CN211236252U - 抗宽带干扰北斗车载一体机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种抗宽带干扰北斗车载一体机,由主机和线缆组成,主机内包括抗干扰天线阵元、接收通道模块、功放/合路器、抗干扰模块、发射滤波器、基带信号处理板、电源信息板、电源滤波器等组成;本实用新型的核心是抗干扰模块,该抗干扰模块采用频域窄带干扰抑制与空时自适应陷波处理级联的方式,即先分别对中频信号进行频域窄带干扰抑制,再将陷波结果再进行空时自适应处理,抑制掉宽带干扰。权衡抗干扰性能、***复杂程度、可靠性、功耗等多方面因素,本方案采具有同时抗窄带干扰和多个宽带干扰的能力,将干扰对消以后的信号上变频到射频信号,然后可以按照常规的方法对该导航信号进行处理。
Description
技术领域
本实用新型属于卫星通信技术领域,具体的说是应用于一种抗宽带干扰北斗车载一体机。
背景技术
北斗卫星导航***(BeiDou Navigation Satellite System)是我国正在实施、自主研发并完全独立运行的全球卫星导航***,依靠其服务范围广、定位准确、导航实时性好等优点获得了国内外越来越多的重视。“北斗二代”卫星导航定位***是一个双频段的测距***,其打破了美国和俄罗斯在全球导航定位的垄断,随着***的不断完善,必将在我国的国防安全、经济建设等领域发挥至关重要的作用。
目前市场现有的大规模北斗车载一体机均为不具备抗干扰功能,能够实现RNSS定位、授时、通信等功能。但由于北斗信号非常弱的特性,使其容易受到外界窄带信号、宽带信号的干扰或是敌方的蓄意干扰,从而造成北斗接收机的失灵;在有干扰的情况下均可能被欺骗、被干扰,而导致无法进行RNSS定位或RNSS定位精度偏差较大,该问题的核心为北斗车载一体机不具备抗干扰功能,不能在有干扰的情况识别正确的北斗信息,将噪声、干扰信号识别并剔除。
实用新型内容
针对上述的问题,本实用新型创造的抗干扰北斗车载一体机可实现抗宽带干扰功能,可抗 B3频点和S频点各3个宽带干扰,干扰覆盖B3和S频点100%带宽,B3频点干信比不低于 70dB,S频点干信比不低于60dB。
为了实现上述目的,本实用新型采用的技术方案是:抗宽带干扰北斗车载一体机,所述车载一体机包括抗干扰天线阵元、接收通道模块、功放/合路器、抗干扰模块、发射滤波器、基带信号处理板、电源信息板、电源滤波器;其中,
所述抗干扰天线阵元接收卫星导航定位射频信号;
所述抗干扰模块采取频域窄带干扰抑制与空时自适应陷波处理级联的处理方式,将干扰对消以后的信号上变频到射频信号,然后按照常规的方法对该射频信号进行处理;
所述功放/合路器模块具有对RDSS-L发射信号的功率放大功能,所述功放/合路器模块中设有发射铝箔器,将RDSS-L的发送射频信号送到抗干扰天线完成功率放大并发射;
所述基带信号处理板对所述定位射频信号进行集中处理,经射频前端的下变频、数字化、基带信号处理后提取出各种观测量,完成对接收信号的捕获、跟踪、导航电文解调、时差测量任务,进而完成PVT解算;
所述电源信息板上的供电电源直接通过电源模块馈入功率放大器,通过发射使能实现发射的同时发射通道打开;
所述电源模块将外部供电电源转化为电源信息板上的供电电源。
进一步的,所述抗干扰天线阵元接收到的卫星导航定位射频信号为RNSS-B1、RNSS-B3 和RDSS_S频点的卫星导航定位射频信号,对RDSS-S和RNSS-B3两种导航射频信号分别采用了四阵元接收阵列天线接收。
本实用新型还提供上述车载一体机的抗干扰方法,天线阵元接收到的S及B3频点每个频点的4路中频模拟信号经A/D变换为数字中频信号,进入抗干扰处理单元,先对窄带干扰进行抑制,然后将窄带抑制后的4通道数字中频信号进行空时联合自适应滤波,对宽带干扰抑进行抑制,然后经数字AGC处理,形成幅度恒定的数字基带信号,经D/A变换中频模拟信号,然后进行上变频,并输出给基带信号处理板。通过调整天线阵各单元的权值控制天线方向图,抗干扰天线在多个干扰方向上同时产生零陷,实现干扰的有效抑制。
进一步的,所述将窄带抑制后的4通道数字中频信号进行空时联合自适应滤波对宽带干扰抑进行抑制分为两种情况:约束空时自适应处理算法和无约束空时自适应处理算法,其中,无约束空时自适应算法不需要任何先验知识,使增益零点指向干扰来向,当外部无干扰时,它将建立起近乎均匀半球的增益方向图;约束空时自适应算法需要已知卫星的位置信息、卫星接收机位置信息以及接收天线姿态信息,使天线阵产生多个窄波束,分别指向并跟踪每颗目标卫星,同时,天线方向图的零点仍指向外部干扰来向。
进一步的,所述约束空时自适应处理算法的具体过程如下:
首先,构建以下算法模型:设定天线阵共有M个阵元,每个阵元通道后有一个N阶FIR 滤波器,FIR滤波器各抽头输入信号{wmn},m=1,2,...,M,n=1,2,...,N为空时二维权系数;
令M个阵元的接收信号分别表示为x1(n),...,xM(n),则阵元m后的FIR各抽头输入信号为 xm1(n)=xm(n),xm2(n)=xm(n-1),……,xmN(n)=xm(n-N+1);
用X表示输入信号矩阵为
X=[x11,x12,...,x1N,x21,x22,...,x2N,...,xM1,xM2,...,xMN]T (1)
用MN×1维向量w表示权矢量,则
w=[w11,w12,...,w1N,w21,...,w2N,...,wM1,...,wMN]T (2)
各阵元接收数据的协方差矩阵表示为R=E[XXH],由线性约束最小方差准则,描述为以下最优化问题
其中,空间导向矢量Ss和时间导向矢量St分别表示为:
公式(6)最优解即为输出信干噪比最大,利用拉格朗日乘子法推导出最优空时处理器的解为
利用自适应方法求解上式;
然后,设定K个约束,选择K与通道延时单元数N相同,得到第k个约束方程为:
第k个约束是当角频率为ωk的单位平面波以θk入射到阵时,阵的输出为bk,有K个线性约束的最小方差LCMV优化方程为:
其中,约束矩阵C=[c1,c2,...,cK],输出响应矢量b=[b1,b2,...,bK]T;
利用拉格朗日乘子法可以推导出多约束最小方差处理器的解为
wopt=R-1C(CHR-1C)-1b (11);
将R表示为如下形式:
首先,构建以下算法模型:设定天线阵共有M个阵元,第一阵元通道作为主通道,第二至M通道作为辅助通道,每个辅助通道后有一个N阶FIR滤波器,令输入信号为 x1(n),...,xM(n),则阵元m后的FIR各抽头输入信号为xm1(n)=xm(n),xm2(n)=xm(n-1),……,xmN(n)=xm(n-N+1);
用X表示输入信号矩阵为
X=[x1,x21,x22,...,x2N,...,xM1,xM2,...,xMN]T (16)
滤波器系数表示为{wmn},m=2,...,M,n=1,2,...,N为空时二维权系数;用MN×1维向量w表示处理器权矢量,则
W=[w21,...,w2N,...,wM1,...,wMN]T (17)
最佳化准则可以归结为如下的无约束最佳化问题:
Pout取最小值的最佳权Wopt可由令Pout对W的梯度为零求得:
得到Wopt应满足的方程为
即为无约束空时自适应算法的最优解;
进一步的,所述频域窄带干扰抑制的具体过程为:
首先,对输入的时域信号进行FFT变换;
其次,对变换后得到的信号进行加窗处理,再进行DFT变换;
最后,在频域进行干扰检测,对经干扰谱线处理之后进行逆变换IDFT,以减弱和抑制窄带干扰。
本实用新型还提供用于抗宽带干扰北斗车载一体机的抗干扰模块,所述抗干扰模块包括包括数字信号采集单元、抗干扰处理单元、抗干扰滤波单元、接口通信单元、电源单元;采用抗干扰中频单元接收4路RDSS S中频模拟信号和4路RNSS B3中频模拟信号,所述数字信号采集单元实现模拟信号数字化,并将数字化的信号发送给抗干扰处理单元,所述抗干扰处理单元根据接收的数字信号实现抗干扰运算;所述抗干扰滤波单元实现信号的空时域滤波处理;
所述接口通信单元实现抗干扰处理单元的调试信息接口输出,电源单元实现板上所有电源的转换和分配。
进一步的,所述抗干扰处理单元采取频域窄带干扰抑制与空时自适应陷波处理级联的处理方式,将干扰对消以后的信号,上变频到射频信号,然后按照常规的方法对射频信号进行处理。
本实用新型具有如下有益效果:
与现有技术相比,本实用新型的核心技术是自适应处理(STAP)算法,自适应处理(STAP) 算法通过空时联合处理多阵元(空域)与多个时域接收到的数据,使干扰抑制在空时二维空间中进行。该技术利用干扰与有用信号空间角度的相互独立,可将目标与干扰有效地分离出来,实现滤波。空时自适应处理技术克服了空域滤波的不足,在不增加阵元的前提下,提高了阵面的自由度。
基于上述算法,本实用新型提供的抗干扰模块以及车载一体机可实现抗宽带干扰功能,可抗B3频点和S频点各3个宽带干扰,干扰覆盖B3和S频点100%带宽(干扰信号和信号来向不小于30°),B3频点干信比不低于70dB,S频点干信比不低于60dB。较之前的北斗车载一体机有较大的实用性进步,能够在干扰的环境中为用户提供基于北斗卫星的定位、导航、通信等服务。
附图说明
图1是导航设备原理框图;
图2是时域功率检测方法示意图;
图3是抗干扰处理单元组成框图(以单个频点为例);
图4是本实用新型抗干扰处理单元硬件结构示意图;
图5是配置连接电路图;
图6是芯片AD9653结构图;
图7是ADC输入模拟信号调理电路结构图;
图8是输入模拟信号调理电路结构图;
图9是芯片AD9707原理框图;
图10是DAC输出信号调理电路结构图;
图11是约束空时自适应算法模型结构图;
图12是无约束空时算法模型结构图;
图13是抗干扰模块的结构示意图;
图14是频域窄带干扰抑制原理图;
图15是基于DFT的窄带干扰抑制算法结构图;
图16是为常用的窗函数时域波形及其功率谱图。
具体实施方式
现将结合图1-16,对本实用新型的技术方案进行完整的描述。以下描述仅仅是本实用新型的一部分实施案例而已,并非全部。基于本实用新型中的实施案例,本领域技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施案例,都属于本实用新型的权利保护范围之内。
实施例1
本实用新型提供一种抗干扰北斗车载一体机,其采用一体式结构设计,由主机和线缆组成,主机内包括抗干扰天线阵元、接收通道模块、功放/合路器、抗干扰模块、发射滤波器、基带信号处理板、电源信息板、电源滤波器等组成。
抗干扰天线阵元接收RNSS-B1、RNSS-B3和RDSS_S等频点卫星导航定位射频信号,对 RDSS-S和RNSS-B3两种导航射频信号分别采用了四阵元接收阵列天线接收,经过低躁声放大器(LNA)放大,然后对四路导航信号一次下变频、带通滤波、放大和自动增益控制后变为模拟中频信号。
天线阵元接收到的S及B3频点每个频点的4路中频模拟信号经A/D变换为数字中频信号,进入抗干扰处理单元,先对窄带干扰进行抑制,然后将窄带抑制后的4通道数字中频信号进行空时联合自适应滤波,将宽带干扰抑制掉,然后经数字AGC处理,形成幅度恒定的数字基带 (I/Q)信号,经D/A变换中频模拟信号,然后进行上变频,并输出给基带信号处理板。通过调整天线阵各单元的权值控制天线方向图,抗干扰天线在多个干扰方向上同时产生零陷,实现干扰的有效抑制,从而提高输出信干噪比。需要注意的是,由于窄带干扰有可能与有用信号来向相同,如果直接在该干扰方向形成零陷,则会将该方向上的有用卫星信号一同抑制掉。为了解决这个问题,需要采用频域窄带干扰抑制与空时自适应陷波处理级联的方式,即先分别对中频信号进行频域窄带干扰抑制,抑制掉窄带干扰后,将陷波结果再进行空时自适应处理,抑制掉宽带干扰。权衡抗干扰性能、***复杂程度、可靠性、功耗等多方面因素,本方案采取频域窄带干扰抑制与空时自适应陷波处理级联的处理方式,具有同时抗窄带干扰和多个宽带干扰的能力。将干扰对消以后的信号,还需要上变频到射频信号,然后则可以按照常规的方法对该导航信号进行处理。
功放/合路器模块具有对RDSS-L发射信号的功率放大功能,将RDSS-L的发送射频信号送到抗干扰天线完成功率放大并发射。电源信息板上的28V供电电源直接通过电源模块馈入功率放大器,通过发射使能实现发射瞬间的发射通道打开。
基带信号处理板集中处理RNSS-B1、RNSS-B3和RDSS-S三路信号。经过射频前端的下变频、数字化、基带信号处理后提取出各种观测量,完成对接收信号的捕获、跟踪、导航电文解调、时差测量等任务,进而完成PVT解算。同时,对要发送的基带数据进行扩频处理,并上变频至L波段,生成射频信号输出。本处理单元具有B3、B1频点RNSS定位、以及上述频点联合定位功能,可保证指挥车辆在中等起伏路面机动中可靠定位。本单元同时具有RNSS信号的精密测距码直接捕获和引导捕获两种方式、导航电文转换及解密、1PPS输出功能。本处理单元具有基于RDSS的定位、通信与指挥功能。能够按《BD-2RDSS通信协议》实现报文通信功能,支持位置报告,向下属用户通播通信信息,支持用户容量200个。定位结果及观测量结果通过串行口以标准协议格式输出至设备外部接口,整机的功能原理如图1所示。
实施例2
本实用新型的关键在于抗干扰模块,下面详细阐述抗干扰模块的设计:
·抗干扰模块设计
工作原理:
在电子对抗环境中,卫星导航接收机接收信号动态范围大,其在射频放大环节极易因输入信号过大,而产生严重非线性失真,为保证接收机在电子对抗环境下正常接收不失真信号,并达到有效抑制干扰的目的,通常需要设计大动态范围的自动增益控制***来实现电平恒定或在较小范围内波动。一般传统的接收机都采用的是反馈型模拟AGC电路,尽管反馈型模拟AGC 电路增益控制较为精确,但反馈型模拟AGC电路响应时间慢,不适用复杂快变的干扰环境。
为了保证增益控制电路的快速收敛速度、稳定性以及可靠性,考虑到数字技术高可靠性、强灵活性等优点,因而,本方案采用把增益控制引入到数字域。在对参考通道输出采样后,在FPGA中进行检波处理,这样便于对信号进行降噪处理和采用更加灵活有效的控制算法,以便准确及时地输出1bit衰减器控制信号,控制干扰对消通道的信号电平。
功率检测方法是一种对未知信号检测的有效检测方法,在没有干扰信号任何先验信息,干扰功率明显高于噪声功率谱时常采用,如图2所示。功率检测方法在有无干扰情况下,根据接收信号功率大小不同,作出干扰判决。功率检测算法对干扰信号类型不作限制,因此,不需要接收干扰信号的先验信息,且可以通过长时间的积累达到非常理想的检测效果。
抗干扰模块组成:
抗干扰处理模块S频点和B1/B3频点的抗干扰处理模块组成相同,均包含4通道并行接收模块、基带抗干扰处理模块和一个上变频通道模块。
1)下变频通道单元
下变频通道单元由S/B3射频模块组成,将天线接收到的射频信号(包含卫星信号和干扰信号)进行下变频。
2)抗干扰处理单元
基于频域窄带干扰抑制算法和空时自适应处理算法,完成S频点和B3频点的窄带和宽带压制式干扰的有效抑制,得到干扰抑制后的中频信号。
3)上变频通道单元
上变频通道单元主要完成上变频功能,将干扰对消后的中频信号变回到射频。
抗干扰模块硬件设计:
抗干扰模块硬件包括数字信号采集、抗干扰处理、抗干扰滤波、接口通信模块、电源模块。抗干扰中频单元接收4路RDSS S中频模拟信号和4路RNSS B3中频模拟信号,数字信号采集实现模拟信号数字化;抗干扰处理根据接收的数字信号实现抗干扰运算;抗干扰滤波模块实现信号的空时域滤波处理;接口通信模块实现抗干扰处理单元的调试信息接口输出,电源模块实现板上所有电源的转换和分配。抗干扰处理单元硬件电路结构如图4所示,由测试口、时钟分配单元、ADC单元、FPGA单元、DSP单元、电源模块等组成。
现将一些重要的电路设计叙述如下:
a)硬件可编程处理器(FPGA)单元设计
抗干扰模块的核心处理器件为大规模FGPA,主要用于完成窄带干扰抑制、空时权值计算、空时宽带干扰对消等功能。其特点是并行运算量大,消耗的存储资源和乘法器资源大。
1)芯片选型
专用处理器作为基带信号处理模块的核心,采用Xilinx的K7系列FPGA。Xilinx系列FPGA 相关硬件电路设计技术和硬件描述语言开发技术相对成熟,采用Xilinx系列FPGA可以有效缩短开发周期。从低功耗要求的角度考虑,Xilinx的K7系列FPGA核电压1V,功耗低。综合考虑资源等因素,选用较适合基带信号处理的XC7K325T-2FFG676I作为专用处理器,其主要特性如下:
2)配置加载电路设计
配置加载电路选用Xilinx公司的可重复写入和擦除的Flash芯片XCF128XFTG64C的主要特性如下:
电路配置连接如图5所示。
b)ADC电路
KGR卫星下变频信号对ADC有较高的性能要求。这里针对KGR下变频信号给出ADC方案。
1)芯片选型
AD转换器选用ADI公司的工业级芯片AD9653。该芯片功能框图如图6,该芯片的主要特性如下:
2)ADC输入模拟信号调理电路设计
ADC输入模拟信号调理电路如图7所示。
为使放大器获得较好的抗噪声性能,设计使用变压器实现模拟信号的差分输入。ADC的 VCM端接在变压器副方的中点处实现对输入模拟信号的偏置。变压器选取Mini-Circuits公司的ADT1-1WT,该芯片的主要特性如下:
3)ADC采样时钟电路设计
ADC输入时钟信号调理电路如图8所示。
当时钟频率在200M以下时,选用上图中电路作为时钟电路方案。此处变压器同样选用 ADT1-1WT。两片ADC芯片的时钟由时钟驱动器CY2304的两路输出分别供给。详见时钟产生单元设计。
c)DAC电路
1)芯片选型
D/A转换电路负责将FPGA输出的干扰对消后的数字中频信号转换为模拟中频信号。拟采用工业极低功耗的器件AD9707,其主要技术指标如下:
(1)分辨率:14bit
(2)最大采样率:175MSPS
(3)SFDR:75dB@20MHz输出
(4)功耗:≤50mW(采样率为62MSPS时)
(5)电源:模拟1.8V/数字1.8~3.3V
(6)工作温度范围:-40℃~+85℃。
2)DAC输出信号调理电路设计
DAC输出信号调理电路如图10所示。
d)时钟产生单元
1)基本功能与组成
***时钟子单元为ADC、DAC和FPGA提供差分时钟。考虑到各个器件时钟之间的同步性要求,以射频模块分别提供的62MHz和124MHz时钟信号为基准,分别经过两片时钟驱动芯片各扇出四路和两路时钟信号,分别输出给ADC、DAC和FPGA
2)***时钟需求分析
3)芯片选型
时钟驱动器选择CYPRESS公司的CY2CP1504,该芯片的主要特性如下:
4)芯片电源设计
为保证芯片性能,并考虑与ADC和DAC等模拟器件的电源隔离,芯片的电源由+5V独立变换得到。
本专利的技术关键点为宽带干扰抑制算法及抗干扰模块硬件设计。
空时自适应处理(STAP)是通过空时联合处理多阵元(空域)与多个时域接收到的数据,使干扰抑制在空时二维空间中进行。该技术利用干扰与有用信号空间角度的相互独立,可将目标与干扰有效地分离出来,实现滤波。空时自适应处理技术克服了空域滤波的不足,在不增加阵元的前提下,提高了阵面的自由度。抗干扰扩频接收机的关键技术就是空时自适应滤波技术。
按照是否知道卫星方向的先验信息来区分,空时自适应算法分为有约束和无约束两种。无约束空时自适应算法不需要任何先验知识,能使增益零点指向干扰来向,当外部无干扰时,它将建立起近乎均匀半球的增益方向图;约束空时自适应算法需要已知卫星的位置信息、卫星接收机位置信息以及接收天线姿态信息,它使天线阵产生多个窄波束,分别指向并跟踪每颗目标卫星,同时,天线方向图的零点仍指向外部干扰来向。
约束空时自适应处理算法的思想是将一维的空域滤波推广到时间与空间的二维域中,形成空时二维处理的结构。Brenan首先提出了空时二维处理的思想,在高斯杂波背景加确知信号的模型下,根据似然比检测理论导出了一种空时二维处理自适应处理结构,称为“最优处理器”。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解,本实用新型不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理,在不脱离本实用新型精神和范围的前下,本实用新型还会有各种变化和改进,本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。
Claims (2)
1.抗宽带干扰北斗车载一体机,其特征在于,所述车载一体机包括抗干扰天线阵元、接收通道模块、功放/合路器、抗干扰模块、发射滤波器、基带信号处理板、电源信息板、电源滤波器;其中,
所述抗干扰天线阵元接收卫星导航定位射频信号;
所述抗干扰模块采取频域窄带干扰抑制与空时自适应陷波处理级联的处理方式,将干扰对消以后的信号上变频到射频信号,然后按照常规的方法对该射频信号进行处理;
所述功放/合路器模块具有对RDSS-L发射信号的功率放大功能,所述功放/合路器模块中设有发射滤波器,将RDSS-L的发送射频信号送到抗干扰天线完成功率放大并发射;
所述基带信号处理板对所述定位射频信号进行集中处理,经射频前端的下变频、数字化、基带信号处理后提取出各种观测量,完成对接收信号的捕获、跟踪、导航电文解调、时差测量任务,进而完成PVT解算;
所述电源信息板上的供电电源直接通过电源模块馈入功率放大器,通过发射使能实现发射的同时发射通道打开;
所述电源滤波器将外部供电电源转化为电源信息板上的供电电源;
所述抗干扰天线阵元接收到的卫星导航定位射频信号为RNSS-B1、RNSS-B3和RDSS_S频点的卫星导航定位射频信号,对RDSS-S和RNSS-B3两种导航射频信号分别采用了四阵元接收阵列天线接收。
2.用于抗宽带干扰北斗车载一体机的抗干扰模块,其特征在于,所述抗干扰模块包括数字信号采集单元、抗干扰处理单元、抗干扰滤波单元、接口通信单元、电源单元;采用抗干扰中频单元接收4路RDSS S中频模拟信号和4路RNSS B3中频模拟信号,所述数字信号采集单元实现模拟信号数字化,并将数字化的信号发送给抗干扰处理单元,所述抗干扰处理单元根据接收的数字信号实现抗干扰运算;所述抗干扰滤波单元实现信号的空时域滤波处理;
所述接口通信单元实现抗干扰处理单元的调试信息接口输出,电源单元实现板上所有电源的转换和分配;
所述抗干扰处理单元采取频域窄带干扰抑制与空时自适应陷波处理级联的处理方式,将干扰对消以后的信号,上变频到射频信号,然后按照常规的方法对射频信号进行处理。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |