單通道恒模抗干擾民航VHF接收機設(shè)計與實現(xiàn)

吳仁彪，王心鵬，胡鐵喬，石慶研，汪萬維

（中國民航大學(xué)天津市智能信號與圖像處理重點實驗室，天津 300300）

隨著國內(nèi)電信業(yè)和民航業(yè)的快速發(fā)展，VHF地空話音通信系統(tǒng)受到的無線電干擾越來越多，嚴重威脅航空安全。目前民航VHF地空話音通信系統(tǒng)主要使用進口電臺，其不具備干擾抑制功能。對于空管無線電干擾問題，現(xiàn)行的主要解決措施是：改頻、監(jiān)測和清查等被動的非技術(shù)手段，效果很不理想。因此，研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的民航VHF地空通信自適應(yīng)干擾抑制系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。

隨著EDA技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字信號處理器的性能在不斷的提高。本接收機的信號處理平臺采用FPGA和DSP作為數(shù)字信號處理芯片，使用Verilog[1]和C作為編程開發(fā)語言，以DSP作為控制芯片，在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)了單通道恒模干擾抑制系統(tǒng)。當(dāng)存在恒模干擾時，系統(tǒng)抑制干擾的過程如下：首先對信號進行載頻估計，然后利用陷波器將受干擾的AM信號分離為載波和去載波信號，最后使用非線性最小二乘方法提取恒模干擾信號，將去載波信號與干擾信號相減得到去載波的AM信號，經(jīng)解調(diào)和低通濾波輸出清晰的話音信號，實現(xiàn)抗干擾的功能。

1 單通道恒模干擾抑制算法

文獻[2-3]中提出了基于非線性最小二乘方法的單通道恒模干擾抑制算法，提取恒模信號的基本思想如下。設(shè)恒模信號為

其中：α表示未知恒模信號的幅度；{φ（n）}為未知恒模信號的相位序列；n為采樣快拍；N表示采樣快拍數(shù)。

建立關(guān)于 α 與{φ（n）}N-1n=0的最小化準(zhǔn)則

其中：e1（n）表示去載波信號經(jīng)正交變換后得到的復(fù)信號。從最小化式（2）所示的代價函數(shù)，可得恒模干擾信號序列的幅度估計

恒模干擾信號序列的相位估計為

則恒模干擾信號估計值為[2-3]

基于非線性最小二乘的恒模信號估計算法，避免了一般自適應(yīng)干擾抑制方法中的收斂和步長因子選取等問題，適合作為系統(tǒng)實現(xiàn)時使用的算法。將抑制載波后的受干擾信號直接與估計出的恒模干擾進行相減，可得到有用信號。

2 系統(tǒng)設(shè)計

單通道恒模抗干擾接收機主要由射頻前端和信號處理平臺兩部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。射頻前端采用兩級混頻的超外差式結(jié)構(gòu)，其輸出為70 MHz的中頻信號。信號處理平臺以FPGA-XC2VP30和DSP-TMS320C5410A為處理器，以單通道恒模干擾抑制算法為核心對數(shù)據(jù)進行處理。FPGA的特點是對數(shù)據(jù)的并行處理能力強，對結(jié)構(gòu)不復(fù)雜的算法處理效率較高。C54系列的DSP具有低功耗的特點，使用C語言可對其進行開發(fā)調(diào)試。本系統(tǒng)中恒模干擾抑制算法在FPGA中完成，控制部分與載頻估計在DSP中完成。由于DSP中程序為順序執(zhí)行，處理速度慢，因此與僅使用DSP作處理器的抗干擾系統(tǒng)[6]相比，基于FPGA和DSP的抗干擾系統(tǒng)具有處理速度快，實時性好，功耗低等優(yōu)點。

圖1 單通道恒模抗干擾民航VHF接收機Fig.1 Single-channel constant modulus anti-interference civil aviation VHF receiver

接收機的工作過程如下：天線接收到的甚高頻信號經(jīng)射頻前端處理轉(zhuǎn)化為70 MHz中頻信號后，經(jīng)40 MHz采樣、下變頻、低通濾波處理得到載頻頻率為50 kHz的信號。由于后續(xù)模塊算法復(fù)雜，使用較低的采樣率更有利于對FPGA中乘除法器等IP核進行分時復(fù)用以節(jié)省硬件資源，因此在滿足奈奎斯特采樣定理的前提下將采樣率降低為200 kHz。對降速后的信號利用Goertzel算法[4]進行載頻估計，為避免恒模算法的誤捕獲現(xiàn)象進行陷波處理[5]，對去載波信號進行正交變換得到復(fù)信號，利用單通道恒模干擾抑制算法對干擾信號進行實時估計，將去載波受干擾信號與提取的恒模干擾相減，其輸出為抑制干擾后的去載波AM信號，經(jīng)相干解調(diào)和低通濾波處理，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換便可得到清晰的話音信號。

3 硬件設(shè)計

3.1 射頻前端設(shè)計

射頻前端采用超外差接收結(jié)構(gòu)，主要性能指標(biāo)為：接收頻段為118～137 MHz，靈敏度-80 dBm，動態(tài)范圍40 dBm，輸出中頻頻率為70 MHz，輸出最大幅值±0.80 V至±1 V。射頻前端的硬件框圖如圖2（a）所示，實物圖如圖2（b）所示。由上至下的三路通道分別為兩路接收和一路發(fā)射通道，本接收機使用上方的一路作為接收通道，左端為射頻輸入，右端為中頻輸出。來自天線的信號經(jīng)過低噪聲放大、兩級混頻、帶通濾波（BPF）、中頻放大和自動增益控制（AGC）后輸出載頻為70 MHz的中頻信號。其中第一級本振的頻率由基準(zhǔn)頻率和可變頻率兩部分組成，基準(zhǔn)頻率為613 MHz，可變頻率的數(shù)值由單片機進行設(shè)置，以滿足民航VHF通信760個通道選擇的要求。第二級本振頻率固定為425 MHz。射頻前端工作電壓為5 V。

圖2 抗干擾接收機射頻前端Fig.2 RF front end of anti-interference receiver

3.2 信號處理平臺設(shè)計

圖3 抗干擾接收機信號處理平臺Fig.3 Signal processing platform of anti-interference receiver

信號處理平臺的硬件框圖如圖3（a）所示，實物圖如圖3（b）所示。處理平臺由FPGA、DSP、中頻接收通道、中頻發(fā)射通道、語音通道、AGC接口、控制接口和電源構(gòu)成。在接收通道中使用AD9244對中頻信號采樣，發(fā)射通道中使用AD9777將FPGA內(nèi)部的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成載頻為70 MHz模擬AM信號，再上變頻至民航VHF頻段后通過天線發(fā)射出去。在語音通道中使用LTC1864對話音信號進行采樣，使用LTC1655對FPGA處理后的信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換并輸出至揚聲器。信號處理平臺工作電壓為5 V。

4 軟件設(shè)計

4.1 Matlab算法定點化

FPGA中處理的數(shù)據(jù)均為定點數(shù)，而Matlab仿真程序中的數(shù)據(jù)為浮點數(shù)。在工程實現(xiàn)前需對浮點算法進行定點化處理，以保證在變量均為定點數(shù)時算法的性能和浮點時保持一致，處理過程如圖4所示。其中，生成數(shù)據(jù)源方法為：在FPGA程序中找到與Matlab仿真算法起始處相對應(yīng)的位置，測試FPGA中該模塊輸入數(shù)據(jù)的幅度變化范圍，將Matlab中的仿真數(shù)據(jù)源放大到此范圍并取整，以保證其與FPGA中的數(shù)據(jù)源幅度相一致。計算誤差的方法為：設(shè)浮點程序中的變量為x，定點化后該變量為xf，定點化時該變量的放大倍數(shù)為M，設(shè)誤差e為xf/M與x對應(yīng)元素相減后取絕對值，設(shè)定誤差門限E，當(dāng)誤差e中的最大值em＜E時認為本次定點化合理；當(dāng)em≥E時重新選擇放大倍數(shù)，再次進行定點化處理。最后，確定出定點算法中各變量的位寬，在FPGA程序設(shè)計中對相應(yīng)變量使用已確定的位寬，這樣可保證系統(tǒng)在運行時所有變量都不會發(fā)生溢出。

圖4 定點化處理流程圖Fig.4 Flow chart of fixed-point processing

4.2 FPGA程序設(shè)計

FPGA的程序設(shè)計建立在文獻[2-3]中已完成的仿真實驗和定點化處理基礎(chǔ)上，設(shè)計時采用了模塊化的方法，將芯片內(nèi)部資源劃分為下變頻、低通濾波、抽取濾波、陷波、正交變換、恒模干擾實時估計、解調(diào)濾波等模塊。下面給出系統(tǒng)的核心——恒模干擾實時估計模塊的原理，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。模塊輸入數(shù)據(jù)為抑制載波后的受干擾復(fù)信號e1（n），對其歸一化得到帶有相位估計（n）的變量 ejφ^(n)。式（4）中的采樣快拍隨時間單調(diào)遞增，而硬件系統(tǒng)中變量的數(shù)據(jù)范圍有限，因此要計算幅度估計（n）應(yīng)使用如下方法：設(shè)定一個門限，利用計數(shù)器對采樣快拍n進行計數(shù)，當(dāng)計數(shù)值小于門限時，切換開關(guān)位置如圖5中所示（n）由對模塊輸入數(shù)據(jù)的模值進行累加并對當(dāng)前采樣快拍n取平均的方法得到。當(dāng)計數(shù)值大于門限時，開關(guān)進行切換，將式（4）中的采樣快拍n固定為常數(shù)M，α^（n）由當(dāng)前時刻與前M-1時刻數(shù)據(jù)的模值累加和對M 取平均得到。將幅度估計（n）與 ejφ^(n)相乘可得恒模干擾信號估計（n），將去載波的受干擾信號與本模塊輸出的恒模干擾直接相減，可得干擾抑制后的去載波AM信號。

圖5 恒模干擾實時估計模塊硬件框圖Fig.5 Hardware block diagram of module of constant modulus interference real-time estimation

4.3 DSP程序設(shè)計

DSP的載頻估計原理在文獻[2-3]中已進行了詳細描述，這里給出DSP中程序的設(shè)計流程，如圖6所示。系統(tǒng)復(fù)位后，首先向FPGA傳輸相應(yīng)的控制字[7]，然后進入載頻估計部分。估頻數(shù)據(jù)來自FPGA，估頻點數(shù)為10 000點。當(dāng)首次估頻時，先進行頻點間隔為10 Hz和1 Hz的兩次粗估，然后進行間隔為0.1 Hz的精估，通過估出的載波頻率值計算出陷波器的初始值及陷波參數(shù)，將其分別進行定點化處理后傳給FPGA，系統(tǒng)重新打開中斷準(zhǔn)備進行下一次估頻，隨后估頻過程在原有估計頻率的基礎(chǔ)上只進行精估即可。

圖6 DSP程序流程圖Fig.6 Flow chart of DSP program

5 實驗結(jié)果及分析

5.1 單通道恒模算法定點化處理結(jié)果

將Matlab中仿真數(shù)據(jù)源的幅度放大到與FPGA中相應(yīng)模塊的輸入數(shù)據(jù)范圍相一致，分別對浮點和定點單通道恒模干擾抑制算法進行性能測試，其輸出結(jié)果分別如圖7（a）和圖7（b）所示。從波形上可直觀看出，算法經(jīng)定點化處理后，輸出的話音信號與定點化之前基本沒有變化，兩種算法的相關(guān)系數(shù)為0.992 4。使用實測數(shù)據(jù)源對定點化前后的算法進行測試，干擾抑制性能良好。仿真和實測數(shù)據(jù)源的測試結(jié)果為定點算法在硬件平臺上的實現(xiàn)提供了保障。

5.2 抗干擾接收機性能測試結(jié)果

在FPGA中對接收機的恒模干擾抑制性能進行測試，測試條件：AM信號載頻118 MHz，調(diào)制度為80%，F(xiàn)M信號載頻118 MHz，頻偏15 kHz，AM信號和FM干擾的功率均為0 dBm，將兩種信號進行混合作為接收機的輸入。利用ChipScope軟件觀察系統(tǒng)的話音輸出，如圖8所示。由測試結(jié)果可知，對混合信號直接解調(diào)時輸出信號與原始話音信號相差較大，而經(jīng)過恒模干擾抑制處理后接收機輸出的話音信號與原始話音基本一致，實現(xiàn)了抗干擾的功能。使用OTE公司的GTR100/25常規(guī)電臺作參考，改變AM信號與FM干擾的功率比，對比兩接收機輸出的話音信號，其結(jié)果如表1所示。對抗干擾接收機的性能測試并與常規(guī)接收機進行性能對比，這兩種測試方式均證明了單通道恒?？垢蓴_接收機可輸出清晰的話音信號，具有良好的干擾抑制效果。

圖7 定點化處理前后輸出結(jié)果對比Fig.7 Contrast of output results before and after fixed-point processing

圖8 抗干擾接收機性能測試Fig.8 Performance testing of anti-interference receiver

表1 抗干擾接收機與常規(guī)接收機性能對比Tab.1 Performance contrast between anti-interference and conventional receivers

6 結(jié)語

本文在基于FPGA和DSP的平臺上完成了單通恒?？垢蓴_民航VHF接收機的設(shè)計與實現(xiàn)。在設(shè)計過程中針對單通道恒模算法和Goertzel算法的特點，合理地分配了FPGA和DSP的功能及資源：在FPGA中搭建單通道恒模干擾抑制系統(tǒng)的主體部分，在DSP中完成對FPGA的控制和載頻估計部分。系統(tǒng)測試表明：單通道恒?？垢蓴_接收機能夠有效地抑制恒模干擾，明顯提高話音通信質(zhì)量。本實現(xiàn)方案亦可應(yīng)用于甚高頻數(shù)據(jù)鏈通信抗干擾，具有一定的擴展性。

[1]劉福奇，劉 波.Verilog HDL應(yīng)用程序設(shè)計實例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

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[3]石慶研，吳仁彪，鐘倫瓏.單通道最優(yōu)恒模自適應(yīng)干擾抑制方法[J].電子與信息學(xué)報，2011，33（5）：1126-1130.

[4]ALAN V.Oppenheim.Discrete-time Signal Processing[M].2版.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[5]鐘倫瓏.地空通信自適應(yīng)干擾抑制實驗系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].天津：中國民用航空學(xué)院，2006.

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[7]Texas Instruments Incorporated.TMS320C54x系列DSP的CPU與外設(shè)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.