联合正交投影与循环波束成型的测距仪脉冲干扰抑制方法

联合正交投影与循环波束成型的测距仪脉冲干扰抑制方法
【专利摘要】一种联合正交投影与循环波束成型的测距仪脉冲干扰抑制方法：将来自阵列天线的射频信号经过射频前端转换为模拟基带信号，现通过A/D转换为数字基带信号，将多个数字基带信号通过正交投影算法计算得到干扰信号正交补空间的投影矩阵，并作用于接收信号矢量消除测距仪脉冲信号的干扰，进一步通过循环波束成型方法获取阵列天线的波束成型权值矢量，用其对消除脉冲干扰后的信号矢量进行波束成型提取OFDM直射径信号；移除循环前缀后，通过FFT运算转换为频域信号，进一步通过4倍频域下采样，再通过信道估计信道特性，并通过均衡器进行信道均衡，再依次通过解调器、解交织器及译码器得到发送比特序列的估计值。本发明可有效克服测距仪脉冲及散射多径信号的干扰。
【专利说明】联合正交投影与循环波束成型的测距仪脉冲干扰抑制方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种测距仪脉冲干扰抑制方法。特别是涉及一种联合正交投影与循环 波束成型的测距仪脉冲干扰抑制方法。

【背景技术】
[0002] 为保障民航新一代空中交通管理系统安全、可靠、高效的运行，国际民航组织 (ICA0)提出了两种地空数据链候选技术方案：L频段数字航空通信系统l(L-DACSl)与L频 段数字航空通信系统2(L-DACS2)，其中，L-DACS1系统采用多载波正交频分复用（0FDM)传 输方案，L-DACS2系统采用单载波高斯最小移频键控（GMSK)传输方案。相对于L-DACS2系 统，L-DACS1系统具有更高的频谱效率、更高的传输容量、更适合频率选择性衰落信道传输 的优点，因此L-DACS1系统获得民用航空界的广泛关注。与此同时，为解决民用航空甚高频 通信频率资源匮乏的问题，2007年世界无线电大会（WRC)批准未来民航地空数据链系统部 署在航空无线电导航频段，且以内嵌方式工作于测距仪（DME)频道间（DME系统的频道间隔 为1MHz，L-DACS系统部署在相邻DME频道的中央，占用带宽0. 5MHz)。由于测距仪信号频 谱与L-DACS1系统的频谱存在部分交叠，且DME发射机以大功率、突发脉冲方式工作，因此 不可避免出现DME发射的脉冲信号干扰L-DACS1系统0FDM接收机的问题。
[0003] 文献 M Schnell, S Brandes, S Gligorevic, Interference Mitigation for Broadband L-DACS, 2008 Digital Avionics Systems Conference (DASC 2008),pp.1 -12，St.Paul，MN，USA，0ctober 2008 和文献 S Brandes，M Schnell, Mitigation of Pulsed Interference in OFDM Based Systems, 2008 International OFDM Workshop(InOffo 2008)，pp. 193 - 197, Hamburg, Germany, August 2008首先建立给出测距仪脉冲干扰的信 号模型，并仿真研究脉冲熄灭法对OFDM接收机链路差错性能的影响，仿真研究表明脉冲 熄灭法可一定程度消除测距仪脉冲干扰，但脉冲熄灭会导致0FDM接收机产生子载波间 干扰（ICI);为应用脉冲熄灭法消除测距仪脉冲干扰，文献U Epple, M Schnell, German Aerospace Center(DLR), Overview of Interference Situation and Mitigation Techniques for LDACS1, 2011 IEEE/AIAA 30th Digital Avionics Systems Conferenc e (DASC)，pp: 4C5-1-4C5-12, 2011，提出两种测距仪脉冲干扰信号出现位置的检测方法，并 仿真研究了所提出方法的检测性能；针对脉冲熄灭法产生0FDM接收机子载波间干扰问题， 文献 S Brandes, M Schnell, Compensation of the Impact of Interference Mitigation by Pulse Blanking in OFDM Systems,2009 IEEE Global Telecommunications Conference (GL0BEC0M 2009)，pp. 1 - 6, Honolulu, USA, Nov. 2009,提出 了迭代 ICI 干扰重 构并补偿的方法，并仿真研究ICI干扰补偿方法的性能，研究发现ICI干扰补偿方法的运算 复杂度高；针对0FDM系统存在的非相关随机脉冲干扰，文献G Caire，T Y.Al-NafTouri，and A. Narayanan, Impulse noise cancellation in OFDM:an application of compressed sensing, IEEE Int. Symp. on Inform. Theory, Canada, Jul. 2008,将压缩感知理论应 用OFDM系统，提出基于凸优化的脉冲干扰消除方法；针对电力线通信系统存在的块稀 疏非相关脉冲干扰，文献 L Lampe. Bursty impulse noise detection by compressed sensing, 2011 IEEE International Symposium on Power Line Communications and Its Applications(ISPLC), On page(s) :29 - 34,给出块基于块稀疏压缩感知脉冲干扰消除方 法。
[0004] 0FDM接收机脉冲干扰消除的方法主要包括：脉冲熄灭方法、脉冲限幅方法、联合 脉冲熄灭与ICI干扰补偿方法、压缩感知脉冲干扰重构与消除方法，以下分别叙述这些技 术的缺陷与不足。
[0005] 脉冲熄灭方法的基本思想：接收机根据接收信号的幅值，首先确定脉冲干扰信号 出现的位置，然后，将存在脉冲干扰的信号样值设置为零，以消除脉冲干扰的影响。在实际 应用中，该方法时存在以下两个方面的问题：脉冲干扰信号出现的位置不易确定、脉冲熄灭 后导致ICI干扰。在确定脉冲干扰信号出现的位置时，通常采用门限比较的方法，当接收信 号幅值超过设定的门限时，接收机认为这些信号样值包含脉冲干扰，由于0FDM信号自身峰 均比（PAPR)较高，且经过多径信道传播，接收机通常不易确定脉冲熄灭门限，这将导致接 收机比特差错性能的损失。另一个方面，接收机采用脉冲熄灭后，使得接收信号产生子载波 间干扰（ICI)，子载波间干扰最终也将导致接收机比特差错性能的恶化。
[0006] 脉冲限幅方法的基本思想：接收机根据接收信号确定0FDM信号的峰值幅度，然后 将接收信号中超过0FDM信号峰值幅度的样值均设置为峰值幅度值，以降低脉冲干扰信号 的影响。脉冲限幅方法也存在两个方面的问题：脉冲限幅值不易确定、脉冲限幅后信号仍残 留脉冲干扰。由于0FDM信号自身峰均比（PAPR)较高，且经过多径信道传播，接收机通常不 易确定脉冲限幅值，脉冲限幅值设置不合理将导致接收机比特差错性能的损失；此外，脉冲 限幅方法并不能完全消除脉冲干扰，限幅后的信号仍包含部分脉冲干扰，这些残留的脉冲 干扰将导致接收机比特差错性能的恶化。
[0007] 联合脉冲熄灭与ICI干扰补偿方法的基本思想：首先利用脉冲熄灭方法消除脉冲 干扰，然后进一步重构子载波间干扰（ICI)，最后对脉冲熄灭产生的ICI干扰进行补偿，从 而降低脉冲熄灭法产生ICI干扰的影响，提高链路传输的可靠性。该方法存在两个方面的 问题，第一脉冲熄灭门限不易确定，第二迭代ICI干扰重构及补偿的运算复杂度较高。
[0008] 针对0FDM系统存在的稀疏、非相关脉冲干扰，还可使用压缩感知重构并消除脉冲 干扰，压缩感知方法的适用范围：脉冲干扰信号具有稀疏特性，脉冲干扰信号为非相关随机 干扰。而在L频段数字航空通信系统l(L-DACSl)中，测距仪产生脉冲干扰为强相关脉冲干 扰，因此压缩感知方法难于直接应用于0FDM系统测距仪脉冲干扰抑制。


【发明内容】

[0009] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种可有效克服测距仪脉冲及散射多径信号 的干扰，提高L频段数字航空通信系统的链路传输可靠性的联合正交投影与循环波束成型 的测距仪脉冲干扰抑制方法。
[0010] 本发明所采用的技术方案是：一种联合正交投影与循环波束成型的测距仪脉冲干 扰抑制方法，其特征在于，包括：将来自阵列天线的射频信号经过射频前端转换为模拟基带 信号，模拟基带信号通过A/D转换为数字基带信号，将多个接收通道输出的数字基带信号 通过正交投影算法计算得到干扰信号正交补空间的投影矩阵，将投影矩阵作用于接收信号 矢量消除测距仪脉冲信号的干扰，消除脉冲干扰后的信号矢量进一步通过循环波束成型方 法获取阵列天线的波束成型权值矢量，利用得到权值矢量对消除脉冲干扰后的信号矢量进 行波束成型提取OFDM直射径信号；波束成型器输出的OFDM直射径信号在移除循环前缀后， 通过FFT运算转换为频域信号，并进一步通过4倍频域下采样，下采样器输出的信号通过信 道估计估计信道特性，并通过均衡器进行信道均衡，均衡器输出信号依次通过解调器、解交 织器及译码器得到发送比特序列的估计值。
[0011] 在模拟基带信号转换为数字信号时，为避免测距仪脉冲信号采样产生频谱混叠干 扰0FDM信号的接收，接收机使用了过四倍采样。
[0012] 所述的正交投影算法计算得到干扰信号正交补空间的投影矩阵，包括：
[0013] 假设接收信号使用均匀线阵，阵元通道数目为M，阵元间隔为λ /2,则阵列天线接 收信号矢量X (η)表不为：
[0014]

【权利要求】
1. 一种联合正交投影与循环波束成型的测距仪脉冲干扰抑制方法，其特征在于，包括： 将来自阵列天线的射频信号经过射频前端转换为模拟基带信号，模拟基带信号通过A/D转 换为数字基带信号，将多个接收通道输出的数字基带信号通过正交投影算法计算得到干扰 信号正交补空间的投影矩阵，将投影矩阵作用于接收信号矢量消除测距仪脉冲信号的干 扰，消除脉冲干扰后的信号矢量进一步通过循环波束成型方法获取阵列天线的波束成型权 值矢量，利用得到权值矢量对消除脉冲干扰后的信号矢量进行波束成型提取OFDM直射径 信号；波束成型器输出的OFDM直射径信号在移除循环前缀后，通过FFT运算转换为频域信 号，并进一步通过4倍频域下采样，下采样器输出的信号通过信道估计估计信道特性，并通 过均衡器进行信道均衡，均衡器输出信号依次通过解调器、解交织器及译码器得到发送比 特序列的估计值。
2. 根据权利要求1所述的联合正交投影与循环波束成型的测距仪脉冲干扰抑制方法， 其特征在于，在模拟基带信号转换为数字信号时，为避免测距仪脉冲信号采样产生频谱混 叠干扰OFDM信号的接收，接收机使用了过四倍采样。
3. 根据权利要求1所述的联合正交投影与循环波束成型的测距仪脉冲干扰抑制方法， 其特征在于，所述的正交投影算法计算得到干扰信号正交补空间的投影矩阵，包括： 假设接收信号使用均匀线阵，阵元通道数目为M，阵元间隔为λ /2,则阵列天线接收信 号矢量X (η)表不为：
(1) 其中，η代表信号米样序号，s (η)代表OFDM信号，a0代表OFDM信号对应的导向矢量， wk(η)代表第k个干扰信号，dk代表第k个干扰信号对应的导向矢量，K代表干扰源的总数， n(n)代表信道输入的复高斯白噪声矢量； 将（1)式进一步表示为： X (n) = s (n) +w (η) +η (η) (2) 其中，
阵列天线接收信号矢量X (η)的协方差矩阵定义为： Rxx = Ε {χ (η) · xH (η)} (3) 考虑到OFDM信号、测距仪脉冲信号、噪声信号统计独立，则（3)式化简为： Rxx = Rs+Rw+Rn (4) 其中，Rs代表OFDM信号的协方差矩阵；RW代表干扰信号的协方差矩阵；Rn代表噪声信 号的协方差矩阵； 由于测距仪脉冲信号的强度远大于OFDM信号及噪声信号，因此（4)式进一步化简为： Rxx = Rw+Rv (5) 其中，Rv = Rs+Rn ; 对矩阵Rxx进行特征值分解得到：
(6) 其中，
代表协方差矩阵Rxx的非零特征值，ei，i = 1，2. . . Μ代表Rxx的非零 特征值对应的特征向量，
代表Rxx的非零特征值构成的对角 矩阵，U代表Rxx的特征值对应特征列向量构成的酉矩阵，满足UUH = I，定义K个脉冲干扰 信号对应的特征值为λ i，其中i = 1，2,.. K，由于测距仪脉冲干扰信号强度远大于OFDM信 号与噪声信号，因此λ i的取值显著大于特征值
所述的K个脉冲干扰信号对应 的特征值λ i称为主特征值，主特征值λ i对应的特征向量张成干扰信号子空间，记为Sw = span {ei，e2, · · ·，eK}，其中，ei，i = 1，2. · · K代表协方差矩阵Rxx的K个主特征值λ i对应的 特征向量； 得到干扰信号子空间后，计算得到干扰信号的正交补空间投影矩阵：
(7) 然后，将投影矩阵作用于接收信号矢量以消除测距仪脉冲信号的干扰。
4. 根据权利要求1或3所述的联合正交投影与循环波束成型的测距仪脉冲干扰抑制方 法，其特征在于，所述的将投影矩阵作用于接收信号矢量以消除测距仪脉冲信号的干扰，包 括： 将接收信号矢量x(n)向干扰信号的正交补空间投影得到：
(M 考虑到
最后（8)式化简为：
(9) (9)式表明：通过将接收信号矢量向干扰信号正交补空间进行投影可消除信道输入的 测距仪脉冲干扰。
5. 根据权利要求1所述的联合正交投影与循环波束成型的测距仪脉冲干扰抑制方法， 其特征在于，所述的通过循环波束成型方法获取阵列天线的波束成型权值矢量，包括： 首先引入以下参量，凡代表一个OFDM符号的采样点数，Ng代表OFDM符号循环前缀的 采样点数，Nu代表除循环前缀外符号的采样点数，且Ns = Nu+Ng ; 针对正交投影脉冲干扰消除后输出的信号矢量中，定义两个矢量z(j，i)与 z(j, i+Nu)： z(j, i) = [z1[(j-l) · Ns+i],. . . , zm[(j-l) · Ns+i],. . . , zM[(j-l) *Ns+i]]T (10) z(j, i+Nu) = [z1[(j-l)Ns+Nu+i], ..., zm[ (j-1) Ns+Nu+i], ..., zM[ (j-1) Ns+Nu+i]] T · eJ2"a (11) 其中，zm[ (j-1) *Ns+i]其代表M个阵元通道中的第m个通道的第j个OFDM符号的第i 个采样样值，其中，i = 1，. . .，Ng, j = 1，. . .，N, m = 1，. . .，M ;z (j, i)代表所有Μ个阵元通 道的第j个OFDM符号的第i个采样值构成的信号矢量；z(j，i+Nu)代表在修正接收信号多 普勒频偏后所有Μ个通道的第j个OFDM符号的第i个采样值构成的信号矢量，其中，α代 表接收信号的归一化多普勒频偏，a = ;Af代表接收信号多普勒频偏；FS代表OFDM 系统子载波间隔； 假设接收机已经完全建立符号定时同步，则接收机循环波束成型的目标：寻找最优权 矢量ω使期望信号coHz(j，i)与参考信号cHz(j，i+N u)之间的相关值最大化，所述的相关 值最大化的数学描述为：
(12) 式中的ω和c满足ωΗω = cHc = 1 其中，
i = l，2，...，Ng，j = 1，...，N，N 代表一帧中 OFDM 符 号总数，进一步引入定义
则（12)式进一步表示为：
(13) (13) 式中的ω和c满足ωΗω = cHc = 1 其中，c代表辅助矢量；（13)式进一步表示为在||ω|| = ||c|| =1约束下， c〇HRccHRHco最大化的问题，对（13)式采用拉格朗日乘子法求微分并令等式为零可化简得 到： wHRc = ξ max (14) 其中，代表R最大奇异值，当最优权矢量ω和辅助矢量c取值为R的最大奇异值 对应的左右奇异值向量时，（13)式取最大值，最优权矢量ω是OFDM信号对应的导向 矢量a0的直接估计，即ω 〇ca0。
6.根据权利要求1所述的联合正交投影与循环波束成型的测距仪脉冲干扰抑制方法， 其特征在于，所述的信道估计是采用频域LS估计和频域插值的方法获得。
【文档编号】H04L27/26GK104158777SQ201410432148
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月28日 优先权日:2014年8月28日
【发明者】刘海涛, 刘亚洲, 成玮, 张学军 申请人:中国民航大学