CN112953578B - 地空通信自适应射频干扰对消器的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了地空通信自适应射频干扰对消器的优化方法，涉及甚高频通信领域，解决了复杂电磁环境下，干扰、噪声，以及不同波道的差异对甚高频地空通信场合射频干扰对消性能的影响问题。本发明包括将地空通信自适应射频干扰对消器中耦合器的输出经过功分器处理，分成两路残差信号，两路残差信号与电桥2的两路信号输入到两个相关器进行相关运算，相关运算的结果进行自适应控制处理获得两个更新权值，通过两个更新权值对电桥1的相位进行调整。本发明提高了自适应干扰对消的抗噪声和抗干扰能力，提升了干扰对消的效果，进一步提升了干扰对消性能。

Description

地空通信自适应射频干扰对消器的优化方法

技术领域

本发明涉及甚高频通信，具体涉及地空通信自适应射频干扰对消器的优化方法。

背景技术

在民航甚高频地面通信站，塔台，飞机驾驶舱等甚高频地空通信场合，通常存在多部电台或其他无线电设备同时工作的场景，受制于以上场合的面积，天线的架设往往比较密集，大功率发射天线，邻道发射或者同频发射天线对接收天线产生强烈的干扰，这种干扰被称为共址干扰或者共场地干扰，若不采用措施抑制这类干扰，将会导致可利用频点减少，系统内各链路间兼容性差，设备性能下降甚至失效。

目前解决甚高频地空通信共址干扰的工程应用方法主要是依靠改变天线布局和滤波器滤波两种方式。改变天线布局往往受到工作站面积问题具有局限性，滤波器滤波仅能解决带外的干扰问题，并且由于滤波器的通带较宽，对于邻道的大功率抑制效果往往较差。

如图1射频干扰对消原理框图中所示的射频干扰对消器，可以抑制本地发射机对接收机的强信号干扰，其基本原理是从本地发射机天线端取得一个与接收到的干扰信号相关的参考信号，通过对取样参考信号的幅度和相位控制使之与干扰信号相等，然后通过干扰抵消器内的合成器完成对干扰的抵消，进而达到消除干扰的目的。

目前，个别大学已经有了一些应用于其它领域的射频干扰对消器的理论研究成果，但是这些理论研究成果都没有能够在甚高频地空通信领域得到工程应用，还存在一些工程应用问题。

一方面，甚高频地空通信场合往往电磁环境比较复杂，噪声比较大，干扰比较严重，会影响射频干扰对消器的对消比、对消时间和对消稳定性；

另一方面，如图2射频干扰对消器内部框图所示，通过相关器进行误差检测时，相关器的一端是电桥2输出的正交信号，相关器的另一端是电桥1输出的正交信号经过幅度相位调整、矢量合成、对消处理、功分处理等处理后的信号，不同电桥带来的相位差异，处理延迟带来的相位变化，不同波道的信号经过电桥后的相位差异都会导致相关器两端信号的相位不同步，这会直接影响到误差检测的准确性，从而影响射频干扰对消器的对消比、对消时间和对消稳定性。

另外，民航甚高频地空通信的工作频率为118MHz～135.975MHz，波道间隔为25kHz或者8.33kHz，最多可能有3358个波道，而不同波道的信号经过电桥后的相位变化存在差异，使得相位不同步的情况会进一步恶化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：复杂电磁环境下，干扰、噪声对甚高频地空通信场合射频干扰对消性能的影响，不同电桥带来的相位差异，处理延迟带来的相位变化，不同波道的信号经过电桥后的相位差异都会导致第二相关器两端信号的相位不同步，这会直接影响到误差检测的准确性，从而影响地空通信自适应射频干扰对消器的对消比、对消时间和对消稳定性。本发明提供了解决上述问题的地空通信自适应射频干扰对消器的优化方法。

本发明通过下述技术方案实现：

对于射频干扰对消器的工作原理的缺陷，通过相关器进行误差检测时，相关器的一端是电桥2输出的正交信号，相关器的另一端是电桥1输出的正交信号经过幅度相位调整、矢量合成、对消处理、功分处理等处理后的信号，不同电桥带来的相位差异，处理延迟带来的相位变化，不同波道的信号经过电桥后的相位差异都会导致相关器两端信号的相位不同步，这会直接影响到误差检测的准确性，从而影响射频干扰对消器的对消比、对消时间和对消稳定性；本发明中，首先，参考信号s(n)经过第一功分器分为两路信号，记为s₁(n)、s₂(n)；接着电桥1将一路信号s₁(n)进行正交变换，输出两路正交信号，记为x₁(n)、y₁(n)，电桥2将另一路信号s₂(n)进行正交变换，输出记为x₂(n)、y₂(n)；然后正交信号x₁(n)、y₁(n)经过幅度相位调整器与当前权值系数w₁(n)、w₂(n)进行相乘，并进入矢量合成器合成为新的信号，记为s₃(n)；然后由耦合器完成合成信号s₃(n)与接收信号r(n)的抵消工作，输出残差信号，记为e(n)；然后将残差信号e(n)与另一路正交信号x₂(n)、y₂(n)送入第二相关器进行相关运算，相关结果记为R₁(n)、R₂(n)；最后，相关结果被送入信号处理模块，并由自适应控制处理进行自适应计算，得到新的权值系数w₁(n+1)、w₂(n+1)，再次送入幅度相位调整器中。

地空通信自适应射频干扰对消器包括导入参考信号的第一功分器，包括接收耦合器输出残差信号的第二功分器，包括接收信号处理模块输出权值I和权值Q的幅度相位调整器，幅度相位调整器包括幅度相位调整器Q和幅度相位调整器I；

还包括与第一功分器连接的两个电桥，分别为电桥1和电桥2，电桥1连接幅度相位调整器I，输入权值I至幅度相位调整器I，电桥1连接幅度相位调整器Q，输入权值Q至幅度相位调整器Q，幅度相位调整器I与幅度相位调整器Q输出进行矢量合成导出合成信号至用于接收接收信号的耦合器，耦合器输出残差信号至第二功分器，第二功分器输出两路信号至相关器I和相关器Q；

电桥2输出的信号接入相关器I和相关器Q，相关器I导出相关值I，相关器Q导出相关值Q；

相关值I和相关值Q输入至信号处理模块，经自适应控制处理后输出权值I和权值Q；

自适应控制处理是指依据相关器输出的相关值进行相关运算后输出两个更新后的权值用于自适应调整幅度相位调整器；

地空通信自适应射频干扰对消器的优化方法，包括如下步骤：

将地空通信自适应射频干扰对消器中耦合器的输出经过第二功分器处理，分成两路残差信号，两路残差信号与电桥2的两路信号输入到两个相关器进行相关运算，相关运算的结果经过自适应控制处理获得两个更新权值，两个更新权值，分别用于调整权值Q与权值I；

所述电桥1和电桥2为输入地空通信自适应射频干扰对消器的参考信号经过第一功分器输出的两路信号的接收电桥；

进一步地，其中权值更新的计算方法为：

其中，μ为更新因子。

进一步地，自适应控制处理的详细步骤如下：

对相关器输出的相关值依次进行自适应噪声消除、异值点剔除、自适应相位补偿和权值系数更新；

在复杂电磁环境下，一旦有干扰串进地空通信自适应射频干扰对消器的射频信号中，地空通信自适应射频干扰对消器内部的相关器输出的相关值很容易会出现异值，而这些异值点会直接影响权值系数w₁(n)、w₂(n)的计算，因此设置权值系数的更新包括一次判决，详细步骤如下：

步骤A、将当次相位与自适应因子相乘，并与当次权值相加得到新的权值，新的权值为更新权值，并进行判决；

步骤B、判决为基于干扰异值剔除方法的相关运算结果判断，对连续的2^2N个相关结果R₁(n)进行统计平均，平均值记为E，然后根据平均值判断该2^2N个点中的异值点；判断依据为：|R1(n)|＞N*E；另一路R₂(n)处理方法与R₁(n)类似，在本领域技术人员可以理解的情况下，此处不再赘述。

当判断结果为是，则结束当次自适应控制处理，否则继续执行步骤A。

由于设备本身底噪和环境噪声会对地空通信自适应射频干扰对消器的对消比、对消时间和对消稳定性造成一定的影响，还包括当耦合器接收到非有效信号时，对相关器输出的相关值进行自适应噪声消除，具体步骤如下：

当耦合器的接收信号端口接收到非有效信号时，首先统计耦合器上电复位结束后X时间内接收信号端口数据的均值，记为E₀，此时接收信号端口数据为底噪和环境噪声数据，结束后当下一段接收信号端口有效信号输入时，耦合器采用接收信号端口实时采集到的接收信号数据减去E₀，得到消除后的接收有效信号输入数据，X为一预设时间。

优选的，N的取值包括但不限于5。

优选的，X的取值包括但不限于3us。

射频模块采用两个电桥对参考信号进行正交分解，电桥1输出的信号直接送到相关器进行误差检测，而电桥2输出的信号通过幅度相位调整、矢量合成、对消处理、功分处理等处理后才送往相关器，相关器两端的信号相位不一致，不同波道的情况还不一样，从而影响到了对消性能，由于相关器两端的相位差无法准确预知，因此还包括对相位的自适应补偿方法，具体为：对[0,2π]范围相位进行遍历查找，最终使得相关器两端信号的相位同步，详细步骤如下：

首先对连续的1024个相关结果进行累加求和，并记为M1；接着对后续的1024个相关结果进行累加求和，并记为M2；然后判断M1和M2，当连续三次满足M1>M2时，表明干扰信号幅度在降低，信号强度在逐渐减弱，对消有效；否则对消无效，遍历下一个相位；

对对消无效的相位进行相位补偿，相位补偿的具体计算实现如下公式：

其中：R₁、R₂为相关结果；θ为补偿相位；

为相位补偿后的相关结果。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明通过对噪声的自适应消除，提高了自适应干扰对消的抗噪声能力，提升了干扰对消的效果；通过异值点剔除和自适应相位补偿，补偿了不同电桥差异性和信号处理延迟带来的相位误差，以及不同波道的信号经过电桥后的相位差异，从而进一步提升了干扰对消性能，以及地空通信自适应射频干扰对消器对民航甚高频地空通信不同波道的自适应能力。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的射频干扰对消原理框图。

图2为本发明的地空通信自适应射频干扰对消器内部框图。

图3为本发明的自适应处理流程图。

图4为本发明的自适应噪声消除流程图。

图5为本发明的自适应相位补偿方法流程图。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

对于射频干扰对消器的工作原理的缺陷，通过相关器进行误差检测时，相关器的一端是电桥2输出的正交信号，相关器的另一端是电桥1输出的正交信号经过幅度相位调整、矢量合成、对消处理、功分处理等处理后的信号，不同电桥带来的相位差异，处理延迟带来的相位变化，不同波道的信号经过电桥后的相位差异都会导致相关器两端信号的相位不同步，这会直接影响到误差检测的准确性，从而影响射频干扰对消器的对消比、对消时间和对消稳定性；本发明中，首先，参考信号s(n)经过第一功分器分为两路信号，记为s₁(n)、s₂(n)；接着电桥1将一路信号s₁(n)进行正交变换，输出两路正交信号，记为x₁(n)、y₁(n)，电桥2将另一路信号s₂(n)进行正交变换，输出记为x₂(n)、y₂(n)；然后正交信号x₁(n)、y₁(n)经过幅度相位调整器与当前权值系数w₁(n)、w₂(n)进行相乘，并进入矢量合成器合成为新的信号，记为s₃(n)；然后由耦合器完成合成信号s₃(n)与接收信号r(n)的抵消工作，输出残差信号，记为e(n)；然后将残差信号e(n)与另一路正交信号x₂(n)、y₂(n)送入相关器进行相关运算，相关结果记为R₁(n)、R₂(n)；最后，相关结果被送入信号处理模块，并由自适应控制处理进行自适应计算，得到新的权值系数w₁(n+1)、w₂(n+1)，再次送入幅度相位调整器中。

地空通信自适应射频干扰对消器的优化方法，如图1-5所示，本发明方法基于上述的技术环节，进行步骤如下：

将地空通信自适应射频干扰对消器中耦合器的输出经过第二功分器处理，分成两路残差信号，两路残差信号与电桥2的两路信号输入到两个相关器进行相关运算，相关运算的结果进行自适应控制处理获得两个更新权值，两个更新权值，分别用于调整权值Q与权值I；

所述电桥1和电桥2为输入地空通信自适应射频干扰对消器的参考信号经过第一功分器输出的两路信号的接收电桥。

进一步地，其中权值更新的计算方法为：

其中，μ为更新因子。

进一步地，自适应控制处理的详细步骤如下：

对相关器输出的相关值依次进行自适应噪声消除、异值点剔除、自适应相位补偿和权值系数更新；

在复杂电磁环境下，一旦有干扰串进地空通信自适应射频干扰对消器的射频信号中，地空通信自适应射频干扰对消器内部的相关器输出的相关值很容易会出现异值，而这些异值点会直接影响权值系数w₁(n)、w₂(n)的计算，因此设置权值系数的更新包括一次判决，详细步骤如下：

步骤A、将当次相位与自适应因子相乘，并与当次权值相加得到新的权值，新的权值为更新权值，并进行判决；

步骤B、判决为基于干扰异值剔除方法的相关运算结果判断，对连续的2^2N个相关结果R₁(n)进行统计平均，平均值记为E，然后根据平均值判断该2^2N个点中的异值点；判断依据为：|R₁(n)|＞N*E；另一路R₂(n)处理方法与R₁(n)类似，在本领域技术人员可以理解的情况下，此处不再赘述。

当判断结果为是，则结束执行当次自适应控制处理，否则继续执行步骤A。

由于设备本身底噪和环境噪声会对地空通信自适应射频干扰对消器的对消比、对消时间和对消稳定性造成一定的影响，还包括当耦合器接收到非有效信号时，对相关器输出的相关值进行自适应噪声消除，具体步骤如下：

当耦合器的接收信号端口接收到非有效信号时，首先统计耦合器上电复位结束后X时间内接收信号端口数据的均值，记为E₀，此时接收信号端口数据为底噪和环境噪声数据，结束后当下一段接收信号端口有效信号输入时，耦合器采用接收信号端口实时采集到的接收信号数据减去E₀，得到消除后的接收有效信号输入数据，X为一预设时间。

优选的，N的取值包括但不限于5。

优选的，X的取值包括但不限于3us。

射频模块采用两个电桥对参考信号进行正交分解，电桥1输出的信号直接送到相关器进行误差检测，而电桥2输出的信号通过幅度相位调整、矢量合成、对消处理、功分处理等处理后才送往相关器，相关器两端的信号相位不一致，不同波道的情况还不一样，从而影响到了对消性能，由于相关器两端的相位差无法准确预知，因此还包括对相位的自适应补偿方法，具体为：对[0,2π]范围相位进行遍历查找，最终使得相关器两端信号的相位同步，详细步骤如下：

首先对连续的1024个相关结果进行累加求和，并记为M1；接着对后续的1024个相关结果进行累加求和，并记为M2；然后判断M1和M2，当连续三次满足M1>M2时，表明干扰信号幅度在降低，信号强度在逐渐减弱，对消有效；否则对消无效，遍历下一个相位；

对对消无效的相位进行相位补偿，相位补偿的具体计算实现如下公式：

其中：R₁、R₂为相关结果；θ为补偿相位；

为相位补偿后的相关结果。

通过对噪声的自适应消除，提高了自适应干扰对消的抗噪声能力，提升了干扰对消的效果；通过异值点剔除和自适应相位补偿，补偿了不同电桥差异性和信号处理延迟带来的相位误差，以及不同波道的信号经过电桥后的相位差异，从而进一步提升了干扰对消性能，以及地空通信自适应射频干扰对消器对民航甚高频地空通信不同波道的自适应能力。表1为部分波道的对消效果。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、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.地空通信自适应射频干扰对消器的优化方法，其特征在于，地空通信自适应射频干扰对消器包括导入参考信号的第一功分器，包括接收耦合器输出残差信号的第二功分器，包括接收信号处理模块输出权值I和权值Q的幅度相位调整器，幅度相位调整器包括幅度相位调整器Q和幅度相位调整器I；

还包括与第一功分器连接的两个电桥，分别为电桥1和电桥2，电桥1连接幅度相位调整器I，输入权值I至幅度相位调整器I，电桥1连接幅度相位调整器Q，输入权值Q至幅度相位调整器Q，幅度相位调整器I与幅度相位调整器Q输出进行矢量合成导出合成信号至用于接收接收信号的耦合器，耦合器输出残差信号至第二功分器，第二功分器输出两路信号至相关器I和相关器Q；

电桥2输出的信号接入相关器I和相关器Q，相关器I导出相关值I，相关器Q导出相关值Q；

相关值I和相关值Q输入至信号处理模块，经自适应控制处理后输出权值I和权值Q；

自适应控制处理是指依据相关器输出的相关值进行相关运算后输出两个更新后的权值用于自适应调整幅度相位调整器；

地空通信自适应射频干扰对消器的优化方法，包括如下步骤：

将地空通信自适应射频干扰对消器中耦合器的输出经过第二功分器处理，分成两路残差信号，两路残差信号与电桥2的两路信号输入到两个相关器进行相关运算，相关运算的结果经过自适应控制处理获得两个更新权值，两个更新权值，分别用于调整权值Q与权值I；

所述电桥1和电桥2为输入地空通信自适应射频干扰对消器的参考信号经过第一功分器输出的两路信号的接收电桥；

所述自适应控制处理的详细步骤如下：

对相关器输出的相关值依次进行自适应噪声消除、异值点剔除、自适应相位补偿和权值系数更新；

权值系数更新包括一次判决，详细步骤如下：

步骤A、将当次相位与自适应因子相乘，并与当次权值相加得到新的权值，新的权值为更新权值，并进行判决；

步骤B、判决为基于干扰异值剔除方法的相关运算结果判断，对连续的2^2N个相关结果R₁(n)进行统计平均，平均值记为E，然后根据平均值判断该2^2N个点中的异值点；判断依据为：|R₁(n)|＞N*E；

当判断结果为是，则结束当次自适应控制处理，否则继续执行步骤A。

2.根据权利要求1所述的地空通信自适应射频干扰对消器的优化方法，其特征在于，还包括当耦合器接收到非有效信号时，对相关器输出的相关值进行自适应噪声消除，具体步骤如下：

当耦合器的接收信号端口接收到非有效信号时，首先统计耦合器上电复位结束后X时间内接收信号端口数据的均值，记为E₀，此时接收信号端口数据为底噪和环境噪声数据，结束后当下一段接收信号端口有效信号输入时，耦合器采用接收信号端口实时采集到的接收信号数据减去E₀，得到消除后的接收有效信号输入数据，X为一预设时间。

3.根据权利要求1所述的地空通信自适应射频干扰对消器的优化方法，其特征在于，N的取值包括但不限于5。

4.根据权利要求2所述的地空通信自适应射频干扰对消器的优化方法，其特征在于，X的取值包括但不限于3us。

5.根据权利要求2所述的地空通信自适应射频干扰对消器的优化方法，其特征在于，还包括对相位的自适应补偿方法，具体为：对[0,2π]范围相位进行遍历查找，最终使得相关器两端信号的相位同步，详细步骤如下：

首先对连续的1024个相关结果进行累加求和，并记为M1；接着对后续的1024个相关结果进行累加求和，并记为M2；然后判断M1和M2，当连续三次满足M1>M2时，表明干扰信号幅度在降低，信号强度在逐渐减弱，对消有效；否则对消无效，遍历下一个相位；

对对消无效的相位进行相位补偿，相位补偿的具体计算实现如下公式：

其中：R₁、R₂为相关结果；θ为补偿相位；

为相位补偿后的相关结果。

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