用以從信號(hào)處理系統(tǒng)中適應(yīng)性地消除正弦干擾的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種從所接收的信號(hào)中消除正弦干擾的方法包括識(shí)別包含正弦干擾的無信號(hào)數(shù)據(jù)塊。構(gòu)建所選的數(shù)據(jù)塊中的顯著干擾的模型，將其縮放到后續(xù)的數(shù)據(jù)塊并使用其來從全部所接收的信號(hào)中去除正弦干擾信號(hào)。
【專利說明】用以從信號(hào)處理系統(tǒng)中適應(yīng)性地消除正弦干擾的方法和系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請(qǐng)
本申請(qǐng)要求2011 年6月 16 日提交的題為“Method and system to adaptively cancelsinusoidal interference from a signal processing system，，的美國專利申請(qǐng)序列號(hào)13/162，346的優(yōu)先權(quán)，其主題通過引用被全部并入。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及信號(hào)處理，并且更具體地涉及減少信號(hào)中的干擾的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]提供在例如地下礦井中的危險(xiǎn)和/或有阻礙的環(huán)境中的長距離無線通信的能力對(duì)于高效工作和安全性兩者來說都是必要的。在諸如煤炭開采的一些應(yīng)用中，規(guī)章要求要有通信系統(tǒng)以用于事故后的通信。在這些采礦工作中，將通信信號(hào)發(fā)射通過除用在相關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)中的大量鋼鐵和混凝土之外還通過例如土地、水和巖石，這嚴(yán)重影響了通信信號(hào)的有效范圍。對(duì)于通過例如傳統(tǒng)的電偶極天線發(fā)射射頻信號(hào)的系統(tǒng)來說尤其是這樣。
[0004]提供低頻磁信號(hào)的磁通信系統(tǒng)(MCS)提供用以發(fā)射通過這些材料的增強(qiáng)的能力。例如，可以使用MCS來在地下礦井內(nèi)深處的地點(diǎn)與在地面上的或者也位于礦井內(nèi)的第二遠(yuǎn)程地點(diǎn)之間提供緊急通信。作為上述自然的以及人為的干擾的結(jié)果，這些系統(tǒng)通常在相對(duì)較弱的信號(hào)和嚴(yán)重的干擾的情況下運(yùn)行。這種干擾限制MCS接收機(jī)檢測和解調(diào)底層信號(hào)的能力，從而作為結(jié)果限制了系統(tǒng)的有效范圍。因此期望用以消除或減少這些干擾的改進(jìn)的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例包括從所接收的信號(hào)中消除正弦干擾的方法。該方法包括:識(shí)別包含如下數(shù)據(jù)樣本的數(shù)據(jù)塊:所述數(shù)據(jù)樣本被已知是無信號(hào)的、但包含正弦干擾。通過訓(xùn)練過程，構(gòu)建所選的數(shù)據(jù)塊中的平均干擾的模型。所構(gòu)建的模型被縮放至后續(xù)的數(shù)據(jù)塊，并被用來在對(duì)底層期望數(shù)據(jù)信號(hào)的擾亂最小的情況下從所接收的信號(hào)中消除正弦干擾。
[0006]本發(fā)明的另一實(shí)施例包括信號(hào)處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)接收諸如磁通信信號(hào)的信號(hào)，該信號(hào)包含數(shù)據(jù)以及正弦干擾。所接收的信號(hào)被數(shù)字地采樣并且通過數(shù)字信號(hào)處理器處理樣本。該數(shù)字信號(hào)處理器包括干擾消除模塊，干擾消除模塊被配置為:構(gòu)建平均干擾的模型，將模型縮放至正被處理的數(shù)據(jù)塊以及將縮放后的模型從數(shù)字樣本中減去以便在對(duì)底層數(shù)據(jù)信號(hào)的影響最小的情況下去除干擾。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1A和IB是包含數(shù)據(jù)和與由所應(yīng)用的根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的干擾消除過程所產(chǎn)生的信號(hào)相疊加的正弦干擾這兩者的示例性數(shù)據(jù)信號(hào)的圖表。[0008]圖2是用以執(zhí)行圖1A和IB中示出的干擾消除的本發(fā)明的實(shí)施例的過程流程圖。
[0009]圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示例性訓(xùn)練過程的過程流程圖。
[0010]圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示例性迭代消除過程的過程流程圖。
[0011]圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示例性單個(gè)正弦波消除過程的過程流程圖。
[0012]圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示例性聯(lián)合消除過程的過程流程圖。
[0013]圖7是用于執(zhí)行本發(fā)明的訓(xùn)練和消除過程的頻率峰值發(fā)現(xiàn)過程的過程流程圖。
[0014]圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的訓(xùn)練和消除過程的過程流程圖。
[0015]圖9和10是示出在應(yīng)用根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的過程之前和之后信號(hào)的通帶中的正弦干擾的圖表。
[0016]圖11是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的訓(xùn)練和消除過程的過程流程圖。
[0017]圖12是根據(jù)示例性實(shí)施例的用于執(zhí)行干擾消除的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明的圖和說明書已被簡化為示出對(duì)于清楚理解本發(fā)明來說相關(guān)的元素，但為了清楚起見刪除了在諸如地下通信系統(tǒng)的典型信號(hào)處理系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)的許多其它元素。然而，由于這樣的元素在本領(lǐng)域是被熟知的，并且由于它們并不促進(jìn)對(duì)本發(fā)明的更好的理解，因此在本文中并不提供對(duì)這樣的元素的討論。本文中的公開致力于本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的所有這樣的變化和修改。
[0019]在下面的詳細(xì)說明中，對(duì)附圖進(jìn)行了參考，附圖通過例證的方式示出在其中可實(shí)踐本發(fā)明的具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明的各種實(shí)施例雖然不同但不一定是相互排斥的。而且，本文中結(jié)合一個(gè)實(shí)施例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可被實(shí)施在其它實(shí)施例中而不脫離本發(fā)明的范圍。另外，應(yīng)當(dāng)理解的是，各個(gè)元素在每個(gè)所公開的實(shí)施例內(nèi)的位置或布置可以被修改而并不脫離本發(fā)明的范圍。因此，下面的詳細(xì)說明并不是在限制性的意義上進(jìn)行的，并且本發(fā)明的范圍僅僅由所附的權(quán)利要求、更適當(dāng)?shù)亟忉屖怯伤降臋?quán)利要求與權(quán)利要求所享有的等同體的全部范圍一起來限定。在附圖中，相同的數(shù)字編號(hào)貫穿若干視圖指代相同的或相似的功能性。
[0020]對(duì)例如磁通信信號(hào)的所發(fā)射的信號(hào)的研究已經(jīng)表明，在一些環(huán)境中，包含在其中的干擾的顯著分量在本質(zhì)上是周期性的。這些振蕩的分量可能是由來自旋轉(zhuǎn)的電子機(jī)械、數(shù)字電子設(shè)備、電力線和其他未經(jīng)確認(rèn)的源的磁場發(fā)射而導(dǎo)致的。例如，在窄MCS通帶內(nèi)，該周期性的干擾可能表現(xiàn)為運(yùn)行在一個(gè)或多個(gè)基頻處的諧波的截短序列。因此，干擾可被模型化為多個(gè)離散的、振幅不同且相位不同的正弦波到底層通信信號(hào)上的疊加。另外，附加的正弦干擾已被觀察到相互之間沒有諧波關(guān)系。
[0021]本文中所述的實(shí)施例可被運(yùn)行用來識(shí)別這些正弦波和它們的運(yùn)行頻率并且在對(duì)共享頻帶的相對(duì)較弱的數(shù)據(jù)(例如，通信)信號(hào)的損害最小的情況下適應(yīng)性地消除它們。實(shí)施例也可以適應(yīng)性地減去通常存在于磁信號(hào)域中的已知頻率的正弦波，諸如由電源系統(tǒng)導(dǎo)致的60Hz的諧波。實(shí)施例包括可運(yùn)行用來適應(yīng)性地學(xué)習(xí)干擾正弦波的頻率、振幅和相位的訓(xùn)練過程。使用該數(shù)據(jù)創(chuàng)建凈干擾信號(hào)的模型。該模型可被從所接收的數(shù)據(jù)流中減去，以去除干擾，同時(shí)使得對(duì)底層信號(hào)的破壞最小化。
[0022]一般地參考圖1A和1B，提供了被采樣的數(shù)據(jù)信號(hào)在時(shí)域(圖1A)和頻域(圖1B沖的示例性圖表。信號(hào)10由數(shù)據(jù)信號(hào)部分12和干擾部分14 (參見采樣時(shí)段11的信號(hào))構(gòu)成。干擾14包括對(duì)于例如磁通信信號(hào)來說常見的上述正弦干擾。可以利用本發(fā)明的實(shí)施例來減少或刪除該干擾部分14。
[0023]根據(jù)圖2，用以從信號(hào)中消除該正弦干擾的方法包括使用多步驟的過程。第一步驟100包括用于匯編在其處已經(jīng)識(shí)別了正弦干擾的頻率的列表的訓(xùn)練操作。由該信息生成干擾的模型。在步驟102處，可以從所接收的信號(hào)中獲取N個(gè)包括干擾以及信號(hào)數(shù)據(jù)二者的數(shù)據(jù)樣本。最后，在步驟104中，通過從被采樣數(shù)據(jù)中減去該模型來消除每個(gè)所識(shí)別的正弦頻率?？梢葬槍?duì)后續(xù)的數(shù)據(jù)樣本重復(fù)該消除過程。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)所有所接收的數(shù)據(jù)執(zhí)行該消除過程，而訓(xùn)練過程被執(zhí)行得不那么頻繁。 [0024]一般地參考圖3，示出了圖2的訓(xùn)練過程的更詳細(xì)的視圖。在步驟200中，獲取包括例如M個(gè)只有干擾的數(shù)據(jù)樣本的訓(xùn)練數(shù)據(jù)塊。在步驟204中分析該數(shù)據(jù)的頻譜以找到具有最大振幅的正弦波的頻率。然后在步驟206中從數(shù)據(jù)中消除該正弦波。一般地參考步驟208，一旦被消除，然后就確定該數(shù)據(jù)塊的凈功率并將其與閾值相比較。如果所選擇的該數(shù)據(jù)塊(已知其不包含期望的信號(hào))的凈功率在預(yù)定的閾值之上，則該高凈功率水平表明仍然存在是干擾的數(shù)據(jù)塊分量，其導(dǎo)致數(shù)據(jù)塊中的凈功率增大。通過識(shí)別下一個(gè)最大振幅來迭代地去除這些剩余的干擾信號(hào)。因此，重復(fù)峰值頻率識(shí)別(步驟204)和消除(步驟206)，直到數(shù)據(jù)的功率減少小于預(yù)定閾值的量。頻譜分析的每次迭代都免受來自先前已被識(shí)別并從數(shù)據(jù)中被去除的較強(qiáng)正弦波的頻率旁瓣的污染。最后，在步驟210中，匯集最強(qiáng)干擾源的頻率的列表。在一個(gè)實(shí)施例中，可以用未被上述過程識(shí)別的附加頻率(例如，60Hz的諧波)來補(bǔ)充該列表，以去除來自諸如發(fā)電機(jī)的已知源的干擾。
[0025]再次參考圖2，可以以若干方式來體現(xiàn)該消除過程。僅僅作為非限制性的示例，并且根據(jù)圖4，該消除過程可以是迭代的，其中在上述訓(xùn)練過程期間識(shí)別的各個(gè)正弦波頻率一次一個(gè)地被從數(shù)據(jù)中去除。更具體地，在步驟300，可以訪問上面所生成的頻率列表，識(shí)別第一頻率并將所識(shí)別的頻率的單一正弦波從數(shù)據(jù)中消除(步驟302)。在步驟304，如果列表包含附加的頻率，則過程返回到步驟300并且重復(fù)，直到列表上的每個(gè)頻率的正弦波都被消除。
[0026]在圖5中示出了該消除過程的一個(gè)實(shí)施例的更詳細(xì)的過程圖。一般地參考步驟305，該過程包括根據(jù)所識(shí)別的正弦波計(jì)算最優(yōu)復(fù)合標(biāo)量權(quán)重。在一個(gè)實(shí)施例中，指定頻率的復(fù)合正弦波被投影到數(shù)據(jù)樣本塊上以產(chǎn)生復(fù)合標(biāo)量權(quán)重。該權(quán)重表示例如在最小二乘法分析中產(chǎn)生復(fù)合正弦波和該數(shù)據(jù)樣本塊之間的最佳擬合的振幅和相位。在步驟352中，將該復(fù)合正弦波乘以所計(jì)算的權(quán)重，并且在步驟354中將該結(jié)果從數(shù)據(jù)樣本塊中減去。如上所述，可以針對(duì)所有所識(shí)別的正弦干擾頻率重復(fù)該過程。
[0027]—般地參考圖6，可以將消除過程實(shí)施為聯(lián)合過程，其中，代替如上面針對(duì)圖4所述的一次一個(gè)地消除各個(gè)頻率，使用復(fù)合正弦波的加權(quán)和來從數(shù)據(jù)中消除干擾。一般地參考步驟400，該過程包括根據(jù)所識(shí)別的正弦波計(jì)算最優(yōu)復(fù)合標(biāo)量權(quán)重。更具體地，假定在上述訓(xùn)練過程中已經(jīng)識(shí)別M個(gè)顯著的正弦波，生成復(fù)合單位振幅正弦波信號(hào)的MXN矩陣，其中第m列(m=l，2…M)表示處于M個(gè)頻率中的一個(gè)頻率處的正弦波的N個(gè)樣本。該消除過程利用唯一的復(fù)合權(quán)重縮放每個(gè)矩陣列，其中聯(lián)合地計(jì)算這M個(gè)權(quán)重，使得列的加權(quán)和在最小均方的意義上最佳地?cái)M合前N個(gè)信號(hào)加干擾樣本。在干擾包括位于分離良好的各頻率處的少量正弦波的一些情況下，正弦波樣本矩陣的各列可被適應(yīng)性地加權(quán)并被從數(shù)據(jù)中減去以簡化處理。雖然這M個(gè)適應(yīng)性權(quán)重的聯(lián)合計(jì)算需要比該簡化過程更多的計(jì)算，但是在一些實(shí)例中其可能是優(yōu)選的，因?yàn)樗梢栽诿芗蓴_環(huán)境中提供更好的消除。計(jì)算這些權(quán)重可以通過例如將正弦波樣本矩陣投影到所述N個(gè)樣本上并且估計(jì)使得實(shí)現(xiàn)最好的匹配的M個(gè)復(fù)合權(quán)重來實(shí)現(xiàn)。然后將這些權(quán)重應(yīng)用到正弦波樣本矩陣的各列，從而生成加權(quán)和(步驟402)。
[0028]根據(jù)步驟404，然后逐個(gè)樣本地將N個(gè)正弦波樣本的該加權(quán)和表示從前N個(gè)信號(hào)加干擾樣本中減去，從而從前N個(gè)樣本中減少和/或消除正弦干擾。然后針對(duì)被索引為從N+1到2N的N個(gè)樣本、被索引為從2N+1到3N的N個(gè)樣本等等重復(fù)該消除過程，其中每個(gè)消除操作使用初始的MXN正弦波樣本矩陣。在一個(gè)實(shí)施例中，基于來自每個(gè)數(shù)據(jù)塊的樣本從一個(gè)數(shù)據(jù)塊到另一數(shù)據(jù)塊地重新計(jì)算適應(yīng)性權(quán)重。
[0029]圖7是示出用在例如執(zhí)行圖3的訓(xùn)練過程的步驟204中的頻率峰值發(fā)現(xiàn)過程的過程圖。一般地參考步驟450，對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)樣本塊應(yīng)用窗口函數(shù)。該函數(shù)可以包括簡單的矩形或三角形窗口，或者可以包括更復(fù)雜的函數(shù)，僅僅作為非限制性的示例，例如升余弦?？梢詰?yīng)用該窗口函數(shù)以減少不想要的效應(yīng)，諸如由樣本塊的邊界處的不連續(xù)導(dǎo)致的頻率旁瓣。在一個(gè)實(shí)施例中，可以將補(bǔ)零操作應(yīng)用到數(shù)據(jù)塊，以便在應(yīng)用被執(zhí)行用于將數(shù)據(jù)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域的傅立葉變換(步驟452)之后促進(jìn)改善的頻率峰值識(shí)別。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解的，補(bǔ)零包括在應(yīng)用該變換之前將零陣列附加到輸入信號(hào)的開頭或結(jié)尾。通過這種方式，可以通過增大頻域信號(hào)樣本的個(gè)數(shù)來提高傅立葉變換算法的效率。一旦在頻域中，就可以在步驟454中識(shí)別峰值頻率。在步驟456中可以通過實(shí)施插值方法(例如，補(bǔ)零、二次擬合或其他算法)來以更高的精確度確定峰值頻率。
[0030]圖8是實(shí)施上面針對(duì)圖2-7所述的信號(hào)處理技術(shù)中的若干技術(shù)的示例性消除過程的過程流程圖。在該示例性實(shí)施例的步驟420中，從所接收的信號(hào)中選擇已知僅包括干擾的數(shù)據(jù)。在步驟422中，隔離已知無信號(hào)的N個(gè)I/Q樣本的塊以用于后續(xù)的分析。可以根據(jù)任意數(shù)目的操作來處理這些樣本。例如，可以對(duì)這些樣本應(yīng)用振幅錐形濾波器以減小數(shù)據(jù)塊的邊緣效應(yīng)?？梢允褂美缈焖俑盗⑷~變換(FFT)來將這些樣本從時(shí)域變換到頻域。FFT可以提供如上面針對(duì)圖7所闡述的補(bǔ)零功能。
[0031]一般地參考步驟424，可以比較每個(gè)頻域樣本以識(shí)別具有最大振幅的樣本。該樣本將被分析以確定其頻率。在一個(gè)實(shí)施例中，兩個(gè)相鄰復(fù)合樣本與該最大振幅樣本一起被聯(lián)合地分析，以更好地估計(jì)導(dǎo)致所觀察到的峰值的正弦波的頻率?？梢酝ㄟ^任何合適的方法來確定該頻率。如上面所闡述的，這些方法包括對(duì)初始時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)零以增大FFT大小，使得額外的頻域樣本被交織在對(duì)應(yīng)于非補(bǔ)零的樣本之間。然后該算法可以選擇對(duì)應(yīng)于頻譜峰值的樣本。在另一實(shí)施例中，可以使用二次擬合算法來提供超過FFT分辨率的改進(jìn)的頻率精確度。注意，二次擬合算法大多被離線地計(jì)算。更具體地，該算法可以離線地確定兩個(gè)權(quán)重并將其頻率估計(jì)形成為對(duì)應(yīng)于所識(shí)別的頻率峰值及其兩個(gè)相鄰鄰居的振幅的加權(quán)和。應(yīng)當(dāng)理解的是，該過程基本上是線性的，并且術(shù)語“二次”指代下面的事實(shí):該過程等價(jià)于將拋物線擬合到所述峰值和兩個(gè)鄰居并且然后找到對(duì)應(yīng)于該拋物線的峰值的頻率?？梢允褂弥T如最大似然估計(jì)的其他方法而不脫離本發(fā)明的范圍。
[0032]在步驟426，一旦已經(jīng)為最大振幅頻域樣本估計(jì)了頻率，就在所識(shí)別的頻率處創(chuàng)建包含復(fù)合單位振幅正弦波的N個(gè)時(shí)域樣本的向量。在步驟428，可以縮放該單位振幅向量以擬合初始的N個(gè)時(shí)域樣本中的每一個(gè)。具體地，可以將該向量投影到初始樣本上(即與其進(jìn)行比較)，并且生成將該向量的振幅和相位最佳地?cái)M合到該樣本的復(fù)合縮放因子?？梢酝ㄟ^例如最小均方算法來創(chuàng)建該縮放因子。
[0033]在步驟430，將所計(jì)算的縮放因子應(yīng)用到單位振幅向量，并且隨后將其從初始的N個(gè)樣本中減去。在步驟432，為了確定任何剩余的干擾的功率，估計(jì)結(jié)果得到的信號(hào)的凈功率。如果該功率比初始測量的功率小至少D dB(D是預(yù)定閾值)，那么認(rèn)為該正弦波是干擾的顯著分量并且存儲(chǔ)其估計(jì)頻率以用于將來的處理。
[0034]可以重復(fù)該過程，其中每次迭代針對(duì)N個(gè)時(shí)域信號(hào)樣本而運(yùn)行，其中已經(jīng)從所述N個(gè)時(shí)域信號(hào)樣本中減去了來自所有之前的迭代的顯著正弦波。因此，當(dāng)每個(gè)步驟搜索干擾正弦波時(shí)，它這樣做使得免于來自之前已被識(shí)別并被從數(shù)據(jù)中去除的最高振幅正弦波的頻率旁瓣的污染。該過程在最后迭代的正弦波的減去使得凈功率減小了小于D dB時(shí)(即，所有的剩余的檢測干擾都落在預(yù)定的功率水平之下)終止。
[0035]該過程在步驟432處的主要輸出是對(duì)凈信號(hào)貢獻(xiàn)顯著功率的所有帶內(nèi)正弦波的頻率的列表。應(yīng)當(dāng)理解的是，如果需要，該頻率列表可以包括附加的頻率，例如，已知出現(xiàn)在許多傳輸信號(hào)中的60Hz的諧波。
[0036]在步驟434，假定在上述過程中已經(jīng)識(shí)別了 M個(gè)顯著的正弦波，則生成復(fù)合單位振幅正弦波信號(hào)的MXN矩陣，其中第m列(m=l，2…M)表示位于M個(gè)頻率中的一個(gè)頻率處的正弦波的N個(gè)樣本。一般地參考步驟436和438，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的過程從包含信號(hào)以及干擾二者的數(shù)據(jù)流中適應(yīng)性地消除這些正弦波?，F(xiàn)在將不針對(duì)每個(gè)后續(xù)的N樣本數(shù)據(jù)塊(即，樣本N+1至2N，2N+1至3N，等等)描述使用MXN矩陣的消除過程。該消除過程利用唯一的復(fù)合權(quán)重來縮放每個(gè)矩陣列，其中這M個(gè)權(quán)重被聯(lián)合地計(jì)算，使得列的加權(quán)和在最小均方的意義上最佳地?cái)M合前N個(gè)信號(hào)加干擾樣本。在一個(gè)實(shí)施例中，例如，在干擾包括位于分離良好的各頻率處的少量正弦波的情況下，正弦波樣本矩陣的各列可以被適應(yīng)性地加權(quán)并被從數(shù)據(jù)中減去以簡化處理。如上所述，在其它實(shí)施例中，M個(gè)適應(yīng)性權(quán)重的聯(lián)合計(jì)算可能是優(yōu)選的，因?yàn)樗梢蕴峁┰诿芗蓴_環(huán)境中的更好的消除。參考步驟436，可以通過例如將正弦波樣本矩陣投影到所述N個(gè)樣本上并估計(jì)使得實(shí)現(xiàn)最佳匹配的M個(gè)復(fù)合權(quán)重來實(shí)現(xiàn)該擬合操作。然后將這些權(quán)重應(yīng)用到正弦波樣本矩陣的各列。可以逐個(gè)樣本地對(duì)加權(quán)后的各列求和。
[0037]根據(jù)步驟438，然后逐個(gè)樣本地將N個(gè)正弦波樣本的該最優(yōu)向量表示從前N個(gè)信號(hào)加干擾樣本中減去，從而從前N個(gè)樣本中減少和/或消除正弦干擾。然后針對(duì)被索引為從N+1至2N的N個(gè)樣本、被索引為從2N+1至3N的N個(gè)樣本、等等重復(fù)該消除過程，其中每個(gè)消除操作使用初始MXN正弦波樣本矩陣。在一個(gè)實(shí)施例中，基于來自每個(gè)數(shù)據(jù)塊的樣本從一個(gè)數(shù)據(jù)塊到另一個(gè)數(shù)據(jù)塊地重新計(jì)算所述適應(yīng)性權(quán)重。
[0038]一般地參考圖9和10，針對(duì)示例性MCS的3 kHz通頻帶示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的該過程的結(jié)果。圖9提供示出在消除干擾正弦波之前(30)和之后(32)在3 kHz MCS信號(hào)通頻帶內(nèi)的信號(hào)頻譜的干擾水平的圖表。在應(yīng)用了上述實(shí)施例后，結(jié)果得到的信號(hào)30包括與初始信號(hào)32相比顯著降低的干擾水平。相似地，圖10示出在被應(yīng)用到單個(gè)正弦干擾42時(shí)本發(fā)明的過程的結(jié)果。本發(fā)明的實(shí)施例可操作用于消除干擾42，從而導(dǎo)致信號(hào)44。對(duì)干擾正弦波的有效消除使得系統(tǒng)能高效地響應(yīng)隨地點(diǎn)而變化、隨著在同一地點(diǎn)從一個(gè)天線到其并列伴隨天線而變化、以及隨著在給定位置從一個(gè)天線朝向到另一朝向而變化的干擾環(huán)境。系統(tǒng)的適應(yīng)性還使得能夠消除其特性參數(shù)隨著時(shí)間變化的凈干擾信號(hào)。這些包括正弦波的數(shù)量、它們相互之間的頻率、振幅和相位偏移。
[0039]現(xiàn)在參考圖11，示出了根據(jù)另一實(shí)施例的訓(xùn)練和消除過程的過程流程500。根據(jù)步驟501，接收信號(hào)以用于處理。該信號(hào)攜帶被從信號(hào)中提取出并被用于下游處理的信息。由于信號(hào)從其源行進(jìn)穿過一個(gè)或多個(gè)介質(zhì)而至接收位置，因此存在覆蓋信號(hào)且在接收機(jī)處與期望的信號(hào)信息一起被接收的自然的和人為的干擾。如上面針對(duì)圖7所述的，從所選的數(shù)據(jù)塊獲取一系列樣本，以確定正弦干擾源?？梢詫?duì)所選的樣本應(yīng)用振幅錐形，以減小所選的數(shù)據(jù)塊的邊緣附近的邊緣效應(yīng)。應(yīng)用傅立葉變換以將樣本轉(zhuǎn)換到頻域。一旦在頻域中，就識(shí)別具有最大振幅的樣本。然后在步驟503中識(shí)別與該最大相關(guān)聯(lián)的頻率。在步驟505中，將在所識(shí)別的頻率處檢測到的干擾信號(hào)縮放到在所選的數(shù)據(jù)塊中所接收的全部信號(hào)。然后在步驟507中將針對(duì)所識(shí)別的頻率的該縮放后的信號(hào)從在所選數(shù)據(jù)塊中所接收的全部信號(hào)中減去，以去除所識(shí)別的干擾源。
[0040]一般地參考步驟509，然后確定數(shù)據(jù)塊的凈功率并將其與閾值相比較。如果所選數(shù)據(jù)塊(已知其不包含期望信號(hào))的凈功率大于預(yù)定閾值511，則該高凈功率水平表明:仍然存在是干擾的數(shù)據(jù)塊分量、從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)塊中的凈功率增大。通過識(shí)別下一最大振幅(當(dāng)在步驟507中在前最大振幅被從數(shù)據(jù)中減去時(shí))、縮放結(jié)果得到的所識(shí)別的頻率(步驟505)以及從數(shù)據(jù)塊中減去該縮放后的分量(步驟507)，來迭代地去除剩余的干擾信號(hào)。如果在減去縮放后的所識(shí)別的頻率分量后，數(shù)據(jù)塊的凈功率小于閾值513，則可以假定所有的顯著干擾分量已從數(shù)據(jù)塊中被去除并且干擾模型是完整的。
[0041]如上所述，一旦所有的顯著干擾分量已被識(shí)別，則可以構(gòu)建MXN矩陣，其中M是所識(shí)別的頻率分量的個(gè)數(shù)并且N是針對(duì)每個(gè)頻率分量的被縮放的樣本的個(gè)數(shù)。然后可以將該矩陣應(yīng)用到后續(xù)的數(shù)據(jù)塊，包括包含期望信號(hào)的數(shù)據(jù)塊(步驟515)。使用被構(gòu)建并被存儲(chǔ)在矩陣中的干擾模型來在不損害可能是低功率或低頻率信號(hào)的期望信號(hào)的情況下從所接收的信號(hào)中消除干擾?？梢栽谥芷谛缘幕A(chǔ)上重復(fù)過程500，以適應(yīng)性地識(shí)別影響所接收的信號(hào)的當(dāng)前干擾分量并在不損害期望信號(hào)的情況下適應(yīng)性地去除干擾分量。
[0042]根據(jù)任意上述實(shí)施例的訓(xùn)練和消除過程可被獨(dú)立地應(yīng)用到系統(tǒng)的接收天線中的每一個(gè)，因?yàn)槊總€(gè)可能經(jīng)歷獨(dú)特的正弦干擾模式。另外，盡管上面的過程包括針對(duì)到所接收的信號(hào)的應(yīng)用而計(jì)算正弦波樣本矩陣一次，但是可以想象的是，可以周期性地重新計(jì)算該矩陣并如所述的那樣應(yīng)用消除過程。
[0043]現(xiàn)在參考圖12，示出了利用根據(jù)示例性實(shí)施例的適應(yīng)性干擾消除過程的信號(hào)處理系統(tǒng)600。模擬輸入信號(hào)603從始發(fā)源被傳輸通過一個(gè)或多個(gè)介質(zhì)而至一個(gè)或多個(gè)接收機(jī)。例如，模擬輸入信號(hào)603可以是通信信號(hào)，諸如用在磁通信系統(tǒng)中的信號(hào)，或者模擬輸入信號(hào)可以是一些其它無線電波信號(hào)，諸如無線電檢測和測距(RADAR)信號(hào)或生物醫(yī)學(xué)成像信號(hào)。輸入信號(hào)603可以從其始發(fā)點(diǎn)行進(jìn)通過一個(gè)或多個(gè)介質(zhì)而至接收輸入信號(hào)603的接收機(jī)601。例如，輸入信號(hào)603可以是用于諸如礦井的地下應(yīng)用內(nèi)的通信的磁通信信號(hào)。該信號(hào)可以穿過位于其發(fā)射源與接收機(jī)601之間的諸如巖石、水、水泥、木頭或空氣的介質(zhì)。當(dāng)輸入信號(hào)603穿過介質(zhì)時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度可能會(huì)通過降低接收機(jī)601處的信號(hào)強(qiáng)度的信號(hào)衰減或擴(kuò)散而受到影響。自然的以及人為的其它因素可能貢獻(xiàn)進(jìn)一步降低接收機(jī)601處的輸入信號(hào)603的強(qiáng)度的干擾。這些因素中的主要部分導(dǎo)致結(jié)合和覆蓋期望的傳輸信號(hào)的具有變化的振幅和相位的周期性的或正弦的干擾信號(hào)。干擾可能源自各種源，作為示例，所述源諸如旋轉(zhuǎn)的電氣設(shè)備、電子裝置或電力線。
[0044]接收機(jī)601包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)605，其以各種時(shí)間間隔接收并采樣輸入模擬信號(hào)603以提供表示進(jìn)行采樣時(shí)的輸入信號(hào)603的信號(hào)水平的多個(gè)數(shù)字化的樣本。然后將數(shù)字樣本輸入到數(shù)字信號(hào)處理器607。數(shù)字信號(hào)處理器607可以具有通過合適的數(shù)據(jù)總線可操作地耦合到存儲(chǔ)器613的處理器611。存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器613內(nèi)的是干擾消除模塊615，根據(jù)示例性實(shí)施例，其提供對(duì)覆蓋包含在輸入信號(hào)603中的期望信號(hào)的正弦干擾的適應(yīng)性消除。經(jīng)數(shù)字處理的信號(hào)包括由模擬輸入信號(hào)603減去所識(shí)別的干擾分量得到的期望信號(hào)，所識(shí)別的干擾分量在輸入信號(hào)603中被接收但被去除。該經(jīng)處理的數(shù)字信號(hào)可被傳遞以用于附加的下游處理或分析，或者可被提供給數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) 617以用于模擬形式的下游處理。作為示例，下游處理可以是用于再現(xiàn)所接收的通信信號(hào)的通信接收機(jī)，或者下游處理可以是用在用于根據(jù)所接收的信號(hào)引導(dǎo)接收機(jī)射束的RADAR應(yīng)用中的射束形成器。
[0045]干擾消除模塊615基于輸入信號(hào)603被發(fā)射和接收的當(dāng)前狀況提供適應(yīng)性干擾消除。例如，傳統(tǒng)干擾消除裝置可以利用陷波濾波器來完全過濾掉可能被識(shí)別為包含干擾的頻率塊。這樣的方法由于可能已經(jīng)存在于被陷波濾波的帶寬內(nèi)的期望信號(hào)的分量而引入信號(hào)損耗。通過建立來自所選的非信號(hào)數(shù)據(jù)塊的所識(shí)別的干擾分量的模型，可以使用被識(shí)別且被縮放到全部信號(hào)的干擾信號(hào)來提供用于后續(xù)數(shù)據(jù)塊的模型，所述手續(xù)數(shù)據(jù)塊包括包含期望信號(hào)的數(shù)據(jù)塊?？梢詮乃邮盏男盘?hào)中減去被縮放的干擾分量，從而在不影響期望信號(hào)的情況下去除干擾。另外，當(dāng)狀況在不同的接收機(jī)或者改變的傳輸狀況之間改變時(shí)，該模型可被周期性地重建以隨著時(shí)間提供適應(yīng)性的干擾消除。
[0046]如上面針對(duì)圖1A-11所述的，干擾消除模塊615通過選擇包含不包括期望信號(hào)的樣本的數(shù)據(jù)塊而運(yùn)行。所選的數(shù)據(jù)塊樣本通過應(yīng)用例如傅立葉變換而被從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域。一旦在頻域中，就使用例如到最大振幅峰值的振幅及其兩個(gè)相鄰鄰居的二次擬合以大于傅立葉變換的精確度識(shí)別具有最大振幅的頻率分量。構(gòu)建包含位于所識(shí)別的頻率處的復(fù)合正弦波信號(hào)樣本的單位振幅向量。將所構(gòu)建的向量投影到初始數(shù)據(jù)集合上，并且確定基于最小均方算法提供最佳擬合的復(fù)合縮放因子。將該縮放因子應(yīng)用到向量并從數(shù)據(jù)塊樣本中減去該結(jié)果。識(shí)別附加的頻率分量并以相似的方式將其減去，直到基于被縮放的頻率分量從數(shù)據(jù)塊信號(hào)中的減去、數(shù)據(jù)塊的凈功率小于給定閾值。通過以迭代的方式減去每個(gè)頻率分量，實(shí)現(xiàn)在沒有來自先前較強(qiáng)的頻率分量的頻率旁瓣的干擾的情況下去除每個(gè)后續(xù)的頻率分量。在一個(gè)實(shí)施例中，所減去的頻率分量的列表可以包括與其它已知干擾頻率相關(guān)聯(lián)的附加頻率，例如，來自所識(shí)別的干擾頻率的60 Hz間隔處的諧波可被添加到頻率列表?；诒蛔R(shí)別以供去除的、每個(gè)與N個(gè)樣本相關(guān)聯(lián)的M個(gè)頻率，創(chuàng)建包含用于M個(gè)頻率中的每個(gè)頻率的N個(gè)樣本中的每個(gè)樣本的單位振幅復(fù)合正弦樣本的MXN矩陣。
[0047]對(duì)于每個(gè)后續(xù)的N樣本數(shù)據(jù)塊(例如，樣本N+1至2N，2N+1至3N，等等)，將正弦波樣本矩陣投影到數(shù)據(jù)塊的N個(gè)樣本上，并且估計(jì)M個(gè)復(fù)合權(quán)重，以使得正弦樣本矩陣的加權(quán)和在最小均方算法的基礎(chǔ)上最佳地匹配數(shù)據(jù)塊樣本。然后將所估計(jì)的復(fù)合權(quán)重逐個(gè)樣本地應(yīng)用到正弦波樣本矩陣的各列，并將所得到的N樣本干擾模型從數(shù)據(jù)塊樣本中減去。每個(gè)后續(xù)的N樣本數(shù)據(jù)塊以相似的方式被處理，其中M個(gè)復(fù)合權(quán)重在每個(gè)數(shù)據(jù)塊處被重新計(jì)算?？梢灾芷谛缘刂匦陆ㄋR(shí)別的干擾的頻率元素的頻率列表，以響應(yīng)于所接收的干擾中的可能的變化。然后對(duì)消除了干擾的數(shù)據(jù)塊執(zhí)行下游處理。
[0048]干擾消除模塊615可被存儲(chǔ)在信號(hào)處理器607內(nèi)的存儲(chǔ)器613中。該例子僅僅以示例的方式被提供，并且相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以在不脫離本公開的預(yù)期范圍的情況下構(gòu)想實(shí)施本文中所述的干擾消除過程的其它實(shí)施例。例如，已經(jīng)以示例的方式將該過程解釋為包括包含指令的存儲(chǔ)器，該指令在被處理器執(zhí)行時(shí)導(dǎo)致用于在要執(zhí)行的信號(hào)處理期間消除正弦干擾的方法的步驟。應(yīng)當(dāng)理解的是，干擾消除的過程還可以以硬件的方式被執(zhí)行，例如，以現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)或復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)的形式。因此，可以以硬件、軟件或硬件和/或軟件的任意組合的方式來執(zhí)行整個(gè)過程或其任何部分。軟件可被包含在非瞬時(shí)機(jī)器可讀介質(zhì)中，在該介質(zhì)上可以存儲(chǔ)軟件指令，所存儲(chǔ)的軟件指令在被處理器執(zhí)行時(shí)使得處理器執(zhí)行用于信號(hào)處理的消除正弦干擾的方法的步驟?？梢允褂萌魏魏线m的機(jī)器可讀介質(zhì)，包括但不限于，磁或光盤，例如CD-ROM，DVD-ROM和軟盤等。其它介質(zhì)也落在本公開的預(yù)期范圍內(nèi)，例如，也可以使用動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)，只讀存儲(chǔ)器(ROM)或閃存。
[0049]雖然已經(jīng)參考上述實(shí)施例描述了前面的發(fā)明，但可以在不脫離本發(fā)明的精神的情況下做出各種修改和改變。因此，所有這樣的修改和改變都被認(rèn)為是在所附的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。因此，應(yīng)當(dāng)以例證的而非限制性的意義來看待本說明書和附圖。形成本文的一部分的附圖以例證性而非限制性的方式示出其中可以實(shí)踐本主題的特定實(shí)施例。足夠詳細(xì)地說明了所示出的實(shí)施例，以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本文中所公開的教導(dǎo)?？梢岳貌闹袑?dǎo)出其它實(shí)施例，以使得可以在不脫離本公開的范圍的情況下做出結(jié)構(gòu)上和邏輯上的替代和改變。因此，本詳細(xì)的說明不是以限制性的意義進(jìn)行的，并且各種實(shí)施例的范圍僅由所附的權(quán)利要求以及這樣的權(quán)利要求所享有的等同體的全部范圍一起來限定。
[0050]僅僅為了方便而并不意圖將本申請(qǐng)的范圍主動(dòng)限制為任何單個(gè)的發(fā)明或有創(chuàng)造性的概念(如果多于一個(gè)的發(fā)明或有創(chuàng)造性的概念被事實(shí)上公開的話)，在本文中可以通過詞語“發(fā)明”來單獨(dú)地和/或集體地指代有創(chuàng)造性的主題的這樣的實(shí)施例。因此，雖然已經(jīng)在本文中示出并描述了特定的實(shí)施例，但應(yīng)當(dāng)理解的是，打算用于獲得相同目的的任何布置可以替換所示出的特定實(shí)施例。本公開意圖覆蓋對(duì)各種實(shí)施例的變體的任何和所有的改編。在審閱以上說明之后，上面的實(shí)施例以及未在本文中具體描述的其它實(shí)施例的組合對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說將是顯而易見的。
【權(quán)利要求】
1.一種從待處理的信號(hào)中消除正弦干擾的方法，所述方法包括步驟: 從所接收的信號(hào)中識(shí)別正弦干擾； 生成正弦干擾的模型； 將所述模型匹配到所識(shí)別的正弦干擾，以及 通過從所識(shí)別的正弦干擾中減去所匹配的模型來消除所識(shí)別的正弦干擾。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中識(shí)別正弦干擾的步驟包括識(shí)別被采樣的時(shí)域信號(hào)中的正弦干擾的步驟。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中被采樣的時(shí)域信號(hào)包括只有干擾的信號(hào)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括將振幅錐形應(yīng)用到所述正弦干擾的步驟。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，還包括將傅立葉變換應(yīng)用到所述被采樣的信號(hào)的步驟。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括識(shí)別所述正弦干擾的頻率的步驟。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，還包括識(shí)別所述正弦干擾的峰值振幅的步驟。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中使用到所識(shí)別的峰值的振幅以及到與所識(shí)別的峰值相鄰的峰值的二次擬合來識(shí)別所述頻率和振幅。
9.如權(quán)利要求4所述的方法，還包括生成位于所識(shí)別的頻率處的復(fù)合單位振幅正弦波的N個(gè)樣本的向量。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中在振幅和相位方面縮放所述向量以匹配所述被采樣的正弦波。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述縮放是使用最小均方過程來實(shí)現(xiàn)的。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述N個(gè)被縮放的正弦波樣本被從N個(gè)樣本的初始向量中減去。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，還包括估計(jì)由所述減法導(dǎo)致的所述信號(hào)的凈功率的步驟。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，還包括如果所述凈功率比初始功率小至少預(yù)定水平、則記錄所識(shí)別的頻率的步驟。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中重復(fù)所述過程，直到正弦波的減去使得凈功率減少了小于預(yù)定量。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其中生成所述正弦波干擾的模型的步驟包括生成復(fù)合單位振幅正弦波信號(hào)的MXN矩陣。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中消除所述正弦干擾的步驟包括利用復(fù)合權(quán)重縮放所述矩陣，其中所述權(quán)重包括M個(gè)復(fù)值數(shù)的向量并且被計(jì)算為使得所述矩陣的各列的和被擬合到所述信號(hào)加干擾樣本。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中逐個(gè)樣本地將所述向量從第一信號(hào)加干擾樣本中減去，從而從前N個(gè)樣本中消除所述正弦干擾。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中針對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)塊重新計(jì)算所述復(fù)合權(quán)重。
20.一種用于從待處理的信號(hào)中去除正弦干擾的信號(hào)處理系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 用于接收模擬輸入信號(hào)的天線； 耦合到所述天線的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，其用于產(chǎn)生所述輸入信號(hào)的數(shù)字樣本；以及 耦合到所述ADC的數(shù)字信號(hào)處理器，其被配置為處理所述數(shù)字樣本并消除包含在所述數(shù)字樣本中的正弦干擾， 其中所述數(shù)字信號(hào)處理器包括一組指令，所述指令在被處理器執(zhí)行時(shí)使所述處理器:識(shí)別被接收機(jī)接收的正弦干擾；生成正弦干擾的模型，將所述模型匹配到所識(shí)別的正弦干擾，以及通過從所識(shí)別的正弦 干擾中減去被匹配的所述模型來消除所識(shí)別的所述正弦干擾。
【文檔編號(hào)】H04B17/00GK103609028SQ201280029477
【公開日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2012年6月14日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月16日
【發(fā)明者】R.瓦西維奇, T.M.帕克斯 申請(qǐng)人:洛克希德馬丁公司