CN103560991A - 适用于正交频分复用接收机抑制测距仪脉冲干扰的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于正交频分复用接收机抑制测距仪脉冲干扰的方法，属于脉冲干扰抑制技术领域。所述方法通过过采样，对过采样数据进行预处理，采用基于压缩感知的干扰重构方法，得到64路干扰信号，最后将干扰信号从接收信号中消除，得到的期望信号作为接收机干扰消除模块的输出。本发明利用正交匹配跟踪算法，运算速度快，程序上易于实现，能够满足实时处理干扰信号的要求；本发明通过迭代寻找最优化测量矩阵，重构干扰信号概率高，能有效消除干扰；本发明采取的压缩感知算法立足于信号的稀疏度自适应变化，贴合实际测距仪DME信号发生特点，重构成功率高。

Description

适用于正交频分复用接收机抑制测距仪脉冲干扰的方法

技术领域

本发明涉及一种脉冲干扰抑制方法，具体是指一种适用于正交频分复用接收机的中等强度测距仪脉冲干扰的抑制方法。

背景技术

近几年空中交通量激增，航空通信在提高数据传输速率、提升频谱利用率、增大航空通信网容量等方面面临新的挑战和要求。然而在过去70年里被广泛应用的VHF频段（118-136MHZ）已趋于饱和，设计并应用新一代航空通信系统迫在眉睫。2007年由国际电信联盟（ITU）组织的世界无线电通信会议通过了分配部分用于航空无线电导航服务的L波段的频率（960MHz～1164MHz）给新一代航空通信系统使用的决定。这个新一代数字空地航空通信系统就是L-DACS（L-Digital Aeronautical Communication System）。L-DACS分为两套独立的系统L-DACS1和L-DACS2，两个系统采用不同的通信技术，由现有的通信系统演化而来。

L-DACS1系统工作在L波段(960MHz-1164MHz)上，但是这一频段主要被导航测距仪（测距仪，Distance Measure Equipment）系统占用着。测距仪系统在民航设备中起着重要作用，主要用来测量飞机与地面测距信标台之间的斜距。为了在不开辟新频段，节省频段资源的情况下传输信号，L-DACS1采用了频段非连续内插技术。这是因为L-DACS1自身频段带宽为625kHz，而相邻测距仪信号频段之间有大约1MHz的空间，因此可以把L-DACS1系统的工作频谱段内插在相邻测距仪信号的频道空隙中。

但是测距仪信号的旁瓣能量仍然可以对L-DACS1系统信号产生干扰，所以需要研究抑制干扰信号的有效办法以使得新一代航空宽带通信系统能够顺利、安全地部署在飞行器上，满足对数据传输率和航空通信网容量的要求。

发明内容

本发明提供一种适用于正交频分复用接收机抑制中等强度测距仪脉冲干扰的方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一：过采样；

以4倍于L-DACS1系统采样频率的频率进行采样，经过过采样，接收机收到的包含期望信号的接收信号X[k]时域表示如下：

$X=x_d+n+S_I=\underset{k=0}{\overset{{\mathrm{VN}}_{\mathrm{fft}}-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left[k\right]=\underset{k=0}{\overset{V{N}_{\mathrm{fft}}-1}{\mathrm{\Σ}}}{x}_d\left[k\right]+n\left[k\right]+s_I\left[k\right]$

其中，V为过采样因子，V＝4；N_fft为L-DACS1系统中正交频分复用系统的FFT长度，N_fft＝64，所述的期望信号即OFDM系统信号X_d、可加高斯白噪声信号n和测距仪DME干扰信号s_I；

步骤二：对64路经过过采样的接收信号进行预处理，包括以下步骤：

A1、对接收信号X的某采样值x[k]进行阈值判断，阈值选择为μ*x[k]，μ∈(0，0.6)，将大于此阈值的接收信号幅值设置为0，得到削峰后的接收信号x1[k]：

$x1\left[k\right]=\left\{\begin{array}{cc}x\left[k\right],& x\left[k\right]<\mathrm{\&mu;}*x\left[k\right]\\ 0,& x\left[k\right]>\mathrm{\&mu;}*x\left[k\right]\end{array}\right.$

A2、对各列正交的正态高斯随机矩阵进行优化，优化方式如下：

第j次迭代时,j∈(1，2,...，200)，首先利用下面的公式按列将测量矩阵的每一列单位化：

其中

表示第j次迭代中，测量矩阵Φ的第n列；

每列单位化结束后，计算得到优化测量矩阵Φ^j+1：

Φ^j+1＝Φ^j-0.01Φ^j(Φ^jTΦ^j-1)

其中，Φ^j表示第j次迭代得到测量矩阵；

A3、分块：使用分块向量G∈R^N处理待处理信号x_I及优化后的测量矩阵，得到具有块结构的信号x′_I及最优测量矩阵Φ`，所述分块向量G如下：

G＝[1,...，1，2,..，2,..，m,...，m]T

得到：

x^T[1]......x^Tm]分别表示待处理信号的第1、……m子块，m为子块的个数；

其中，Φ[1]……Φ[m]表示测量矩阵的第1、………m子块，m为子块的个数；

A4、使用分块后的最优测量矩阵Φ`对具有块结构的信号x′_I[k]进行压缩采样，得到：

$y=\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&Phi;}}^{`}\left[k\right]{x^{`}}_I\left[k\right]$

其中，L为分块后的测量矩阵、分块后的待处理信号矩阵中块结构数量的和；

步骤三：将步骤二经预处理后的64路信号采用基于压缩感知的干扰重构方法，得到64路干扰信号；

步骤四、将步骤三经过压缩感知方法得到的64路干扰信号从接收信号中消除，得到的期望信号x_d作为接收机干扰消除模块的输出，输入到FFT模块中以进一步处理：

x_d＝X-S_I。

本发明的优点在于：

1、本发明利用正交匹配跟踪算法，运算速度快，程序上易于实现，能够满足实时处理干扰信号的要求。

2、本发明通过迭代寻找最优化测量矩阵，重构干扰信号概率高，能有效消除干扰。

3、本发明采取的压缩感知算法立足于信号的稀疏度自适应变化，贴合实际测距仪DME信号发生特点，重构成功率高。

附图说明

图1为本发明提供的抑制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明针对L-DACS1系统，提供一种适用于正交频分复用接收机抑制中等强度测距仪脉冲干扰的方法，首先介绍如下几个概念与定义：

1、L-DACS1(L-Digital Aeronautical Communication System1)使用正交频分复用调制技术(正交频分复用系统)。L-DACS1系统由航空宽带多载波通信系统(B-AMC，由宽带甚高频通信系统B-VHF演进)、美国通信工业协会902标准(TIA-902)和全球微波互联接入／无线局域网(IEEE902.16e)演进而来，最终采用正交频分复用系统调制技术进行多载波通信。其中，一个正交频分复用系统信号包括N_fft＝64个相互正交的子载波信号，其等效复数基带信号s(t)表示为： $s\left(t\right)={\mathrm{\&Sigma;}}_{i=-\&infin;}^{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}_{k=0}^{N_{\mathrm{fft}}-1}{d}_i\mathrm{rect}(t-\mathrm{iT})\exp \left[j2\mathrm{\&pi;}(f_c+\frac{k}{T})(t-\mathrm{iT})\right]$

上式中，N_fft＝64为系统子载波数量，d_i为第i个子载波信道的数据符号表示，rect(t)＝1，|t|≤T／2，j为复数单位，f_c为第0个子载波的频率，T为正交频分复用系统的符号周期。

2、L-DACS1系统参数：

3、测距仪信号特点：

测距仪系统工作在962～1213MHz频段内，测距仪系统信道安排为X和Y两种信道，其中X信道126个，Y信道126个。测距仪的机载询问器和地面应答器发射的信号都是射频脉冲对。射频脉冲对的包络为钟形脉冲，脉冲宽度为3.5lμs。对于X信道，脉冲间隔为12μs；对于Y信道，脉冲间隔为36lμs。测距仪脉冲对信号p(t)表示为：

$p\left(t\right)=e^{-a{t}^2/2}+e^{-a{(t-\mathrm{\&Delta;t})}^2/2}$

其中，a＝4.5×10¹¹1／s²，为脉冲形状参数；Δt＝12μs或36μs，表示脉冲间隔，是上一脉冲与下一脉冲的时间(t)间隔。

为了产生与正交频分复用系统密切相关的测距仪脉冲干扰信号，特将测距仪射频脉冲对载波频率调制到偏离正交频分复用系统带宽内各载波频率±500kHz上。则脉冲干扰信号i(T)表示为：

其中，N_I，N_L,i分别表示干扰源及每个干扰源的射频脉冲对数目；p(t)为测距仪射频脉冲对信号函数；f_c,i代表每个干扰源的相对中心频率；P_i,l、t_i,l、

表示每个射频脉冲对的功率、起始时间和相位，t表示时间。

4、压缩感知理论证明，当信号具有稀疏性或可压缩性时，通过采集少量的信号投影值就可以实现信号的准确或近似重构。

5、块-稀疏性：若长度为N的信号向量x满足：

满足||x||_2,0≤K，则称信号x满足稀疏度为K的块-稀疏性。

其中，信号向量x视作为向量子块的集合，x[1]……x[M]为以d为单位对向量x进行平均分块得到的各子块。 $N=\mathrm{Md};{\left|\right|x\left|\right|}_{\mathrm{2,0}}={\mathrm{\&Sigma;}}_{l=0}^{M}I({\left|\right|x\left[l\right]\left|\right|}_2>0).$

因此测距仪射频脉冲对信号具有块-稀疏性。

本发明提供的抑制方法结合附图1所述流程，具体包括如下步骤：

步骤一：过采样；

由于测距仪DME信号的带宽大于正交频分复用系统信号的带宽，使用奈奎斯特采样频率采样会引起干扰信号周期性地与正交频分复用系统信号发生混叠，因此采用过采样——即以4倍于L-DACS1系统采样频率的频率进行采样。所述的L-DACS1系统采样频率为625kHz。

因此，经过过采样，接收机收到的包含期望信号的接收信号X[k]时域表示如下：

$X=x_d+n+S_I=\underset{k=0}{\overset{{\mathrm{VN}}_{\mathrm{fft}}-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}x\left[k\right]=\underset{k=0}{\overset{V{N}_{\mathrm{fft}}-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_d\left[k\right]+n\left[k\right]+s_I\left[k\right]$

其中，V为过采样因子，V＝4；N_fft为L-DACS1系统中正交频分复用系统的FFT长度，N_fft＝64。所述的期望信号即OFDM系统信号x_d、可加高斯白噪声信号n和测距仪DME干扰信号s_I。

步骤二：对64路经过过采样的接收信号进行预处理，包括以下步骤：

A1、对接收信号X的某采样值x[k]进行阈值判断，阈值选择为μ*x[k]，μ∈(0，0.6)。将大于此阈值的接收信号幅值设置为0，得到削峰后的接收信号x1[k]。

$x1\left[k\right]=\left\{\begin{array}{cc}x\left[k\right],& x\left[k\right]<\mathrm{\&mu;}*x\left[k\right]\\ 0,& x\left[k\right]>\mathrm{\&mu;}*x\left[k\right]\end{array}\right.$

A2、对各列正交的正态高斯随机矩阵进行优化。优化方式如下：

第j次迭代时,j∈(1，2,...，200)首先利用下面的公式按列将测量矩阵的每一列单位化：

其中

表示第j次迭代中，测量矩阵Φ的第n列。

每列单位化结束后，计算得到优化测量矩阵Φ^j+1：

Φ^j+1＝Φ^j-0.01Φ^j(Φ^jTΦ^j-1)

其中，Φ^j表示第j次迭代得到测量矩阵。

A3、分块阶段：使用分块向量G∈R^N(分块大小d＝8，且满足N＝VN^fft＝md，m＝32)处理待处理信号 $x_I(x_I={\mathrm{\&Sigma;}}_{k=0}^{V{N}_{\mathrm{fft}}-1}{x}_I[k]={\mathrm{\&Sigma;}}_{k=0}^{V{N}_{\mathrm{fft}}-1}x[k]-x1[k\left]\right)$ 及优化后的测量矩阵，得到具有块结构的信号x′_I及最优测量矩阵Φ`。所述分块向量G如下：

G＝[1,...，1，2,..，2,..,m,...，m]^T

得到：

x^T[1]......x^T[m]分别表示待处理信号的第1、……m子块，m为子块的个数。

其中，Φ[1]……Φ[m]表示测量矩阵的第1、………m子块，m为子块的个数。

A4、使用分块后的最优测量矩阵Φ`对具有块结构的信号x′_I[k]进行压缩采样，得到：

$y=\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&Phi;}}^{`}\left[k\right]{x^{`}}_I\left[k\right]$

其中，L为分块后的测量矩阵、分块后的待处理信号矩阵中块结构数量的和。

步骤三：将步骤二经预处理后的64路信号采用基于压缩感知的干扰重构方法，得到64路干扰信号，包括以下步骤：

B1、初始化干扰消除方法参数：

在本实施实例中，信号x′_I的块-稀疏度初始化为K＝2，设置算法迭代误差δ＝10^-4，初始残差值r₀＝y，步长step＝1；信号支撑块I素示信号矩阵中其欧几里德范数不为零的块的索引值的集合，其中的元素为最优支撑矩阵对应于优化测量矩阵的块索引值集合，其初始值

大小B＝K，初始最优支撑测量矩阵

重构干扰信号向量

B2、确定最优测量矩阵：

B2.1、计算信号支撑块I：

第l次迭代时(l∈{1，2,...，B})，B为支撑块I_l的大小。

将测量矩阵的每一块与残差进行内积操作，选择Φ中与第l次的迭代残差r_l-1相关性最大的某块的索引值i_l，具体操作为：

$i_l=\arg \underset{B}{\max }\left(\mathrm{morm}\left(\right|{\mathrm{\&Phi;}}^T\left[i\right]r_{l-1}\left|\right)\right)$

即，在进行内积操作后，取其欧几里德范数，最后选择最大值的标号赋值给i_l，这里的索引值对应分块向量G中的分组号(1，2,...，m)；

将选择得到的索引值并入到上一次迭代结束后得到的信号支撑块中；

I_l＝I_l-1∪i_l

其中，I_l是第l次迭代得到的信号支撑块；

B2.2、更新最优测量矩阵，将信号支撑块对应的测量矩阵中的某块并入到上一次迭代结束后得到的最优测量矩阵V_l中：

$V_l=[V_{l-1},{\mathrm{\&Phi;}}_{I_l}];$

其中，V_l表示第l次迭代得到的测量矩阵。

为测量矩阵Φ′中对应信号支撑块I_l中各索引值的列向量组成的矩阵块，I_l是第1次迭代得到的信号支撑块。

B3、通过最小二乘计算干扰信号估计值

${\hat{s}}_I=\arg \underset{{\hat{s}}_I\left[i\right],\&Element;I_l}{\min }\left|\right|y-\underset{i\&Element;I_l}{\mathrm{\&Sigma;}}{V}_l\left[i\right]s_I\left[i\right]\left|\right|$

得：

其中，

为

的伪逆，

为由I_l对应的测量矩阵Φ′块中包含的列向量组成的矩阵。

B4、判断循环条件：

计算残差：

$r_l=y-{\mathrm{\&Phi;}}_{I_l}\left({\mathrm{\&Phi;}}_{I_l}^{+}y\right)$

其中，r_l为第l次迭代得到的残差。若||r_l||₂≥||r_l-1||₂，则更新步长及信号支撑块大小：step＝step+1；B＝step×B，返回步骤B2；否则直接返回步骤B2。

B5、判断迭代结束条件：当迭代次数大于分组数m或者残差r小于迭代误差δ时，迭代结束。输出重构干扰信号向量S_I：

其中

I表示迭代结束后得到的信号支撑块。S_z表示在不属于信号支撑块的m个子块中剩余的块包含的列的位置上值为零元素的集合。

若不满足此条件，返回步骤B2。

步骤四、将步骤三经过压缩感知方法得到的64路干扰信号从接收信号中消除，具体步骤如下；

测距仪脉冲干扰消除阶段，从原始信号中分离出测距仪干扰信号

得到的期望信号x_d作为接收机干扰消除模块的输出，输入到FFT模块中以进一步处理。

x_d＝X-S_I。

Claims (4)

1.适用于正交频分复用接收机抑制测距仪脉冲干扰的方法，其特征在于：

步骤一：过采样；

以4倍于L-DACS1系统采样频率的频率进行采样，经过过采样，接收机收到的包含期望信号的接收信号时域表示如下：

$X=x_d+n+S_I=\underset{k=0}{\overset{{\mathrm{VN}}_{\mathrm{fft}}-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}x\left[k\right]=\underset{k=0}{\overset{V{N}_{\mathrm{fft}}-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_d\left[k\right]+n\left[k\right]+s_I\left[k\right]$

其中，V为过采样因子，；为L-DACS1系统中正交频分复用系统的FFT长度，N_fft=64，所述的期望信号即OFDM系统信号x_d、可加高斯白噪声信号n和测距仪DME干扰信号S_I；

步骤二：对64路经过过采样的接收信号进行预处理，包括以下步骤：

A1、对接收信号X的某采样值x[k]进行阈值判断，阈值选择为μ*x[k]，μ∈(0,0.6)，将大于此阈值的接收信号幅值设置为0，得到削峰后的接收信号x1[k]：

$x1\left[k\right]=\left\{\begin{array}{cc}x\left[k\right],& x\left[k\right]<\mathrm{\&mu;}*x\left[k\right]\\ 0,& x\left[k\right]>\mathrm{\&mu;}*x\left[k\right]\end{array}\right.$

A2、对各列正交的正态高斯随机矩阵进行优化，优化方式如下：

第j次迭代时,j∈(1,2...,200)，首先利用下面的公式按列将测量矩阵的每一列单位化：

其中

表示第j次迭代中，测量矩阵φ的第n列；

每列单位化结束后，计算得到优化测量矩阵φ_j+1：

φ^j+1=φ^j-0.01φ^j(φ^jTφ^j-1)

其中，φ^j表示第j次迭代得到测量矩阵；

A3、分块：使用分块向量G∈R^N处理待处理信号x_I及优化后的测量矩阵，得到具有块结构的信号x'_I及最优测量矩阵Φ`，所述分块向量G如下：

G=[1,…,1,2,..,2,..,m,…,m]^T

得到：

x^T[1]......x^T[m]分别表示待处理信号的第1、……m子块，m为子块的个数；

其中,φ[1]......φ[m]表示测量矩阵的第1、………m子块，m为子块的个数；

A4、使用分块后的最优测量矩阵Φ`对具有块结构的信号x'_I[k]进行压缩采样，得到：

$y=\underset{k=1}{\overset{L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&Phi;}}^{`}\left[k\right]{x^{`}}_I\left[k\right]$

其中，L为分块后的测量矩阵、分块后的待处理信号矩阵中块结构数量的和；

步骤三：将步骤二经预处理后的64路信号采用基于压缩感知的干扰重构方法，得到64路干扰信号；

步骤四、将步骤三经过压缩感知方法得到的64路干扰信号从接收信号中消除，得到的期望信号x_d作为接收机干扰消除模块的输出，输入到FFT模块中以进一步处理：

x_d=X-S_I。

2.根据权利要求1所述的适用于正交频分复用接收机抑制测距仪脉冲干扰的方法，其特征在于：所述分块向量的块大小d=8，且满足N=VN_fft=md，m=32。

3.根据权利要求1所述的适用于正交频分复用接收机抑制测距仪脉冲干扰的方法，其特征在于：所述的步骤三具体包括以下步骤：

B1、初始化干扰消除方法参数：

信号x'_I的块-稀疏度初始化为K=2，设置算法迭代误差δ=10^-4，初始残差值r₀=y,步长step=1：信号支撑块I表示信号矩阵中其欧几里德范数不为零的块的索引值的集合，其中的元素为最优支撑矩阵对应于优化测量矩阵的块索引值集合，其初始值

大小B=K,初始最优支撑测量矩阵

重构干扰信号向量

B2、确定最优测量矩阵：

B3、通过最小二乘计算干扰信号估计值

${\hat{s}}_I=\arg \underset{{\hat{s}}_I\left[i\right],\&Element;I_l}{\min }\left|\right|y-\underset{i\&Element;I_l}{\mathrm{\&Sigma;}}{V}_l\left[i\right]s_I\left[i\right]\left|\right|$

得： ${{\hat{s}}_I=\mathrm{\&Phi;}}_{I_l}^{+}y$

其中，

为

的伪逆，

为由I_l对应的测量矩阵φ'块中包含的列向量组成的矩阵；

B4、判断循环条件：

计算残差：

$r_l=y-{\mathrm{\&Phi;}}_{I_l}\left({\mathrm{\&Phi;}}_{I_l}^{+}y\right)$

其中，r_l为第次迭代得到的残差；若

则更新步长及信号支撑块大小:step=step+1;B=step×B，返回步骤B2；否则直接返回步骤B2；

B5、判断迭代结束条件：当迭代次数大于分组数m或者残差r小于迭代误差δ时，迭代结束，输出重构干扰信号向量S_I:

其中

I表示迭代结束后得到的信号支撑块，S_z表示在不属于信号支撑块的个子块中剩余的块包含的列的位置上值为零元素的集合，

若不满足此条件，返回步骤B2。

4.根据权利要求3所述的适用于正交频分复用接收机抑制测距仪脉冲干扰的方法，其特征在于：步骤B2中的确定最优测量矩阵，具体为：

B2.1、计算信号支撑块I:

第次迭代时(l∈{1,2,…,B}),B为支撑块I_l的大小；

将测量矩阵的每一块与残差进行内积操作，选择Φ中与第l次的迭代残差r_l-1相关性最大的某块的索引值i_l,具体操作为:

$i_l=\arg \underset{B}{\max }\left(\mathrm{morm}\left(\right|{\mathrm{\&Phi;}}^T\left[i\right]r_{l-1}\left|\right)\right)$

即，在进行内积操作后,取其欧几里德范数，最后选择最大值的标号赋值给i_l,这里的索引值对应分块向量G中的分组号(1,2,…,m);

将选择得到的索引值并入到上一次迭代结束后得到的信号支撑块中；

I_l=I_l-1∪i_l

其中，I_l是第l次迭代得到的信号支撑块；

B2.2、更新最优测量矩阵，将信号支撑块对应的测量矩阵中的某块并入到上一次迭代结束后得到的最优测量矩阵V_l中：

$V_l=[V_{l-1},{\mathrm{\&Phi;}}_{I_l}];$

其中，V_l表示第l次迭代得到的测量矩阵，

为测量矩阵φ'中对应信号支撑块I_l中各索引值的列向量组成的矩阵块，I_l是第l次迭代得到的信号支撑块。

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