可重配置的发端陷波成形技术的研究

【摘 要】文章研究了一种可重配置的发端陷波成形技术,介绍了其原理,阐述了可重配置的陷波器的实现方案。实例仿真表明,该陷波器能很好地抑制宽带系统对窄带系统的干扰。

【关键词】发端陷波成形技术重配置陷波器宽带系统窄带系统干扰

在宽带通信系统与窄带通信系统共存的应用场景中,特别是当宽带系统和窄带系统同址建站,窄带系统工作频率在宽带系统带宽内时,宽带系统和窄带系统会相互干扰,甚至会造成彼此间接收前端阻塞。解决窄带系统对宽带系统的干扰的方法是,增强窄带系统发端的带外抑制能力以及在宽带系统的收端对窄带系统的干扰进行抑制。降低宽带系统对窄带系统造成的干扰的一个有效措施为,在宽带系统发端进行陷波成形设计,滤除与窄带信号的工作频率重叠的部分宽带信号。

现有方法只能针对参数固定的有用窄带信号来进行陷波成形,无法有效抑制宽带发射信号对参数可变的窄带信号产生的干扰。而在宽带系统与窄带系统共存的场景中,窄带通信系统在不同工作频率上信道条件是随时间变化的,因此有用窄带信号的个数、每个有用的窄带信号的带宽和频带分布这些参数是随时间变化的。针对这一问题,本文研究了一种可重配置的发端陷波成形技术,设计了一个可重配置的级联陷波器,其特点是参数可重配置,可根据上述三个参数来配置子陷波器的个数以及每个子陷波器的中心频率和带宽,实现对不同窄带发送信号的干扰抑制。

1 基本原理

在发送端实时检测出有用窄带信号的个数、每个有用的窄带信号的带宽和频带分布,根据这些参数设计出一个陷波器,宽带信号在发送前先经过陷波器进行成形,这样可达到避免对窄带发送信号造成干扰的目的。本方法的一个重要特点是发送端的检测是实时的,若检测发现参数有变化,则可实时更新陷波器的参数,以适应不同的发送端环境,从而有效抑制宽带发射信号对窄带信号产生的干扰。此外也可以通过预置的方法来预置陷波器的参数,实现起来比较灵活。

该方法需要陷波器的参数在线可配置,即陷波器的中心频率、带宽及陷波的次数均可配置。首先需要得到一个陷波器系数的闭式表达式,因此考虑采用易于求闭式表达式且实现起来较简单的零极点配置法来构造陷波器。目前IIR陷波器的构造方案较多,全通级联IIR格型陷波器的通带增益具有稳定性和对称性[1],且实现较为简单,占用资源少,配置灵活,因此本文采用全通级联IIR格型陷波器方案。

2 实现方案

2.1 子陷波器

全通级联IIR格型陷波器方案是通过一个2阶的全通滤波器来进行单次陷波,然后通过级联实现多次陷波。图1为级联陷波器的结构示意图:

图1级联陷波器的结构示意图

根据文献[1],全通级联IIR格型子陷波器的传递函数为:

(1)

其结构如图2所示,即

(2)

其中A(z)也是一个2阶全通系统。A(z)的表达式如下:

( 3)

图2 子陷波器的结构示意图

下面说明式(3)中各参数的含义及表达式。假设ω0和BW分别为归一化的子陷波中心频率和陷波带宽。

根据陷波器的要求,在陷波中心频率处有:

H(ejω0)=0 (4)

由式(2)和式(4)可得到[1]:

(5)

可求出[1]:

(6)

(7)

由式(6)和式(7)可以看出,参数θ1单独决定了陷波器的中心频率,参数θ2单独决定了陷波带宽;因此也称θ1为陷波器频率参数,θ2为陷波器带宽参数。这说明在该方案的格型IIR陷波器中,陷波中心频率ω0与陷波带宽BW可以分别进行控制和调整。

2.2 级联陷波器

以上是根据文献[1]得到的一个子陷波器的表达式,子陷波器的参数由窄带信号的带宽和频带分布决定。一个子陷波器对宽带发送信号进行陷波成形后,能够抑制其对对应的窄带发送信号的干扰。若发送端同时存在多个窄带发送信号,则针对每个窄带发送信号的特点构造对应的子陷波器,将所有的子陷波器进行级联得到一个级联陷波器,宽带发送信号在发送前经过该级联陷波器进行陷波成形后,即可有效地抑制宽带信号对其频段内存在的窄带信号的干扰。

具体的实现步骤如下:

(1)在信号发送端,检测出当前各有用的窄带信号的个数n(n为正整数),以及每个有用的窄带信号的带宽和频带分布;

(2)根据各有用窄带信号的带宽和频带分布构造与各有用窄带信号相应的n个子陷波器,并将n个子陷波器串联成一个级联陷波器;

(3)将宽带发送信号通过该级联陷波器进行陷波,得到具有与上述各有用的窄带信号频率相应的陷波的宽带信号;

(4)实时检测各有用的窄带信号的个数n,及每个有用的窄带信号的带宽和频带分布,如果发现这些参数与步骤(1)检测出的参数不同,转到步骤(2);否则,重复步骤(4)。

其中步骤(2)具体包括以下步骤:

1)根据各有用的窄带信号的带宽BW1、BW2、…、BWn,确定各子陷波器的-3dB衰减带宽[BW1 BW2… BWn]T;

2)根据发送端各有用的窄带信号的频带分布确定各子陷波器的中心频率[ω1 ω2 … ωn]T。确定方法为:若窄带i的起始频率为fi1,终止频率为fi2,则第i个子陷波器的中心频率,i=1,2,…,n;

3)根据发送端数字信号处理系统的工作频率来确定陷波器的采样频率fs,其取值不高于发送端数字信号处理系统的最高工作频率;

4)计算各子陷波器的归一化衰减带宽和中心频率;

归一化的带宽:

(8)

归一化的中心频率:

(9)

5)根据式(1)、式(2)及式(7)得到各子陷波器的传递函数H1(z)、H2(z)、…、Hn(z)。将所得到的n个子陷波器串联得到一个级联陷波器,级联陷波器的传递函数为

H(z)=H1(z)*H2(z)*…*Hn(z)(10)

然后根据式(10)构造数字级联陷波器。

3 实例

以下结合一个实例来说明设计可重配置的陷波器抑制发送端宽带信号对窄带信号的干扰的过程。

假设在信号发送端,采用频谱分析仪检测到当前时刻发端工作的窄带信号的个数n=3,工作的窄带信号1的带宽为BW1=2kHz,频带分布为0.349MHz～0.351MHz;工作的窄带信号2的带宽为BW2=3kHz,频带分布为0.3985MHz～0.4015MHz;工作的窄带信号3的带宽为BW3=3.5kHz,频带分布为0.69825MHz～0.70175MHz。则各子陷波器的-3dB衰减带宽:

[BW1 BW2 BW3]T=[2000 3000 3500]THz

各子陷波器的中心频率:

根据系统需求确定陷波器的采样频率fs=2MHz。

归一化各子陷波器的衰减带宽:

归一化各子陷波器的中心频率:

由式(6)得到各子陷波器的频率参数为:

其中θ1i(i=1,2,3)表示第i个子陷波器的频率参数θ1。同样,下文中的θ2i(i=1,2,3)表示第i个子陷波器的带宽参数θ2。

由式(7)可计算得到各子陷波器的带宽参数为:

将上述计算得到的各子陷波器的频率参数和带宽参数的正弦值代入式(1)中,分别得到各子陷波器的传递函数如下:

最后得到的级联陷波器的传递函数为H(z)=H1(z)*H2(z)*H3(z),该级联陷波器的幅频响应如图3所示:

图3 级联陷波器的幅频响应

从图3可以看到,该级联陷波器在数字信号频率ω1'=0.35π、ω2'=0.4π、ω3'=0.7π三个频点产生了三个陷波,这几个频点对应的模拟信号频率为、、,恰好为工作的窄带信号的中心频率。进一步分析可以发现每个陷波的-3dB衰减带宽也恰好对应于相应工作的窄带信号的带宽,这说明该级联陷波器确实能够滤除宽带信号中与窄带有用发送信号频率重叠的部分信号,从而达到抑制宽带信号对窄带信号干扰的目的。

由图3也可以看出对应于带宽为2kHz、3kHz、3.5kHz的子陷波器的陷波深度分别为-8.78dB、-11.9dB、-19.1dB。事实上,格型IIR陷波器的带宽与陷波深度的关系是,带宽越大,陷波深度越深[1],因此需要根据窄带信号的带宽以及所要求的陷波深度来选择子陷波器的陷波带宽。

参考文献

[1]侯颜平. 色噪声中基于IIR陷波器的信号检测方法研究[D]. 西安:西北工业大学,2007.

[2]孟旭,唐晓英,刘伟峰,等. 消除心电信号工频干扰的新型IIR自适应陷波器设计[J]. 医疗卫生装备,2008,29(8).

[3]张世平,赵永平,沈国锋,等. 用IIR格型陷波器消除信号中低频干扰的研究[J]. 仪器仪表学报,2003,24(4).

[4]梁红,李志舜. 几种自适应IIR陷波器的复数算法及其应用[J]. 应用声学,2008,27(1).

[5]应启珩,冯一云,窦唯蓓. 离散时间信号分析和处理[M]. 北京:清华大学出版社,2001.

[6]陈明. 扩频通信系统窄带干扰陷波抑制技术研究[D]. 成都:西南交通大学,2006.

[7]Regalia P.A. An Improved Lattice-based Adaptive IIR Notch Filter[J]. Signal Processing IEEE Transactions,1991,39(9):2124-2128.

【作者简介】

关安福:清华大学电子工程系硕士研究生,主要研究领域为无线宽带通信技术。

肖立民:清华大学信息科学与技术国家实验室副研究员,主要研究领域为无线通信系统与网络。

周世东:清华大学电子工程系教授,博士生导师,主要研究领域为无线和移动通信系统体制与实现、扩频与码分多址技术、信道编译码技术以及多天线系统与技术研究等。