CN112865822A - 一种用于模数混合调幅广播接收机的抗音频干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模数混合调幅广播接收机的抗音频干扰方法，其具体操作步骤为，在接收机对模数混合接收信号利用频谱分布差异初步滤除模拟音频信号后，该方法首先利用削波器对MPPSK数字调制信号的残余音频干扰进行有效限幅后，采用自适应滤波技术进一步滤除残余音频干扰，并进行中值滤波处理，然后将自适应滤波后的信号乘以相干载波并低通滤波，最后结合相应位同步算法进行支持向量机（SVM）判决。本发明极大消除了数字接收信号中的音频干扰，数字解调性能相对传统解调方法有了较大提高，且大幅降低了位同步要求，同时本发明的信号处理易于实现，可大大降低对硬件的需求。

Description

一种用于模数混合调幅广播接收机的抗音频干扰方法

技术领域

本发明属于数字广播通信系统领域，涉及数字通信与非线性信号处理技术，具体涉及一种用于模数混合调幅广播接收机的抗音频干扰方法。

背景技术

1、MPPSK传输体制

为了充分利用现有的大功率模拟AM广播发送设备和广播网络，应该兼容现行的保留载波的模拟双边带调幅（DSB-AM）传输系统。而DSB-AM信号由一个不含任何信息的正弦载波和上下两个含有相同调制信息的模拟边带组成，因此为了实现模拟与数字系统的同播，必须利用DSB-AM信号的载波进行数字调制。只要数字调制信息的功率谱（PSD）边带在模拟主信号的9kHz（以载频为中心±4.5 kHz）带宽内至少低于载波50dB，即可实现同播。我们把这种携带很低PSD边带数字信息的载波简称为“数字载波”，而为了产生“数字载波”，必须考虑能够保留正弦载波分量的数字调制技术。

传统的二元相移键控(BPSK)的码元“0”和“1”反相，完全抑制了 载波，虽有很好的解调性能，但理论上频谱利用率仅为1bps/Hz。而我 们曾发明的多元位置的相移键控(MPPSK：M-ary Phase Position Keying)调制则是一种调制区间非对称的调相技术，不仅保留了载波， 而且依靠多进制调制提升了频谱效率(见“多元位置相移键控调制和解 调方法”，发明专利号：ZL200710025202.1)。该发明采用的是对原始 MPPSK调制的一种简化和改进，其表达式如下：

其中，k＝0,1,…,M-1为发送的信息符号，有M＞2种取值，T为码元 周期；ω_c为载波角频率，T_c＝2π/ω_c为载波周期；0≤r_g＜1为符号保护间隔 控制因子，由M,K,N和r_g构成了改变信号带宽、传输效率和解调性能的 “调制参数”。

更重要的是，分析表明当r_g＝0时，如果满足：

N＝M·K (2)

则MPPSK信号PSD中的线谱可完全消除，对于同一频道的模拟 音频信号和邻近频道的其它广播电台信号的干扰，可以更低。

2、MPPSK/DSB-AM复合调制系统

基于数字载波思想和MPPSK调制，我们发明了“一种兼容中波模拟调幅广播的复合调制系统”（发明专利申请号：201310464224.3），即MPPSK/DSB-AM复合调制系统。该复合调制系统在保持原DSB-AM 广播信号体制不变的基础上，使用MPPSK 数字载波代替正弦载波去承载模拟广播信号的幅度调制。调制信号的幅度信息承载了音频信号，而相位信息则包含了数字信号，从而在现有的9kHz中波带宽内，同时传输了模拟与数字两路信号，大大提高了频谱利用率。

MPPSK/DSB-AM复合调制系统对于数字信息采用传统的相干解调：首先对接收到并经过下变频的中频复合调制信号进行相干检波（利用从接收信号中提取出的同频同相的相干载波，与接收信号相乘后再低通滤波）得到基带信号，然后在位同步脉冲的定位下对一个码元周期内的基带信号采样值进行匹配滤波判决或幅度积分判决，即可解调出数字调制信息。然而，该解调方法并未对MPPSK数字接收信号中混杂的模拟音频信号进行有效的处理，仍残留着较多的高低起伏的音频干扰，即使在很高的信噪比下，上述传统解调方法在不加信道编码时的解调误码率也仅趋于1%量级，一定程度制约了该模数混合调幅广播系统的推广应用。

3、数字通信中的抗干扰技术

由于通信的迅速发展，出现了成熟的抗干扰技术，例如：扩频技术、实时选频技术、跳频技术、高频自适应技术等等，对于本发明所涉及的模数混合调幅广播接收机，抗幅度起伏变化的模拟音频干扰一般采用限幅措施，利用干扰和有用信号的幅度在时域上的区别，借助限幅器的限幅特性来削弱干扰信号的幅度，这种限幅法发展成“宽—限—窄”抗干扰系统，该系统在限幅器之前利用宽带放大器放大脉冲干扰而又不把脉冲干扰展宽，在限幅器之后级联一个窄带滤波器，从频域进一步抑制脉冲干扰，但是限幅法本身不能克服抑制脉冲干扰和降低非线性拍频有害作用这一对矛盾，不利于随后的窄带滤波器抑制零频带干扰，同时，仅仅借助限幅器的特性削弱脉冲干扰的幅度，只要门限较低，虽然可以有限抑制脉冲干扰，但是处理后的接受信号中有用信号损失较大，不利于解调判决。本发明提出的抗干扰方法正好可以解决上述技术存在的不足，同时实现起来对硬件要求更低。

4、自适应滤波算法和中值滤波算法

自适应滤波算法，就是利用前一时刻已以获得的滤波器参数的结果，自动的调节现时刻的滤波器参数，以适应信号和噪声未知的或随时间变化的统计特性，从而实现最优滤波。自适应滤波器，它不需要关于输入信号的先验知识，计算量小，特别适用于实时处理。本发明主要采用的基于RLS自适应滤波算法，主要原理即输入信号x(n)通过参数可调数字滤波器后产生输出信号y(n)，将其与期望响应d(n)进行比较，形成误差信号e(n)，并以此通过某种自适应算法对滤波器参数进行调整，最终使e(n)的平方和最小。

中值滤波算法是一种非线性平滑技术，是基于排序统计理论的一种有效抑制散粒噪声的非线性信号处理技术，中值滤波的基本原理是把数字图像或时间数字序列中一点的值用其该点的一个邻域中各点值的中值代替，让该点周围的像素值接近的其真实值，从而消除孤立的噪声点。设在某一个时刻间窗口内的，信号样本为x(i-N)，…，x(i)，…，x(i+N)，其中x(i)为位于窗口中心的信号样本值。对这LN个信号样本值按从小到大的顺序排列序后，其中值在i处的样值，便定义为中值滤波的输出值。

5、SVM

SVM分类是针对线性可分情况进行分析，而对于线性不可分的情况，则通过非线性映射将低维输入空间线性不可分的样本转化到高维特征空间使其线性可分，从而使得在高维特征空间对样本的非线性特征进行线性分析成为可能。在小样本条件下，SVM在解决非线性问题时具有良好的泛化和高维处理能力以及解的稀疏特性，同时，SVM作为模式识别的分类工具，使得其在通信信号处理各个领域的应用已较为广泛，主要集中在数字调制方式识别和多用户检测等方面。

数字调制识别分为特征提取和分类两步，大多数方法在提取完特征（比如基于谱相关或者累积量）后将 SVM 用作分类器。多用户检测问题把多址干扰看作具有一定结构的有效信息，在接收信号已知情况下，检测出目标用户所发送的信号。无噪声情况下线性 SVM收敛于线性最小均方误差接收机，并通过采用非线性高斯核函数，使检测性能接近最优的最大似然估计接收机。

而本发明同样是把SVM作为分类器处理非线性问题，利用各种滤波算法去除模拟音频干扰和噪声对MPPSK数字调制信号的影响后，根据MPPSK信号波形之间的特征送入SVM判决器直接进行解调输出。

发明内容

为克服现有技术中的不足，本发明旨在提出一种用于模数混合广播系统接收机的抗音频干扰方法，可有效抑制MPPSK数字接收信号中的残留音频干扰信号，提升数字信号传输性能，并大幅降低了位同步要求。

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：

一种用于模数混合调幅广播接收机的抗音频干扰方法，在接收机利用频谱分布差异对模数混合接收信号初步滤除模拟音频信号后，继续进行以下处理步骤：

步骤1）利用削波器对MPPSK数字调制信号的残余音频干扰进行有效限幅；

步骤2）对削波后的MPPSK数字调制信号进行自适应滤波处理；

步骤3）对自适应滤波后的MPPSK数字调制信号进行中值滤波处理；

步骤4）将中值滤波后的MPPSK数字调制信号乘以相干载波并进行低通滤波；

步骤5）在位同步指导下，对相干低通处理后的MPPSK数字调制信号进行SVM分类判决以解调出发送码元。

进一步的，步骤1）中，消波所采用的限幅器的阈值为所述MPPSK数字调制信号波形最大值的2倍。

进一步的，步骤2）中，所述自适应滤波器采用基于最小二乘准则的RLS算法，以最小化误差信号为目的在训练和跟踪时选择恰当的补偿因子、滤波器阶数及训练码元数据。

进一步的，步骤3）中，基于最小化绝对误差和最大化抑制窗内音频干扰的原则，在进行所述中值滤波处理时需要选择合理的窗长，一般取值为20-30。

进一步的，步骤5）中，所述 SVM分类器采用低复杂度的RBF核函数，利用该核函数将线性不可分的码元数据映射到接收码元数据能线性可分的高维空间；同时，在对所述SVM分类器采用部分训练数据得到相关参数后再对剩余码元进行判决输出。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明可实时将解调位置限定在一个可控范围之内，进而就可以减少发送端信号通过成型滤波约束带宽引起的码间干扰导致对码元位置的延迟。

2、本发明所采用的SVM判决是对一个码元周期内全部采样的批处理，甚至是对n个码元周期内全部采样的一次性联合判决，只要输入码元信息的特征比较明显，利用码元波形的差异性，就可以准确判决，对采样同步和位同步的精度要求远低于幅度判决、匹配滤波等传统解调方法。

3、相比传统的抗干扰技术，本发明利用自适应滤波和SVM技术，充分学习和利用了音频干扰下MPPSK数字调制信号波形的整体特征及内在信息，有效抑制了高斯白噪声，大幅降低了干扰的随机性，与只是简单利用幅度信息的门限判决和传统匹配滤波判决相比，大幅提升了解调性能，而且音频信号干扰越严重，相比于传统解调方法的优势越大。

4、本发明在接收端所涉及的消波、自适应滤波以及中值滤波处理，易于实现，可大大降低对硬件的要求，节约资源。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1（a）是本发明采用的MPPSK/DSB-AM模数混合调幅广播接收机系统的处理流程图。

图1（b）是本发明用于模数混合调幅广播接收机的抗音频干扰方法的原理框图。

图2是模拟音频信号、MPPSK数字调制信号及MPPSK/DSB-AM模数混合信号的时域波形。

图3是本发明在接收端采用消波的输出信号波形。

图4是本发明经过自适应滤波和和中值滤波处理后的输出信号波形。

图5是本发明经过相干低通处理后的输出信号波形。

图6是本发明送入SVM分类器之前的MPPSK调制信号眼图。

图7是本发明的SVM判决解调方法和经典解调方法的误码率曲线对比图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。此处所作说明用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

参见图1（a）所示，一种用于模数混合调幅广播接收机的抗音频干扰方法，在接收机利用频谱分布差异对模数混合接收信号初步滤除模拟音频信号后，继续进行以下处理步骤：

步骤1）利用削波器对MPPSK数字调制信号的残余音频干扰进行有效限幅；

其中，消波所采用的限幅器的阈值为所述MPPSK数字调制信号波形最大值的2倍；

步骤2）对削波后的MPPSK数字调制信号进行自适应滤波处理；

其中，所述自适应滤波器采用基于最小二乘准则的RLS算法，以最小化误差信号为目的在训练和跟踪时选择恰当的补偿因子、滤波器阶数及训练码元数据；

步骤3）对自适应滤波后的MPPSK数字调制信号进行中值滤波处理；

其中，基于最小化绝对误差和最大化抑制窗内音频干扰的原则，在进行所述中值滤波处理时需要选择合理的窗长，一般取值为20-30；

步骤4）将中值滤波后的MPPSK数字调制信号乘以相干载波并进行低通滤波；

步骤5）在位同步指导下，对相干低通处理后的MPPSK数字调制信号进行SVM分类判决以解调出发送码元；

其中，所述 SVM分类器采用低复杂度的RBF核函数，利用该核函数将线性不可分的码元数据映射到接收码元数据能线性可分的高维空间；同时，在对所述SVM分类器采用部分训练数据得到相关参数后再对剩余码元进行判决输出。

本发明的用于模数混合调幅广播接收机的抗音频干扰方法的应用如下：

1、MPPSK/DSB-AM模数混合调幅广播发射机

1）MPPSK调制参数的选择

根据本说明书背景技术中有关“MPPSK传输体制”的内容所述，在选择MPPSK调制参数时应该尽量满足式（2），即取

和，这样可完全消除MPPSK已调信号功率谱中的离散线谱，对于同一频道的模拟音频信号和邻近频道的其它广播电台信号的干扰，可以更低。

考虑到我国中波调幅频段的发射载频规定为531kHz～1602kHz，因此为说明问题，本实施例取其频段中段的北京台kHz，并取

、、，此时MPPSK调制的符号率为，前述须超过音频信号最高频率4.5kHz的要求得到满足，而传输码率则高达。因此，即使将来在实际应用中拿出一半码率进行信道编码，以进一步保证系统的可靠性，我们仍可得到约21.8kbps的净码率用于传输数据。

2）音频信号的DSB-AM调制

由于所述MPPSK已调信号是类似于正弦波的恒包络信号，因此，仿真时对于模拟音频信号MPPSK/DSB-AM复合调制的实现，只需在音频信号中加入直流分量后与MPPSK已调信号相乘并保留全部频率分量即可。加入直流分量是为了仿真时避免音频信号的过调幅，且加入的直流分量越大，MPPSK/DSB-AM已调信号中的载波分量越强，而该直流分量在实际的调幅广播发射机中就是其调制级的直流偏置电平，而调幅指数可以通过调幅因子来调节。本实施例中控制音频信号的绝对峰值为所加直流分量幅度的90%。乘法器输出的复合调制信号经广播发射机功率放大器放大和滤波后，即可送至发射塔（天线）上对外发射。

参见图2所示，图2分别给出了取上述调制参数得到的模拟音频信号、MPPSK数字调制信号及MPPSK/DSB-AM模数混合信号的时域波形。

2、MPPSK/DSB-AM模数混合调幅广播接收机

本发明所提出的用于模数混合调幅广播接收机的抗音频干扰方法的处理流程图如图1（a），有关接收机的具体工作过程已在前面“兼容调幅广播的复合调制系统的解调器”中阐述，在此重点给出并详细说明利用该抗干扰方法，从模数混合信号中初步分离出的MPPSK调制信号中进一步消除模拟音频信号干扰，解调出原始数据码流的过程。

本发明的抗音频干扰方法的原理框图如图1（b），在接收机利用频谱分布差异对模数混合接收信号初步滤除模拟音频信号后，需要将接收到的信号进行限幅处理，即采用消波处理，然后进行自适应滤波处理，消除残余的模拟音频干扰和噪声干扰，相干低通取包络之后便可根据波形特征输入SVM判决输出并完成解调。具体步骤如下：

1）接收端接收到MPPSK数字调制信号时，由于音频干扰的幅度起伏较大，首先需要对其进行削波限幅，经大量仿真试验，最优方案为，该限幅器的阈值设置为调制波形的最大值的2倍，如图3所示；

2）此后输出波形依旧含音频干扰和噪声，它们总体分布趋于平缓，随机性大大降低，因此可以利用RLS算法对该MPPSK数字接收信号进行自适应滤波处理，基于最小二乘准则，以最小化误差信号为目的在训练和跟踪时选择恰当的步长、补偿因子、滤波器阶数及训练码元数据，在对部分码元进行训练得到合理的滤波器参数后，即可用训练好的滤波器参数来对接收到的MPPSK数字接收信号进行滤波处理；

3）然后，对该MPPSK数字接收信号进行中值滤波处理，以最小化绝对误差和最大化抑制窗内音频干扰为原则，在进行所述中值滤波处理时需要选择合理的窗长，一般取值为20-30，才能有效抑制落该窗之内的音频干扰，此时波形总体特征与发送端信号差异性不大，说明上述处理对噪声和干扰抑制明显，经步骤2）和3）后的输出波形如图4所示；

4）接着对该MPPSK数字接收信号进乘以相干载波后再低通滤波，从高频信号转化为基带信号，如图5所示；

5）经上述处理后的该MPPSK数字接收信号的眼图特征较为明显，如图6所示，虽然可以用匹配解调或者幅度判决解调，但有少组码元依然具有随机性，因此很难精准取得位同步位置，而SVM判决只需要输入码元的主要特征，并不需要实时取得位同步位置，因此完全可以解决残余音频干扰和噪声随机性带来的不确定性；本发明的 SVM分类器采用低复杂度的RBF核函数，在对所述SVM分类器采用部分训练数据得到相关参数后再对剩余码元进行判决输出。

图7表示本发明的SVM判决解调方法和经典解调方法的误码率曲线对比图，从图7可以看出，由于模拟音频信号的干扰，导致了即使在高信噪比下，匹配滤波器判决和幅度积分判决的误码率均达不到量级，但本发明的抗音频干扰处理算法，可有效抑制MPPSK数字接收信号中的残余音频信号干扰、大幅降低噪声的随机性，对多进制的MPPSK码元波形做出正确分类，将解调误码率降至量级。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于模数混合调幅广播接收机的抗音频干扰方法，其特征在于，在接收机利用频谱分布差异对模数混合接收信号初步滤除模拟音频信号后，进行如下处理步骤：

步骤1）利用削波器对MPPSK数字调制信号的残余音频干扰进行有效限幅；

步骤2）对削波后的MPPSK数字调制信号进行自适应滤波处理；

步骤3）对自适应滤波后的MPPSK数字调制信号进行中值滤波处理；

步骤4）将中值滤波后的MPPSK数字调制信号乘以相干载波并进行低通滤波；

步骤5）在位同步指导下，对相干低通处理后的MPPSK数字调制信号进行SVM分类判决以解调出发送码元。

2.根据权利要求1所述的用于模数混合调幅广播接收机的抗音频干扰方法，其特征在于：步骤1）中，消波所采用的限幅器的阈值为所述MPPSK数字调制信号波形最大值的2倍。

3.根据权利要求1所述的用于模数混合调幅广播接收机的抗音频干扰方法，其特征在于：步骤2）中，所述自适应滤波器采用基于最小二乘准则的RLS算法，以最小化误差信号为目的在训练和跟踪时选择恰当的补偿因子、滤波器阶数及训练码元数据。

4.根据权利要求1所述的用于模数混合调幅广播接收机的抗音频干扰方法，其特征在于：步骤3）中，基于最小化绝对误差和最大化抑制窗内音频干扰的原则，在进行所述中值滤波处理时应选择合理的窗长，所述窗长取值为20-30。

5.根据权利要求1所述的用于模数混合调幅广播接收机的抗音频干扰方法，其特征在于：步骤5）中，所述 SVM分类器采用低复杂度的RBF核函数，利用该核函数将线性不可分的码元数据映射到接收码元数据能线性可分的高维空间；同时，在对所述SVM分类器采用部分训练数据得到相关参数后再对剩余码元进行判决输出。

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