基于双通道的民航地空通信持续干扰抑制方法及系统的制作方法
【专利摘要】一种基于双通道的民航地空通信持续干扰抑制方法及系统，包括：将通过双天线阵列接收的两路甚高频信号转化为中频数字信号；对模数转换后的两路数字信号进行滤波抽取；对滤波抽取后的信号进行正交变换，将实信号变为复信号；将变换后的复信号送入监视模块进行判断，判断信号中是否仅有干扰，若仅有干扰则将仅有干扰的复信号送入加权矢量计算模块进行自适应加权矢量计算；否则使用自适应加权矢量计算得到的加权矢量对变换后的复信号进行波束形成；对干扰抑制后的信号进行解调，再经低通滤波器滤除高频杂波，最后进行D/A转换输出清晰的音频信号。本发明对干扰无恒模特性的要求，避免了恒模阵列误捕获以及避免误捕获而带来的运算复杂问题。
【专利说明】基于双通道的民航地空通信持续干扰抑制方法及系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种民航地空通信持续干扰抑制方法及系统。特别是涉及一种能够提 高民航地空通信质量，保障飞行安全的基于双通道的基于双通道的民航地空通信持续干扰 抑制方法及系统。
【背景技术】
[0002] 民航VHF (甚高频）地空通信在空中交通管理系统中担任重要角色，管制员和飞行 员之间的通信主要靠它来进行，其稳定性和可靠性直接影响着飞行安全。VHF地空通信电台 采用DSB-AM(带载波双边带幅度调制）、半双工通信的工作方式，工作频率范围为118. OMHz 至136. 975MHz，波道间隔为25KHz，可提供760个通信信道，这些信道可以在广阔的地域内 复用。由于国外无线电管理制度极其严格，空管无线电干扰问题不突出，所以他们生产的 VHF地空通信设备都没有考虑抗干扰问题。但在国内随着近年来我国民航企业以及电信事 业的迅猛发展，民航无线电专用频率受干扰的程度也随之呈现上升趋势。就干扰源来看，主 要有寻呼台发射机、大功率无绳电话、乡村的调频广播电台、车载电台等。这些干扰持续时 间长，在管制员飞行员通话中对地空通信造成严重干扰。目前，民航一般采用改频、监测和 清查等被动的非技术手段，不能从根本上解决问题，无线电干扰已经成为影响民航飞行安 全的重大危险源之一。
[0003] 专利CN200710057266的公开说明书中，提出了针对恒模干扰信号的基于单通道 的民航地空通信自适应干扰抑制方法及系统，基于现有电台结构，利用恒模算法提取恒模 干扰信号实施自适应干扰对消，最终解调输出地空通信信号。而专利CN200710059767的公 开说明书中，提出了类似的针对恒模干扰信号的自适应干扰抑制系统，主要区别在于使用 了非线性最小二乘方法估计恒模干扰信号，和减法器代替自适应干扰对消。两者都结构简 单，但是仅能对付恒模干扰信号。
[0004] 专利CN200710057267提出了一种基于盲信号提取的民航地空通信干扰抑制方法 及系统，基于双通道结构，利用盲信号提取和消减的技术进行干扰抑制。它能针对任意形式 的干扰信号，但是盲信号提取和消减技术基于高阶统计量，计算复杂，且存在输出信号顺序 不确定性问题，较难保证干扰抑制效果。
[0005] 专利CN200710057268提出了一种基于恒模阵列的民航地空通信干扰抑制方法及 系统，基于双通道结构，利用恒模阵列提取恒模干扰，并利用自适应对消技术对已提取的恒 模干扰信号进行抑制。专利CN200810052084对恒模阵列的输出信号进行判断，由输出信号 的属性来执行相应动作，解决了恒模阵列的误捕获问题。而专利CN200810052085则首先对 受干扰的信号进行载波陷波，然后再进行恒模干扰信号提取对消，从另一方面解决了恒模 阵列的误捕获问题。这三个专利都基于恒模阵列的思想，只能抑制具有恒定包络的干扰信 号，同时计算复杂，存在收敛问题，较难保证干扰抑制效果。
[0006] 地空通信是单双工通信，有用信号时有时无，而能对地空通信造成影响的干扰一 般认为是持续存在的，否则难以对地空通信造成干扰，利用此性质可以设计出一简单有效 的干扰抑制系统。
【发明内容】
[0007] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种在利用民航地空通信中信号的窄带特点 将实际的卷积瞬时混合模型转简化为线性瞬时混合模型的前提下，提供一种基于双通道的 民航地空通信持续干扰抑制方法及系统。利用干扰持续存在、而有用信号一地空通信信号 断续进行的实际通信特点，来实现对民航地空通信中任意形式的持续干扰的自适应抑制， 提高通信质量。
[0008] 本发明所采用的技术方案是：一种基于双通道的民航地空通信持续干扰抑制方 法，包括以下步骤：
[0009] (1)将通过双天线阵列接收的两路甚高频信号转化为中频数字信号；
[0010] (2)对模数转换后的两路数字信号进行滤波抽取；
[0011] (3)对滤波抽取后的信号进行正交变换，将实信号变为复信号；
[0012] (4)将变换后的复信号送入监视模块进行判断，判断信号中是否仅有干扰，若仅有 干扰则进行步骤5 ;否则进行步骤6 ;
[0013] (5)将仅有干扰的复信号送入加权矢量计算模块进行自适应加权矢量计算；
[0014] (6)使用步骤5得到的加权矢量对步骤4的输出信号进行波束形成，得到干扰抑制 后的信号；
[0015] (7)对步骤6输出的干扰抑制后的信号进行解调，再经低通滤波器滤除高频杂波， 最后进行D/A转换输出清晰的音频信号。
[0016] 步骤1)所述的将甚高频信号转化为中频数字信号是通过低噪声放大器、三级混 频器及自动增益控制电路完成的。
[0017] 步骤4)所述的将变换后的复信号送入监视模块进行判断是利用两路信号协方差 矩阵的特征值进行是否仅有干扰判断，包括如下步骤：先将两路实信号分别进行处理得到 两路复信号X hl和Xh2 ;计算两路信号协方差矩阵特征值的比值；判断此比值是否大于阈值； 大于阈值则进入步骤5);否则进入步骤6)。
[0018] 步骤5)所述的加权矢量计算是利用仅存在持续干扰时的两路信号协方差矩阵估 计的特征向量来构造相应的自适应加权矢量。
[0019] 步骤6)所述的波束形成是利用计算得到的自适应加权矢量进行波束形成从而抑 制持续干扰。
[0020] 一种使用基于双通道的民航地空通信持续干扰抑制方法的系统，包括有接收信号 的双天线阵列；对双天线阵列所接收的信号进行信号处理且依次相连的射频处理组、模/ 数转换组、数字下变频组、正交变换组以及对正交变换组输出的数字信号进行属性判别的 监视模块；所述监视模块的输出端连接用于对监视模块输出的仅有干扰的信号进行加权矢 量计算的加权矢量计算模块；所述加权矢量计算模块和监视模块的输出端均连接用于对监 视模块输出信号进行干扰抑制的波束形成模块；所述的波束形成模块输出端连接对波束形 成模块输出的干扰抑制后信号进行解调的解调器；解调器的输出连接数/模转换器，数/模 转换器的输出端连接音频输出。
[0021] 所述的双天线阵列包括有第一天线阵元和第二天线阵元，所述的射频处理组、模/ 数转换组、数字下变频组、正交变换组是由分别连接第一天线阵元和第二天线阵元的两路 结构相同参数一致的依次连接的射频处理单元、模/数转换单元、数字下变频单元、正交变 换单元组成。
[0022] 两个射频处理单元均包括有依次相连的：低噪声放大器、带通滤波放大电路、一级 混频电路、带通滤波放大电路、二级混频电路、带通滤波放大电路、压控衰减器、中放电路、 三级混频电路、带通滤波放大电路，其中，中放电路的输出还依次通过检波电路和比较器 与压控衰减器相连；其中两个射频处理单元之间的：一级混频电路通过第一频率合成器相 连，二级混频电路通过第二频率合成器相连，三级混频电路通过三本振电路相连；两组中的 低噪声放大器分别连接第一天线阵元和第二天线阵元，而第一频率合成器和第二频率合成 器还分别连接晶振电路。
[0023] 本发明的基于双通道的民航地空通信持续干扰抑制方法及系统，充分考虑到地空 通信系统中两个或两个以上干扰同时发生的情况极少，且对系统产生影响的一般为持续干 扰，同时系统本身信噪比较高的特点，因此采用双通道接收系统，利用干扰持续存在的特点 构造自适应加权矢量即可实现干扰的自适应抑制。本发明无须使用任何参考信号，即可抑 制任意形式的干扰。与基于恒模阵列的干扰抑制方法相比，本发明对干扰无恒模特性的要 求，避免了恒模阵列误捕获以及避免误捕获而带来的运算复杂问题。与基于盲信号提取的 干扰抑制方法相比，本发明同样可抑制任意形式的干扰，但无输出信号顺序不确定问题，且 干扰抑制方法运算简单，收敛速度快，性能稳定。因此本发明有效降低了干扰抑制方法的运 算复杂度，且性能稳健，能显著提高地空通信质量，保障飞行安全，同时也可用于其它对持 续干扰有抑制需求的通信系统中。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 图1是本发明基于双通道的民航地空通信持续干扰抑制系统的构成框图；
[0025] 图2是本发明中射频处理组构成框图；
[0026] 图3是正交变换模块结构示意图；
[0027] 图4是监视模块流程图；
[0028] 图5是加权矢量计算和波束形成模块示意图；
[0029] 图6a是时序图；
[0030] 图6b是原语音信号波形图；
[0031] 图6c是经自适应持续干扰抑制后解调的语音信号波形图；
[0032] 图6d是一路混合信号直接解调的语音信号波形图。
[0033] 图中
[0034] Ia :第一天线阵元 Ib :第二天线阵元
[0035] 2 :射频处理组 3 :模/数转换组
[0036] 4 :数字下变频组 5 :正交变换组
[0037] 6 :监视模块 7 :加权矢量计算模块
[0038] 8 :波束形成模块 9 :解调器
[0039] 10:数/模转换器 11:音频输出
[0040] 12:低噪声放大器 13:带通滤波放大电路
[0041] 14: 一级混频电路 15:带通滤波放大电路
[0042] 16:二级混频电路 17:带通滤波放大电路
[0043] 18:压控衰减器 19:中放电路
[0044] 20:三级混频电路 21 :带通滤波放大电路
[0045] 22:比较器 23:检波电路
[0046] 24 :三本振电路 25 :第一频率合成器
[0047] 26:晶振电路 27 :第二频率合成器
【具体实施方式】
[0048] 下面结合实施例和附图对本发明的基于双通道的民航地空通信持续干扰抑制方 法及系统做出详细说明。
[0049] 本发明的基于双通道的民航地空通信持续干扰抑制方法，包括以下步骤：
[0050] 1)将通过双天线阵列接收的两路甚高频信号转化为中频数字信号，所述的将甚 高频信号转化为中频数字信号是通过低噪声放大器、三级混频器及自动增益控制电路完成 的；
[0051] 第一天线阵列Ia和第二天线阵列Ib接收到的信号通过如图2所示的由低噪声高 频放大器、三级混频器及自动增益控制电路（图2中虚框部分）组成的射频处理组，无线电 信号通过射频处理组后转化为I. 25MHz中频信号，以便后续信号处理。
[0052] 在本实施例中，所述的低噪声高频放大器、三级混频器及自动增益控制电路等 电路均由现有的电路或原理实现。三级混频后得到的三级中频分别为465MHz、70MHz、 I. 25MHz。
[0053] 然后，对射频处理组输出的两路模拟中频信号实施数据采集及模数转换，从而降 低对后续数字滤波器的设计要求，本实施例中采用了过采样的方案，实际使用的采样率为 5MHz，采样位数12bit。
[0054] 2)对模数转换后的两路数字信号进行滤波抽取；
[0055] 通过数字下变频组分别对模数转换输出的两路数字信号进行滤波抽取，将数据率 从5MSps下降到合适的程度，本实施例中降到200KSps，目的是提高实时性和降低后续信号 处理的运算量。
[0056] 3)对滤波抽取后的信号进行正交变换，将实信号变为复信号；所述的正交变换是 为了便于在复数域将线性卷积混合模型转换为线性瞬时混合模型。
[0057] 对两路数字中频信号进行正交变换，正交变换后将实信号变为复信号，在复数域 将线性卷积混合模型转换为线性瞬时混合模型。
[0058] 线性卷积混合模型转换为线性瞬时混合模型的原理是这样的。如图1中第一天 线阵列Ia和第二天线阵列Ib接收到的信号为源信号不同时延的线性混合即源信号的卷 积混合，但由于在VHF地空通信系统中，调幅信号传播带宽为25KHz，相对于信号的载频 (118. OOMHz?136. 975MHz)很小，且在此实例中接收天线的间距设置为半波长，此时信号 到达两个天线的时延没有引起两天线接收信号包络的变化，那么信号在不同天线之间的时 延可以简化为相移，因此阵列接收信号的线性卷积混合模型可以简化为线性瞬时混合模 型。由于阵元相隔比较近，而飞机的飞行高度较高，那么飞机相对于两个阵元天线的角度近 似相等，因此信号到两天线的多普勒频移一样。又已知飞机在大部分飞行时段内都是匀速 飞行的，所以设信号的多普勒频率恒定fd。同时由于民航VHF通信系统具有高信噪比的特 点，因此在干扰抑制系统中不考虑噪声的影响。假设阵元Ia为零时延参考阵元，那么当有 用信号和干扰同时存在时，第一天线阵列Ia和第二天线阵列Ib接收到信号的复数形式分 别为：
[0059] X (t) = As (t) +n (t) (1)
[0060] 式⑴中
【权利要求】
1. 一种基于双通道的民航地空通信持续干扰抑制方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 将通过双天线阵列接收的两路甚高频信号转化为中频数字信号； (2) 对模数转换后的两路数字信号进行滤波抽取； (3) 对滤波抽取后的信号进行正交变换，将实信号变为复信号； (4) 将变换后的复信号送入监视模块进行判断，判断信号中是否仅有干扰，若仅有干扰 则进行步骤5 ;否则进行步骤6 ; (5) 将仅有干扰的复信号送入加权矢量计算模块进行自适应加权矢量计算； (6) 使用步骤5得到的加权矢量对步骤4的输出信号进行波束形成，得到干扰抑制后的 信号； (7) 对步骤6输出的干扰抑制后的信号进行解调，再经低通滤波器滤除高频杂波，最后 进行D/A转换输出清晰的音频信号。
2. 根据权利要求1所述的基于双通道的民航地空通信持续干扰抑制方法，其特征在 于，步骤1)所述的将甚高频信号转化为中频数字信号是通过低噪声放大器、三级混频器及 自动增益控制电路完成的。
3. 根据权利要求1所述的基于双通道的民航地空通信持续干扰抑制方法，其特征在 于，步骤4)所述的将变换后的复信号送入监视模块进行判断是利用两路信号协方差矩阵 的特征值进行是否仅有干扰判断，包括如下步骤：先将两路实信号分别进行处理得到两路 复信号X hl和xh2 ;计算两路信号协方差矩阵特征值的比值；判断此比值是否大于阈值；大于 阈值则进入步骤5);否则进入步骤6)。
4. 根据权利要求1所述的基于双通道的民航地空通信持续干扰抑制方法，其特征在 于，步骤5)所述的加权矢量计算是利用仅存在持续干扰时的两路信号协方差矩阵估计的 特征向量来构造相应的自适应加权矢量。
5. 根据权利要求1所述的基于双通道的民航地空通信持续干扰抑制方法，其特征在 于，步骤6)所述的波束形成是利用计算得到的自适应加权矢量进行波束形成从而抑制持 续干扰。
6. -种使用基于双通道的民航地空通信持续干扰抑制方法的系统，其特征在于，包括 有接收信号的双天线阵列（IaUb);对双天线阵列（IaUb)所接收的信号进行信号处理且 依次相连的射频处理组（2)、模/数转换组（3)、数字下变频组（4)、正交变换组（5)以及对 正交变换组（5)输出的数字信号进行属性判别的监视模块（6);所述监视模块（6)的输出 端连接用于对监视模块（6)输出的仅有干扰的信号进行加权矢量计算的加权矢量计算模 块（7);所述加权矢量计算模块（7)和监视模块（6)的输出端均连接用于对监视模块（6)输 出信号进行干扰抑制的波束形成模块（8);所述的波束形成模块（8)输出端连接对波束形 成模块（8)输出的干扰抑制后信号进行解调的解调器（9);解调器（9)的输出连接数/模 转换器（10)，数/模转换器（10)的输出端连接音频输出（11)。
7. 根据权利要求6所述的使用基于双通道的民航地空通信持续干扰抑制方法的系统， 其特征在于，所述的双天线阵列（IaUb)包括有第一天线阵元（Ia)和第二天线阵元（Ib)， 所述的射频处理组（2)、模/数转换组（3)、数字下变频组（4)、正交变换组（5)是由分别连 接第一天线阵元（Ia)和第二天线阵元（Ib)的两路结构相同参数一致的依次连接的射频处 理单元、模/数转换单元、数字下变频单元、正交变换单元组成。
8.根据权利要求7所述的使用基于双通道的民航地空通信持续干扰抑制方法的系统， 其特征在于，两个射频处理单元均包括有依次相连的：低噪声放大器（12)、带通滤波放大 电路（13)、一级混频电路（14)、带通滤波放大电路（15)、二级混频电路（16)、带通滤波放大 电路（17)、压控衰减器（18)、中放电路（19)、三级混频电路（20)、带通滤波放大电路（21)， 其中，中放电路（19)的输出还依次通过检波电路（23)和比较器（22)与压控衰减器（18)相 连；其中两个射频处理单元之间的：一级混频电路（14)通过第一频率合成器（25)相连，二 级混频电路（16)通过第二频率合成器（27)相连，三级混频电路（20)通过三本振电路（24) 相连；两组中的低噪声放大器（12)分别连接第一天线阵元（Ia)和第二天线阵元（Ib)，而 第一频率合成器（25)和第二频率合成器（27)还分别连接晶振电路（26)。
【文档编号】H04B7/04GK104320149SQ201410534749
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月11日 优先权日:2014年10月11日
【发明者】钟伦珑, 吴仁彪, 胡铁乔, 石庆研 申请人:中国民航大学