式的滤波系数的存储地址，所述索引值与该滤波系数的存储地址存在一一映射的一种对应关系；

针对不同的通信***，***抑制窄带单音干扰采用的Notch滤波器存在不同滤波系数组合数量是不一致，即索引值Index不一致，滤波器三个复系数(即滤波系数)在ROM中存储地址(rom_address)也不一致。但该存储地址rom_address与索引值Index之间存在一一映射的对应关系，即具体映射关系。

步骤S202：Notch滤波器根据所述存储地址读取该滤波器时域迭代式的滤波系数。

如表1所示，Notch滤波器根据所述存储地址可从ROM中读取到滤波器三个复系数α，β₀，β₁，完成对滤波器系数的选择。

表1Notch滤波器三个复系数在ROM中存储对应表

所述步骤S3中，Notch滤波器在得到滤波系数α，β₀，β₁后，将其代入

公式(1)y(n)＝α₁y(n-1)+β₀x(n)+β₁x(n-1)进行运算，其中，首先分别完成α₁y(n-1)，β₀x(n)，β₁x(n-1)的复数乘法运算。

复数乘法运算过程可用下式表示：

C_i+jC_q＝(A_i+jA_q)*(B_i+jB_q)＝(A_iB_i-A_qB_q)+j(A_iB_q+A_qB_i)(2)

由公式(2)可以看出完成一次复数乘法需要四次乘法，一次加法和一次减法。具体实现采用乘加器和乘减器，复数乘法运算结果为DATA_OUT_I[31:0]、DATA_OUT_Q[31:0]。滤波系数采用Q15定标，则复数乘法运算后IQ的输出取乘法DATA_OUT_I[30:15]、DATA_OUT_Q[30:15]。

具体实现结构如图4所示，α₁y(n-1)，β₀x(n)，β₁x(n-1)的复数乘法分别运算的输出数据再分实部(高16bit)和虚部(低16bit)数据分别进行加法运算。加法运算的结果输出即可实现抑制窄带单音干扰功能。

请参阅图5，本发明还提供一种抑制窄带单音干扰的滤波装置，包括索引值读取单元10、滤波系数读取单元20及滤波计算单元30，所述索引值读取单元10用于Notch滤波器根据载波信号中心频率与窄带单音干扰频率的差值读取该滤波器时域迭代式的滤波系数的索引值；所述滤波系数读取单元20，用于Notch滤波器根据所述索引值读取该滤波器时域迭代式的滤波系数；所述滤波计算单元30用于Notch滤波器根据时域迭代式及其滤波系数计算对所述载波信号进行滤波并输出滤波结果。

其中，本发明抑制窄带单音干扰的滤波方法采用Notch滤波器，其时域迭代式为：

y(n)＝α₁y(n-1)+β₀x(n)+β₁x(n-1)(1)

实现时，根据载波信号中心频率与窄带单音干扰频率的差值不同，该Notch滤波器选择不同的滤波系数进行滤波。

所述滤波装置还包括初始化单元40，用于Notch滤波器在每帧滤波前重新初始化。

Notch滤波器以帧为单位进行滤波，每帧开始，Notch滤波器都需要重新初始化(y(n)＝0)，即采用接收复位信号对滤波器进行复位。每帧都初始化有一个好处，可以忽略IIR滤波器固有的误差累积问题。

由公式(1)可见，Notch滤波器有三个复系数(即滤波系数)，该通信***当载波中心频率与窄带单音干扰频率相同时，接收性能不会受到任何影响，无需进行Notch滤波，但为了保证***信号处理的一致性，该情况下也进行滤波处理，滤波器系数取α₁＝0，β₀＝1，β₁＝0(该滤波器系数采用Q15定标，则16’h7FFF表示1)。

设该通信***配置载波信号中心频率时，步进值为25KHz。假设***存在51种不同滤波系数组合情况(包括滤波系数为α₁＝0，β₀＝1，β₁＝0的情况)。滤波器复系数实部和虚部的位宽均为16bit，则滤波器系数共需51*3*(16+16)bit＝612Byte的存储空间。

该Notch滤波器的滤波系数存储采用ROM，ROM深度为64，数据位宽为96bit。滤波器三个复系数ROM中存储方式为：

d95-d80α₁实部，d79-d64α₁虚部；d63-d48β₀实部，d47-d32β₀虚部；d31-d16β₁实部，d15-d0β₁虚部。

所述滤波装置还包括索引值存储单元50，用于根据载波信号中心频率与窄带单音干扰频率的差值，存储该差值与该滤波器时域迭代式的滤波系数对应的索引值。

所述滤波系数读取单元20进一步包括存储地址子单元202及滤波系数子单元204，所述存储地址子单元202用于Notch滤波器根据所述索引值得到该滤波器时域迭代式的滤波系数的存储地址，所述索引值与该滤波系数的存储地址存在一一映射的一种对应关系；所述滤波系数子单元204用于Notch滤波器根据所述存储地址读取该滤波器时域迭代式的滤波系数。

相比于现有技术，本发明抑制窄带单音干扰的滤波方法及装置通过Notch滤波器根据载波信号中心频率与窄带单音干扰频率的差值读取索引值，以及与该索引值对应的滤波器时域迭代式的滤波系数从而进行滤波，其设计简单、滤波效果较佳，非常具有实用性。

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。

Claims (4)

1.一种抑制窄带单音干扰的滤波方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：Notch滤波器根据载波信号中心频率与窄带单音干扰频率的差值读取该滤波器时域迭代式的滤波系数的索引值；

步骤S2：Notch滤波器根据所述索引值读取该滤波器时域迭代式的滤波系数；

步骤S3：Notch滤波器根据时域迭代式及其滤波系数计算对所述载波信号进行滤波并输出滤波结果；

所述步骤S1之前还包括：Notch滤波器在每帧滤波前重新初始化；

所述步骤S1之前还包括：

根据载波信号中心频率与窄带单音干扰频率的差值，存储该差值与该滤波器时域迭代式的滤波系数对应的索引值；

所述步骤S2具体包括：

步骤S201：Notch滤波器根据所述索引值得到该滤波器时域迭代式的滤波系数的存储地址，所述索引值与该滤波系数的存储地址存在一一映射的一种对应关系；

步骤S202：Notch滤波器根据所述存储地址读取该滤波器时域迭代式的滤波系数。

2.根据权利要求1所述的抑制窄带单音干扰的滤波方法，其特征在于，所述Notch滤波器的滤波系数存储采用ROM，ROM深度为64，数据位宽为96bit。

3.一种抑制窄带单音干扰的滤波装置，其特征在于，包括：

索引值读取单元，用于Notch滤波器根据载波信号中心频率与窄带单音干扰频率的差值读取该滤波器时域迭代式的滤波系数的索引值；

滤波系数读取单元，用于Notch滤波器根据所述索引值读取该滤波器时域迭代式的滤波系数；及

滤波计算单元，用于Notch滤波器根据时域迭代式及其滤波系数计算对所述载波信号进行滤波并输出滤波结果；所述滤波装置还包括初始化单元，用于Notch滤波器在每帧滤波前重新初始化；

所述滤波装置还包括索引值存储单元，用于根据载波信号中心频率与窄带单音干扰频率的差值，存储该差值与该滤波器时域迭代式的滤波系数对应的索引值；

所述滤波系数读取单元进一步包括：

存储地址子单元，用于Notch滤波器根据所述索引值得到该滤波器时域迭代式的滤波系数的存储地址，所述索引值与该滤波系数的存储地址存在一一映射的一种对应关系；及

滤波系数子单元，用于Notch滤波器根据所述存储地址读取该滤波器时域迭代式的滤波系数。

4.根据权利要求3所述的抑制窄带单音干扰的滤波装置，其特征在于，所述Notch滤波器的滤波系数存储采用ROM，ROM深度为64，数据位宽为96bit。