一种偏移载波调幅信号的频域优选新方法*

管海清

(中国西南电子技术研究所,成都 610036)



一种偏移载波调幅信号的频域优选新方法*

管海清**

(中国西南电子技术研究所,成都 610036)

摘要：为了解决民航地空通信中机载电台接收到的多个偏移载波调幅信号互相干扰的问题，提出了一种在频域进行最佳载波搜索的优选方法。该方法采用能量重心法对接收信号的频谱幅度和频率进行校正，通过搜索频谱幅度的最大值，优选出一路载噪比最高的调幅信号进行解调，同时对其他调幅信号进行抑制。仿真实验和电台通信实验均表明该方法可以正确地实现多个偏移载波调幅信号的优选和解调，明显降低干扰，解调后话音的平均意见分提高了3分，具有实际工程应用价值。

关键词：民航地空通信;偏移载波;快速傅里叶变换;能量重心法;频谱校正;优选方法

1引言

在民航地空甚高频通信中，常采用偏移载波通信系统来解决空域覆盖的问题[1]，即将同一工作频率的多个地面电台设置于不同的地理位置，当飞机进入覆盖的空域后，地面控制中心遥控多个地面电台同时发射，以保证机载电台至少能接收到其中一路信号。通常情况下，机载电台会接收到多个载波频率存在一定偏移的调幅(Amplitude Modulated,AM)信号。由于这些调幅信号的载波频率间隔较小，无法通过接收机的滤波器进行分离，所以多个调幅信号之间形成了干扰，导致机载电台无法正确地解调出话音信号。因此，在解调之前，需要从接收的信号中优选和分离出一路载噪比最高的调幅信号，同时对其他信号进行抑制。

目前，对于偏移载波通信系统中多个信号优选功能的研究，主要集中在多个地面电台解调后多路话音信号的优选问题上[2-3]，而对于机载电台接收到的多个偏移载波调幅信号的优选及解调问题，尚未见相关文献报道。文献[4]提出的基于CORDIC算法的AM解调技术以及文献[5] 提出的采用能量算子进行AM解调的方法，均只能对一个调幅信号进行解调，若对多个偏移载波的调幅信号进行解调，则无法得到正确的解调结果。

针对上述问题，本文提出了一种在频域进行最佳载波搜索的优选方法，即首先将接收到的信号变换到基带，接着进行快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)，利用能量重心法进行频谱校正，通过搜索频谱幅度的最大值，优选出一路载噪比最高的调幅信号，并计算其载波的频率偏移量；然后对优选出的调幅信号进行频偏校正，利用低通滤波器滤除带外信号，降低其他调幅信号的干扰；最后进行调幅解调，恢复出话音信号。该方法在不增加FFT点数的前提下，通过降低采样速率来提高FFT的频谱分辨率，通过能量重心法来提高载波频率和幅度的估计精度。该方法可以明显降低干扰，提高话音质量。

2偏移载波调幅信号模型

在偏移载波通信系统中，单个地面电台发射的调幅信号可表示为

s(t)=A[1+m(t)]cos(2πfct)。

(1)

机载电台接收到的信号为多个调幅信号的叠加，可以表示为

(2)

式中：N为接收到的调幅信号个数；Ai为第i路调幅信号的载波幅度；Δfi为第i路调幅信号的载波频率偏移量；n(t)为信道噪声。Ai与飞机跟地面电台的距离有关，一般来说，距离越近，Ai越大，同时意味着该路调幅信号的载噪比越高。载波频率偏移量Δfi与偏移载波的数量有关，在《国际民航公约附件10》第三卷[6]中，对偏移载波通信系统中载波频率的偏移量和稳定度进行了规定，偏移载波的数量为2～5个，载波频率的偏移量为4～8 kHz。在实际通信过程中，由于载波频率稳定度和多普勒频移的影响，无法对机载电台接收到的信号的载波频率进行预计，必须进行实时检测。

3偏移载波调幅信号的优选原理

由于机载电台接收到的信号为多个调幅信号的叠加，多个信号之间互相干扰，导致常规解调方法不能进行正常的解调。因此，需要从中优选出一路载噪比最高的调幅信号进行解调，同时对其他调幅信号进行抑制，降低干扰。

由于调幅信号中包含载波的频率分量，并且多个调幅信号的载波频率存在4～8 kHz的频率偏移，所以可以对接收到的信号进行快速傅里叶变换，然后在频域上进行搜索，确定各个载波的频点位置及幅度。另外，由于民航地空甚高频通信中话音信号m(t)的频率范围为300～2 500 Hz[7]，与载波的最小频率间隔为300 Hz，所以FFT的频率分辨率应该小于300 Hz。在FFT点数固定的情况下，要提高FFT的频率分辨率，就必须降低信号的采样率。为了降低采样率，需要将接收到的信号变换到基带，并通过抽取降低采样速率。

记抽取后的采样速率为fs。抽取后的基带信号可表示为

d(n)=dI(n)+j×dQ(n)。

(3)

式中：dI(n)、dQ(n)分别为同向分量和正交分量，具体可表示为

(4)

式中：vI(n)、vQ(n)分别为I、Q基带噪声。为了获取基带信号的频谱幅度，对基带信号进行N点FFT变换,有

(5)

由于FFT存在能量泄漏和栅栏效应，当载波频率偏移量Δfi不为fs/N的整数倍时，只能得到相邻频率取样点的谱线值，且与真实值之间存在一定的误差。为了解决FFT栅栏效应和能量泄漏问题，需要对FFT的计算结果进行校正。常见的校正方法有比例校正法[8]、能量重心法[9]、相位差校正法[10]等。考虑到能量重心法的计算复杂度较小，并具有较高的计算精度，本文采用该方法进行FFT的频谱校正。能量重心法利用特定窗函数离散频谱的能量重心无穷逼近坐标原点且旁瓣值小的特性，结合能量重心特性，利用窗主瓣内功率谱值较大的多根谱线实现对信号主瓣重心坐标的准确估计，完成对频谱的校正[11]。

在能量重心法中，为了减小能量泄露，先对基带信号加Hanning窗，然后再进行N点FFT变换得

(6)

式中:H(n)为Hanning窗函数。于是，基带信号的功率谱可表示为

(7)

根据能量重心法，频率校正值为

(8)

式中：n=1,2,3,…,∞,本文中n取值为2。

根据能量重心法，幅度校正值为

(9)

式中：α为Hanning窗的能量恢复系数，其典型值一般取8/3。在实际应用中，由于Hanning窗的旁瓣衰减很快，理论分析和仿真实验均表明，当n=1时，幅度校正值就能达到工程上可接受的精度，于是校正后的幅度值为

(10)

一旦得到频谱幅度的校正值，即可通过搜索频谱幅度的最大值来确定幅度最大的载波位置。记K为频谱幅度最大值的频点位置，则根据式(8)即可计算出对应的频偏Δf。得到载波频偏的估计值Δf后，在时域进行频偏校正，且校正后的基带信号可以表示为

d′(n)=d(n)e-j2πnΔf/fs。

(11)

频偏校正后的基带信号中，除了优选后的调幅信号，还可能存在其他的偏移载波信号。为了降低干扰，采用低通滤波器进行滤波处理。低通滤波后的基带信号的同相分量和正交分量可分别表示为

(12)

式中：θ为残留的相位偏差。经过优选处理后的调幅信号，按常规方法进行解调即可正确恢复出话音信号。

4偏移载波调幅信号的优选实现

偏移载波调幅信号优选方法的实现框图如图1所示。首先对来自接收机的中频信号进行带通采样，通过数字下变频将中频信号变换到基带，并通过抽取降低基带信号的采样率；接着对抽取后的基带信号进行FFT，利用能量重心法进行频谱校正，通过搜索频谱幅度的最大值，优选出载波幅度最大的调幅信号，并计算其载波的频率偏移量；然后对优选出的调幅信号进行频偏校正，利用低通滤波器滤除带外信号，降低其他调幅信号的干扰；最后进行调幅解调，输出话音信号。

图1　偏移载波调幅信号优选方法的实现框图

在实现过程中，中频带通采样的频率为32 MHz，数字下变频和抽取后的基带信号的采样率为64 kHz，FFT点数为1 024，因此FFT的频率分辨率为62.5 Hz。低通滤波器采用128阶FIR滤波器，带外抑制可以达到-60 dB，所以可以对其他偏移载波信号进行有效抑制。为了取得较好的解调性能，采用数字锁相环对调幅信号进行相干解调。

5仿真及实验结果

5.1计算机仿真实验

本节对所提的偏移载波调幅信号的优选方法进行了计算机Matlab仿真实验。实验中选择了民航地空通信中常用的三载波偏移系统进行仿真，用于验证优选方法的有效性和适用性。仿真环境为Matlab R2011b。

根据工程应用的实际情况，设基带信号采样率fs为64 kHz，FFT的数据点数为1 024，采用1 kHz的正弦波模拟话音信号，调幅的调制深度为80%。接收的基带信号表示为

(13)

式中：话音频率fa为1 kHz；根据文献[6]，载波偏移量Δf1、Δf2和Δf3分别为-7.3 kHz、0 kHz和7.3 kHz；多普勒频移Δf为18.75 Hz；载波幅度A1、A2和A3分别为1、0.9和0.5；vI(n)和vQ(n)为高斯白噪声，用来模拟信道噪声。采用传统的直接FFT变换法和本文所提的能量重心法得到的频谱结果分别如图2和图3所示。

图2　传统FFT变换法的调幅信号幅度谱

图3　能量重心法的调幅信号幅度谱

由图2可知，采用传统方法得到的3个载波对应的幅度值分别是0.64、0.77和0.49，与实际的幅度值之间存在较大的误差，若此时进行频谱搜索，不能找到载噪比最大的载波位置。由图3可知，采用能量重心法得到的3个载波对应的幅度值分别是0.99、0.90和0.50，与实际的幅度值之间的误差很小，若此时进行频谱搜索，可以找到正确的载波位置。

分别采用文献[4]的CORDIC算法、文献[5]的能量算子方法以及本文所提的优选和解调方法，在不同的载噪比条件下进行解调性能的仿真，仿真结果如表1所示。

表1　解调性能对比

从表1的仿真结果可以看出：由于文献[4]的CORDIC算法和文献[5]的能量算子方法在解调前未进行优选处理，所以无法得到正确的解调结果；而本文所提方法，在解调前进行了优选处理，在降低干扰的同时，可以获得最优的解调结果。

5.2电台通信实验

在实验室进行了三载波偏移系统的有线通信实验。3个地面电台和1个机载电台组成了一个三载波偏移通信系统，其中机载电台的工作频率为110.05 MHz，3个地面电台的工作频率分别在110.05 MHz的基础上进行偏移，频率偏移量分别为-7.2 kHz、0.1 kHz、7.4 kHz，其中多普勒频移为0.1 kHz。3个地面电台发射的3路射频信号分别通过衰减器后，再通过合路器合并为1路信号，最后送给机载电台进行解调。完整的实验框图如图4所示。

图4　三载波偏移系统通信实验框图

在图4所示的实验中，实验人员通过麦克风喊话，话音信号同时送给3个地面电台，并用同一个PTT信号控制3个地面电台同时发射，3个地面电台的发射功率相同，均设置为10 dBm。接收端实验人员通过耳机监听机载电台的输出话音，并根据话音质量打出平均意见分(Mean Opinion Score，MOS)。MOS的等级为5、4、3、2、1，分别对应优、良、中、差、劣。其中，当MOS为5时，表示话音质量非常好，听得很清楚；当MOS为1时，表示话音质量极差，完全听不清楚，杂音很大。实验过程中，调节3个衰减器的衰减量，模拟实际通信的情况，分别进行实验。通过在线更新机载电台的解调软件，按照不进行优选和进行优选这两种情况进行对比测试，实验结果如表2所示。

表2　三载波偏移系统通信实验结果

从表2的实验结果可以看出：当3路信号幅度不相同时，优选方法可以正确的从中优选出一路载噪比最高的调幅信号进行解调；当3路信号幅度相同或接近时，优选方法仍能正常工作；而不进行优选处理，解调后的话音质量基本不可接受。实验结果表明本文所提方法是可行和实用的。

6结束语

本文提出了一种在频域进行最佳载波搜索的偏移载波调幅信号的优选方法，从接收的多个信号中优选出一路载噪比最高的调幅信号进行解调，同时对其他信号进行抑制，与常规的解调方法相比，可以降低干扰，提高话音质量，同时可以获得最佳的解调结果。计算机仿真和电台通信实验验证了该方法的可行性、有效性和实用性。本文为民航机载电台的解调算法设计提供了一种实际可行的解决思路，可直接应用于实际工程项目中。在后续的研究中，可以对优选出的信号进行调制方式的识别，判断其是有用信号还是干扰信号，从而提高优选方法在强干扰环境下的准确性与可靠性。

参考文献：

[1]朱道娴,吉松海.民航VHF地空话音通信系统概述[J].空中交通管理,2004(3):46-49.

ZHU Daoxian,JI Songhai.Overview of civil aviation VHF air / ground voice communication system[J].Air Traffice Management,2004(3):46-49.(in Chinese)

[2]韩丹.内话系统中比选及语音增强技术[J].中国民用航空,2012,7(139):30-32.

HAN Dan.Comparative and selection and voice enhancement technologies in intercommunication system[J].China Civil Aviation,2012,7(139):30-32.(in Chinese)

[3]屈长鸣.多业务接入平台中VHF语音信号优选技术的应用[J].空中交通管理,2011(11):21-24.

QU Changming.Application of VHF voice signal selection technology in multi-service access platform[J].Air Traffice Management,2011(11):21-24.(in Chinese)

[4]王伟,张斌,吴松.基于CORDIC算法的AM解调技术研究[J].传感器与微系统,2012(2):36-38.

WANG Wei,ZHANG Bin,WU Song.Study of AM demodulation technology based on CORDIC algorithm[J].Transducer and Microsystem Technologies,2012(2):36-38.(in Chinese)

[5]MARAGOS P,KAISER J F,QUATIERI T F.On amplitude and frequency demodulation using energy operators [J].IEEE Transactions on Signal Processing，1993,41(4):1532-1550.

[6]ICAO Annex 10，Aeronautical telecommunications vol.3[S].

[7]ARINC-761-11-2003,Airborne VHF Communications Transceiver[S].

[8]陈奎孚,王建立,张森文.频谱校正的复比值法[J].振动工程学报,2008,21(3):314-318.

CHEN Kuifu,WANG Jianli,ZHANG Senwen.Spectrum correction based on the complex ratio of discrete spectrum around the main-lobe [J].Journal of Vibration Engineering,2008,21(3):314-318.(in Chinese)

[9]丁康,江利旗.离散频谱的能量重心法[J].振动工程学报,2001,14(3):354-358.

DING Kang,JIANG Liqi.Energycentrobaric correction method for discrete spectrum[J].Journal of Vibration Engineering,2001,14(3):354-358.(in Chinese)

[10]丁康,钟舜聪.通用的离散频谱相位差校正方法[J].电子学报,2003(1):142-145.DING Kang,ZHONG Shuncong.A universal phase difference correcting methods on discrete spectrum [J].Acta Electronica Sinica,2003(1):142-145.(in Chinese)

[11]吕燚.能量重心法在机载选呼系统解码中的应用[J].电讯技术,2015,55(4):413-418.

LYU Yi.Application of energy centrobaric method in decoder of airborne SELCALL system[J].Telecommunication Engineering,2015,55(4):413-418.(in Chinese)

A New Optimum Seeking Method for Offset Carrier Amplitude Modulated Signals in Frequency Domain

GUAN Haiqing

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

Abstract：In civil aviation offset carrier communication system,multiple offset carrier amplitude modulated(AM) signals received by airborne radio interfere with each other.To address the issue,an optimum frequency-domain seeking method is proposed.With the proposed method,the spectrum of received signals is corrected by using energy centrobaric method,and the AM component with maximum carrier-to-noise ratio is selected by searching the maximum amplitude of the spectrum,whereas the other offset carrier AM signals are suppressed.Both computer simulation and radio communication test show that multiple offset carrier AM signals can be selected and demodulated accurately.Meanwhile,the interference is reduced and the mean opinion score(MOS) of demodulated voice is increased by 3.This method is valuable in practical engineering application.

Key words：civil aviation surface-to-air communication;offset carrier;fast Fourier transform;energy centrobaric method;spectrum correction;optimum seeking method

doi:10.3969/j.issn.1001-893x.2016.06.015

收稿日期：2015-11-20；修回日期：2016-03-18Received date:2015-11-20；Revised date：2016-03-18

通信作者：Lg54@163.comCorresponding author：Lg54@163.com

中图分类号：TN919

文献标志码：A

文章编号：1001-893X(2016)06-0681-05

作者简介：

管海清(1980—)，男，湖北蕲春人，2006年获硕士学位，现为工程师，主要研究方向为无线通信、话音信号处理。

GUAN Haiqing was born in Qichun，Hubei Province，in 1980.He received the M.S. degree in 2006.He is now an engineer.His research concerns wireless communication and audio signal processing.

Email：Lg54@163.com

引用格式：管海清.一种偏移载波调幅信号的频域优选新方法[J].电讯技术，2016,56(6):681-685.[GUAN Haiqing.A new optimum seeking method for offset carrier amplitude modulated signals in frequency domain[J].Telecommunication Engineering,2016,56(6):681-685.]