CN105704081A - 多个偏移载波调幅信号的优选和解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种多个偏移载波调幅信号的优选和解调方法，旨在提供一种能够从多个偏移载波调幅信号中优选出一路载噪比最高的调幅信号进行正确解调，同时对其他偏移载波信号进行抑制的方法。本发明通过下述技术方案予以实现：在偏移载波通信系统中，模数转换芯片对接收机输出的中频信号进行带通采样，经数字下变频后变换为基带信号；接着对基带信号进行N点FFT和频谱校正，通过搜索频谱幅度的最大值来确定最佳载波的频率偏移量；然后通过频偏校正和低通滤波的方法来滤除带外其他的偏移载波调幅信号，降低干扰；最后进行调幅解调，恢复出话音信号。本发明能够降低干扰，能够正确解调出一路质量最好的话音信号。

Description

多个偏移载波调幅信号的优选和解调方法

技术领域

本发明属于通信领域，主要涉及一种民航地空甚高频(VHF)通信系统，特别是偏移载波通信系统中机载电台接收端多个偏移载波调幅信号的优选和解调方法。

背景技术

在民航地空甚高频(VHF)通信中，常采用偏移载波通信系统来解决空域覆盖的问题。偏移载波通信系统，也称为同频异址通信系统，将同一工作频率的多个地面电台设置于不同的地理位置。当飞机进入覆盖空域后，地面控制中心通过有线网络控制多个地面电台同时发射信号，以保证机载电台至少能接收到其中一个信号。同样地，机载电台发射的信号也至少能被其中一个地面电台接收到。

在偏移载波通信系统中，为了避免同频干扰，地面电台发射信号的载波频率存在不同程度的偏移。在国际民航公约附件10第三卷中，对偏移载波通信系统中载波频率的偏移量和稳定度进行了如表1所示的规定。

表1载波频率的偏移量和稳定度

从表1中可以看出，在偏移载波通信系统中，偏移载波的数量为2～5个，载波频率的偏移量为4kHz～8kHz。在实际通信过程中，由于载波频率稳定度和多普勒频移的影响，无法对机载电台接收信号的载波频率进行预计，必须进行实时检测。

在地空通信过程中，当地面控制中心控制多个地面电台同时发射时，机载电台通常会接收到多个偏移载波的调幅信号。当飞机只与其中一个地面电台的距离较近时，机载电台接收到的信号是由一个强信号和多个弱信号组成的混合信号。这种情况下，多个弱信号对强信号形成的干扰相对较小，因此对解调的影响也较小。然而，当飞机与多个地面电台的距离均较近时，机载电台接收到的信号是由多个强信号和若干个弱信号组成的混合信号。由于多个强信号的幅度相近，并且载波频率间隔很小，所以多个强信号之间形成较强的干扰，对话音解调造成较大的影响。

调幅信号的常规解调方法包括包络检波法和锁相环相干解调法。如果采用包络检波法对多个偏移载波调幅信号进行解调，由于混合信号的包络已经发生了变化，直接进行包络检波，无法得到正确的话音信号。如果采用锁相环相干解调法对多个偏移载波调幅信号进行解调，由于多个较强的调幅信号互相影响，锁相环不能将本地载波频率锁定在其中的一个调幅信号的载波频率上，所以无法实现相干解调。

为了实现正常的话音通信，要求机载电台具备信号优选功能，即从接收的信号中选出一个载噪比最高的信号进行解调，但现有的甚高频通信电台还不具备该功能。目前，对于信号优选功能的研究，主要集中在地面电台解调后多路话音信号的优选问题上，而对于机载电台接收的多个偏移载波调幅信号的优选及解调，现有的方法主要针对单个调幅信号的情况，无法对多个偏移载波调幅信号进行正确解调。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种能够从接收的多个偏移载波调幅信号中优选出一路载噪比最高的调幅信号进行正确解调，同时对带外其它偏移载波调幅信号进行抑制，能够降低干扰、提高话音质量的优选和解调方法。

上述目的可以通过以下措施来达到。本发明提供的本发明提供的一种多个偏移载波调幅信号的解调方法，其特征在于包括如下步骤：

在偏移载波通信系统中，在机载电台接收端，模数转换芯片101对接收机输出的中频信号进行带通采样，得到数字中频信号s(n)；数字下变频模块102利用本地第一直接数字频率合成器DDS产生两路正交载波对s(n)进行正交混频，然后通过级联积分梳状CIC抽取滤波器和有限长单位冲击响应FIR抽取滤波器进行抽取和滤波，得到降低采样率的I、Q基带信号d(n)；快速傅里叶变换FFT模块103对d(n)加汉宁窗，然后进行N点FFT计算，得到频谱X(k)；频谱校正模块104根据能量重心法的幅度校正公式，利用X(k)进行频谱校正，得到N个校正后的频谱幅度值A(k)；频谱搜索模块105在A(k)中搜索最大值A_max及对应的频点位置K；频偏计算模块106根据能量重心法的频率校正公式，利用所述K值计算对应的频率值，获得I、Q基带信号中幅度最大、载噪比最高的载波的频率偏移量Δf；频偏校正模块107通过本地第二DDS产生频率为所述Δf的正交载波对d(n)进行正交混频，实现频偏校正，得到频偏校正后的I、Q基带信号d′(n)；低通滤波模块108对利用FIR滤波器对d′(n)进行低通滤波，滤除带外其它的偏移载波调幅信号，得到只含一路调幅信号的I、Q基带信号d″(n)；调幅解调模块109利用坐标旋转数字计算算法CORDIC计算d″(n)的幅度，从而正确解调出话音信号。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

(1)能够对偏移载波调幅信号进行正确解调。本发明利用偏移载波调幅信号的频谱特征，在频域搜索频谱幅度最大的载波，然后通过频偏校正和低通滤波的办法，降低带外其它偏移载波调幅信号的干扰，并且只对其中载噪比最高的调幅信号进行解调，解决了现有技术只能针对单个调幅信号，不能对多个偏移载波调幅信号进行正确解调的缺陷。

(2)提高了载波频率和幅度估计的精度。由于FFT存在能量泄漏和栅栏效应，直接计算的频率值和幅度值存在较大的误差，所以本发明利用能量重心法对频率值和幅度值进行校正，提高了载波频率和幅度估计的精度，从而有效提高了找到频谱幅度最大值的载波的准确率。

(3)有效降低了其它偏移载波调幅信号的干扰。本发明在搜索到频谱幅度最大的载波后，利用估计的载波频率偏移量进行频偏校正，同时通过低通滤波的方法有效降低了其它偏移载波调幅信号的干扰，提高了解调后的话音质量。

(4)可以获得最佳的话音质量。本发明从接收的多个信号中优选出一路载波幅度最大的调幅信号进行解调，由于解调前的载噪比最高，因此解调后可以获得信噪比最好的话音信号。

本发明可对多个偏移载波调幅信号进行优选和解调，特别适用于机载电台接收端多个调幅信号的优选和解调处理。

附图说明

图1是本发明多个偏移载波调幅信号的优选和解调方法的原理框图。

图2是图1中频谱搜索模块(105)进行频谱搜索的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例，对本发明进行详细说明。本发明以民航地空通信中常用的3载波偏移通信系统为例进行说明。

参阅图1。在本发明描述的实施例中，机载电台接收端偏移载波调幅信号的优选和解调方法，可以采用如下步骤来实现：

(1)带通采样

模数转换芯片(101)对机载电台接收机输出的中频信号进行带通采样，得到数字中频信号s(n)，s(n)可以表示为

$s\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}{A}_i\[1+m\left(n\right)\]\cos \[2\mathrm{\π}n(f_c+{\mathrm{\Δf}}_i)/f_s\]$

式中，A_i为载波幅度，m(n)为话音调制信号，f_c为载波频率，Δf_i为第i路调幅信号的载波频率偏移量，f_s为采样频率，i为自然数。

f_s应满足带通采样定理，即

$\frac{2f_c+B}{n}\≤f_s\≤\frac{2f_c-B}{n-1}$

式中，B为中频信号的带宽；n为大于0的整数，并且n的取值应使f_s满足f_s≥2B。在本实施例中，B＝25kHz，f_c＝70MHz，f_s＝32MHz。

(2)数字下变频

数字下变频模块(102)采用本地第一DDS产生频率为6MHz的正交载波对s(n)进行正交混频，混频后的信号先通过CIC抽取滤波器进行125倍抽取，然后通过FIR抽取滤波器进行4倍抽取，得到采样频率f_s′为64kHz的I、Q基带信号，基带信号的复数形式可表示为

d(n)＝d_I(n)+j*d_Q(n)

上式中，d_I(n)、d_Q(n)分别为同向分量和正交分量，其表达式为

$d_I\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}{A}_i\[1+m\left(n\right)\]cos(2{\mathrm{\π\Δf}}_i/f_s^{\′})$

$d_Q\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{3}{\Σ}}{A}_i\[1+m\left(n\right)\]sin(2{\mathrm{\πn\Δf}}_i/f_s^{\′})$

(3)FFT

FFT模块(103)对d(n)加汉宁窗，然后进行N点FFT得

$X\left(k\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}d\left(n\right)Hanning\left(n\right)e^{-j\frac{2}{N}nk}$

上式中，Hanning(n)为汉宁窗函数；e为自然指数。N点FFT的频率分辨率为f_s′/N。当N取1024时，FFT的频率分辨率为62.5Hz。

(4)频谱校正

由于FFT只能对有限个样本进行计算，所以不可避免地存在由于时域截断产生的能量泄漏，使谱峰值变小，精度降低。另外，FFT存在栅栏效应，当载波频率偏移量Δf_i不为f_s′/N的整数倍时，只能得到相邻离散频率的谱线值，且与真实值之间存在一定的误差。理论分析表明，在不修正的情况下，加汉宁窗的幅值最大误差可达15.3％，频率误差最大可达正负0.5个频率分辨率。

所以，需要对FFT计算的结果进行校正，以得到较为准确的幅度和频率估计值。现在比较常用的方法有比值(插值)法、能量重心法、FFT+FT法和相位差法，都有其各自的优缺点。其中，能量重心法是一种常用的离散频谱校正方法，具有计算复杂度较小、计算精度较高的优点，所以本发明采用能量重心法进行频谱校正。

根据能量重心法，幅度校正公式为

$A\left(k\right)=\sqrt{\underset{i=-1}{\overset{1}{\Σ}}\mathrm{\α}\·|X(k+i){|}^2}$

上式中，α为汉宁窗的能量恢复系数，取值8/3。

根据能量重心法，频率校正公式为

$\mathrm{\Δ}f=\frac{\underset{i=-2}{\overset{2}{\Σ}}|X(k+i){|}^2\·(K+i)\frac{f_s^{\′}}{N}}{\underset{i=-2}{\overset{2}{\Σ}}|X(k+i){|}^2}$

上式中，K为频域的频点位置。

频谱校正模块104根据能量重心法的幅度校正公式，计算N个频点的频谱幅度校正值A(k)。

(5)频谱搜索

频谱搜索模块105在N个校正后的频谱幅度值A(k)中搜索最大值，将频谱幅度最大值的位置记为K。

(6)频偏计算

频偏计算模块106根据K值，利用能量重心法的频率校正公式，计算出对应的频偏Δf。

(7)频偏校正

频偏校正模块107通过本地第二DDS产生频率为Δf的正交载波对基带信号d(n)进行正交混频，从而实现频偏校正，校正后的基带信号d'(n)可以表示为

$d^{\′}\left(n\right)=d\left(n\right)e^{-j2\mathrm{\π}n\mathrm{\Δ}f/f_s}$

式中，n为自然数；e为自然指数。

(8)低通滤波

频偏校正后的基带信号d'(n)中，除了优选后的调幅信号，还可能存在其它的偏移载波信号。为了降低干扰，低通滤波模块(108)让d'(n)通过FIR滤波器进行低通滤波。FIR滤波器的带宽为话音信号的带宽，带宽一般取3.4kHz。FIR滤波器的阻带衰减应大于60dB，从而对带外偏移载波信号进行有效的抑制。低通滤波后的基带信号d″(n)的同相分量和正交分量可分别表示为

d_I″(n)＝A_i[1+m(n)]cos(θ)

d_Q″(n)＝A_i[1+m(n)]sin(θ)

上式中，θ为残留的相位偏差。

(9)调幅解调

经过优选处理后的基带信号d″(n)中，只剩下一路调幅信号，按常规方法进行解调即可正确恢复出话音信号。在本实施例中，调幅解调模块(109)采用CORDIC算法计算d″(n)的幅度，可以表示为

a(n)＝|d″(n)|＝A_i[1+m(n)]

去掉a(n)中的直流分量后即可得到话音信号m(n)。

参阅图2。频谱搜索模块105搜索频谱幅度最大值主要包括如下步骤：

频谱搜索模块105先进行初始化，将当前的频谱幅度最大值a_max和对应的频点位置k清零，并设置搜索范围为从N个校正后的频谱幅度值A(k)中按照从左到右的顺序依次获取一个值，记频点位置K_i处的频谱幅度值为a_i；将a_i与a_max进行比较，如果a_i＞a_max，则a_max＝a_i，k＝K_i；判断是否搜索完N个频谱幅度值，若是，则结束搜索，返回频谱幅度最大值对应的频点位置k；若不是，则重复下一次比较。

Claims (10)

1.一种多个偏移载波调幅信号的优选和解调方法，其特征在于包括如下步骤：在偏移载波通信系统中，在机载电台接收端，模数转换芯片(101)对接收机输出的中频信号进行带通采样，得到数字中频信号s(n)；数字下变频模块(102)利用本地第一直接数字频率合成器DDS产生两路正交载波对s(n)进行正交混频，然后通过级联积分梳状CIC抽取滤波器和有限长单位冲击响应FIR抽取滤波器进行抽取和滤波，得到降低采样率的I、Q基带信号d(n)；快速傅里叶变换FFT模块(103)对d(n)加汉宁窗，然后进行N点FFT计算，得到频谱X(k)；频谱校正模块(104)根据能量重心法的幅度校正公式，利用X(k)进行频谱校正，得到N个校正后的频谱幅度值A(k)；频谱搜索模块(105)在A(k)中搜索最大值A_max及对应的频点位置K；频偏计算模块(106)根据能量重心法的频率校正公式，利用所述K值计算对应的频率值，获得I、Q基带信号中幅度最大、载噪比最高的载波的频率偏移量Δf；频偏校正模块(107)通过本地第二DDS产生频率为所述Δf的正交载波对d(n)进行正交混频，实现频偏校正，得到频偏校正后的I、Q基带信号d′(n)；低通滤波模块(108)对利用FIR滤波器对d′(n)进行低通滤波，滤除带外其它的偏移载波调幅信号，得到只含一路调幅信号的I、Q基带信号d″(n)；调幅解调模块(109)利用坐标旋转数字计算算法CORDIC计算d″(n)的幅度，从而正确解调出话音信号。

2.如权利要求1所述的多个偏移载波调幅信号的优选和解调方法，其特征在于：模数转换芯片(101)对机载电台接收机输出的中频信号进行带通采样，得到数字中频信号s(n)，s(n)可以表示为

式中，A_i为载波幅度，m(n)为话音调制信号，f_c为载波频率，Δf_i为第i路调幅信号的载波频率偏移量，f_s为采样频率，i为自然数。

3.如权利要求2所述的多个偏移载波调幅信号的优选和解调方法，其特征在于：f_s满足带通采样定理

式中，B为中频信号的带宽；n为大于0的整数，并且n的取值应使f_s满足f_s≥2B。

4.如权利要求1所述的多个偏移载波调幅信号的优选和解调方法，其特征在于：在不影响解调性能的前提条件下，数字下变频模块步骤(102)提高CIC抽取滤波器和FIR抽取滤波器的抽取倍数，降低I、Q基带信号的采样频率f′_s，在FFT点数N不变的条件下，提高FFT的频率分辨率。

5.如权利要求1所述的多个偏移载波调幅信号的优选和解调方法，其特征在于：为减小FFT的能量泄漏，FFT模块(103)进行加窗FFT计算的公式为

式中，X(k)为频点k处的频谱值；Hanning(n)为汉宁窗函数；j为虚数单位；N为参加FFT计算的数据长度，e为自然指数，选择N，使得FFT的频率分辨率f′_s/N小于1kHz。

6.如权利要求1所述的多个偏移载波调幅信号的优选和解调方法，其特征在于：频谱校正模块(104)采用的能量重心法的幅度校正公式为

式中，α为汉宁窗的能量恢复系数，取值8/3。

7.如权利要求1所述的多个偏移载波调幅信号的优选和解调方法，其特征在于：频谱搜索模块(105)将当前的频谱幅度最大值a_max和对应的频点位置k清零，并设置搜索范围为从N个校正后的频谱幅度值A(k)中按照从左到右的顺序依次获取一个值，记频点位置K_i处的频谱幅度值为a_i；将a_i与a_max进行比较，如果a_i＞a_max，则a_max＝a_i，k＝K_i；判断是否搜索完N个频谱幅度值，若是，则结束搜索，返回频谱幅度最大值对应的频点位置k；若不是，则重复下一次比较。

8.如权利要求1所述的多个偏移载波调幅信号的优选和解调方法，其特征在于：频偏计算模块(106)采用的能量重心法的频率校正公式为

式中，Δf为频点K处的频率偏移量。

9.如权利要求1所述的多个偏移载波调幅信号的优选和解调方法，其特征在于：频偏校正模块(107)采用的频偏校正公式为

式中，n为自然数；e为自然指数。

10.如权利要求1所述的多个偏移载波调幅信号的优选和解调方法，其特征在于：低通滤波模块(108)中，FIR滤波器带宽为话音信号的带宽，带宽取3.4kHz；FIR滤波器的阻带衰减大于60dB，以对带外其它的偏移载波信号进行有效的抑制。