地空通信中持续干扰抑制系统的设计与实现

钟伦珑，胡铁乔

(中国民航大学 智能信号与图像处理天津市重点实验室，天津 300300)

0 引 言

近年来，随着我国电信事业的迅猛发展，地空通信受干扰的程度越来越严重[1,2]。目前，民航一般采用改频、监测和清查等被动的非技术手段规避干扰[3]，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一大隐患。

地空通信工作在118 MHz～136.975 MHz甚高频频段，采用带载波双边带幅度调制，单双工工作方式，抗干扰性能差，而且邻近民用频段众多，很容易由于泄漏、互调等原因形成与地空通信频段相混叠的随机干扰，单纯采用传统的时域或空域滤波器很难抑制这些干扰[4,5]。基于干扰波形或统计量的特点，胡铁乔等学者提出了对应的干扰抑制系统方案[3]，但存在抑制效果不佳或计算复杂等问题。

针对民航地空通信中常见的、且产生恶劣影响的单个持续干扰抑制问题，利用干扰持续存在而有用信号时断时续的特点，本文基于双通道结构，提出了一种基于最小二乘的持续干扰抑制方法，计算简单且无收敛问题，并且基于“DSP+FPGA”信号处理平台设计实现了持续干扰抑制系统。最后，对本文所提方法进行了实验验证。

1 基于最小二乘的持续干扰抑制方法

1.1 系统数学模型

双通道结构可视为两阵元天线阵，考虑仅有一个干扰的情形，当系统满足以下条件时：①飞机与两阵元的距离比阵元间隔大得多；②飞机飞行速度不变或相对变化缓慢；③干扰源来自地面，静止或移动速度很低，两阵元接收到的信号复数形式可以表示成如式(1)的线性瞬时混合模型[6]

(1)

(2)

式中：θ1、θ2分别为有用信号、干扰的来向。

对式(1)所示的阵列信号以间隔Ts进行采样，并整理成矩阵形式，可以得到数字化阵列信号

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

(3)

1.2 持续干扰抑制方法

由于地空通信是半双工通信，有用信号时有时无，而对地空话音通信造成实质影响的干扰一般持续存在，因此可分两种情况讨论：

(1)仅有持续干扰

当仅有干扰时，式(3)所示的阵列信号可以简化为

x(k)=a(θ2)s2(k)+n(k)

(4)

对式(4)进行块处理，设每次处理快拍个数为N，协方差矩阵的估值为

(5)

式中：上标H为共轭转置。

(6)

式中：上标*为共轭。由于两阵元通道的噪声互不相关，且噪声功率远小于干扰功率，设阵元通道的噪声功率相同，则式(6)可以表示为

(7)

(2)有用信号与干扰同时存在

当同时存在有用信号与干扰时，阵元信号可以表示为

x(k)=a(θ1)s1(k)+a(θ2)s2(k)+n(k)

(8)

(9)

(10)

在两阵元的条件下，式(10)可简化成

(11)

(12)

从式(11)和式(12)可以看出，对干扰和有用信号的估计均可用观测信号进行波束形成的方式得到

y(k)=wHx(k)

(13)

式中：w为加权矢量，y(k)为波束形成后的输出。

进行干扰抑制时，直接使用式(12)求有用信号估计，此时加权矢量可表示为

(14)

式中：上标T为向量的转置。

综上讨论，可以将此种持续干扰抑制方法归结为：当仅有干扰存在时，进行干扰来向估计，并利用式(14)进行加权矢量更新，否则加权矢量不变；然后，利用得到的加权矢量对阵列信号波束形成，即进行如式(13)的运算，从而实现自适应抑制持续干扰。

1.3 仅存在持续干扰的自动识别方法

在进行节1.2的加权矢量更新时，需要判断当前是否仅有持续干扰，本文基于对每个处理块中的信号个数进行自动识别的方法来判断是否仅存在持续干扰。

当有用信号和干扰同时存在时，根据式(8)可求得阵元信号的协方差矩阵

(15)

式(15)的两特征值可表示为

(16)

当仅有干扰时，两特征值之比为

(17)

当有用信号和干扰同时存在时，两特征值之比为

(18)

比较式(17)和式(18)可以看出：在仅有干扰的时候，协方差矩阵的特征值之比会比较大；同时存在来向不同的有用信号和干扰时，特征值之比会比较小。因此，可以使用如下的逻辑判断信号个数

(19)

式中：ηth为选用的判断阈值。

使用特征值之比来识别是否仅有持续干扰的方法特点在于：和阵列信号处理对通道要求一样，该方法的处理效果和双通道的一致性、通道的信噪比等因素有关，但本文仅用到两个通道，相对于多通道来说，通道的一致性较为容易做到；而且与以两通道相关系数来判断信号个数的方法比较而言，本方法可更好地分辨出来向不同情况下的信号个数问题。

2 持续干扰抑制系统设计

2.1 系统方案

在节1讨论的基础上，可以将本文所提出的基于最小二乘的持续干扰抑制方法及具体流程如下：

(1)将接收到的两阵元信号进行正交变换，形成复信号，计算互相关矩阵，进行如式(19)的信号个数判断，自动识别信号中是否仅有持续干扰，若仅有持续干扰则进行步骤(2)，否则进行步骤(3)；

(2)计算互相关矩阵大特征值对应的特征向量，利用式(14)进行自适应加权矢量更新；

(3)使用步骤(2)得到的加权矢量对步骤(1)输出的复信号进行波束形成wHx(k)，得到抑制持续干扰后的信号。

在上述方法的基础上，基于软件无线电思想[9]设计出如图1的民航地空通信持续干扰抑制系统，前端天线1和2接收到两阵元射频信号，射频前端输出两路中频信号，模数转换将两路中频信号转换成中频数字复信号，根据实现式(19)的监视模块判断结果，在仅有干扰时根据式(14)进行自适应加权矢量更新，同时利用此自适应加权矢量进行波束形成，解调器完成干扰抑制后的调幅信号包络检波，数模转换输出音频信号。图1虚框中所有模块在统一的“DSP+FPGA”信号处理平台上实现。

图1 双通道持续干扰抑制系统方案

2.2 “DSP+FPGA”信号处理平台

如图1所示，除了一些模拟功能外，所有的数字信号处理功能全在“DSP+FPGA”信号处理平台上实现，完成基于最小二乘的持续干扰抑制方法和干扰抑制后的地空通信话音输出。

“DSP+FPGA”信号处理平台硬件结构如图2所示，运算资源包括一片浮点数字信号处理DSP芯片TMS320C6713B和一片现场可编程门阵列FPGA芯片XC5VSX50T。其中DSP主要用于监视模块、加权矢量更新等运算；FPGA主要用于中频信号预处理、波束形成、音频解调、串口通信、时钟管理及中频能量检测等运算；DSP和FPGA通过总线相连。控制子板使用MSP430单片机，主要用于中频自动控制增益AGC电压控制、音频控制等操作。模数接口板完成对两路中频信号采样，以及对FPGA处理的结果进行高速数模转换，用于验证中间处理结果的正确性。同时，信号处理平台提供调试接口，以及前面板接口、上位机接口等机接口。

3 软件设计

3.1 FPGA部分

与干扰抑制功能相关的FPGA顶层文件功能模块如图3所示，图中主要标注了模块之间的连接信号。在80 MHz时钟驱动下，两个模数转换器AD9233依次对两路1.25 MHz中频信号进行采样，得到40 MS/s的两路中频采样信号adc1_d和adc2_d。在滤波抽取AD_BPF_Mdl模块中进行数据预处理，包括带通滤波、下变频、低通滤波、抽取等，得到200倍抽取后的200 KS/s中频信号ch1_d和ch2_d，并选择一路经带通滤波后的40 MS/s中频采样信号dac_d送至数模转换监测滤波效果。在正交变换处理Re_Com_Mdl模块中进行复信号变换与协方差矩阵计算，得到两路复信号ch1_d_r/i、ch2_d_r/i和协方差矩阵元素Rx_11、Rx_22、Rx_12_r/i，并将协方差矩阵元素传递给DSP，进行仅有干扰的自动识别和波束形成加权矢量更新，两路复信号经通道选择后输出给后面的调幅解调模块。在干扰抑制Inter_Sup_Mdl模块接收来自DSP的加权矢量更新w_update，进行波束形成，得到干扰抑制后的中频信号InterSup_o_r/i。在调幅解调Dem_Mdl模块中进行包络检波解调，得到数字音频信号dem_o，经过数字音频输出aic23_fpga_interf模块将音频信号送给控制子板上的AIC23芯片。各个功能模块的具体实现方法。

图2 “DSP+FPGA”信号处理平台硬件结构

图3 FPGA功能模块

滤波抽取AD_BPF_Mdl模块：由二阶无限冲激响应IIR带通滤波器、8倍抽取、下变频、128阶有限冲激响应FIR低通滤波器、25倍抽取组成，将40 MS/s的中频数字信号抽取到200 KS/s。

正交变换处理Re_Com_Mdl模块：正交变换由延迟器和78阶FIR滤波器组成，两者的输入时钟均为20 MHz，其中延迟器延迟39个采样周期，形成两路信号的实部，78阶FIR滤波器模拟Hilbert变换，形成两路信号的虚部。协方差矩阵计算由乘加器实现式(5)运算，得到协方差矩阵的对角元素Rx_11、Rx_22，以及斜对角元素的实虚部Rx_12_r/i，并送给DSP芯片。

干扰抑制Inter_Sup_Mdl模块：接收来自Re_Com_Mdl模块的阵列复信号和DSP芯片过来的加权矢量w_update，由乘加器实现如式(13)的波束形成。

调幅解调Dem_Mdl模块：在标志位的控制下，对干扰抑制后的中频信号InterSup_o_r/i或干扰抑制前的中频信号(ch1_d_r/i/，ch2_d_r/i)包络检波解调，再通过一低通滤波器得到基带音频信号dem_o。FPGA中使用乘加器和开平方器对复信号取模值，并使用延迟器和乘加器实现一个72阶的低通滤波器。

数字音频输出aic23_fpga_interf模块：由分频器和并串转换电路组成，生成AIC23的接口协议信号，其中时钟信号由控制子板上的AIC23芯片提供。

3.2 DSP部分

DSP程序流程如图4所示，上电后进行初始化并等待FPGA配置完成，然后进行系统初始化和控制字初始化，之后进入主循环，每s发送一次干扰抑制系统的工作状态至PC机。此外，DSP还使用了一个5 ms定时中断，用来识别是否仅存在持续干扰的情形和对加权矢量进行更新计算。

图4 DSP主程序流程

识别信号个数的监视模块和加权矢量w更新模块由一5 ms定时中断服务程序实现，本质是由FPGA生成的200 KHz时钟信号驱动的5 ms外部定时中断，程序流程图如图5所示。首先计算协方差矩阵的特征值，使用三中取二的方法判断是否仅存在干扰，即变量DisFlag记录两特征值之比小于阈值的次数，连续判断3次，如3次中仅有1次或0次小于阈值，则进行加权矢量的更新计算，否则加权矢量保持不变，3次判断结束后清零相应的标志，并把加权矢量传递给FPGA。

图5 5 ms外部定时中断服务程序流程

4 实验及结果分析

4.1 仿真实验分析

仿真设置：两阵元接收干信比SIR=0 dB的地空通信调幅有用信号与调频干扰，采样率为200 KHz，两接收通道的信噪比SNR均为30 dB，地空通信信号来向0°，且每1.25 s进行通断，干扰来向20°，持续存在，对应的仿真时序图如图6所示。

图6 仿真时序图

对前述仿真信号按本文方法进行干扰抑制实验，式(6)中的每次处理快拍数为2000，实验结果如图7所示，其中图7(a)为原始未受干扰的原始地空通信话音信号波形，图7(b)为对两阵元之一的接收信号直接解调的信号波形，图7(c)为利用本文方法进行干扰抑制后解调出来的话音信号波形。由图7仿真结果可见：如果不进行干扰抑制而直接解调，解调出来的信号与原始信号会有很大的不同，而利用本文方法进行干扰抑制后再解调所得的信号波形与原始话音相似。

图7 原始及干扰抑制前后信号波形

按图6仿真时序图通断来向为0°的地空通信信号，而干扰来向则在-90°～90°以5°为间隔均匀改变，其它仿真条件同前。在每个干扰来向进行100次Monte Carlo实验，得出随着干扰来向改变时，经本文干扰抑制后解调信号与原始话音信号相关系数平均值的变化情况，结果如图8所示。由图8可以看出，即使干扰来向与有用信号来向靠的很近，本文方法也能对干扰进行有效抑制，两者来向相差5度时干扰抑制后解调信号与原话音信号的相关系数仍能达到0.9左右，而直接解调方法在各来向都保持很低的相关系数，地空通信话音信号无法辨别。

图8 干扰抑制前后解调信号与原始话音信号的相关系数

4.2 实测数据实验分析

为了验证干扰抑制实验系统的功能，使用信号发生器HP 8657B和R&S SMH分别模拟生成地空通信有用信号和持续干扰信号后，两者通过长度不同的电缆连接至两阵元通道的射频前端，模拟有用信号和干扰不同来向时阵元的接收时延。

作为一个实际干扰抑制处理效果的例子，图9给出了在模拟时断时续的地空通信有用信号来向0°，而持续干扰来向8.8°，干信比为0 dB时的干扰抑制效果，其中图9(a)为干扰抑制后解调信号波形，可以很清楚地看出原话音信号波形，而图9(b)为对一路信号进行直接解调的波形，和原话音信号波形有了很大不同。

图9 实测数据干扰抑制前后波形

为了更清晰看出干扰抑制效果，模拟干扰来向8.8°，有用信号来向0°，在各干信比的条件下(0 dB，5 dB，10 dB)统计测试20次。表1给出了相应的测试结果，包含参考语音服务质量的主观评价标准[10]给出的主观听觉感受，和在各种情况下与原语音信号相关系数的平均值，可以看出经过干扰抑制系统得到的解调信号在主观听觉效果上有了很大提升，在相关系数上也较直接解调有了很大的改变。

表1 干扰抑制效果测试结果

5 结束语

对受持续干扰影响的双通道地空通信系统进行了数学建模与分析，提出了基于最小二乘的双通道持续干扰抑制方法。而且，以“DSP+FPGA”信号处理平台为核心，设计了实现本文所提算法的持续干扰抑制系统，整个系统也相当于一台完整的具有持续干扰抑制功能的地空通信接收机。从仿真结果来看，所提的持续干扰抑制算法可以有效地抑制干扰；同时，通过实验也进一步验证了所提的持续干扰抑制方法的正确性，并说明了所设计的持续干扰自适应抑制系统是合理的、有效的。