地空通信中持續干擾抑制系統的設計與實現

鐘倫瓏，胡鐵喬

(中國民航大學 智能信號與圖像處理天津市重點實驗室，天津 300300)

0 引 言

近年來，隨著我國電信事業的迅猛發展，地空通信受干擾的程度越來越嚴重[1,2]。目前，民航一般采用改頻、監測和清查等被動的非技術手段規避干擾[3]，不能從根本上解決問題，無線電干擾已經成為影響民航飛行安全的一大隱患。

地空通信工作在118 MHz～136.975 MHz甚高頻頻段，采用帶載波雙邊帶幅度調制，單雙工工作方式，抗干擾性能差，而且鄰近民用頻段眾多，很容易由于泄漏、互調等原因形成與地空通信頻段相混疊的隨機干擾，單純采用傳統的時域或空域濾波器很難抑制這些干擾[4,5]。基于干擾波形或統計量的特點，胡鐵喬等學者提出了對應的干擾抑制系統方案[3]，但存在抑制效果不佳或計算復雜等問題。

針對民航地空通信中常見的、且產生惡劣影響的單個持續干擾抑制問題，利用干擾持續存在而有用信號時斷時續的特點，本文基于雙通道結構，提出了一種基于最小二乘的持續干擾抑制方法，計算簡單且無收斂問題，并且基于“DSP+FPGA”信號處理平臺設計實現了持續干擾抑制系統。最后，對本文所提方法進行了實驗驗證。

1 基于最小二乘的持續干擾抑制方法

1.1 系統數學模型

雙通道結構可視為兩陣元天線陣，考慮僅有一個干擾的情形，當系統滿足以下條件時：①飛機與兩陣元的距離比陣元間隔大得多；②飛機飛行速度不變或相對變化緩慢；③干擾源來自地面，靜止或移動速度很低，兩陣元接收到的信號復數形式可以表示成如式(1)的線性瞬時混合模型[6]

(1)

(2)

式中：θ1、θ2分別為有用信號、干擾的來向。

對式(1)所示的陣列信號以間隔Ts進行采樣，并整理成矩陣形式，可以得到數字化陣列信號

x(k)=As(k)+n(k)

(3)

1.2 持續干擾抑制方法

由于地空通信是半雙工通信，有用信號時有時無，而對地空話音通信造成實質影響的干擾一般持續存在，因此可分兩種情況討論：

(1)僅有持續干擾

當僅有干擾時，式(3)所示的陣列信號可以簡化為

x(k)=a(θ2)s2(k)+n(k)

(4)

對式(4)進行塊處理，設每次處理快拍個數為N，協方差矩陣的估值為

(5)

式中：上標H為共軛轉置。

(6)

式中：上標*為共軛。由于兩陣元通道的噪聲互不相關，且噪聲功率遠小于干擾功率，設陣元通道的噪聲功率相同，則式(6)可以表示為

(7)

(2)有用信號與干擾同時存在

當同時存在有用信號與干擾時，陣元信號可以表示為

x(k)=a(θ1)s1(k)+a(θ2)s2(k)+n(k)

(8)

(9)

(10)

在兩陣元的條件下，式(10)可簡化成

(11)

(12)

從式(11)和式(12)可以看出，對干擾和有用信號的估計均可用觀測信號進行波束形成的方式得到

y(k)=wHx(k)

(13)

式中：w為加權矢量，y(k)為波束形成后的輸出。

進行干擾抑制時，直接使用式(12)求有用信號估計，此時加權矢量可表示為

(14)

式中：上標T為向量的轉置。

綜上討論，可以將此種持續干擾抑制方法歸結為：當僅有干擾存在時，進行干擾來向估計，并利用式(14)進行加權矢量更新，否則加權矢量不變；然后，利用得到的加權矢量對陣列信號波束形成，即進行如式(13)的運算，從而實現自適應抑制持續干擾。

1.3 僅存在持續干擾的自動識別方法

在進行節1.2的加權矢量更新時，需要判斷當前是否僅有持續干擾，本文基于對每個處理塊中的信號個數進行自動識別的方法來判斷是否僅存在持續干擾。

當有用信號和干擾同時存在時，根據式(8)可求得陣元信號的協方差矩陣

(15)

式(15)的兩特征值可表示為

(16)

當僅有干擾時，兩特征值之比為

(17)

當有用信號和干擾同時存在時，兩特征值之比為

(18)

比較式(17)和式(18)可以看出：在僅有干擾的時候，協方差矩陣的特征值之比會比較大；同時存在來向不同的有用信號和干擾時，特征值之比會比較小。因此，可以使用如下的邏輯判斷信號個數

(19)

式中：ηth為選用的判斷閾值。

使用特征值之比來識別是否僅有持續干擾的方法特點在于：和陣列信號處理對通道要求一樣，該方法的處理效果和雙通道的一致性、通道的信噪比等因素有關，但本文僅用到兩個通道，相對于多通道來說，通道的一致性較為容易做到；而且與以兩通道相關系數來判斷信號個數的方法比較而言，本方法可更好地分辨出來向不同情況下的信號個數問題。

2 持續干擾抑制系統設計

2.1 系統方案

在節1討論的基礎上，可以將本文所提出的基于最小二乘的持續干擾抑制方法及具體流程如下：

(1)將接收到的兩陣元信號進行正交變換，形成復信號，計算互相關矩陣，進行如式(19)的信號個數判斷，自動識別信號中是否僅有持續干擾，若僅有持續干擾則進行步驟(2)，否則進行步驟(3)；

(2)計算互相關矩陣大特征值對應的特征向量，利用式(14)進行自適應加權矢量更新；

(3)使用步驟(2)得到的加權矢量對步驟(1)輸出的復信號進行波束形成wHx(k)，得到抑制持續干擾后的信號。

在上述方法的基礎上，基于軟件無線電思想[9]設計出如圖1的民航地空通信持續干擾抑制系統，前端天線1和2接收到兩陣元射頻信號，射頻前端輸出兩路中頻信號，模數轉換將兩路中頻信號轉換成中頻數字復信號，根據實現式(19)的監視模塊判斷結果，在僅有干擾時根據式(14)進行自適應加權矢量更新，同時利用此自適應加權矢量進行波束形成，解調器完成干擾抑制后的調幅信號包絡檢波，數模轉換輸出音頻信號。圖1虛框中所有模塊在統一的“DSP+FPGA”信號處理平臺上實現。

圖1 雙通道持續干擾抑制系統方案

2.2 “DSP+FPGA”信號處理平臺

如圖1所示，除了一些模擬功能外，所有的數字信號處理功能全在“DSP+FPGA”信號處理平臺上實現，完成基于最小二乘的持續干擾抑制方法和干擾抑制后的地空通信話音輸出。

“DSP+FPGA”信號處理平臺硬件結構如圖2所示，運算資源包括一片浮點數字信號處理DSP芯片TMS320C6713B和一片現場可編程門陣列FPGA芯片XC5VSX50T。其中DSP主要用于監視模塊、加權矢量更新等運算；FPGA主要用于中頻信號預處理、波束形成、音頻解調、串口通信、時鐘管理及中頻能量檢測等運算；DSP和FPGA通過總線相連。控制子板使用MSP430單片機，主要用于中頻自動控制增益AGC電壓控制、音頻控制等操作。模數接口板完成對兩路中頻信號采樣，以及對FPGA處理的結果進行高速數模轉換，用于驗證中間處理結果的正確性。同時，信號處理平臺提供調試接口，以及前面板接口、上位機接口等機接口。

3 軟件設計

3.1 FPGA部分

與干擾抑制功能相關的FPGA頂層文件功能模塊如圖3所示，圖中主要標注了模塊之間的連接信號。在80 MHz時鐘驅動下，兩個模數轉換器AD9233依次對兩路1.25 MHz中頻信號進行采樣，得到40 MS/s的兩路中頻采樣信號adc1_d和adc2_d。在濾波抽取AD_BPF_Mdl模塊中進行數據預處理，包括帶通濾波、下變頻、低通濾波、抽取等，得到200倍抽取后的200 KS/s中頻信號ch1_d和ch2_d，并選擇一路經帶通濾波后的40 MS/s中頻采樣信號dac_d送至數模轉換監測濾波效果。在正交變換處理Re_Com_Mdl模塊中進行復信號變換與協方差矩陣計算，得到兩路復信號ch1_d_r/i、ch2_d_r/i和協方差矩陣元素Rx_11、Rx_22、Rx_12_r/i，并將協方差矩陣元素傳遞給DSP，進行僅有干擾的自動識別和波束形成加權矢量更新，兩路復信號經通道選擇后輸出給后面的調幅解調模塊。在干擾抑制Inter_Sup_Mdl模塊接收來自DSP的加權矢量更新w_update，進行波束形成，得到干擾抑制后的中頻信號InterSup_o_r/i。在調幅解調Dem_Mdl模塊中進行包絡檢波解調，得到數字音頻信號dem_o，經過數字音頻輸出aic23_fpga_interf模塊將音頻信號送給控制子板上的AIC23芯片。各個功能模塊的具體實現方法。

圖2 “DSP+FPGA”信號處理平臺硬件結構

圖3 FPGA功能模塊

濾波抽取AD_BPF_Mdl模塊：由二階無限沖激響應IIR帶通濾波器、8倍抽取、下變頻、128階有限沖激響應FIR低通濾波器、25倍抽取組成，將40 MS/s的中頻數字信號抽取到200 KS/s。

正交變換處理Re_Com_Mdl模塊：正交變換由延遲器和78階FIR濾波器組成，兩者的輸入時鐘均為20 MHz，其中延遲器延遲39個采樣周期，形成兩路信號的實部，78階FIR濾波器模擬Hilbert變換，形成兩路信號的虛部。協方差矩陣計算由乘加器實現式(5)運算，得到協方差矩陣的對角元素Rx_11、Rx_22，以及斜對角元素的實虛部Rx_12_r/i，并送給DSP芯片。

干擾抑制Inter_Sup_Mdl模塊：接收來自Re_Com_Mdl模塊的陣列復信號和DSP芯片過來的加權矢量w_update，由乘加器實現如式(13)的波束形成。

調幅解調Dem_Mdl模塊：在標志位的控制下，對干擾抑制后的中頻信號InterSup_o_r/i或干擾抑制前的中頻信號(ch1_d_r/i/，ch2_d_r/i)包絡檢波解調，再通過一低通濾波器得到基帶音頻信號dem_o。FPGA中使用乘加器和開平方器對復信號取模值，并使用延遲器和乘加器實現一個72階的低通濾波器。

數字音頻輸出aic23_fpga_interf模塊：由分頻器和并串轉換電路組成，生成AIC23的接口協議信號，其中時鐘信號由控制子板上的AIC23芯片提供。

3.2 DSP部分

DSP程序流程如圖4所示，上電后進行初始化并等待FPGA配置完成，然后進行系統初始化和控制字初始化，之后進入主循環，每s發送一次干擾抑制系統的工作狀態至PC機。此外，DSP還使用了一個5 ms定時中斷，用來識別是否僅存在持續干擾的情形和對加權矢量進行更新計算。

圖4 DSP主程序流程

識別信號個數的監視模塊和加權矢量w更新模塊由一5 ms定時中斷服務程序實現，本質是由FPGA生成的200 KHz時鐘信號驅動的5 ms外部定時中斷，程序流程圖如圖5所示。首先計算協方差矩陣的特征值，使用三中取二的方法判斷是否僅存在干擾，即變量DisFlag記錄兩特征值之比小于閾值的次數，連續判斷3次，如3次中僅有1次或0次小于閾值，則進行加權矢量的更新計算，否則加權矢量保持不變，3次判斷結束后清零相應的標志，并把加權矢量傳遞給FPGA。

圖5 5 ms外部定時中斷服務程序流程

4 實驗及結果分析

4.1 仿真實驗分析

仿真設置：兩陣元接收干信比SIR=0 dB的地空通信調幅有用信號與調頻干擾，采樣率為200 KHz，兩接收通道的信噪比SNR均為30 dB，地空通信信號來向0°，且每1.25 s進行通斷，干擾來向20°，持續存在，對應的仿真時序圖如圖6所示。

圖6 仿真時序圖

對前述仿真信號按本文方法進行干擾抑制實驗，式(6)中的每次處理快拍數為2000，實驗結果如圖7所示，其中圖7(a)為原始未受干擾的原始地空通信話音信號波形，圖7(b)為對兩陣元之一的接收信號直接解調的信號波形，圖7(c)為利用本文方法進行干擾抑制后解調出來的話音信號波形。由圖7仿真結果可見：如果不進行干擾抑制而直接解調，解調出來的信號與原始信號會有很大的不同，而利用本文方法進行干擾抑制后再解調所得的信號波形與原始話音相似。

圖7 原始及干擾抑制前后信號波形

按圖6仿真時序圖通斷來向為0°的地空通信信號，而干擾來向則在-90°～90°以5°為間隔均勻改變，其它仿真條件同前。在每個干擾來向進行100次Monte Carlo實驗，得出隨著干擾來向改變時，經本文干擾抑制后解調信號與原始話音信號相關系數平均值的變化情況，結果如圖8所示。由圖8可以看出，即使干擾來向與有用信號來向靠的很近，本文方法也能對干擾進行有效抑制，兩者來向相差5度時干擾抑制后解調信號與原話音信號的相關系數仍能達到0.9左右，而直接解調方法在各來向都保持很低的相關系數，地空通信話音信號無法辨別。

圖8 干擾抑制前后解調信號與原始話音信號的相關系數

4.2 實測數據實驗分析

為了驗證干擾抑制實驗系統的功能，使用信號發生器HP 8657B和R&S SMH分別模擬生成地空通信有用信號和持續干擾信號后，兩者通過長度不同的電纜連接至兩陣元通道的射頻前端，模擬有用信號和干擾不同來向時陣元的接收時延。

作為一個實際干擾抑制處理效果的例子，圖9給出了在模擬時斷時續的地空通信有用信號來向0°，而持續干擾來向8.8°，干信比為0 dB時的干擾抑制效果，其中圖9(a)為干擾抑制后解調信號波形，可以很清楚地看出原話音信號波形，而圖9(b)為對一路信號進行直接解調的波形，和原話音信號波形有了很大不同。

圖9 實測數據干擾抑制前后波形

為了更清晰看出干擾抑制效果，模擬干擾來向8.8°，有用信號來向0°，在各干信比的條件下(0 dB，5 dB，10 dB)統計測試20次。表1給出了相應的測試結果，包含參考語音服務質量的主觀評價標準[10]給出的主觀聽覺感受，和在各種情況下與原語音信號相關系數的平均值，可以看出經過干擾抑制系統得到的解調信號在主觀聽覺效果上有了很大提升，在相關系數上也較直接解調有了很大的改變。

表1 干擾抑制效果測試結果

5 結束語

對受持續干擾影響的雙通道地空通信系統進行了數學建模與分析，提出了基于最小二乘的雙通道持續干擾抑制方法。而且，以“DSP+FPGA”信號處理平臺為核心，設計了實現本文所提算法的持續干擾抑制系統，整個系統也相當于一臺完整的具有持續干擾抑制功能的地空通信接收機。從仿真結果來看，所提的持續干擾抑制算法可以有效地抑制干擾；同時，通過實驗也進一步驗證了所提的持續干擾抑制方法的正確性，并說明了所設計的持續干擾自適應抑制系統是合理的、有效的。