CN108155960A - 一种民航甚高频收信机鲁棒性静音方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种民航甚高频收信机鲁棒性静音方法，具体步骤包括：对接收信号进行频谱搬移和抽取滤波处理；对抽取滤波后的信号进行频域变换，获取信号的谱能量分布；根据信号的谱能量分布计算信号的场强；对信号的谱能量分布进行均值滤波；对均值滤波后的谱能量进行排序；根据排序后的谱能量计算出有用信号能量以及时变的噪声能量，将有用信号能量与时变的噪声能量的比值作为信噪比；当信号的场强、信噪比满足静音条件时，对信号进行静音处理。本发明通过将噪声能量作为时变信号来进行计算，从而获取更精准的信噪比参数并增强抗噪声能力，能够精确地实现民航甚高频收信机的静音功能。

Description

一种民航甚高频收信机鲁棒性静音方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种民航甚高频收信机鲁棒性静音方法。

背景技术

民航地空VHF语音通信是依靠VHF频段的无线电波为空中交通管制部门、航空公司运营管理部门与飞行员之间提供直接的语音通信服务，并为民航航空器的搜索、救援等紧急情况下提供特殊通道保障。目前，VHF地空语音通信的调制方式为双边带调幅。为了更好地保证通信效果、解决交叉覆盖等问题，民航收信机要在信号较弱、噪声较大的条件下关闭收信机声音，实现对接收信号的静音。

目前传统的静音方法主要有载波静音和语音静音，这两种方法容易受硬件个体差异影响，不同收信机的静音门限难以达到一致，信噪比和能量参数计算精度不高，容易导致质量不符合要求的信号被放出或者质量符合要求的信号被静音，影响民航通信效果。现有技术中针对上述问题提出了民航收信机的静音方法和系统，其核心思想是计算载波能量和机内噪声能量，并结合信道增益和校正因子等参数，计算接收信号场强和信噪比。该方法通过采用信号校正算法等巧妙处理，在设备使用环境背景噪音与机内噪声能量相当的时候，能达到比较准确的静噪控制效果。但是该方法从本质上讲，是将噪声能量默认为一个常量来表示，并未考虑频谱环境变换对信噪比等参数计算结果的影响。民航甚高频接收机使用环境变化多端，当设备安装环境无线频谱较为复杂时，背景噪声能量为一个时变信号，该方法在计算接收信号的信噪比时，会存在很大误差，造成静噪开关漏开或虚开的情况，无法实现有效的静音控制。

发明内容

为了解决现有技术的不足之处，本发明提供一种民航甚高频收信机鲁棒性静音方法，能够在设备安装环境无线频谱较为复杂的时候，即背景噪声能量为时变信号时，准确地计算出接收信号的信噪比，实现有效的控制。

本发明的目的可以由以下技术方案实现：

一种民航甚高频收信机鲁棒性静音方法，具体步骤包括：

(1)、对接收信号进行频谱搬移和抽取滤波处理；

(2)、对抽取滤波后的信号进行频域变换，获取信号的谱能量分布；

(3)、根据信号的谱能量分布计算信号的场强，具体包括：

(3‐1)、获取信号中载波信号的能量；

(3‐2)、获取收信机的射频信道增益系数以及校正系数；

(4)、对信号的谱能量分布进行均值滤波；

(5)、对均值滤波后的谱能量进行排序；

(6)、根据排序后的谱能量计算出有用信号能量以及时变的噪声能量，将有用信号能量与时变的噪声能量的比值作为信噪比；

(7)、当信号的场强、信噪比满足静音条件时，对信号进行静音处理。

进一步地，所述步骤(1)，具体包括：

(1‐1)、对接收信号进行混频处理，得到I路混频信号和Q路混频信号，所述接收信号为中频接收信号；

(1‐2)、对该中频接收信号进行混频处理后，再经过下变频处理降低混频后信号处理速率，降低解调和静噪参数的计算模块的计算量，下变频处理过程通过CIC抽取滤波实现，降低信号的采样率；

(1‐3)、对I路混频信号和Q路混频信号FIR低通滤波处理，降低组合干扰信号落入带内解调信号的概率。

进一步地，所述步骤(2)中，通过DFT运算得到信号的谱能量分布。进一步地，所述获取信号中载波信号的能量，具体包括：

在所获取的信号的谱能量分布中找出最大值，将该最大值作为载波信号的能量。

进一步地，所述获取收信机的射频信道增益系数以及校正系数，具体包括：

获取信道控制单元的射频信道增益系数；

获取底噪校正系数；

获取场强校正系数。

进一步地，所述获取底噪校正系数，具体包括：

获取收信机当前工作频率下的机内噪声信号；

对机内噪声信号进行频谱搬移和抽取滤波处理；

对抽取滤波后的信号进行频域变换，获取信号的谱能量分布；

对信号的谱能量分布进行均值滤波；

对均值滤波后的谱能量进行排序；

根据排序后的谱能量计算出底噪校正系数。

进一步地，所述对均值滤波后的谱能量进行排序，具体包括：

对均值滤波后的谱能量只对其中有用带宽内进行排序；

所述有用宽带是指接收机的接收带宽，即保证解调信号带宽指标满足《MH/T4001.1‐2016甚高频地空通信地面系统第1部分：语音通信系统技术规范》中关于6dB音频带宽相关指标要求，本设计中6dB带宽设计为±8kHz。

进一步地，所述获取场强校正系数，具体包括：

获取收信机接收的校准信号；

获取所述校准信号中载波信号的能量；

根据所述校准信号中载波信号的能量、收信机的射频信道增益系数以及底噪校正系数计算出收信机的场强校正系数。

进一步地，所述根据排序后的谱能量计算出有用信号能量以及时变的噪声能量，将有用信号能量与时变的噪声能量的比值作为信噪比，具体包括：

设定噪声置信点p(0<p<1)和噪声置信数量num，则估计的噪声能量定义为

其中k取四舍五入后的正整数；

若则

若则

X(k)的最大值定义为有用信号与噪声能量之和

P_I＝(max[X(k)])²

其中，max[·]定义为求最大值运算；

所述有用信号能量定义为

P_s＝P_I-P_N

估计的信噪比定义为

其中，ρ_adj为信噪比调整系数，信噪比调整系数可依据工程经验预设，或者通过校准收信机获取。

进一步地，在步骤(7)中，所述信号的场强、信噪比满足静音条件，具体包括：

当所述接收信号的场强小于场强门限或所述接收信号的信噪比参数小于信噪比门限时，判定满足静音条件。

与现有技术相比，本发明具有以下的优点和有益效果：

本发明具有计算量小、结构简单等特点，其抗噪声能力强的特性更是使得本发明在噪声强度不同的噪声背景下都能够有效地、精准地、稳定地实现民航甚高频收信机的静音功能。

附图说明

图1为本发明实施例中一种民航甚高频收信机鲁棒性静音方法的流程图；

图2为本发明实施例中民航收信机零中频AM解调实现框图；

图3为本发明实施例中接收信号场强的求解过程示意图；

图4为本发明实施例中获取底噪校正系数的过程示意图；

图5为本发明实施例中获取场强校正系数的过程示意图；

图6为本发明实施例中信噪比的求解过程示意图；

图7为本发明实施例中频谱从小到大排序后取值区间示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围不限于此。

实施例：

如图1所示为本发明实施例的一种民航甚高频收信机鲁棒性静音方法流程框图，具体包括以下步骤：

S101、对接收信号进行频谱搬移和抽取滤波处理；

S102、对抽取滤波后的信号进行频域变换，获取信号的谱能量分布；

S103、根据信号的谱能量分布计算信号的场强；

S104、对信号的谱能量分布进行均值滤波；

S105、对均值滤波后的谱能量进行排序；

S106、根据排序后的谱能量计算出有用信号能量以及时变的噪声能量，将有用信号能量与时变的噪声能量的比值作为信噪比；

S107、当信号的场强、信噪比满足静音条件时，对信号进行静音处理。

如图2所示为本发明实施例的民航收信机零中频AM解调实现框图，步骤S101可以通过以下具体步骤实现：

中频ADC(S201)完成对中频接收信号的采集及模数转换，再将中频接收信号进行混频(S202)、CIC抽取滤波(S203)、FIR低通滤波(S204)。

具体的，步骤S201中收信机接收到的接收信号为中频信号，可以表示为：

其中，R(t)表示接收信号；S(t)表示发信机发送的中频调制信号；n(t)表示噪声信号；A表示接收信号的幅度；f_c表示载波频率；表示载波初始相位；m(t)表示归一化的信源信号；a表示调制深度，a＜1。

步骤S202中接收信号的混频过程可以表示成如下的形式：

其中，I(t)为I路标准信号，Q(t)为Q路标准信号，f表示混频的频率；表示混频信号的初始相位。

再经过下变频处理降低信号处理速率，降低解调和静噪相关参数的计算模块的计算量。接收信号的下变频过程通过步骤S203中CIC抽取滤波处理实现，大量理论分析和实现案例表明，CIC抽取滤波器是一种非常适合硬件实现的用于整数抽取的数字滤波器，具有结构简单、易于实现等优点。

其中，I_cic(t)为I路基带信号，Q_cic(t)为Q路基带信号，n_Icic(t)表示I路噪声；n_Qcic(t)表示Q路噪声。

本实施例中，CIC抽取滤波后采样率降低为32kHz，通过降低采样率，可以提高频谱分析精度，降低计算复杂度，节省资源消耗。

之后对I_cic(t)和Q_cic(t)路进行FIR低通滤波处理，获取I_FIR(t)和Q_FIR(t)。通过步骤S204的低通滤波处理，可以降低组合干扰信号落入带内解调信号的概率，起到一定的抗干扰作用，同时，保证解调信号带宽指标满足《MH/T4001.1‐2016甚高频地空通信地面系统第1部分：语音通信系统技术规范》中关于音频带宽相关指标要求，例如：“6dB带宽不窄于±8kHz”和“60dB带宽不宽于18kHz”等技术要求。

步骤S102可以通过以下具体步骤实现：

对I_cic(t)和Q_cic(t)进行低通滤波后，选取其中一路或两路信号进行频域变换，获取信号的谱能量分布。该两路信号频谱成分和能量一致，只是在相位上存在差异，所以选取任何一路，都能够准确反映信号谱能量分布。

选取I_FIR(t)路作为处理对象，对I_FIR(t)做N点DFT运算得到其功率谱X(k)，表示形式为：

X(k)＝DFT[I_FIR(t)]_N

在本实施例中，选择在32kHz采样率下用512点FFT算法实现。

步骤S103所述的根据抽取滤波后信号的谱能量分布计算接收信号的场强的具体步骤如图3所示，具体步骤包括：

S301、获取接收信号中载波信号的能量；

S302、获取收信机的射频信道增益系数以及校正系数。

其中，在抽取滤波后信号的谱能量分布中找到最大值，将该最大值作为载波信号的能量P，表现形式为：

P＝(max[|X(k)|])²

其中，max[·]定义为求最大值运算。

步骤S302中收信机的射频信道增益系数RF_agc由信道控制单元获取。信道AGC硬件根据射频信号强度自动的调节信道自身的增益值，保证收信机接收解调信号的动态范围，即接收到强信号时，保证中频大小落在最佳解调范围，接收弱信号时，保证接收解调灵敏度。在民航甚高频收信机中，信道增益可分为固定增益部分和可调增益部分，其中上报的为可变衰减值范围，一般衰减值变化范围是0～100dBm。该值可根据具体情况调整。

校正系数包含底噪校正系数P_base和场强校正系数RSSI_adj。

接收信号的场强的计算过程如下：

如图4所示，获取底噪校正系数的具体步骤包括：

S401、获取收信机当前工作频率下的机内噪声信号；

S402、将机内噪声信号进行频谱搬移、抽取滤波；

S403、对抽取滤波后信号进行频域变换，获取抽取滤波后信号的谱能量分布；

S404、对抽取滤波后信号的谱能量分布进行均值滤波；

S405、对均值滤波后的谱能量进行排序；

S406、根据排序后的谱能量计算底噪校正系数。

当获取收信机当前工作频率下的机内噪声信号后，对机内噪声信号进行频谱搬移、抽取滤波处理的步骤与步骤S101一致；对抽取滤波后信号进行频域变换，获取抽取滤波后信号的谱能量分布的步骤与步骤S102一致；对抽取滤波后信号的谱能量分布进行均值滤波的步骤与步骤S104一致；对均值滤波后的谱能量进行排序的步骤与步骤S105一致；根据排序后的谱能量计算底噪校正系数的步骤与下述步骤S601一致。

如图5所示，获取场强校正系数的具体步骤包括：

S501、获取收信机接收的校准信号；

S502、获取所述校准信号中载波信号的能量；

S503、根据所述校准信号中载波信号的能量、收信机的射频信道增益系数和底噪校正系数得到收信机的场强校正系数。

在本实施例中，校准信号为‐107dBm，则场强校正系数为

场强校正系数和低噪校正系数计算完成后，民航甚高频收信机可以自动的将相关参数保存至收信机的可编程数据存储芯片(Flash)，该可编程数据存储芯片具有掉电保存功能，方便后续的静音控制。场强校正系数和低噪校正系数是在设备第一次加载程序后校准计算存储，后续使用过程中，电台从可编程数据存储芯片中读取该值即可。

步骤S104中所述的对下变频滤波后信号的谱能量分布进行均值滤波，具体为：做Q项均值滤波后的谱能量表示形式如下：

在本实施例中，做4项均值滤波，对频谱进行平滑处理。

步骤S105中所述的对均值滤波后的谱能量进行排序，具体包括：

对均值滤波后的谱能量只对其中有用带宽内进行排序，若接收带宽为±f_rx，则对进行排序得到M由下式算出：

其中，f_{FIR_s}为下变频滤波后的采样率，N为第二步中DFT的点数。该过程相当于将噪声和有用信号的能量进行自动化筛选。

在本实施例中，假设接收带宽为8kHz，f_{FIR_s}为32kHz，N为512，则对DFT后进行从小到大排序得到

步骤S106中所述的根据排序后的谱能量计算信噪比的具体步骤如图6所示，具体包括：

S601、计算噪声能量；

S602、计算有用信号能量；

S603、将有用信号能量与噪声能量的比值作为信噪比。

设定噪声置信点p(0<p<1)和噪声置信数量num，则估计的噪声能量定义为：

其中k取四舍五入后的正整数。

若则

若则

X(k)的最大值定义为有用信号与噪声能量之和

P_I＝(max[X(k)])²

其中，max[·]定义为求最大值运算。

所述有用信号能量定义为

P_s＝P_I-P_N

估计的信噪比定义为

其中，ρ_adj为信噪比调整系数，信噪比调整系数可依据工程经验预设，或者通过校准收信机获取。

本实施例中，步骤S105中的排序方式选择为从小到大排序的方式；设噪声置信点为0.3，噪声置信数量为40，则噪声能量为

如图7所示为频谱从小到大排序后对噪声的运算取值区间示意图。

噪声置信点在实际运用中根据调试灵活选取，该方法使噪声的取值不至于取至滤波器幅频特性的过渡带或阻带，减少因滤波器幅频特性带来的误差。

当所述接收信号的场强小于场强门限或所述接收信号的信噪比参数小于信噪比门限时，判定满足静音条件。

以上实施例仅为本发明优选的实施方式，但本发明专利的保护范围并不限于此。任何本领域内的技术在不脱离本发明构思的前提下所做出的若干变形和改进，都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种民航甚高频收信机鲁棒性静音方法，其特征在于：具体步骤包括：

(1)、对接收信号进行频谱搬移和抽取滤波处理；

(2)、对抽取滤波后的信号进行频域变换，获取信号的谱能量分布；

(3)、根据信号的谱能量分布计算信号的场强，具体包括：

(3‐1)获取信号中载波信号的能量；

(3‐2)获取收信机的射频信道增益系数以及校正系数；

(4)、对信号的谱能量分布进行均值滤波；

(5)、对均值滤波后的谱能量进行排序；

(6)、根据排序后的谱能量计算出有用信号能量以及时变的噪声能量，将有用信号能量与时变的噪声能量的比值作为信噪比；

(7)、当信号的场强、信噪比满足静音条件时，对信号进行静音处理。

2.根据权利要求1所述的民航甚高频收信机鲁棒性静音方法，其特征在于：步骤(1)具体为：

(1‐1)对接收信号进行混频处理，得到I路混频信号和Q路混频信号，所述接收信号为中频接收信号；

(1‐2)对该中频接收信号进行混频处理后，再经过下变频处理降低混频后信号处理速率，降低解调和静噪参数的计算模块的计算量，下变频处理过程通过CIC抽取滤波实现，降低信号的采样率；

(1‐3)对I路混频信号和Q路混频信号FIR低通滤波处理，降低组合干扰信号落入带内解调信号的概率。

3.根据权利要求1所述的民航甚高频收信机鲁棒性静音方法，其特征在于：所述步骤(2)中，通过DFT运算得到信号的谱能量分布。

4.根据权利要求1所述的一种民航甚高频收信机鲁棒性静音方法，其特征在于：所述步骤(3‐1)中，

所述获取信号中载波信号的能量，具体包括：

在所获取的信号的谱能量分布中找出最大值，将该最大值作为载波信号的能量。

5.根据权利要求1所述的一种民航甚高频收信机鲁棒性静音方法，其特征在于：所述步骤(3‐2)中，所述获取收信机的射频信道增益系数以及校正系数，具体包括：

获取信道控制单元的射频信道增益系数；

获取底噪校正系数；

获取场强校正系数。

6.根据权利要求5所述的一种民航甚高频收信机鲁棒性静音方法，其特征在于：所述获取底噪校正系数，具体包括：

获取收信机当前工作频率下的机内噪声信号；

对机内噪声信号进行频谱搬移和抽取滤波处理；

对抽取滤波后的信号进行频域变换，获取信号的谱能量分布；

对信号的谱能量分布进行均值滤波；

对均值滤波后的谱能量进行排序；

根据排序后的谱能量计算出底噪校正系数。

7.根据权利要求5所述的一种民航甚高频收信机鲁棒性静音方法，其特征在于：所述获取场强校正系数，具体包括：

获取收信机接收的校准信号；

获取所述校准信号中载波信号的能量；

根据所述校准信号中载波信号的能量、收信机的射频信道增益系数以及底噪校正系数计算出收信机的场强校正系数。

8.根据权利要求1所述的一种民航甚高频收信机鲁棒性静音方法，其特征在于：所述步骤(5)中，对均值滤波后的谱能量只对其中有用带宽内进行排序，所述有用宽带是指接收机的接收带宽，即保证解调信号带宽指标满足《MH/T4001.1‐2016甚高频地空通信地面系统第1部分：语音通信系统技术规范》中关于6dB音频带宽相关指标要求。

9.根据权利要求1所述的一种民航甚高频收信机鲁棒性静音方法，其特征在于：所述步骤(6)中，根据排序后的谱能量计算出信噪比，具体包括：

计算时变的噪声能量；

计算有用信号能量；

将有用信号能量与噪声能量的比值作为信噪比，具体求解过程如下：

设定噪声置信点p(0<p<1)和噪声置信数量num，则估计的噪声能量定义为

其中k取四舍五入后的正整数；

若则

若则

X(k)的最大值定义为有用信号与噪声能量之和

P_I＝(max[X(k)])²

其中，max[·]定义为求最大值运算；

所述有用信号能量定义为

P_s＝P_I-P_N

估计的信噪比定义为

其中，ρ_adj为信噪比调整系数，信噪比调整系数依据工程经验预设，或者通过校准收信机获取。

10.根据权利要求1所述的一种民航甚高频收信机鲁棒性静音方法，其特征在于：所述步骤(7)中，信号的场强、信噪比满足静音条件，具体包括：

当所述接收信号的场强小于场强门限或所述接收信号的信噪比参数小于信噪比门限时，判定满足静音条件。