聯合DOA估計與主波束形成的干擾抑制方法

劉海濤, 劉亞洲, 張學軍

(1. 中國民航大學 天津市智能信號與圖像處理重點試驗室, 天津 300300； 2. 北京航空航天大學 電子信息工程學院, 北京 100191)

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聯合DOA估計與主波束形成的干擾抑制方法

劉海濤1, 劉亞洲1, 張學軍2

(1. 中國民航大學 天津市智能信號與圖像處理重點試驗室, 天津 300300； 2. 北京航空航天大學 電子信息工程學院, 北京 100191)

為克服測距儀(DME)發射的高強度脈沖信號干擾L頻段數字航空通信系統1(L-DACS1)OFDM接收機的問題，提出聯合DOA估計與主波束形成的干擾抑制方法. 首先接收機通過波達方向矩陣算法估計接收信號來向；然后基于信號來向通過線性約束最小方差波束形成算法提取各個方向信號；隨后通過頻域功率與時域功率比較算法分辨各來向信號的類型；最后輸出OFDM直射徑信號. 仿真結果表明：該方法可顯著克服DME與OFDM散射徑信號干擾，提高L-DACS1系統鏈路傳輸的可靠性.

正交頻分復用; 測距儀脈沖干擾; 均勻圓陣; 波達方向估計; 線性約束最小方差

L頻段數字航空通信系統1(L-DACS1)是民航未來沿陸地航路部署的空-地蜂窩移動通信系統，主要為陸地航路、終端區及機場的航空器提供空中交通管制、航空公司運營管理數據通信服務，是民航未來航空移動通信系統的主要技術手段之一[1]. 依據國際民航組織的規劃，L-DACS1系統將以內嵌的方式部署在L頻段測距儀(DME)的波道間，占用傳輸帶寬500KHz[2-3]. 由于DME與OFDM信號頻譜存在部分交疊，且DME系統發射功率較高，不可避免產生DME信號干擾L-DACS1系統OFDM接收機的問題[4-5]，因此開展OFDM接收機DME干擾抑制的研究具有重要意義.

目前，L-DACS1系統DME干擾抑制的研究主要集中在單天線干擾消除及陣列天線干擾抑制兩個方面. 在單天線干擾消除方面，文獻[6-7]利用DME干擾信號在時域呈現脈沖干擾的特點，提出脈沖熄滅干擾抑制法，該方法主要缺點：在時變信道環境下，脈沖熄滅門限的精確設置非常困難. 為解決脈沖熄滅導致OFDM信號產生子載波間干擾(ICI)的問題，文獻[8-10]提出脈沖熄滅ICI干擾補償方法，該方法主要缺點：ICI干擾補償法要求精確知曉各個子信道的衰落信息，而在干擾環境下OFDM接收機各個子信道衰落信息的精確獲得本身就非常困難. 在陣列天線在航空移動通信應用方面，文獻[11]提出在無人機平臺中搭載移動基站為偏遠地區提供移動通信服務的構想，文獻[12-14]構建了機載實驗系統驗證了在無人機平臺使用陣列天線進行大容量空-地數據通信的可行性. 另外，在基于陣列天線的L-DACS1系統OFDM接收機DME干擾抑制方面，文獻[15]提出利用正交投影算法消除高強度DME干擾，然后采用盲波束形成方法提取OFDM直射徑信號的方法，該方法存在不足：當測距儀干擾較小時，正交投影干擾抑制性能較差. 在正交投影消除脈沖干擾方法基礎上,文獻[16]進一步提出利用CLEAN算法估計OFDM直射徑信號來向的方法，并通過常規波束形成算法提取OFDM直射徑信號，該方法主要不足：當接收OFDM信號功率較低且數據快拍較少時，提出方法的DOA估計性能較差.

針對高強度測距儀信號干擾L-DACS1系統OFDM接收機的問題，本文提出聯合DOA估計與主波束形成的干擾抑制方法. 首先接收機利用DME與OFDM信號空域來向的差異，通過波達方向矩陣法獲取各來向信號的DOA；然后利用各個來向信號的DOA信息通過線性約束最小方差(LCMV)波束形成算法確定各來向信號波束形成的權值，并利用波束形成權值對接收信號進行波束形成以分離出各個來向信號；最后利用OFDM與DME信號時頻特征的差異，通過頻域功率與時域功率比較算法獲得OFDM直射徑信號. 仿真結果顯示：提出的方法可有效抑制DME及OFDM散射徑信號干擾，提高鏈路傳輸的可靠性.

1 系統模型

1.1 聯合DOA估計與主波束形成的OFDM接收機 圖1為聯合DOA估計與主波束形成的OFDM接收機原理框圖. 接收機均勻圓陣輸出信號通過A/D轉換為數字基帶信號，數字基帶信號通過波達方向估計器估計各個來向信號的DOA信息. 隨后陣列接收信號及DOA信息同時送入主波束形成器，主波束形成器通過線性約束最小方差算法(LCMV)計算各來向信號的波束形成權值，然后通過波束形成提取各個來向信號. 提取的各個來向信號同時送入信號分類器，在信號分類器中通過頻域功率與時域功率比較算法分辨DME及OFDM信號，并輸出OFDM直射徑信號. 信號分類器輸出的OFDM直射徑信號經多普勒頻偏估計與補償后移除循環前綴(CP)，送入FFT轉換器變換為頻域信號. 頻域信號經頻域下采樣后送入信道估計及均衡器完成信道均衡，均衡器輸出信號經解調器、解交織器后送入信道譯碼器恢復出原始發送比特序列估值.

圖1 聯合DOA估計與主波束形成的OFDM接收機原理

1.2 DOA估計算法

為解決相干信號環境下均勻圓陣二維DOA估計問題，采用文獻[17]提出的波達方向矩陣法解決相干信源的二維DOA估計問題. 接收機使用上下平行雙均勻圓陣(如圖2所示)，上下間隔d=λ/2，上下子陣的陣元位置一一對應，每個子陣的陣元數均為M，圓半徑均為R，信號波長為λ.

m=0,1,…,M-1.

圖2 雙均勻圓陣結構圖

式中: si(t)代表陣列天線接收的第i個信號源，{θi,φi}代表第i個信號源的方位角和俯仰角，n1m(t)代表信道輸入的窄帶高斯白噪聲，I代表陣列接收信號源總數. 類似的，子陣2上坐標為(xm,ym,-d)的陣元輸出信號為

利用文獻[17]的DOA方法計算信號俯仰角和方向角得

式中：R代表按照文獻[17]中方法構造的空域平滑波達方向矩陣，ηi和εi分別代表R的特征值和對應特征矢量，εi(j)代表εi中的第j個元素，Arg(·)代表幅角主值運算.

1.3 主波束形成算法

圖3 主波束形成器

其中，I代表陣列天線接收OFDM信號及測距儀信號源總數，wi代表第i個來向信號波束形成權值[19]：

1.4 信號分類算法

圖4給出接收機信號分類器的原理框圖. 信號分類器由頻域功率比較器和時域功率比較器兩個單元組成. 其中，頻域功率比較器用于分辨DME與OFDM信號，時域功率比較器用于分辨OFDM直射徑與散射徑信號.

圖4 信號分類器

1.2.1 頻域功率比較器

根據OFDM及DME信號的頻域特征[4]，OFDM信號的能量主要集中于[-250 kHz～+250 kHz]，測距儀信號的能量主要位于±250 kHz處,因此可通過比較接收信號在頻域±250 kHz及直流子信道附近平均功率的方法來分辨接收信號的類型.

(1)

(2)

(3)

1.4.2 時域功率比較器

如果待檢測信號被判定為OFDM信號，則還需要進一步判定待檢測信號是OFDM直射徑還是散射徑信號. 由于航空移動信道呈現為賴斯信道[18]，信道的賴斯因子取值為15～20 dB，因此OFDM直射徑信號功率遠高于散射徑，可直接通過比較各個OFDM信號的功率來分辨OFDM直射徑.

2 數值仿真及分析

2.1 仿真環境設置

為驗證聯合DOA估計與主波束形成干擾抑制方法的正確性，按照L-DACS1系統技術規范[3]設計實現L-DACS1系統陣列天線干擾抑制仿真系統，仿真參數如表1所示.

表1 L-DACS1系統仿真環境

2.2 DOA估計性能

圖5 給出不同信源的DOA估計性能，橫坐標代表方位角(度)，縱坐標代表俯仰角(度). 仿真實驗中，OFDM直射徑來向(60°,50°)，散射徑來向(140°, 40°)，信噪比SNR=10 dB；DME信號1來向(100°, 10°)，信干比SIR=-3 dB，載波偏置+500 KHz；DME信號2來向(200°, 30°)，信干比SIR=-10 dB，載波偏置-500 KHz. 由圖5可觀測到：1) OFDM直射徑與DME信號來向的估計值與預設值完全一致；2) OFDM散射徑來向的估計值與預設值存在微小的偏差. 圖5 DOA估計性能(SNR=10 dB，SIR= -3/-10 dB，賴斯因子=10 dB，200次仿真實驗)

Fig.5 DOA estimation (SNR=10 db,SIR=-3/10 dB,rice factor= 10 dB,simulations for 200 times)

圖6給出不同信源DOA估計的根均方誤差曲線，橫坐標代表信噪比(dB)，縱坐標代表根均方誤差值(度). 根均方誤差值定義為

圖6 DOA估計根均方誤差曲線(賴斯因子=10 dB)

Fig.6 Root mean square error curve of DOA estimation(Rice factor=10 dB)

2.3 LCMV波束形成性能

圖7和圖8分別給出LCMV算法波束圖，圖7橫坐標代表方位角，圖8橫坐標代表俯仰角，兩圖縱坐標均代表歸一化波束增益(dB). 由圖7與圖8可觀測到：陣列天線的波束在干擾信號1來向(100°, 10°)、干擾信號2來向(200°, 30°)及OFDM散射徑來向(140°, 40°)形成零陷，零陷衰減達-300 dB，表明了提出方法可有效抑制DME及OFDM散射徑信號的干擾.

圖7 LCMV算法在方位角上的波束圖(SNR=10 dB, SIR=-3 dB/-10 dB,200次蒙特卡羅實驗)

Fig.7 LCMV beamforming on azimuth angle(SNR=10 dB,SIR=-3 dB/-10 dB for Montacarlo test for 200 times)

圖8 LCMV算法在俯仰角上的波束圖(SNR=10 dB, SIR=-3 dB/-10 dB,200次蒙特卡羅實驗)

Fig.8 LCMV beamforming on pitch angle(SNR=10 dB,SIR=-3 dB/-10 dB.Montacarlo test for 200 times)

圖9給出波束形成性能隨DOA估計誤差變化曲線，橫坐標代表DOA估計誤差(方向角誤差+俯仰角誤差)，縱坐標代表波束形成輸出信號(OFDM直射徑信號)信噪比. 由圖9觀測到：1)輸出信噪比隨DOA估計誤差的增大可逐漸降低；2)理想DOA時，波束形成輸出信噪比為1 dB，對輸入信噪比提升約5 dB.

圖9 DOA估計偏差對波束形成性能影響曲線(輸入信噪比為-4 dB)

Fig.9 Beamforming performance based on the DOA estimation deviation (input SNR =-4 dB)

2.4 信號分類器差錯性能

圖10給出信號分類器判定差錯概率的性能曲線，橫坐標代表信噪比，縱坐標代表信號分類器判定OFDM直射徑、OFDM散射徑及DME信號出現錯誤的概率. 由圖10觀測到：判定差錯概率隨輸入信噪比的增加而快速降低，當輸入信噪比為6 dB時，判定出現差錯的概率為1.0×10-4. 考慮到典型情況下OFDM接收機輸入信噪比高于6 dB，因此提出的信號分類器能夠準確分辨OFDM直射徑、OFDM散射徑及DME信號.

圖10 信號分類器差錯概率性能(OFDM直射徑信號、散射徑信號、單個DME信號、信干比=-10 dB)

Fig.10 Error probability performance of signal classification

2.5 系統比特差錯性能

圖11給出OFDM接收機比特差錯性能曲線，橫坐標代表信噪比(dB)，縱坐標代表比特差錯概率. 圖11共包含4曲線：標有“◆”的曲線代表無干擾信號時系統比特差錯性能；標有“■”的曲線代表存在一個干擾信號時系統比特差錯性能；“●”的曲線代表存在兩個干擾信號時系統比特差錯性能；標有“▼”的曲線代表按照文獻[15]方法仿真得到的比特差錯性能. 曲線比較表明：所提方法可完全克服DME干擾信號對OFDM接收機鏈路傳輸的影響，且性能優于文獻[15]提出的方法.

圖11 L-DACS1系統比特差錯性能

3 結 語

針對高強度測距儀脈沖信號干擾L-DACS1系統OFDM接收機問題，提出聯合DOA估計與主波束形成的干擾抑制方法. 該方法首先利用DME與OFDM信號空域來向的差異，通過線性約束最小方差波束形成算法分離各個信號，隨后借助OFDM與DME信號的時頻特征的差異，分辨并輸出OFDM直射徑信號. 仿真研究表明：提出的方法可有效克服DME信號及OFDM散射徑的干擾，提高接收機鏈路傳輸的可靠性.

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(編輯 王小唯 苗秀芝)

Interference mitigation method based on joint DOA estimation and main beam forming

LIU Haitao1, LIU Yazhou1, ZHANG Xuejun2

(1.Tianjin Key Lab for Advanced Signal Processing, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China;2. College of Electronic and Information Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China)

To mitigate the deleterious influence of Distance Measure Equipment (DME) interference on Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) receiver of L-band Digital Aeronautical Communications System1(L-DACS1) operating as an inlay system, a new interference suppression method is proposed based on joint DOA estimation and main beamforming. Firstly, DOA matrix algorithm is used to estimate the DOA of the received signals. Secondly, with the DOA information, Linearly Constrained Minimum Variance(LCMV) beamforming algorithm is utilized to extract the signals in all directions. Finally, frequency-domain power comparison and time-domain power comparison method is proposed to distinguish the received signals and output the direct line-of-sight(LOS) path OFDM signal. Computer simulation results indicate that the proposed method can effectively overcome DME impulse interference and OFDM scattering signal and improve the reliability of the L-DACS1 system.

orthogonal frequency division multiplexing; distance measure equipment pulse interference; uniform circular array; DOA estimation; linearly constrained minimum varianc

10.11918/j.issn.0367-6234.2016.11.016

2015-04-01

國家自然科學基金(U1233117, 61271404)

劉海濤(1966—)，男，教授，碩士生導師; 張學軍(1971—)，男，教授，博士生導師

劉海濤，htliu@cauc.edu.cn

TN929.5

A

0367-6234(2016)11-0103-06