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CN116131896B - 一种基于方向图重构抵消的天线阵列干扰抑制方法 - Google Patents

一种基于方向图重构抵消的天线阵列干扰抑制方法 Download PDF

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Harbin Institute of Technology Shenzhen
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Abstract

一种基于方向图重构抵消的天线阵列干扰抑制方法，涉及无线通信抗干扰技术领域，是为解决现有空域抗干扰系统抑制能力固定，在强干扰环境下无法保障通信信号正常解调的问题，本发明提出了一种基于方向图重构抵消的天线阵列干扰抑制方法，在不额外增加天线阵列所使用硬件资源的前提下，充分利用处理器计算资源，在原有接收机的基础上，附加调整各天线分量接收数据的相位完成方向图重构，将重构方向图后的处理数据与原始处理数据进行抵消，形成信号之间的二次叠加，本发明适用于无线通信的干扰抑制场合。

Description

一种基于方向图重构抵消的天线阵列干扰抑制方法
技术领域
本发明涉及无线通信抗干扰技术领域，具体涉及一种基于方向图重构抵消的天线阵列干扰抑制技术。
背景技术
不论在专用还是商用通信系统中均不可避免地受到各种类型的干扰，在抗干扰技术领域已经发展出猝发通信、跳频/扩频等时频域抗干扰技术。随着4G系统的成熟、5G系统的商用和6G系统的预研，天线阵列已成为通信系统中提升容量和可靠性的常用手段。天线阵列为抗干扰技术提供了空域资源，在此基础上发展出波束赋形、自适应调零等多种空域抗干扰方法，即通过调整天线阵列的方向图将主瓣对准通信信号到达方向，而零陷朝向干扰方向，从而滤除大部分干扰能量，起到抑制效果。然而此类空域抗干扰方法的抑制性能依赖于阵列方向图设计的零陷水平，当干扰功率与通信信号功率之差超出零陷滤除能力时依旧无法正常解出有用信息。因此，如何设计抑制性能随干扰强度动态变化的天线阵列抗干扰方法，从而在不同强度干扰环境下均能够正常解出有用信息是空域抗干扰技术的一个关键问题。
发明内容
本发明是为解决现有空域抗干扰系统抑制能力固定，在强干扰环境下无法保障通信信号正常解调的问题，从而提出了一种基于方向图重构抵消的天线阵列干扰抑制方法。
本发明采用的技术方案是：
一种基于方向图重构抵消的天线阵列干扰抑制方法，它包括以下步骤：
步骤一、接收端利用N根天线从无线信道接收到N路模拟信号，并将N路模拟信号分别通过预处理组件进行处理，获得阵列输入的待处理数据；N为正整数；
步骤二、接收端对步骤一获得的阵列输入待处理数据的各天线分量进行求和，获得天线阵列原始方向图处理后数据；
步骤三、将步骤二获得的原始方向图处理后数据送入缓存器；
步骤四、接收端利用步骤一中获得阵列输入的待处理数据计算通信信号的到达角θc和干扰信号的到达角θI；
步骤五、接收端计算天线阵列原始方向图在θc方向的增益Gm1及在方向θI的增益Gz1；
步骤六、接收端设计理想重构方向图，并结合步骤一中阵列输入待处理数据各天线分量的相位对重构方向图特性的影响，计算方向图重构因子w1、w2、…、wN，其中w1、w2、…、wN的模值均为1；
所述理想重构方向图具体为：
方向图其中一个旁瓣对准步骤五所述干扰到达角，零陷朝向步骤五所述通信信号到达角，将前述旁瓣增益表示为Gs2，零陷增益表示为Gz2，在保证计算位宽不溢出的前提下最大化Gs2与Gzmax之差，其中：Gzmax＝max(Gz1,Gz2)；
步骤七、将步骤一中所述阵列输入待处理数据各天线分量与步骤六中方向图重构因子对应相乘并求和，获得天线阵列重构方向图处理后数据；
步骤八、计算重构方向图处理后数据的缩放比例Gf，其中Gf(dB)＝Gz1(dB)–Gs2(dB)；
步骤九、对步骤七中重构方向图处理后数据进行增益为Gf的功率衰减，得到衰减后数据；
步骤十、从步骤三所述缓存器中读取原始方向图处理后数据，与步骤九所述衰减后数据作差获得干扰消除后数据，并输出至后续接收检测模块，完成一次基于方向图重构抵消的天线阵列干扰抑制。
发明获得的有益效果是：本发明提出了一种基于方向图重构抵消的天线阵列干扰抑制方法，在不额外增加天线阵列所使用硬件资源的前提下，充分利用处理器计算资源，在原有接收机的基础上，附加调整各天线分量接收数据的相位完成方向图重构，将重构方向图后的处理数据与原始处理数据进行抵消，形成信号之间的二次叠加，提升干扰抑制能力。本发明干扰抑制效果与干扰强度正相关，保证干扰抑制后的信干噪比为固定值，在强干扰下依旧能够保证通信信号正常解调，有助于空分干扰抑制和提升空间复用能力。
附图说明
图1是本发明的一种基于方向图重构抵消的天线阵列干扰抑制方法的信号流程示意图；
图2是本发明的一种基于方向图重构抵消的天线阵列干扰抑制方法的天线阵列原始方向图模型示意图；
图3是本发明的一种基于方向图重构抵消的天线阵列干扰抑制方法的重构方向图模型示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-3说明本实施方式，一种基于方向图重构抵消的天线阵列干扰抑制方法，它包括以下步骤：
步骤一、接收端利用N根天线从无线信道接收到N路模拟信号，并将N路模拟信号分别通过预处理组件进行处理，获得阵列输入的待处理数据；N为正整数；
其中预处理组件具体包括：
低噪声放大器、下变频器、模数转换器和滤波器；
步骤二、对步骤一中阵列输入待处理数据的各天线分量进行求和，得到天线阵列原始方向图处理后数据；
步骤三、将步骤二所得原始方向图处理后数据送入缓存器；
步骤四、接收端利用步骤一中获得阵列输入的待处理数据计算通信信号的到达角θc和干扰信号的到达角θI；
所述通信信号与干扰信号到达角具体计算方法为：
计算步骤一中阵列输入待处理数据的协方差矩阵，并由天线阵列摆放方式得到阵列方向矩阵，使用MUSIC或ESPRIT算法得到到达角估计值；
步骤五、如图2所示，接收端计算天线阵列原始方向图在θc方向的增益Gm1及在方向θI的增益Gz1；记通信信号为xc(n)，功率为Px，干扰信号为yI(n)，功率为Py，模拟器件引入的噪声为z1(n)，功率为σz1；则步骤二所述原始方向图处理后数据表示为：
原始方向图处理后的信干噪比为：
步骤六、接收端设计如图3所示理想重构方向图，并结合步骤一中阵列输入待处理数据各天线分量的相位对重构方向图特性的影响，计算方向图重构因子w1、w2、…、wN，其中w1、w2、…、wN的模值均为1；
所述理想重构方向图具体为：
方向图其中一个旁瓣对准步骤五所述干扰到达角，零陷朝向步骤五所述通信信号到达角，设前述旁瓣增益为Gs2，零陷增益为Gz2，在保证计算位宽不溢出的前提下最大化Gs2与Gzmax之差，其中Gzmax＝max(Gz1,Gz2)；
步骤七、将步骤一中所述阵列输入待处理数据各天线分量与步骤六中方向图重构因子对应相乘并求和，获得天线阵列重构方向图处理后数据，表示为：
其中z2(n)为模拟器件及重构方向图计算过程中引入的噪声，功率为σz2。
步骤八、计算重构方向图处理后数据的缩放比例Gf，其中Gf(dB)＝Gz1(dB)–
Gs2(dB)；
步骤九、对步骤七中重构方向图处理后数据进行增益为Gf的功率衰减，得到衰减后数据，表示为：
步骤十、从步骤三所述缓存器中读取原始方向图处理后数据，与步骤九所述衰减后数据作差获得干扰消除后数据，并输出至后续接收检测模块，完成基于方向图重构抵消的天线阵列干扰抑制。其中干扰消除后数据表示为：
输出至后续接收检测模块数据的信干噪比为：
在步骤六所述重构方向图特性下，与步骤二中仅由原始支路处理相比，信干噪比提升比例为：
本发明获得的有益效果是：本发明提出了一种基于方向图重构抵消的天线阵列干扰抑制方法，在不额外增加天线阵列所使用硬件资源的前提下，充分利用处理器计算资源，在原有接收机的基础上，附加调整各天线分量接收数据的相位完成方向图重构，将重构方向图后的处理数据与原始处理数据进行抵消，形成信号之间的二次叠加，提升干扰抑制能力。本发明干扰抑制效果与干扰强度正相关，保证干扰抑制后的信干噪比为固定值，在强干扰下依旧能够保证通信信号正常解调，有助于空分干扰抑制和提升空间复用能力。

Claims (8)

1.一种基于方向图重构抵消的天线阵列干扰抑制方法，其特征是：它包括以下步骤：
步骤一、接收端利用N根天线从无线信道接收到N路模拟信号，并将N路模拟信号分别通过预处理组件进行处理，获得阵列输入的待处理数据；N为正整数；
步骤二、接收端对步骤一获得的阵列输入待处理数据的各天线分量进行求和，获得天线阵列原始方向图处理后数据；
步骤三、将步骤二获得的原始方向图处理后数据送入缓存器；
步骤四、接收端利用步骤一中获得阵列输入的待处理数据计算通信信号的到达角θc和干扰信号的到达角θI；
步骤五、接收端计算天线阵列原始方向图在θc方向的增益Gm1及在方向θI的增益Gz1；
步骤六、接收端设计理想重构方向图，并结合步骤一中阵列输入待处理数据各天线分量的相位对重构方向图特性的影响，计算方向图重构因子w1、w2、…、wN，其中w1、w2、…、wN的模值均为1；
所述理想重构方向图具体为：
方向图其中一个旁瓣对准步骤五所述干扰到达角，零陷朝向步骤五所述通信信号到达角，将前述旁瓣增益表示为Gs2，零陷增益表示为Gz2，在保证计算位宽不溢出的前提下最大化Gs2与Gzmax之差，其中：Gzmax＝max(Gz1,Gz2)；
步骤七、将步骤一中所述阵列输入待处理数据各天线分量与步骤六中方向图重构因子对应相乘并求和，获得天线阵列重构方向图处理后数据；
步骤八、计算重构方向图处理后数据的缩放比例Gf，其中Gf(dB)＝Gz1(dB)–Gs2(dB)；
步骤九、对步骤七中重构方向图处理后数据进行增益为Gf的功率衰减，得到衰减后数据；
步骤十、从步骤三所述缓存器中读取原始方向图处理后数据，与步骤九所述衰减后数据作差获得干扰消除后数据，并输出至后续接收检测模块，完成一次基于方向图重构抵消的天线阵列干扰抑制。
2.根据权利要求1所述的一种基于方向图重构抵消的天线阵列干扰抑制方法，其特征在于步骤一中，所述预处理组件具体包括：
低噪声放大器LNA、下变频器、模数转换器和滤波器；
所述低噪声放大器LNA的信号输入端是所述预处理组件的信号输入端，所述低噪声放大器LNA的信号输出端与所述下变频器的信号输入端连接；所述下变频器的信号输出端与所述模数转换器的信号输入端连接；所述模数转换器的信号输出端与所述滤波器的信号输入端连接，所述滤波器的信号输出端是所述预处理组件的信号输出端。
3.根据权利要求1所述的一种基于方向图重构抵消的天线阵列干扰抑制方法，其特征在于步骤二中获得天线阵列原始方向图处理后数据表示为：
式中：xc(n)为：通信信号；yI(n)为：干扰信号；z1(n)为：模拟器件引入的噪声。
4.根据权利要求3所述的一种基于方向图重构抵消的天线阵列干扰抑制方法，其特征在于步骤二中，原始方向图处理后的信干噪比为：
式中：Px为：通信信号的功率；Py为：干扰信号的功率；σz1为：噪声z1(n)功率。
5.根据权利要求4所述的一种基于方向图重构抵消的天线阵列干扰抑制方法，其特征在于步骤四中，根据步骤一中获得阵列输入的待处理数据计算通信信号的到达角θc和干扰信号的到达角θI的具体方法为：
首先计算步骤一中阵列输入待处理数据的协方差矩阵，并由根据天线阵列摆放方式得到阵列方向矩阵，然后使用MUSIC或ESPRIT算法得到通信信号的到达角和干扰信号的到达角的估计值。
6.根据权利要求5所述的一种基于方向图重构抵消的天线阵列干扰抑制方法，其特征在于步骤七中，天线阵列重构方向图处理后数据，表示为：
其中：z2(n)为：模拟器件及重构方向图计算过程中引入的噪声。
7.根据权利要求6所述的一种基于方向图重构抵消的天线阵列干扰抑制方法，其特征在于步骤九中，获得衰减后数据为：
8.根据权利要求7所述的一种基于方向图重构抵消的天线阵列干扰抑制方法，其特征在于步骤十中，获得的干扰消除后数据表示为：
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