CN101034900B - 基于盲信号提取的民航地空通信干扰抑制方法及其系统 - Google Patents

Abstract

一种基于盲信号提取的民航地空通信干扰抑制方法及其系统，包括有以下步骤：将通过双天线阵列接收的两路甚高频信号转化为中频数字信号；对模数转换后的两路数字信号进行滤波抽取；对抽取滤波后的信号进行正交变换，将实信号变为复信号；对变换后的复信号进行判断，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；对受到干扰的复信号进行盲提取，并利用消减技术对已提取的信号进行对消；对步骤4或步骤5两者之一所输出的信号进行解调，再经低通滤波器滤除高频杂波。本发明无须使用任何参考信号，采用盲自适应信号处理方法即可消除严重影响电台接收性能的干扰。实用性强，能够抑制任意形式的干扰。也可用于其它通信系统中，提高接收性能。

Description

基于盲信号提取的民航地空通信干扰抑制方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种用于民航地空通信的双通道自适应干扰抑制方法。特别是涉及一种提高民航地空通信质量，保障飞行安全的基于盲信号提取的民航地空通信干扰抑制方法及其系统。

背景技术

民航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。

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，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。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，已严重影响我国民航的飞行安全。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。这些干扰非法占用了民航VHF通信频段，在频域上造成了对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；同时由于管制员要与来自不同方位的飞行员通话，故VHF电台的天线近似是无方向的，而且干扰源具有随机性和未知性，因此传统的自适应阵列信号处理技术在此难以应用。

在目前公布的干扰抑制方法中，专利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。北京航空航天大学科技园曾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设的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。但是，该系统只进行了频率优选和预指配，不能从本质上去除某一频率的干扰，而且不利于提高频点的利用率。而民航内话系统中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，以此产生一个控制信号，控制最优的那一路信号输出到管制员面板。该技术与上述的甚高频数据链的自动相关监视系统有异曲同工之效，都可以在一定程度上保障地空通信的正常进行，但是都不能从本质上去除干扰，并且都造成设备的严重浪费。

在缺乏传输信道、源信号特性、信号源个数等先验知识的前提下，盲信号信号提取可用来从一个传感器阵列或转换器的输出信号中自适应地逐个顺序分离或估计出源信号的波形。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种利用民航地空通信中信号的窄带特点将实际的卷积瞬时混合模型转简化为线性瞬时混合模型，利用基于线性瞬时混合模型的盲信号提取技术，实现对民航地空通信中的任意形式干扰的自适应抑制，提高通信质量的基于盲信号提取的民航地空通信干扰抑制方法及其系统。

本发明所采用的技术方案是：一种基于盲信号提取的民航地空通信干扰抑制方法及其系统，其中方法包括有以下步骤：

(1)将通过双天线阵列接收的两路甚高频信号转化为中频数字信号；

(2)对模数转换后的两路数字信号进行滤波抽取；

(3)对抽取滤波后的信号进行正交变换，将实信号变为复信号；

(4)对变换后的复信号进行判断，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；

(5)对受到干扰的复信号进行盲提取，并利用消减技术对已提取的信号进行对消；

(6)对步骤4或步骤5两者之一所输出的信号进行解调，再经低通滤波器滤除高频杂波。

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。

在所述的正交变换后将实信号变为复信号，在复数域将线性卷积混合模型转换为线性瞬时混合模型。

所述的对变换后的复信号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：输入两路数据x1′和x2′；计算两路数据的相关系数；判断是否大于阈值；大于阈值则进行解调；否则进入基于盲信号提取的自适应干扰抑制平台。

所述的对受到干扰的复信号进行信号的提取，并利用消减技术对已提取的信号进行对消，包括有将盲信号提取线性卷积混合模型简化为线性瞬时混合模型；对简化后的线性瞬时混合模型，采用盲信号提取方法对混合信号进行分离；将提取出的信号及任何一路混合信号送入消减单元，进行对消处理，得到另一信号。

本发明的基于盲信号提取的民航地空通信干扰抑制系统，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、数字下变频组及正交变换组；与正交变换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基于盲信号提取的自适应干扰抑制模块；对监视模块输出的无干扰信号和基于盲信号提取的自适应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、射频处理组、模/数转换组、数字下变频组，是由两路参数一致的天线，以及射频处理单元、模/数转换单元、数字下变频单元组成。

所述的射频处理组包括有两组依次相连的：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，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两天线，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。

本发明的基于盲信号提取的民航地空通信干扰抑制方法及其系统，充分考虑到地空通信系统中两个或两个以上干扰同时发生的情况极少，且系统本身信噪比较高的特点，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。首先，本发明无须使用任何参考信号，采用盲自适应信号处理方法即可对消严重影响电台接收性能的干扰；其次，本发明从干扰信号与有用地空通信信号的独立性出发对信号进行处理，能够抑制任意形式的干扰；另外，利用民航地空通信中信号的窄带特点将线性卷积混合模型转换为线性瞬时混合模型，有效地简化了盲信号信号处理的复杂度。本发明的方法实用性强、成本低。也可用于其它通信系统中，提高接收性能。

附图说明

图1是本发明的方法所用的基于盲信号提取的民航地空通信自适应干扰抑制系统的示意图；

图2是本发明方法中所使用的射频处理组构成框图；

图3是正交变换模块结构示意图；

图4是监视模块流程图；

图5是盲信号提取模块结构示意图；

图6a是原语音信号波形图；

图6b是经自适应干扰抑制后解调的语音信号波形图；

图6c、6d是两路受干扰信号直接解调的语音信号波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的基于盲信号提取的民航地空通信干扰抑制方法及其系统给予详细说明。

本发明的基于盲信号提取的民航地空通信干扰抑制方法，是利用图1所示的基于盲信号提取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，具体步骤如下：

第一步，将通过双天线阵列接收的两路甚高频信号转化为中频数字信号。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)组成的射频处理组，无线电信号通过射频处理组后转化为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，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。

第二步，对模数转换后的两路数字信号进行滤波抽取。通过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，本实施例中降到200KSps，目的是提高实时性和降低后续信号处理的运算量。

第三步，对抽取滤波后的信号进行正交变换，将实信号变为复信号。对两路数字中频信号进行正交变换，正交变换后将实信号变为复信号，在复数域将线性卷积混合模型转换为线性瞬时混合模型。

第四步，对变换后的复信号进行判断，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如图4所示的监视系统，主要实现对信号是否受到干扰进行判断。

所述信号源个数判断模块利用两路信号的相关系数进行判断，其计算公式为：

${\mathrm{\ρ}}_{x_1^{\′},x_2^{\′}}=\left|\frac{E\{x_1^{\′}\left(k\right)\·{\left(x_2^{\′}\left(k\right)\right)}^{*}\}}{\sqrt{E\left\{\right|x_1^{\′}\left(k\right){|}^2\}\·E\{\left|x_2^{\′}\left(k\right){|}^2\right\}}}\right|---\left(1\right)$

其中ρ_{x1′，x2′}为两路信号x_1′和x_2′的相关系数，()^*表示共轭运算，E()表示统计期望值。

当计算出的相关系数小于设定的阈值时认为有干扰，将信号送入基于盲信号提取的自适应干扰抑制模块；大于该阈值时认为信号没有受到干扰，将信号直接送入解调器。实际中阈值设为一接近于1的数，本实施例中设为0.9901。

第五步，对受到干扰的复信号进行信号的提取，并利用消减技术对已提取的信号进行对消。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4中所示的自适应干扰抑制平台，利用本发明的自适应干扰抑制方法利用，提高信干比。具体包括有信号提取单元和消减单元。

阵列天线1a和1b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。

假设阵元1a为零时延参考阵元，那么阵元1a、1b接收到信号的复数形式分别为：

$x_1\left(t\right)=a_1{\tilde{s}}_1\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}(f_0+f_{d1}\left(t\right))t}+a_2{\tilde{s}}_2\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{0}t}+n_1\left(t\right)---\left(2\right)$

$x_2\left(t\right)=a_1{\tilde{s}}_1(t-{\mathrm{\τ}}_1)e^{-j2\mathrm{\π}(f_0+f_{d2}(t-\mathrm{\τ}))(t-{\mathrm{\τ}}_1)}+a_2{\tilde{s}}_2(t-{\mathrm{\τ}}_2)e^{-j2\mathrm{\π}{f}_0(t-{\mathrm{\τ}}_2)}+n_2\left(t\right)---\left(3\right)$

其中

和

分别是有用和干扰信号的基带信号。f₀为载波频率。a₁∶a₂代表两个源信号的振幅混合比例。f_d1(t)和f_d2(t)为飞机对两个阵元的多谱勒频移，τ₁和τ₂是阵元1a、1b对两信源的时延。n₁(t)和n₂(t)是接收信道噪声。

但由于在民航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，此时信号达到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f_d(t)＝f_d。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。则阵元1a、1b接收到信号的复数形式为：

x(t)＝As(t)                                        (4)

式中 $x\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{x}_1\left(t\right)\\ x_2\left(t\right)\end{array}\right]$ 为观测信号向量， $s\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{\tilde{s}}_1\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}(f_0+f_d)t}\\ {\tilde{s}}_2\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{0}t}\end{array}\right],$ 和

分别是有用和干扰信号的基带信号， $A=\left[\begin{array}{cc}{a}_1& a_2\\ a_1{e}^{j2\mathrm{\π}(f_0+f_d){\mathrm{\τ}}_1}& a_2{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_0{\mathrm{\τ}}_2}\end{array}\right]$ 为混合矩阵。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盲信号处理中的线性瞬时混合模型。

下面，基于简化后的线性瞬时混合模型，采用盲信号提取方法对复中频数字混合信号进行分离。为使在分离过程中满足正交约束，在分离前对观测信号预白化：

$\tilde{x}\left(k\right)=Q{x}^{\′}\left(k\right)---\left(5\right)$

Q∈R^2×2为白化矩阵，使得 $R_{\tilde{X}}=E\left\{\tilde{x}{\tilde{x}}^T\right\}=I,$ 从而降低混合矩阵估计的自由度，同时也降低了源信号的估计难度。白化的常用方法是使用相关矩阵特征值分解，R_x′＝E{x′x′^T}＝EDE^T，其中：E是相关阵特征矢量的正交矩阵，D是相关阵R_x′特征值组成的对角阵。此时白化后的输出为： $\tilde{x}=Q{x}^{\′}=E{D}^{-1/2}{E}^T{x}^{\′}.$

所述提取单元采用基于随机梯度的MKMA(Modified Kurtosis Maximization Algorithm)对权值进行更新，其迭代公式为：

w(k+1)＝w(k)+μ(k)

_wJ_MKMA(w)                                   (6)

式中：

${\▿}_w{J}_{\mathrm{MKMA}}\left(w\right)=-\frac{\mathrm{sgn}\left(\mathrm{CU}{M}_4\right[y_1\left]\right)}{E\left\{\right|y_1{|}^2\left\}\right|\mathrm{CU}{M}_4\left[y_1\right]|}\×$

$\left[E\right\{\tilde{x}{y}_1^{*}\left\}\right[E\left\{\right|y_1{|}^4\}-|E\left\{y_1^2\right\}{|}^2]-E\{\left|y_1^2\right|\left\}E\right\{\left|y_1{|}^2\tilde{x}{y}_1^{*}\right\}+E\left\{\right|y_1^2\left|\right\}E\left\{y_1^{*2}\right\}E\left\{y_1\tilde{x}\right]---\left(7\right)$

其中μ(k)为自适应步长，CUM₄表示复数信号的四阶累积量， $y_1\left(k\right)=w^H\left(k\right)\tilde{x}\left(k\right)$ 为提取单元的输出。

将提取出的信号y₁及任何一路混合信号送入消减单元，进行对消处理，得到另一信号。所述消减单元采用基于如下的能量代价函数：

$J\left({\tilde{w}}_1\right)=E\left\{\mathrm{\ρ}\left(y_2\right)\right\}=\frac{1}{2}E\left\{{\left|y_2\right|}^2\right\}---\left(8\right)$

利用随机梯度法可以得到更新公式为：

$\tilde{w}(k+1)=\tilde{w}\left(k\right)+u_2\left(k\right)y_1^{*}({\tilde{x}}_1\left(k\right)-\tilde{w}{y}_1\left(k\right))---\left(9\right)$

则得到消减的输出为：

$y_2\left(k\right)={\tilde{x}}_1\left(k\right)-\tilde{w}\left(k\right)y_1\left(k\right)---\left(10\right)$

第六步，对步骤4或步骤5两者之一所输出的信号进行解调，再经低通滤波器滤除高频杂波。对自适应干扰抑制模块输出的数字中频信号进行解调(包检)，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6a、6b、6c、6d给出了有无干扰抑制处理的效果对比图。其中，图6a为原语音信号波形图，图6b为经自适应干扰抑制后解调的语音信号波形图，而图6c、6d为两路混合信号直接解调的语音信号波形图，可见图6b与图6c、6d相比更接近原语音信号波形图，表明本方法非常有效，适合于实际应用。

如图1所示，本发明的基于盲信号提取的民航地空通信干扰抑制系统，包括有接收信号的双天线阵列1a、1b；对双天线阵列1a、1b所接收的信号进行信号处理且依次相连的射频处理组2、A/D(模/数)转换组3、数字下变频组4及正交变换组5；与正交变换组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基于盲信号提取的自适应干扰抑制模块7；对监视模块6输出的无干扰信号和基于盲信号提取的自适应干扰抑制模块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D/A(数/模)转换器9和与D/A转换器9相连的音频输出10。

上述的双天线阵列1a、1b、射频处理组2、A/D转换组3、数字下变频组4分别由两路参数一致的天线、射频处理单元、A/D转换单元、数字下变频单元组成。它们的构成及作用分别为：射频处理单元采用通用的超外差接收方式，将甚高频接收信号转化成固定中频信号；所述的A/D转换器采用通常的模数转换器，将模拟信号转为数字信号；所述的数字下变频组采用常见的数字抽取技术，将高速的数据流转成低速的数据流。它们都可以采用任何已有的或新的设计结构和器件实现。所述正交变换组分别实现两路信号的正交变换。

如图2所示，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、BPF(带通滤波)放大电路12、一级混频电路13、BPF放大电路14、二级混频电路15、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电路11分别连接天线1a和天线1b，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。

Claims (8)

1.一种基于盲信号提取的民航地空通信干扰抑制方法，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转化为中频数字信号；

(2)对模数转换后的两路数字信号进行滤波抽取；

(3)对抽取滤波后的信号进行正交变换，将实信号变为复信号；

(4)对变换后的复信号进行判断，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；

(5)对受到干扰的复信号进行盲提取，并利用消减技术对已提取的信号进行对消；

(6)对步骤4或步骤5两者之一所输出的信号进行解调，再经低通滤波器滤除高频杂波。

2.根据权利要求1所述的基于盲信号提取的民航地空通信干扰抑制方法，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所述的基于盲信号提取的民航地空通信干扰抑制方法，其特征在于，在所述的正交变换后将实信号变为复信号，在复数域将线性卷积混合模型转换为线性瞬时混合模型。

4.根据权利要求1所述的基于盲信号提取的民航地空通信干扰抑制方法，其特征在于，所述的对变换后的复信号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：输入两路数据x1′和x2′；计算两路数据的相关系数；判断是否大于阈值；大于阈值则进行D/A转换；否则进入基于盲信号提取的自适应干扰抑制平台。

5.根据权利要求1所述的基于盲信号提取的民航地空通信干扰抑制方法，其特征在于，所述的对受到干扰的复信号进行信号的提取，并利用消减技术对已提取的信号进行对消，包括有将盲信号提取线性卷积混合模型简化为线性瞬时混合模型；对简化后的线性瞬时混合模型，采用盲信号提取方法对混合信号进行分离；将提取出的信号及任何一路混合信号送入消减单元，进行对消处理，得到另一信号。

6.一种基于盲信号提取的民航地空通信干扰抑制系统，其特征在于，包括有接收信号的双天线阵列(1a、1b)；对双天线阵列(1a、1b)所接收的信号进行信号处理且依次相连的射频处理组(2)、模/数转换组(3)、数字下变频组(4)及正交变换组(5)；与正交变换组(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基于盲信号提取的自适应干扰抑制模块(7)；对监视模块(6)输出的无干扰信号和基于盲信号提取的自适应干扰抑制模块(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所述的基于盲信号提取的民航地空通信干扰抑制系统，其特征在于，所述的双天线阵列(1a、1b)、射频处理组(2)、模/数转换组(3)、数字下变频组(4)，是由两路参数一致的天线，以及射频处理单元、模/数转换单元、数字下变频单元组成。

8.根据权利要求6或7所述的基于盲信号提取的民航地空通信干扰抑制系统，其特征在于，所述的射频处理组(2)包括有两组依次相连的：低噪声放大器(11)、带通滤波放大电路(12)、一级混频电路(13)、带通滤波放大电路(14)、二级混频电路(15)、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)、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电路(11)分别连接天线(1a)和天线(1b)，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)。

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