CN105515711B - 联合压缩感知与接收分集的测距仪干扰抑制系统 - Google Patents
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Abstract
一种联合压缩感知与接收分集的测距仪干扰抑制系统，包括有依次串连连接的均衡器、下采样器、解映射器和解调器，还设置有接收同一信号的R个接收支路，连接在R个接收支路的输出端用于将R个接收支路输出信号进行合并的最大比值合并器，其中，所述的R为大于1的整数，所述最大比值合并器的输出端连接所述均衡器的输入端，所述解调器的输出端为系统的输出端。本发明的联合压缩感知与接收分集的测距仪干扰抑制系统，在L频段航空通信系统反向链路中可有效抑制测距仪脉冲信号对正交频分复用接收机的干扰，显著提高L频段数字航空通信系统反向链路传输可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种L频段数字航空通信系统反向链路传输方法。特别是涉及一种能够显著提高L频段数字航空通信系统反向链路传输可靠性的联合压缩感知与接收分集的测距仪干扰抑制系统。
背景技术
民航宽带航空数据链用于提供民航飞机与地面基站间高速的话音与数据通信服务，宽带航空数据链是民航航空电信网的重要组成部分，也是民航未来空中交通管理系统的重要基础设施之一。国际民航组织在2004年提出了一种地空数据链候选技术方案：L频段数字航空通信系统，该系统采用多载波正交频分复用传输方案，具有频谱利用率高、抗多径能力强、传输容量大等优势。与此同时，为解决L波段频率资源匮乏的问题，2007年世界无线电大会批准L频段数字航空通信系统以内嵌方式部署在导航测距仪频道间，由于测距仪信号与L频段数字航空通信信号的频谱存在部分重叠，且测距仪信号发射机以高功率、突发脉冲方式工作，因此针对L波段航空通信系统反向链路中测距仪脉冲信号干扰正交频分复用接收机的问题，开展L频段数字航空通信系统正交频分复用接收机测距仪脉冲干扰抑制的方法研究具有重要意义。
L波段数字航空通信系统接收机脉冲干扰消除的方法主要包括四种：脉冲熄灭方法、脉冲限幅方法、迭代子载波干扰重构与消除方法、基于压缩感知的测距仪脉冲干扰抑制方法。
脉冲熄灭方法由德宇航提出来的，其基本思想是：首先接收机设定一个熄灭门限，然后将高于熄灭门限的信号样值设置为零，低于熄灭门限的信号样值保持不变，从而消除高强度的脉冲干扰的影响。
脉冲限幅方法由德宇航提出来的，其基本思想是：首先接收机设定一个限幅门限，然后将高于限幅门限的信号样值设置为门限值，低于限幅门限的信号样值保持不变，从而消除高强度的脉冲干扰的影响，且相对于脉冲熄灭方法不会把有用信号置零。
迭代子载波干扰重构与消除方法是由德宇航提出来的，其基本思想是：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，最后对脉冲熄灭产生的子载波间干扰进行补偿，从而降低脉冲熄灭法产生子载波间干扰的影响，提高链路传输的可靠性。
压缩感知脉冲干扰消除方法是由南加州大学的学者首次提出，其基本思想是：利用随机脉冲干扰时域的稀疏性，采用凸优化的方法进行压缩感知脉冲干扰重构并消除。
脉冲熄灭方法与脉冲限幅方法虽然可以直接且方便的消除脉冲干扰，但在实际应用中，该方法存在以下两个方面的问题：第一是脉冲干扰信号门限不易确定，由于正交频分复用信号自身峰均比较高，接收机通常不易确定脉冲熄灭门限，这将导致接收机性能降低。第二个问题是接收机采用脉冲熄灭或者限幅之后，正交频分复用接收机产生子载波间干扰,最终也将导致接收机性能的恶化。
迭代子载波干扰重构与消除方法通过重构子载波间干扰提高链路传输的可靠性。但该方法依然存在两个方面的问题，第一脉冲熄灭门限不易确定，第二迭代子载波间干扰重构及补偿的运算复杂度较高。
压缩感知的脉冲干扰抑制方法虽然能够有效重构高强度的脉冲干扰，但是该方法有存在一个问题，脉冲信号重构之后会产生残留干扰并且残留的干扰会显著恶化接收机的性能，影响传输链路的可靠性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种联合压缩感知与接收分集的测距仪干扰抑制系统，其在L频段航空通信系统反向链路中可有效抑制测距仪脉冲信号对正交频分复用接收机的干扰，显著提高L频段数字航空通信系统反向链路传输可靠性。
本发明所采用的技术方案是：一种联合压缩感知与接收分集的测距仪干扰抑制系统，包括有依次串连连接的均衡器、下采样器、解映射器和解调器，还设置有接收同一信号的R个接收支路，连接在R个接收支路的输出端用于将R个接收支路输出信号进行合并的最大比值合并器，其中，所述的R为大于1的整数，所述最大比值合并器的输出端连接所述均衡器的输入端，所述解调器的输出端为系统的输出端。
所述的接收支路包括有：
射频模块，用于将接收到的射频信号转换为模拟的基带信号；
模数转换器，连接在所述射频模块的输出端，用于将模拟的基带信号转换为数字的基带信号；
循环前缀移除器，连接在所述模数转换器的输出端，用于删除信号的循环前缀；
压缩感知重构模块，连接在所述循环前缀移除器的输出端，用于输出重构的干扰信号；
干扰消除器，分别连接在所述循环前缀移除器的输出端和压缩感知重构模块的输出端，用于消除循环前缀移除器输出的干扰信号；
快速傅里叶变换器，连接在所述干扰消除器的输出端，用于将时域信号转换为频域信号，并分别输出给最大比值合并器和信道估计器；
所述信道估计器用于产生信道的频率响应输出给最大比值合并器。
所述的压缩感知重构模块的重构方法包括如下步骤：
1)首先通过离散傅立叶变换将接收信号矢量yr转换到频域：
Yr＝Fyr (10)
＝ΛrXov+Fir+Nr,r＝1,...R
其中，Yr为频域信号矢量，Λr表示对角矩阵，Xov为频域上采样信号，ir表示第r个接收支路接收到的测距仪干扰信号，Nr代表nr的傅里叶变换，nr表示第r个接收支路接收到的噪声，
2)将频域信号矢量Yr中空符号子信道表示为：
(Yr)Ω＝(F)Ωir+(Nr)Ω (11)
其中，Ω表示频域发射信号矢量Yr的空符号位置序号构成的集合，(·)Ω表示由集合Ω中序号对应的元素构成的子矩阵；
3)利用压缩感知凸优化方法最终重构出稀疏测距仪信号表示为：
其中，ε为非负误差项。
所述的最大比值合并器是采用下述公式进行合并：
为最大比值合并器的输出信号，为快速傅里叶变换器输出的频域信号。
本发明的联合压缩感知与接收分集的测距仪干扰抑制系统，在L频段航空通信系统反向链路中可有效抑制测距仪脉冲信号对正交频分复用接收机的干扰，显著提高L频段数字航空通信系统反向链路传输可靠性。本发明与脉冲熄灭干扰抑制方法相比，不存在脉冲熄灭门限设置问题，不存在子载波间干扰的问题，本发明可直接利用压缩感知算法重构测距仪脉冲信号并并在时域消除，从而有效抑制测距仪脉冲信号。与脉冲限幅方法干扰抑制方法相比，本发明不存在脉冲限幅门限设置问题，本发明具有更好的链路差错传输性能。与迭代子载波干扰重构与消除方法相比，本发明不需要增加额外的迭代过程，复杂度较低。与基于压缩感知的脉冲干扰抑制方法相比，本发明有更好的传输性能，且本发明与L-DACS1标准规范完全兼容，在L波段航空通信系统的反向链路中有较好的可实现性。因此，本发明实用性更好，应用前景更广。
附图说明
图1是本发明的联合压缩感知与接收分集的测距仪干扰抑制系统模型构图；
图中
1：接收支路 2：最大比值合并器
3：均衡器 4：下采样器
5：解映射器 6：解调器
11：射频模块 12：模数转换器
13：循环前缀移除器 14：压缩感知重构模块
15：干扰消除器 16：快速傅里叶变换器
17：信道估计器
图2是现有技术的联合压缩感知与接收分集的正交频分复用发射机系统模型；
图3a是原始的测距仪脉冲干扰信号波形；
图3b是压缩感知重构出的测距仪脉冲干扰信号波形；
图4是滤波后测距仪脉冲重构的归一化均方误差；
图5是压缩感知重构残留干扰；
图6是接收天线数目对差错性能的影响曲线；
图7是多径信道比特差错性能曲线。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的联合压缩感知与接收分集的测距仪干扰抑制系统做出详细说明。
针对L频段数字航空通信系统反向链路中高强度测距仪脉冲信号干扰正交频分复用接收机的问题，本发明提出了联合压缩感知与接收分集的测距仪干扰抑制系统。接收机首先通过多个接收天线接收多支路的受干扰的正交频分复用信号，然后将每个支路的测距仪脉冲干扰通过压缩感知方法重构并在时域分别进行消除，最后，接收机通过最大比值合并的方法将多条支路的信号合并为一路信号送入解调器解调。本发明提出的联合压缩感知与接收分集的测距仪干扰抑制系统在L频段航空通信系统反向链路中可有效抑制测距仪脉冲信号对正交频分复用接收机的干扰，显著提高L频段数字航空通信系统反向链路传输可靠性。
如图1所示，本发明的联合压缩感知与接收分集的测距仪干扰抑制系统，包括有依次串连连接的均衡器3、下采样器4、解映射器5和解调器6，还设置有接收同一信号的R个接收支路1，连接在R个接收支路1的输出端用于将R个接收支路输出信号进行合并的最大比值合并器2，其中，所述的R为大于1的整数，所述最大比值合并器2的输出端连接所述均衡器3的输入端，所述解调器6的输出端为系统的输出端。其中，所述的接收支路1包括有：
射频模块11，用于将接收到的射频信号转换为模拟的基带信号；模数转换器12，连接在所述射频模块11的输出端，用于将模拟的基带信号转换为数字的基带信号；循环前缀移除器13，连接在所述模数转换器12的输出端，用于删除信号的循环前缀；压缩感知重构模块14，连接在所述循环前缀移除器13的输出端，用于输出重构的干扰信号；干扰消除器15，分别连接在所述循环前缀移除器13的输出端和压缩感知重构模块14的输出端，用于消除循环前缀移除器13输出的干扰信号；快速傅里叶变换器16，连接在所述干扰消除器15的输出端，用于将时域信号转换为频域信号，并分别输出给最大比值合并器2和信道估计器17；所述信道估计器17用于产生信道的频率响应输出给最大比值合并器2。
本发明的联合压缩感知与接收分集的测距仪干扰抑制系统，工作原理是：多个接收支路接收信号(正交频分复用信号、噪声信号、测距仪信号)经射频前端转化为模拟基带信号，模拟基带信号经模数转化为数字基带信号。每个接收支路利用压缩感知方法重构测距仪脉冲干扰；然后将重构的脉冲干扰转换在时域进行消除，消除干扰后的信号通过离散傅里叶变换器转化为频域信号，多个支路的频域信号送入最大比值合并器中合并为一路频域信号，一路频域信号经过均衡器进行信道均衡，均衡之后的信号送入下采样器处理后通过解映射器与解调器，恢复出发射比特序列估值。
接收机通过空子载波信道来观测测距仪脉冲干扰，并利用测距仪脉冲干扰在时域的稀疏特性，基于范数最小化约束的凸优化方法重构测距仪脉冲干扰；然后将重构的脉冲干扰在时域消除；最后，对消除干扰后的多路信号最大比值合并提高解调器输入信噪比，最终达到提高系统链路传输可靠性的目的。
发射机只使用单路天线对正交频分复用信号进行发射；接收机使用多路接收支路接收信号，并在每个支路上针对测距仪脉冲干扰信号进行消除，借助最大比值合并的方法提高解调器输入信噪比，进而达到提高系统链路传输可靠性的目的。
图2给出了现有技术的联合压缩感知与接收分集的正交频分复用发射机系统模型。首先，信源产生的比特序列I送入调制器，调制器以K×M为单位对调制符号进行分组,其中，K代表调制符号分组的长度，M代表分组的总数。将分组的调制符号S进一步送入映射器中，映射到正交频分复用发射机的K个数据子信道中，映射后分组的调制符号表示为X。
为避免与测距仪信号采样时产生频谱混叠，发射机模型与接收机模型中均采用过采样。映射后的信号矢量X送入上采样器中得到频域上采样信号Xov：
其中，V代表上采样因子，N代表正交频分复用子信道数，Ο代表全零矩阵。上采样信号Xov经VN点离散傅里叶逆变换调制成时域正交频分复用信号x：
x＝FHXov (2)
其中，F表示VN×VN的快速傅里叶变换变换矩阵，FH表示VN×VN的离散傅里叶逆变换变换矩阵。离散傅里叶逆变换输出的信号矢量x在插入循环前缀后通过数模转换器转换成模拟基带信号，然后通过射频模块和发射天线发送到信道。
如图1给出的本发明的联合压缩感知与接收分集的测距仪干扰抑制系统，第r个接收天线(r＝1,2,…R)接收到的射频信号经过射频模块输出模拟的基带信号，然后通过模数转化器过采样(过采样因子为V)得到数字基带信号，然后送入循环前缀移除器移除循环前缀，第r个接收支路接收到信号yr表示为：
yr＝Hrx+ir+nr,r＝1,...R (3)
其中，Hr表示第r个接收支路对应信道循环卷积矩阵(假设在Hr在M个正交频分复用符号传输时间内保持恒定)；x代表发射机发射的正交频分复用信号；ir表示第r个接收支路接收到的测距仪干扰信号；nr表示第r个接收支路接收到的噪声。
考虑到信道循环卷积矩阵Hr可分解为Hr＝FHΛrF，其中，Λr表示对角矩阵，其对角线上元素为循环矩阵Hr的特征值。因此，式(3)进一步可以表示为：
yr＝FHΛrXov+ir+nr,r＝1,...R (4)
其中，Xov＝Fx表示发射的正交频分复用频域信号。
假设第r个接收支路通过压缩感知重构模块重构的测距仪干扰表示为进一步，从(4)式中的接收信号yr中减掉重构的测距仪干扰可得到第r个接收支路通过干扰消除器之后正交频分复用信号
其中，表示残留的测距仪干扰与噪声之和。第r个接收支路干扰消除之后正交频分复用信号通过快速傅里叶变换器转化为频域信号
其中，表示的傅里叶变换。假设接收机信道估计器可精确估计R个接收支路对应信道的频率响应，则通过最大比值合并器之后的信号可表示为：
所述的最大比值合并器2是采用公式(7)进行合并，为最大比值合并器(2)的输出信号。
最大比值合并之后的信号送入迫零均衡器中均衡可得：
进一步，均衡后信号经过下采样器后得到频域下采样信号[9]
其中，n代表子信道的索引，FLP代表理想低通滤波器的频率响应。
下采样的信号经过解映射器还原为K×M的调制分组符号进一步经过解调器输出比特序列
本发明中所述的压缩感知重构模块14的重构方法包括如下步骤：
1)首先通过离散傅立叶变换将接收信号矢量yr转换到频域：
Yr＝Fyr (10)
＝ΛrXov+Fir+Nr,r＝1,...R
其中，Yr为频域信号矢量，Λr表示对角矩阵，Xov为频域上采样信号，ir表示第r个接收支路接收到的测距仪干扰信号，Nr代表nr的傅里叶变换，nr表示第r个接收支路接收到的噪声，
2)将频域信号矢量Yr中空符号子信道表示为：
(Yr)Ω＝(F)Ωir+(Nr)Ω (11)
其中，Ω表示频域发射信号矢量Yr的空符号位置序号构成的集合，(·)Ω表示由集合Ω中序号对应的元素构成的子矩阵；式(11)是一个典型的压缩感知模型，并且是一个欠定方程，无法直接由观测值(Yr)Ω计算得到测距仪信号ir。但利用测距仪信号的时域稀疏特性，式(11)的最小0-范数解可以表示为：
其中，ε为非负误差项，且满足||(Nr)Ω||2≤ε。式(12)是一个非确定性多项式时间困难(NP-hard)问题，计算复杂度极高。因此转化为1-范数最小化问题求解[13]：
式(13)可等价转化为：
其中，γ称为拉格朗日因子，若非负误差项ε已知，则
3)利用压缩感知凸优化方法最终重构出稀疏测距仪信号表示为：
其中，ε为非负误差项。
下面结合附图说明本发明的联合压缩感知与接收分集的测距仪干扰抑制系统的效果。
图3a和图3b给出压缩感知重构测距仪脉冲干扰时域波形对比图，图中横坐标代表采样点，纵坐标表示信号幅值(实部)，图3a的曲线代表原始的测距仪脉冲干扰信号波形，图3b的曲线代表压缩感知重构出的测距仪脉冲干扰信号波形。曲线比较表明：利用压缩感知方法可良好的重构测距仪脉冲干扰信号。
图4给出了滤波后测距仪脉冲信号重构的归一化均方误差曲线，横坐标代表信噪比，纵坐标代表滤波后测距仪脉冲信号重构的归一化均方误差(NMSE)。图4中包含3条曲线，其中标有“□”、“◇”、“▽”的曲线分别代表信干比为-3dB、-5dB、-7dB时的NMSE曲线。曲线比较表明：(1)随着信噪比的增加，滤波后测距仪脉冲信号重构的归一化均方误差呈线性降低，说明接收机信噪比的增加有助于准确重构滤波后的测距仪脉冲干扰信号；(2)信噪比相同情况下，随着滤波后测距仪脉冲信号功率的增加，压缩感知重构脉冲的精度增加。
图5给出了压缩感知重构干扰后残留的测距仪脉冲干扰。从图5中可以看到：残留的测距仪干扰呈现簇状，幅值大约在-0.3～0.3之间。数值仿真结果表明：残留的脉冲干扰会直接恶化接收机的性能，降低L波段航空通信系统链路传输的可靠性。
图6给出了L波段航空通信系统在多径信道下的比特差错性能曲线，其中横坐标表示信噪比，纵坐标表示比特差错概率。图6中包含有四条曲线，标有“○”的曲线代表存在测距仪脉冲干扰，但接收机不进行干扰消除的差错性能曲线；标有“□”的曲线代表接收机只有一个支路并采用压缩感知方法进行干扰消除的差错性能曲线；标有“◇”的曲线代表接收机有两个支路并采用压缩感知方法进行干扰消除的差错性能曲线；标有“▽”的曲线代表接收机有四个支路并采用压缩感知方法进行干扰消除的差错性能曲线。曲线对比表明：在多径信道、采用正交相移键控调制方式的情况下，随着接收分集支路数的增加，利用压缩感知进行干扰消除的方法可以有效的抑制测距仪脉冲干扰信号，提高L波段航空通信系统的可靠性。
图7给出了系统在多径信道下，添加信道编码(卷积编码)的比特差错性能曲线，其中横坐标表示信噪比，纵坐标表示比特差错概率。图7中包含有五条曲线，标有“○”的曲线代表存在测距仪脉冲干扰，但接收机不进行干扰消除的差错性能曲线；标有“△”的曲线代表接收机采用脉冲限幅的方法进行干扰消除的差错性能曲线；标有“□”的曲线代表接收机只有一个支路并采用压缩感知方法进行干扰消除的差错性能曲线；标有“◇”的曲线代表接收机有两个支路并采用压缩感知方法进行干扰消除的差错性能曲线；标有“▽”的曲线代表接收机有四个支路并采用压缩感知方法进行干扰消除的差错性能曲线。曲线对比表明：(1)在多径信道、存在信道编码、采用正交相移调制方式的情况下，基于压缩感知的方法相比于传统的脉冲限幅方法可以有效的抑制测距仪脉冲干扰；(2)随着接收分集支路数的增加，接收机的性能越来越好，在信噪比为8dB时，采用四个接收分集支路的比特差错概率可以达到1×10-6。
本发明在实际系统中的应用实例：在L波段航空通信系统的反向链路中，机载的发射机发射正交频分复用信号，在传输过程中受到机载测距仪发射机发射的邻信道测距仪信号干扰(频段相差±500kHz)。地面站有两个部分组成：第一部分是多个结构相同的地面站接收前端，第二部分是地面站处理中心。
在地面站接收前端部分，接收天线将接收到的信号(正交频分复用信号、测距仪干扰信号、噪声)送入射频前端，通过模数转换器转化为数字基带信号，然后数字信号通过接入设备由传输网络传输至地面站处理中心。
在地面站处理中心部分，处理中心分别接收由传输网络通过接入设备处理的多路信号，对接收到的每条支路定时同步以后使用压缩感知方法进行测距仪干扰重构并在时域消除，接着转化到频域采用最大比值合并方法合并多路信号，最后通过均衡送入解调器中解调出原始的发送信息。
Claims (2)
1.一种联合压缩感知与接收分集的测距仪干扰抑制系统，包括有依次串连连接的均衡器(3)、下采样器(4)、解映射器(5)和解调器(6)，其特征在于，还设置有接收同一信号的R个接收支路(1)，连接在R个接收支路(1)的输出端用于将R个接收支路输出信号进行合并的最大比值合并器(2)，其中，所述的R为大于1的整数，所述最大比值合并器(2)的输出端连接所述均衡器(3)的输入端，所述解调器(6)的输出端为系统的输出端；
所述的接收支路(1)包括有：
射频模块(11)，用于将接收到的射频信号转换为模拟的基带信号；
模数转换器(12)，连接在所述射频模块(11)的输出端，用于将模拟的基带信号转换为数字的基带信号；
循环前缀移除器(13)，连接在所述模数转换器(12)的输出端，用于删除信号的循环前缀；
压缩感知重构模块(14)，连接在所述循环前缀移除器(13)的输出端，用于输出重构的干扰信号；
干扰消除器(15)，分别连接在所述循环前缀移除器(13)的输出端和压缩感知重构模块(14)的输出端，用于消除循环前缀移除器(13)输出的干扰信号；
快速傅里叶变换器(16)，连接在所述干扰消除器(15)的输出端，用于将时域信号转换为频域信号，并分别输出给最大比值合并器(2)和信道估计器(17)；
所述信道估计器(17)用于产生信道的频率响应输出给最大比值合并器(2)；
所述的压缩感知重构模块(14)的重构方法包括如下步骤：
1)首先通过离散傅立叶变换将接收信号矢量yr转换到频域：
<mrow>
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其中，Yr为频域信号矢量，Λr表示对角矩阵，Xov为频域上采样信号，ir表示第r个接收支路接收到的测距仪干扰信号，Nr代表nr的傅里叶变换，nr表示第r个接收支路接收到的噪声，Fyr和Fir，分别表示对Yr和ir进行傅里叶变换后的结果，F表示VN×VN的快速傅里叶变换变换矩阵；
2)将频域信号矢量Yr中空符号子信道表示为：
(Yr)Ω＝(F)Ωir+(Nr)Ω (11)
其中，Ω表示频域发射信号矢量Yr的空符号位置序号构成的集合，(·)Ω表示由集合Ω中序号对应的元素构成的子矩阵；
3)利用压缩感知凸优化方法最终重构出稀疏测距仪信号表示为：
<mrow>
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<mo>(</mo>
<mn>15</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，ε为非负误差项，argmin表示使得最小的ir的集合；表示2范数的平方，‖‖1表示1范数；V代表上采样因子，N代表正交频分复用子信道数。
2.根据权利要求1所述的联合压缩感知与接收分集的测距仪干扰抑制系统，其特征在于，所述的最大比值合并器(2)是采用下述公式进行合并：
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<mi>Y</mi>
<mo>~</mo>
</mover>
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为最大比值合并器(2)的输出信号，为快速傅里叶变换器输出的频域信号，Λr表示对角矩阵。
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