基于恒模阵列的民航地空通信自适应干扰抑制方法及系统

摘要

一种基于恒模阵列的民航地空通信自适应干扰抑制方法及系统，包括：将通过双天线阵列接收的两路甚高频信号转化为中频信号；对两路中频信号分别进行数据采集和模数转换；对两路中频数字信号分别进行数字下变频滤波抽取；对变频滤波抽取的信号送入监视模块进行判断，无干扰进入解调，有干扰进入干扰信号提取；将受干扰的信号送入自适应恒模干扰抑制模块进行干扰信号的提取，并对已提取干扰信号进行自适应对消；对上述所输出的无干扰信号进行解调，再滤除高频杂波后进行D/A转换输出。本发明在没有参考信号的前提下，利用恒模盲信号处理技术和自适应干扰对消技术分离出地空通信有用信号，排除飞行安全隐患，输出优质的语音信号，提高飞行安全系数，达到治标治本的目的。

权利要求

1.一种基于恒模阵列的民航地空通信自适应干扰抑制方法，其特征在于，包括有以下步骤：

(1)将通过双天线阵列接收的两路甚高频信号分别转化为中频信号；

(2)对被转化的两路中频信号分别进行数据采集和模数转换；

(3)对模数转换后的两路中频数字信号分别进行数字下变频滤波抽取；

(4)对变频滤波抽取后的信号送入监视模块进行判断，即，通过计算两路信号的相关系数判断信号是否受到干扰，若无干扰转入步骤6，若有干扰转入步骤5；

(5)将受到干扰的信号送入自适应恒模干扰抑制模块进行干扰信号的提取，并对已提取干扰信号利用复数递推最小二乘法进行自适应对消；

(6)对步骤4或步骤5两者之一所输出的无干扰信号进行解调，再经低通滤波器滤除高频杂波，最后进行D/A转换输出清晰的音频信号。

2.根据权利要求1所述的基于恒模阵列的民航地空通信自适应干扰抑制方法，其特征在于，所述的将甚高频信号转化为中频数字信号是通过低噪音高频放大器、三级混频器及自动增益控制电路完成的。

3.根据权利要求1所述的基于恒模阵列的民航地空通信自适应干扰抑制方法，其特征在于，所述的对变频滤波抽取后的信号送入监视模块进行判断是利用两路信号的相关系数进行判断，包括如下步骤：先将两路实信号分别进行处理得到两路复信号Xh1和Xh2；计算两路数据的相关系数ρ；判断是否大于阈值；大于阈值则进行D/A转换；否则进入基于恒模阵列的自适应干扰抑制模块。

4.根据权利要求1所述的基于恒模阵列的民航地空通信自适应干扰抑制方法，其特征在于，所述的干扰信号的提取是利用常见干扰具有的恒包络特性执行恒模干扰盲提取，采用线性瞬时混合模型来简化线性卷积混合模型以完成干扰信号的提取；并利用自适应对消技术对已提取的恒模干扰信号进行对消。

5.根据权利要求1所述的基于恒模阵列的民航地空通信自适应干扰抑制方法，其特征在于，所述的对无干扰信号进行解调，再经低通滤波器滤除高频杂波，其中，对无干扰信号进行解调的方法是采用包络检波方法。

6.一种基于恒模阵列的民航地空通信自适应干扰抑制系统，其特征在于，包括有接收信号的双天线阵列(1、2)；对双天线阵列(1、2)所接收的信号进行信号处理且依次相连的射频处理组(3)，模/数转换组(4)及数字下变频组(5)；与数字下变频组(5)相连并对其输出的数字信号进行判别的监视模块(6)；对监视模块(6)输出的有干扰信号进行干扰抑制的自适应恒模干扰抑制模块(7)；对监视模块(6)输出的无干扰信号和自适应恒模干扰抑制模块(7)输出的干扰抑制信号进行解调的解调器(8)；与解调器(8)的输出相连的数/模转换器(9)和与数/模转换器(9)相连的音频输出(10)。

7.根据权利要求6所述的基于恒模阵列的民航地空通信自适应干扰抑制系统，其特征在于，所述的双天线阵列(1、2)、射频处理组(3)、模/数转换组(4)和数字下变频组(5)中的两路处理路径的参数一致。

8.根据权利要求6或7所述的基于恒模阵列的民航地空通信自适应干扰抑制系统，其特征在于，所述的射频处理组(3)包括有两组依次相连的：低噪声放大器(11)、第一带通滤波放大电路(12)、一级混频电路(13)、第二带通滤波放大电路(14)、二级混频电路(15)、第三带通滤波放大电路(16)、压控衰减器(17)、中放电路(18)、三级混频电路(19)和第四带通滤波放大电路(20)，中放电路(18)的输出还连接检波电路(22)、检波电路(22)还通过比较器(21)与压控衰减器(17)相连，三级混频电路(19)还连接三本振电路(23)；其中两组之间的：三级混频电路(19)通过三本振电路(23)相连，一级混频电路(13)通过第一频率合成器(24)相连，二级混频电路(15)通过第二频率合成器(26)相连；两组中的低噪声放大器(11)分别连接第一天线(1)和第二天线(2)，而第一频率合成器(24)和第二频率合成器(26)还分别连接晶振电路(25)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种民航地空通信方法。特别是涉及一种能够提高民航地空通信质量，保障飞行安全，也可用于其它通信系统中，提高接收性能的基于恒模阵列的民航地空通信自适应干扰抑制方法及系统。

背景技术

民航VHF(甚高频)地空通信在空中交通管理系统中担任重要角色，其稳定性和可靠性直接影响着飞行安全。VHF地空通信电台采用DSB-AM(带载波双边带幅度调制)、半双工通信的工作方式，工作频率范围为118.0MHz至136.975MHz，波道间隔为25KHz，可提供760个通信信道，这些信道可以在广阔的地域内复用。由于国外无线电管理制度及其严格，空管无线电干扰问题不突出，所以他们生产的VHF地空通信设备都没有考虑抗干扰问题。但在国内随着近年来我国民航企业以及电信事业的迅猛发展，民航无线电专用频率受干扰的程度也随之呈现上升趋势。就干扰源来看，主要有寻呼台发射机、大功率无绳电话、乡村的调频广播电台、车载电台等，这些干扰源具有恒包络特性。目前，民航一般通过改频、监测和清查等被动的非技术手段加以解决，但都治标不治本，无线电干扰成为民航安全运营的一大隐患。
专利申请CN200410075232提出了用于调幅接收机抑制脉冲干扰的方法和装置，但不适用于民航地空通信中相对脉冲干扰较为复杂的干扰抑制。北京航空航天大学科技园研发出基于甚高频数据链的自动相关监视(ADS)系统，该系统可进行VHF地空通信电台的干扰分析以及预新建VHF地空通信电台、预指配频率的干扰预测评估，从而给出一系列可供指配的、合理的可用频率。民航内话系统采用的话音优选技术是一种基于同频异址VHF语音信号一主、二备、三应急配置的语音信号处理技术，将各路同频异址信号进行实时处理，从而获得语音质量参数，将获得的质量参数进行比较，选出最优信号输出到管制员面板。这两种技术都不能从本质上去除民航地空通信中的干扰。
恒模算法是一种利用信号包络恒定特性的盲自适应算法，1980年，Godard首次提出用恒模算法(CMA)实现盲均衡；接着，Treichler于1985年将恒模算法应用到波束导向上，提出恒模阵列信号处理技术。恒模阵列是一种盲自适应波束形成器，其权系数可利用恒模算法进行更新。作为一种自适应的波束形成器，恒模阵列具有收敛速度快、计算简单的性能，并且信号恢复的性能对阵列的结构不敏感。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够提高民航地空通信质量，保障飞行安全，也可用于其它通信系统中，提高接收性能的基于恒模阵列的民航地空通信自适应干扰抑制方法及系统。
本发明所采用的技术方案是：一种基于恒模阵列的民航地空通信自适应干扰抑制方法及系统，其中方法包括有以下步骤：(1)将通过双天线阵列接收的两路甚高频信号分别转化为中频信号；(2)对被转化的两路中频信号分别进行数据采集和模数转换；(3)对模数转换后的两路中频数字信号分别进行数字下变频滤波抽取；(4)对变频滤波抽取后的信号送入监视模块进行判断，即，通过计算两路信号的相关系数判断信号是否受到干扰，若无干扰转入步骤6，若有干扰转入步骤5；(5)将受到干扰的信号送入自适应恒模干扰抑制模块进行干扰信号的提取，并对已提取干扰信号利用复数递推最小二乘法进行自适应对消；(6)对步骤4或步骤5两者之一所输出的无干扰信号进行解调，再经低通滤波器滤除高频杂波，最后进行D/A转换输出清晰的音频信号。
所述的将甚高频信号转化为中频数字信号是通过低噪音高频放大器、三级混频器及自动增益控制电路完成的。
所述的对变频滤波抽取后的信号送入监视模块进行判断是利用两路信号的相关系数进行判断，包括如下步骤：先将两路实信号分别进行处理得到两路复信号xh1和xh2；计算两路数据的相关系数ρ；判断是否大于阈值；大于阈值则进行D/A转换；否则进入基于恒模阵列的自适应干扰抑制模块。
所述的干扰信号的提取是利用常见干扰具有的恒包络特性执行恒模干扰盲提取，采用线性瞬时混合模型来简化线性卷积混合模型以完成干扰信号的提取；并利用自适应对消技术对已提取的恒模干扰信号进行对消。
所述的对无干扰信号进行解调，再经低通滤波器滤除高频杂波，其中，对无干扰信号进行解调的方法是采用包络检波方法。
本发明的基于恒模阵列的民航地空通信自适应干扰抑制系统，包括有接收信号的双天线阵列；对双天线阵列所接收的信号进行信号处理且依次相连的射频处理组，模/数转换组及数字下变频组；与数字下变频组相连并对其输出的数字信号进行判别的监视模块；对监视模块输出的有干扰信号进行干扰抑制的自适应恒模干扰抑制模块；对监视模块输出的无干扰信号和自适应恒模干扰抑制模块输出的干扰抑制信号进行解调的解调器；与解调器的输出相连的数/模转换器和与数/模转换器相连的音频输出。
所述的双天线阵列(1、2)、射频处理组(3)、模/数转换组(4)和数字下变频组(5)中的两路处理路径的参数一致。
所述的射频处理组包括有两组依次相连的：低噪声放大器、第一带通滤波放大电路、一级混频电路、第二带通滤波放大电路、二级混频电路、第三带通滤波放大电路、压控衰减器、中放电路、三级混频电路、第四带通滤波放大电路，中放电路的输出还连接检波电路、检波电路还通过比较器与压控衰减器相连，三级混频电路还连接三本振电路；其中两组之间的：三级混频电路通过三本振电路相连，一级混频电路通过第一频率合成器相连，二级混频电路通过第二频率合成器相连；两组中的低噪声放大器分别连接第一天线和第二天线，而第一频率合成器和第二频率合成器还分别连接晶振电路。
本发明的基于恒模阵列的民航地空通信自适应干扰抑制方法及系统，在充分考虑了民航地空通信的特点和民航地空通信中常见干扰源特性的前提下，并考虑到民航地空通信在绝大多数情况下不会受到两个或两个以上的干扰，而且噪声功率远低于干扰和有用信号的功率，可以忽略不计，因而采用双天线阵列，利用恒模盲信号处理技术和自适应干扰对消技术，无需使用任何参考信号，即可消除严重影响VHF电台接收性能的外部恒模干扰，提高信干比。即，能够在没有参考信号的前提下分离出地空通信有用信号，排除飞行安全隐患，输出优质的语音信号，提高飞行安全系数，达到治标治本的目的。本发明的抗干扰系统也可用于其它调幅接收机中，实用性强。本发明不但能很好地解决民航地空通信中目前的干扰问题，而且可根据未来实际情况随时进行系统的升级和维护。

附图说明

图1是本发明方法步骤的流程图；
图2是射频处理组成框图；
图3是监视模块组成框图；
图4是信号源个数判别流程图；
图5是自适应恒模干扰抑制模块组成框图；
图6是处理前FM和DSB-AM信号波形图；
图7是通道1、2接收信号波形图；
图8是处理后FM和DSB-AM信号波形图；
图9是处理前后解调的语音信号与原始语音信号的相关系数图；
图10是源信号和受干扰信号以及处理后的语音信号对比图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的基于恒模阵列的民航地空通信自适应干扰抑制方法及系统的具体实施例给予详细说明。
本发明的方法，充分考虑到地空通信系统同时受到两个或两个以上干扰的情况极少，此外噪声功率远低于干扰和有用信号的功率，可以忽略不计，因而采用双通道接收系统。从干扰信号与有用信号的统计独立性出发，通过对两路接收通道接收的信号进行处理，实现干扰的自适应抑制。具体是采用如图1所示的基于恒模阵列的民航地空通信自适应干扰抑制系统，来自适应抑制地空通信中的干扰，提高通信质量，包括以下步骤：
(1)将通过双天线阵列接收的两路甚高频信号分别转化为中频信号。
将阵列天线1和2接收到的信号通过如图2所示的由低噪声高频放大器、三级混频器及自动增益控制电路(图2中虚框部分)组成的射频处理，无线电信号通过射频处理后转化为1.25MHz中频信号，以便后续信号处理。在本实施例中，所述的低噪声高频放大器、三级混频器及自动增益控制电路等电路均由现有的电路或原理实现。三级混频后得到的三级中频分别为465MHz、70MHz、1.25MHz。
(2)对被转化的两路中频信号分别进行数据采集和模数转换。
通过A/D转换组分别对射频处理组输出的两路模拟中频信号实施数据采集及模数转换，从而降低对后续数字滤波器的设计要求，本实施例中采用了过采样的方案，实际使用的采样率为5MHz，采样位数12bit。
(3)对模数转换后的两路中频数字信号分别进行数字下变频滤波抽取。
通过所述数字下变频组分别对模数转换输出的两路数字信号进行滤波抽取，将数据率从5MSps下降到合适的程度，本发明中降到200KSps，目的是提高实时性和降低后续信号处理的运算量。
(4)对变频滤波抽取后的信号送入监视模块进行判断，判断信号是否受到干扰，若无干扰转入步骤6，若有干扰转入步骤5。
数字化后的中频信号通过图3所示的监视系统，主要实现对信号是否受到干扰进行判断。
本模块由正交变换器组和信号源个数判别器组成。正交变换器组采用两个相同的Hi lbert变换器将两路实信号转化为复信号，信号源个数判别器判别是否受到干扰，其判断流程如图4所示，包括如下步骤：输入两路数据Xh1和Xh2；计算两路数据的相关系数ρ；判断是否大于阈值；大于阈值则进行D/A转换；否则进入基于恒模阵列的自适应干扰抑制模块。具体是以正交变换器组输出的两路信号的相关系数作为度量，相关系数采用每一时刻的数值进行计算如下：
${\rho }_{x_{h1},x_{h2}}=\left|\frac{E\{x_{h1}\left(k\right)·{x_{h2}}^{*}\left(k\right)\}}{\sqrt{E\left\{{\left|x_{h1}\left(k\right)\right|}^2\right\}·E\left\{{\left|x_{h2}\left(k\right)\right|}^2\right\}}}\right|---\left(1\right)$
如果相关系数小于设定的阈值就可确定接收信号受到干扰，否则判断没受干扰，阈值可设为一个接近于1的数值，在本发明中设为0.9901。
(5)将受到干扰的信号送入自适应恒模干扰抑制模块进行干扰信号的提取，并对已提取的恒模干扰信号进行自适应对消。
包括如下步骤：经过监视系统判断后若地空通信信号受到干扰，则将数字化后的中频信号送入如图5所示的自适应恒模干扰抑制模块，执行恒模干扰盲提取和自适应对消关键技术。它由恒模阵列和自适应CRLS对消器组成。
图1中阵列天线1和2接收到的信号为源信号不同时延的线性混合即源信号的卷积混合，但由于在VHF地空通信系统中，调幅信号传播带宽为25KHz，相对于信号的载频(118.00MHz～136.975MHz)很小，并且接收天线的间距设置为半波长，此时信号到达两个天线的时延没有引起两天线接收信号包络的变化，那么信号在不同天线之间的时延可以简化为相移，因此盲信号提取线性卷积混合模型可以简化为线性瞬时混合模型。由于阵元相隔比较近，而飞机的飞行高度较高，那么飞机相对于两个阵元天线的角度近似相等，因此信号到两天线的多普勒频移一样。又已知飞机在大部分飞行时段内都是匀速飞行的，所以设信号的多普勒频率恒定fd(t)＝fd。同时由于民航VHF通信系统具有高信噪比的特点，因此在干扰抑制系统中不考虑噪声的影响。假设阵元1为零时延参考阵元，那么阵元1、2接收到信号的复数形式分别为：
x(t)＝As(t)                           (2)
式中为观测信号向量，和分别是有用和干扰信号的基带信号，f0为载波频率，为混合矩阵，a1∶a2代表两个源信号的振幅混合比例，τ1和τ2是阵元2相对于两信源的时延。由此看出，我们在复数域将民航地空通信中接收信号的模型等效为线性瞬时混合模型。
信号经前端处理，到达恒模阵列的离散信号记为x′(k)，经过自适应更新的权向量w(k)加权求和，得到恒模干扰输出为：
ycma(k)＝wH(k)x′(k)                     (3)
式中w(k)＝[w1(k)，w2(k)]T为自适应的权向量，采用最陡下降恒模算法得到权值更新为：
w(k+1)＝w(k)+μx′(k)e*cma(k)            (4)
式中μ为步长因子，
自适应对消器采用式(3)所得的恒模阵列输出ycma(k)作为参考输入，结合一路通道的混合数据进行恒模干扰对消从而得到民航地空通信所需的有用信号，记为：
e(k)＝x1′(k)-u*(k)ycma(k)               (5)
式中u(k)为对消器的自适应权系数，采用复数递推最小二乘(CRLS)算法完成权值更新。
CRLS的代价函数为：
$J\left(u\right)=\underset{n=0}{\overset{l}{\Sigma }}{\lambda }^{l-n}{|{x_1}^{\prime }\left(k\right)-u\left(k\right)y_{\mathrm{cma}}\left(k\right)|}^2---\left(6\right)$
式中：0＜λ＜1称为遗忘因子。
在此，针对恒模信号的特点，对传统的CRLS进行改进以简化运算。具体为先对恒模信号作归一化处理：
$\frac{y_{\mathrm{cma}}\left(l\right)}{\left|y_{\mathrm{cma}}\left(l\right)\right|}=e^{-\mathrm{j\beta }\left(l\right)}---\left(7\right)$
式中：β(l)代表恒模信号的复相位。得到自适应对消器的权值更新为：
$u\left(l\right)=\frac{\mathrm{\lambda r}(l-1)+{x_1}^{\prime }\left(l\right)e^{\mathrm{j\beta }\left(l\right)}}{1+\mathrm{\lambda R}(l-1)}---\left(8\right)$
式中R(l)＝λR(l-1)+e-jβ(l)ejβ(l)＝λR(l-1)+1；r(l)＝λr(l-1)+x1′(l)ejβ(l)。
(6)对步骤4或步骤5两者之一所输出的无干扰信号进行解调，再经低通滤波器滤除高频杂波，最后进行D/A转换输出清晰的音频信号。
对自适应恒模干扰抑制模块输出的数字中频信号或从监视模块直接输出的数字中频信号进行解调，采用包络检波方法，并利用D/A(数/模)转换单元进行数模转换，就可输出清晰的音频信号。
图6是对应载频和抽样频率分别为100KHz和400KHz的FM信号波形图(图6的(a))图和DSB-AM信号波形图(图6的(b))，图7是分别对应两接收天线的两路混合信号波形图(图7的(a)、(b))，图8是经过本发明自适应恒模干扰抑制模块处理后得到的恒模干扰(FM信号)的波形图(图8的(a))和有用信号(DSB-AM信号)的波形图(图8的(b))，可以看出经过处理抑制了具有恒模特性的FM干扰。
图9表示的是经过本发明处理前后的语音信号与不受干扰语音信号的相关系数图。可以看出，在不同的有用信号和干扰信号混合比例下，经过处理的信号比原受干扰信号有明显的改善。
图10是在w＝[3，-3]T，μ＝0.002，λ＝0.9999时，源信号图10(a)和受干扰信号图10(b)以及处理后的语音信号图10(c)的对比图，可以看出经过恒模阵列提取干扰和自适应对消处理对空管地空通信的语音质量有了显著提高。
如图1所示，本发明的基于恒模阵列的民航地空通信自适应干扰抑制系统，包括有接收信号的双天线阵列1、2；对双天线阵列1、2所接收的信号进行信号处理且依次相连的射频处理组3、模/数转换组4及数字下变频组5；与数字下变频组5相连并对其输出的数字信号进行判别的监视模块6；对监视模块6输出的有干扰信号进行干扰抑制的自适应恒模干扰抑制模块7；对监视模块6输出的无干扰信号和自适应恒模干扰抑制模块7输出的干扰抑制信号进行解调的解调器8；与解调器8的输出相连的数/模转换器9和与数/模转换器9相连的音频输出10。
上述的双天线阵列1、2、射频处理组3、模/数转换组4、数字下变频组5分别由两路参数一致的天线、射频处理单元、模/数转换单元、数字下变频单元组成。
如图2所示，其中所述的射频处理组3包括有两组依次相连的：LNA(低噪声放大器)11、一级BPF(带通滤波)放大电路12、一级混频电路13、二级BPF放大电路14、二级混频电路15、三级BPF放大电路16、压控衰减器17、中放电路18、三级混频电路19、BPF放大电路20，中放电路18的输出还连接检波电路22、检波电路22还通过比较器21与压控衰减器17相连，三级混频电路19还连接三本振电路23；其中两组之间的：三级混频电路19通过三本振电路23相连，一级混频电路13通过第一频率合成器24相连，二级混频电路15通过第二频率合成器26相连；两组中的LNA(低噪声放大器)11分别连接天线1和天线2，而第一频率合成器24和第二频率合成器26还分别连接晶振电路25。