专利名称：基于单通道的民航地空通信自适应干扰抑制方法及其系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于民航地空通信的单通道自适应干扰抑制方法。特别是涉及一种符合现有民航地空通信体制、实现简单且性能优，可提高通信质量，增强飞行安全系数的基于单通道的民航地空通信自适应干扰抑制方法及其系统。
背景技术：
依国际民航组织公约附件10第I卷规定，在空中交通管制中，地面管制员和空中飞行员之间的联系主要依靠VHF(甚高频)地空通信电台进行，它采用AM(调幅)的工作方式。调幅的优点是占用频带窄，节省频率资源，硬件容易实现，因此早期国际民航组织将其作为地空通信调制方式的标准。虽然在地空通信中AM接收机的背景噪声很低，但AM接收机的抗干扰能力差，且现有的VHF地空通信设备都没有考虑抗干扰问题。
特别地，随着中国电信事业近年来的迅猛发展，民航通信频率被干扰的程度越来越严重，已对航空安全构成了严重的隐患。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。这些干扰源均具有恒模特性，而且同一时间一般仅存在一个干扰，其信号非法占用了民航VHF通信频段，造成了在频域上对AM有用信号频谱的混叠，单纯使用带通滤波器不能将其滤除，故现有VHF地空通信设备受干扰情况严重。
在目前公布的干扰抑制方法中，专利申请CN200410075232的公开说明书中，提到了在调幅接收机抑制干扰脉冲的方法和装置，具体将干扰脉冲从调幅信号中消隐，在消隐之后对调幅信号进行解调，对消隐后余留的调幅信号进行平整。但这只是针对短时间的脉冲干扰而言，不太适合解决民航通信干扰的问题。
自适应干扰抑制技术是自适应抑制掉干扰信号或对干扰信号进行非常大的衰减，提高信干比。在目前公布的干扰抑制方法中，一般需要两个或两个以上的传感器实现，一个传感器采集有用信号和噪声的混合信号，其它传感器采集与噪声相关的信号。这与现有的VHF地空通信电台使用单天线接收信号方式相冲突，难以直接使用现有的技术和方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种符合现有民航地空通信体制、实现简单且性能优，可提高通信质量，增强飞行安全系数的基于单通道的民航地空通信自适应干扰抑制方法及其系统。
本发明所采用的技术方案是一种基于单通道的民航地空通信自适应干扰抑制方法及其系统，其中方法包括有以下步骤(1)将通过天线接收的甚高频调幅信号转化为中频信号；(2)对被转化的中频信号进行数字转换、滤波抽取；(3)在调幅信号载频频率范围已知的基础上，对滤波抽取后的信号进行载频估计；(4)以载频频率估计值作为参考信号，进行自适应陷波，将调幅信号中的载波陷掉，从而避免恒模算法出现干扰捕获现象；(5)对去除调幅载波的信号进行正交变换；(6)对正交变换后的信号利用恒模算法提取恒模干扰信号；(7)将步骤5中正交变换后的信号作为自适应干扰对消器的输入，步骤6中提取的恒模干扰信号作为自适应干扰对消器的期望响应，一起送入自适应干扰对消器中实施对消；(8)对步骤7自适应干扰对消器输出的信号取实部，与步骤4输出的载波信号相乘，进行解调，再经低通滤波器滤除高频杂波后输出音频信号。
所述的将甚高频调幅信号转化为中频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进行的。
所述的将甚高频调幅信号转化为中频数字信号，是通过A/D转换对模拟中频信号实施数据采集及模数转换。
所述的对滤波抽取后的信号进行载频估计，是利用Goertzel算法进行载频估计。
所述的对去除调幅载波的信号进行正交变换，是对陷波器输出的误差信号进行正交变换，将实信号变换成复信号。
所述的利用恒模算法提取恒模干扰信号，是对变换后的复信号采用简单的归一化进行的。
本发明的基于单通道的民航地空通信自适应干扰抑制系统，包括有依次的天线、射频前端单元、模/数转换单元、自适应干扰抑制平台、数/模转换单元及音频输出单元。
所述的射频前端单元包括有依次相连的低噪声放大器、带通滤波放大电路、一级混频电路、带通滤波放大电路、二级混频电路、带通滤波放大电路、压控衰减器、中放电路、三级混频电路、带通滤波放大电路，一级混频电路还连接第一频率合成器，二级混频电路还连接第二频率合成器，第一频率合成器和第二频率合成器还分别连接晶振电路，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。
所述的自适应干扰抑制平台包括有滤波抽取模块；分别与滤波抽取模块相连的自适应陷波器及载频估计模块，自适应陷波器还与载频估计模块相连；与自适应陷波器相连的正交变换模块；分别与正交变换模块相连的CMA模块及自适应干扰对消器，CMA模块还与自适应干扰对消器相连；分别与自适应陷波器及自适应干扰对消器相连的解调模块。
本发明的基于单通道的民航地空通信自适应干扰抑制方法及其系统，充分考虑了民航地空通信的干扰源特性和民航通信实际问题，提出的自适应单通道恒模干扰抑制方法，提高了民航地空通信系统的抗干扰能力，且易于维护和升级。本发明基于现有电台结构，无须增加接收天线；无须使用任何参考信号，采用自适应信号处理方法即可对消严重影响电台接收性能的外部恒模干扰。通过对混合信号先陷波，再利用恒模算法进行恒模干扰提取，不仅很好地避免恒模算法的干扰捕获现象，而且运算简单，实时性好。本发明还在提高民航地空通信抗干扰性能的同时，并没大幅度增加整个通信电台的硬件成本，易于维护和升级。本发明的方法也可用于其它调幅接收机中，提高接收性能，实用性强，成本低，市场应用前景广阔。
图1是民航地空通信自适应干扰抑制系统；图2是射频前端组成框图；图3是自适应干扰抑制平台；图4是Goertzel算法递推流程图；图5是自适应陷波器；图6是正交变换模块；图7是自适应干扰对消器；图8a是原语音信号波形图；图8b是经自适应干扰抑制后解调的语音信号波形图；图8c混合信号直接解调的语音信号波形图。
具体实施例方式
下面参照附图和具体实施例对本发明基于单通道的民航地空通信自适应干扰抑制方法及其系统给予详细说明。
为了对本发明做进一步理解，下面结合民航VHF(甚高频)地空通信电台的技术特性，对本发明的具体实施过程给予详细介绍。
有关VHF地空通信装置的技术特性在国际公约附件10第I卷中做了详细规定。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，其工作频率范围为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再用。
为此，本发明的基于单通道的民航地空通信自适应干扰抑制方法，是利用图1所示的基于单通道的民航地空通信自适应干扰抑制系统实现的，具体做法如下第一步，将通过天线接收的甚高频调幅信号转化为中频信号。首先，使受干扰的民航地空通信调幅信号通过如图2所示的射频前端，射频前端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，无线电信号通过射频前端后转化为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。
然后将数字化后的中频信号通过如图3所示的自适应干扰抑制平台，进行后述的各步骤。即，利用本发明的自适应干扰抑制方法对受干扰调幅信号中的恒模干扰实施抑制，提高信干比。其自适应干扰抑制平台包括有滤波抽取模块、载频估计模块、自适应陷波器、正交变换模块、CMA(恒模算法)模块、自适应干扰对消器、解调模块。自适应抑制民航地空通信过程中的单个恒模干扰，提高信干比，增强飞行安全系数。
第二步，对被转化的中频信号进行数字转换、滤波抽取。通过A/D转换单元对射频前端输出的模拟中频信号实施数据采集及模数转换。为了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。在滤波抽取模块对模数转换输出数字信号进行滤波抽取，将数据率从5MSps下降到合适的程度。目的是提高实时性和降低后续信号处理的运算量。在本实施例中，使用了两级带通滤波抽取，每次抽取5倍，最后采样率降到200KSps。
第三步，在调幅信号载频频率范围已知的基础上，对滤波抽取后的信号进行载频估计。所述载频估计是在载频估计模块中对滤波抽取模块输出的数字信号s(n)利用Goertzel算法进行载频估计，目的是为自适应陷波器提供一个频率初始值fkmax，以提高陷波器的收敛速度。
其中载频估计模块采用的Goertzel算法是利用旋转因子WNk=e-j2π/N]]>的周期性WN-kN=1,]]>将DFT(离散傅里叶变换)运算表示成线性滤波运算，差分运算的形式使得其递推性更好。图4给出Goertzel算法递推流程图，其递推表达式为vk(n)=2cos2πkNvk(n-1)-vk(n-2)+s(n)---(1)]]>fk(n)=vk(n)-WNkvk(n-1)---(2)]]>在本实施例中，式(1)、式(2)中的N取200K，k为需搜索频率区间的频率点，式(1)的初始条件设为vk(-1)＝vk(-2)＝0，n＝0，1，...，N1，N1取N/10(即20K)，s(n)为滤波抽取模块输出的数字信号，输出fk(n)是对应频率点k的频谱。本实施例采用基于Goertzel算法载频估计的具体流程为(1)在每个频率点k，对，z＝0，1，...，N1迭代计算式(1)，然后在n＝N1计算式(2)，从而得到L个频率点的频谱(本实施例中，频率点k位于以载频估计初始值即50KHz为中心±500Hz的频率区间内，L取101，即频率点之间间隔10Hz)；(2)求L个频率点频谱fk(N1)中幅度最大对应的频率点fkmax(即对L个点的fk(N1)取模，求这些模值中的最大值)，并以此载频估计值fkmax为中心更新频率区间为[fkmax-10Hz，fkmax+10Hz]；(3)对更新的频率区间使用新的采样数据重新开始L个频率点的频谱计算，在采样点再次达到N1时求L个频率点频谱中幅度最大对应的频率点fkmax，以此时得到的fkmax为自适应陷波器的频率初始值。
第四步，以载频频率估计值作为参考信号，进行自适应陷波，将调幅信号中的载波陷掉，从而避免恒模算法出现干扰捕获现象。所述自适应陷波是在如图5所示的自适应陷波器中进行，其输入信号有滤波抽取输出的数字信号s(n)和载频估计输出值fkmax，输出两路信号输出的载波信号y(n)送入解调模块，用于解调。去除载波的误差输出信号e(n)接正交变换模块，将其转换成复信号，以便后续自适应信号处理。
图5自适应陷波器的基本工作过程为，滤波抽取输出的数字信号x(n)通过IIR滤波器，输出去除载波的误差信号e(n)e(n)＝x(n)+a(n)x(n-1)+x(n-2)-ra(n)e(n-1)+r2e(n-2) (3)其中a(n)是需要调整的陷波器参数，它最终收敛到-2cosω0，以陷除位于频率ω0的调幅载波，r是陷波器的极半径，应该略小于1，本实施例中取0.99995。
对于a(n)的更新算法，先令g(n)=∂e(n)∂a(n),]]>即式(3)对a(n)求偏导，得g(n)＝x(n-1)-re(n-1)-ra(n)g(n-1)+r2g(n-2) (4)应用LMS算法，得a(n)的更新公式a(n+1)＝a(n)-2μe(n)g(n)(5)相应陷出的载波y(n)为y(n)＝x(n)-e(n) (6)式(5)中，0≤μ≤1为步长，a(0)为载波估计值。
由以上推导，本实施例采用自适应陷波算法步骤如下(1)初始化g(0)＝g(-1)＝0，e(0)＝e(-1)＝0，r＝0.99995，μ＝0.0001，a(0)由载频估计模块的输出值求出，即-2cos(2πfkmax)；(2)计算式(3)和式(4)，得到去除载波的误差信号e(n)；(3)计算式(5)和式(6)，进行系数更新以及输出载波y(n)，重复步骤2和步骤3。
第五步，对去除调幅载波的信号进行正交变换。所述正交变换是在如图6所示的正交变换模块中进行，对陷波器输出的误差信号e(n)进行正交变换，将实信号变换成复信号e1(n)，得出的e1(n)送入CMA(恒模算法)模块和自适应干扰对消模块。
图6中的FIRQ为一Hilbert滤波器，其系数满足hq(k)=1π(k-M/2)[1-(-1)k-M/2]w(k),(1≤k≤M+1)---(7)]]>式(7)中，M为滤波器阶数，w(k)为Blackman窗，满足下式w(k)＝0.42-0.5cos(2πk/(M+2))+0.08cos(4πk/(M+2))(1≤k≤M+1)(8)图6中的FIRI为一延时器，延时M/2个单元，在本实施例中M取88。
陷波器输出的误差信号e(n)通过FIRI和FIRQ后形成同相分量e1I(n)和正交分量e1Q(n)，最后合并成复信号e1(n)
e1(n)＝e1I(n)+j*e1Q(n) (9)第六步，对正交变换后的信号利用恒模算法提取恒模干扰信号。所述CMA(恒模算法)，是对正交变换输出的复信号e1(n)借助干扰的恒模特性进行恒模干扰信号提取，为自适应干扰对消器提供参考信号。考虑到干扰信号的恒模特点而且是视距传播，不存在多径成份，因此本实施例中对e1(n)简单的归一化来得到参考信号e2(n)，即e2(n)=e1(n)|e1(n)|---(10)]]>与传统的CMA算法相比，本发明采用的CMA算法相比更简单，仅是单通道、单延时节，易于实现，而且没有传统CMA算法的收敛问题，仅是简单的归一化步骤。
第七步，将步骤5中正交变换后的信号作为自适应干扰对消器的输入，步骤6中提取的恒模干扰信号作为自适应干扰对消器的期望响应，一起送入自适应干扰对消器中实施对消。所述自适应干扰对消是在如图7所示的自适应干扰对消器中进行，将正交变换模块输出的复信号e1(n)作为期望信号，CMA模块输出的恒模干扰信号e2(n)作为参考信号，通过自适应算法进行权值学习和更新，进行自适应对消，输出信号u(n)送解调模块。在本实施例中，自适应算法采用LMS算法，依据式(11)和式(12)迭代更新权值和计算u(n)u(n)＝e1(n)-w*(n)e2(n) (11)w(n+1)＝w(n)+μ1e2(n)u*(n) (12)在本实施例中，式(11)和式(12)的初始条件设为w(0)＝0，μ1＝0.0001。
第八步，对步骤7自适应干扰对消器输出的信号取实部，与步骤4输出的载波信号相乘，进行解调，再经低通滤波器滤除高频杂波后输出音频信号。此步是在解调模块中进行，其输入信号有自适应陷波器输出的载波信号y(n)、自适应干扰对消器输出的信号u(n)。在本实施例中，取u(n)实部后与y(n)相乘，经过LPF(低通滤波器)模块滤除高频杂波，从而得到抑制干扰后的数字音频信号。
第九步，对自适应干扰抑制平台输出的数字音频信号，利用数/模(D/A)转换单元进行数模转换，就可输出清晰的音频信号。
图8a、8b、8c给出了有无干扰抑制处理的效果对比图。其中图8a为原语音信号波形图，图8b为经自适应干扰抑制后解调的语音信号波形图，而图8c为混合信号直接解调的语音信号波形图，可见图8b要比图8c效果好，接近原语音信号波形图，充分体现了本发明的优势和实用价值。可见，本发明简单易行且突破了传统的设计理念，易于维护和升级，实用性强，市场应用前景广阔。
如图1所示，本发明的基于单通道的民航地空通信自适应干扰抑制系统，包括有依次的天线1、射频前端单元2、A/D(模/数)转换单元3、自适应干扰抑制平台4、D/A(数/模)转换单元5及音频输出单元6。
如图2所示，所述的射频前端单元2包括有依次相连的LNA(低噪声放大器)14、BPF(带通滤波)放大电路15、一级混频电路16、BPF放大电路17、二级混频电路18、BPF放大电路19、压控衰减器20、中放电路21、三级混频电路22、BPF放大电路23，一级混频电路16还连接第一频率合成器24，二级混频电路18还连接第二频率合成器25，第一频率合成器24和第二频率合成器25还分别连接晶振电路26，中放电路21的输出还连接检波电路28、检波电路28还通过比较器27与压控衰减器20相连，三级混频电路22还连接三本振电路29。
如图1、图3所示，所述的自适应干扰抑制平台4包括有滤波抽取模块7；分别与滤波抽取模块7相连的自适应陷波器8及载频估计模块11，自适应陷波器8还与载频估计模块11相连；与自适应陷波器8相连的正交变换模块9；分别与正交变换模块9相连的CMA(恒模算法)模块12及自适应干扰对消器13，CMA模块12还与自适应干扰对消器13相连；分别与自适应陷波器8及自适应干扰对消器13相连的解调模块10。
权利要求
1.一种基于单通道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)将通过天线接收的甚高频调幅信号转化为中频信号；(2)对被转化的中频信号进行数字转换、滤波抽取；(3)在调幅信号载频频率范围已知的基础上，对滤波抽取后的信号进行载频估计；(4)以载频频率估计值作为参考信号，进行自适应陷波，将调幅信号中的载波陷掉，从而避免恒模算法出现干扰捕获现象；(5)对去除调幅载波的信号进行正交变换；(6)对正交变换后的信号利用恒模算法恒模干扰信号；(7)将步骤5中正交变换后的信号作为自适应干扰对消器的输入，步骤6中提取的恒模干扰信号作为自适应干扰对消器的期望响应，一起送入自适应干扰对消器中实施自适应对消；(8)对步骤7自适应干扰对消器输出的信号取实部，与步骤4输出的载波信号相乘，进行解调，再经低通滤波器滤除高频杂波后输出音频信号。
2.根据权利要求1所述的基于单通道的民航地空通信自适应干扰抑制方法，其特征在于，所述的将甚高频调幅信号转化为中频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进行的。
3.根据权利要求1所述的基于单通道的民航地空通信自适应干扰抑制方法，其特征在于，所述的将甚高频调幅信号转化为中频数字信号，是通过A/D转换对模拟中频信号实施数据采集及模数转换。
4.根据权利要求1所述的基于单通道的民航地空通信自适应干扰抑制方法，其特征在于，所述的对滤波抽取后的信号进行载频估计，是利用Goertzel算法进行载频估计。
5.根据权利要求1所述的基于单通道的民航地空通信自适应干扰抑制方法，其特征在于，所述的对去除调幅载波的信号进行正交变换，是对陷波器输出的误差信号进行正交变换，将实信号变换成复信号。
6.根据权利要求1所述的基于单通道的民航地空通信自适应干扰抑制方法，其特征在于，所述的利用恒模算法提取恒模干扰信号，是对变换后的复信号采用简单的归一化进行的。
7.一种基于单通道的民航地空通信自适应干扰抑制系统，其特征在于，包括有依次的天线(1)、射频前端单元(2)、模/数转换单元(3)、自适应干扰抑制平台(4)、数/模转换单元(5)及音频输出单元(6)。
8.根据权利要求7所述的基于单通道的民航地空通信自适应干扰抑制系统，其特征在于，所述的射频前端单元(2)包括有依次相连的低噪声放大器(14)、带通滤波放大电路(15)、一级混频电路(16)、带通滤波放大电路(17)、二级混频电路(18)、带通滤波放大电路(19)、压控衰减器(20)、中放电路(21)、三级混频电路(22)、带通滤波放大电路(23)，一级混频电路(16)还连接第一频率合成器(24)，二级混频电路(18)还连接第二频率合成器(25)，第一频率合成器(24)和第二频率合成器(25)还分别连接晶振电路(26)，中放电路(21)的输出还连接检波电路(28)、检波电路(28)还通过比较器(27)与压控衰减器(20)相连，三级混频电路(22)还连接三本振电路(29)。
9.根据权利要求7所述的基于单通道的民航地空通信自适应干扰抑制系统，其特征在于，所述的自适应干扰抑制平台(4)包括有滤波抽取模块(7)；分别与滤波抽取模块(7)相连的自适应陷波器(8)及载频估计模块(11)，自适应陷波器(8)还与载频估计模块(11)相连；与自适应陷波器(8)相连的正交变换模块(9)；分别与正交变换模块(9)相连的恒模算法模块(12)及自适应干扰对消器(13)，恒模算法模块(12)还与自适应干扰对消器(13)相连；分别与自适应陷波器(8)及自适应干扰对消器(13)相连的解调模块(10)。
全文摘要
一种基于单通道的民航地空通信自适应干扰抑制方法及其系统，包括将通过天线接收的甚高频调幅信号转化为中频数字信号；对被转化的中频数字信号进行滤波抽取；对滤波抽取后的信号进行载频估计；进行自适应陷波，将调幅信号中的载波陷掉；对去除调幅载波的信号进行正交变换；对正交变换后的信号利用恒模算法提取恒模干扰信号；实施对消；进行解调，再滤除高频杂波后输出音频信号。本发明考虑了民航地空通信的干扰源特性和民航通信实际问题，用现有电台结构，不增加接收天线，不使用任何参考信号，采用自适应信号处理方法即可对消严重影响电台接收性能的外部恒模干扰，提高了民航地空通信系统的抗干扰能力。易于维护和升级。也可用于其它调幅接收机中，提高接收性能。
文档编号H04L27/00GK101034899SQ20071005726
公开日2007年9月12日 申请日期2007年4月29日 优先权日2007年4月29日
发明者吴仁彪, 黄建宇, 钟伦珑, 胡铁乔, 马健丽, 张良, 霍振飞, 王一鸣 申请人:中国民航大学