雙通道恒模干擾抑制VHF接收機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡鐵喬，吳 勇，吳仁彪，石慶研，王心鵬

（中國(guó)民航大學(xué)智能信號(hào)與圖像處理天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300）

雙通道恒模干擾抑制VHF接收機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

胡鐵喬，吳 勇，吳仁彪，石慶研，王心鵬

（中國(guó)民航大學(xué)智能信號(hào)與圖像處理天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300300）

為了解決民航地空通信受到無線電干擾的問題,提出了雙通道恒模干擾抑制自適應(yīng)抑制接收機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案.接收機(jī)中的信號(hào)處理平臺(tái)在FPGA中實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)干擾抑制,使用DSP判斷恒模算法輸入信號(hào)是否存在干擾,以及對(duì)恒模算法輸出信號(hào)進(jìn)行屬性判斷以防止誤捕獲.再配以具有VHF信號(hào)接收功能的射頻前端電路,實(shí)現(xiàn)接收、干擾抑制、解調(diào)地空通信信號(hào)的功能.系統(tǒng)測(cè)試表明,雙通道恒模干擾抑制接收機(jī)能夠自適應(yīng)地抑制恒模干擾.

雙通道恒模算法；干擾抑制；FPGA；DSP

隨著中國(guó)航空事業(yè)的迅速發(fā)展，民航無線電專用頻率受到干擾的情況也時(shí)常出現(xiàn)，由于現(xiàn)有的地空通信設(shè)備不具有干擾抑制功能，僅使用改頻、檢測(cè)和清查等被動(dòng)手段為民航無線電專用頻率保護(hù)工作增加了難度，因此，從本質(zhì)上解決民航地空通信受干擾的問題具有重要意義。在對(duì)干擾的調(diào)研與分析中[1]，已經(jīng)得出大部分干擾具有恒模特性的結(jié)論，本文從陣列信號(hào)處理的角度提出了雙通道恒模干擾抑制VHF接收機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案。

干擾抑制接收機(jī)的信號(hào)處理平臺(tái)采用FPGA+DSP的構(gòu)架，在信號(hào)處理平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了雙通道恒模干擾抑制系統(tǒng)。干擾監(jiān)視模塊在DSP中對(duì)兩路輸入信號(hào)進(jìn)行干擾監(jiān)測(cè)，當(dāng)存在恒模干擾時(shí)，系統(tǒng)抑制干擾的過程為：首先對(duì)兩路輸入信號(hào)進(jìn)行正交變換，然后通過恒模陣列提取干擾，并利用DSP中的屬性判斷模塊對(duì)陣列輸出進(jìn)行檢測(cè)以防止發(fā)生誤捕獲[2]，發(fā)生誤捕獲時(shí)將恒模陣列輸出作為有用信號(hào)。最后使用自適應(yīng)干擾對(duì)消器將AM管制話音信號(hào)從受干擾信號(hào)中分離出來，經(jīng)包絡(luò)解調(diào)、低通濾波和音頻處理輸出清晰的話音信號(hào)，實(shí)現(xiàn)干擾抑制的功能。

1 雙通道恒模干擾抑制算法

Agee于1986年最早提出恒模算法[3]，這種最小二乘恒模算法（least square constant modules algorithm，LSCMA）是利用發(fā)送信號(hào)的包絡(luò)恒定特性來調(diào)整權(quán)系數(shù)，使得輸出信號(hào)的幅度保持恒定，它能夠快速收斂且易于實(shí)現(xiàn)，計(jì)算復(fù)雜度低。目前恒模算法在盲均衡、盲多用戶檢測(cè)和盲波束形成等領(lǐng)域[4-5]已有了廣泛的硬件實(shí)現(xiàn)。

文獻(xiàn)[6-9]中提出了雙通道恒模干擾抑制算法，它由恒模陣列和自適應(yīng)干擾對(duì)消器兩部分構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 雙通道恒模干擾抑制算法Fig.1 Bi-channel constant modulus interference suppression algorithm

恒模陣列的輸入信號(hào)x（n）經(jīng)過自適應(yīng)更新的權(quán)矢量w（n）加權(quán)求和，其陣列輸出為

其中：x（n）=[x1（n），x2（n）]T為兩路輸入信號(hào)；w（n）= [w1（n），w2（n）]T為自適應(yīng)權(quán)矢量，利用恒模算法進(jìn)行實(shí)時(shí)更新

其中：步長(zhǎng)μCMA>0，是用來控制權(quán)值更新的收斂速度；ecma（n）為恒模控制更新量的誤差項(xiàng)，使用1-2型最陡下降恒模算法

自適應(yīng)干擾對(duì)消器的輸入為一路受干擾信號(hào)x1（n）和恒模陣列輸出ycma（n），經(jīng)自適應(yīng)對(duì)消得到民航地空通信所需的有用信號(hào)

其中：wCRLS（n）為對(duì)消器的自適應(yīng)權(quán)系數(shù)，這里采用復(fù)數(shù)遞歸最小二乘算法（CRLS）進(jìn)行權(quán)值更新。e（n）為對(duì)消后的輸出信號(hào)。

CRLS算法的代價(jià)函數(shù)為

其中：λ為遺忘因子，這里取0.999 9。

在此，針對(duì)恒模信號(hào)的特點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)的CRLS算法進(jìn)行改進(jìn)以簡(jiǎn)化運(yùn)算。先對(duì)恒模信號(hào)做歸一化處理

其中：β（n）代表恒模信號(hào)的復(fù)相位，自適應(yīng)對(duì)消器的權(quán)值更新為

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雙通道恒模干擾抑制接收機(jī)主要由射頻前端和信號(hào)處理平臺(tái)兩部分組成，系統(tǒng)框圖如圖2所示。射頻前端由兩路一致性較好的接收通道組成，結(jié)構(gòu)上采用兩級(jí)混頻的超外差方式，其兩路輸出為70 MHz的中頻信號(hào)。信號(hào)處理平臺(tái)以FPGA-XC5VSX50T和DSP-TMS320C6713B為處理器，以雙通道恒模算法為核心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本系統(tǒng)中雙通道恒模干擾抑制算法在FPGA-XC5VSX50T中完成，對(duì)FPGA的控制部分、恒模陣列輸出信號(hào)的屬性判斷和干擾監(jiān)測(cè)在DSP中完成。

圖2 雙通道恒模干擾抑制接收機(jī)Fig.2 Bi-channel constant modulus anti-interference receiver

接收機(jī)的工作過程如下：兩路天線接收到的甚高頻信號(hào)經(jīng)射頻前端處理轉(zhuǎn)化為70 MHz中頻信號(hào)后，在FPGA中進(jìn)行40 MHz采樣、下變頻、低通濾波得到載頻頻率為50 kHz的信號(hào)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。在滿足奈奎斯特采樣定理的前提下將采樣率降低為200 kHz以滿足后續(xù)模塊數(shù)據(jù)處理的要求。對(duì)兩路降速抽取后的信號(hào)進(jìn)行正交變換得到復(fù)信號(hào)，將兩路復(fù)信號(hào)經(jīng)緩沖器DPRAM送入DSP中進(jìn)行干擾檢測(cè)，若不存在干擾接收機(jī)工作在常規(guī)解調(diào)模式，則將正交變換后的一路數(shù)據(jù)直接送入包絡(luò)檢波器。若存在干擾接收機(jī)在干擾抑制模式下工作，則利用恒模陣列提取恒模干擾信號(hào)，并將其與一路正交變換后的復(fù)信號(hào)作為自適應(yīng)干擾對(duì)消器的輸入，其對(duì)消輸出結(jié)果為干擾抑制后的AM管制話音信號(hào)。為了避免恒模陣列誤捕獲現(xiàn)象的發(fā)生，將陣列輸出經(jīng)緩沖器DPRAM送入DSP對(duì)信號(hào)進(jìn)行屬性判斷，其結(jié)果作為包絡(luò)檢波模塊輸入數(shù)據(jù)選擇開關(guān)的控制信號(hào)。包絡(luò)檢波后的信號(hào)經(jīng)低通濾波，通過AIC23音頻處理模塊便可得到清晰的話音信號(hào)。信號(hào)處理平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖3 射頻前端硬件框圖Fig.3 Hardware block diagram of RF front end

圖4 信號(hào)處理平臺(tái)硬件框圖Fig.4 Hardware block diagram of signal processing platform

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 FPGA程序設(shè)計(jì)

FPGA的程序設(shè)計(jì)建立在文獻(xiàn)[6-9]已完成的仿真實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)時(shí)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、正交變換、恒模陣列、自適應(yīng)干擾對(duì)消器、包絡(luò)檢波、解調(diào)低通濾波和去直流等模塊。下面給出系統(tǒng)的核心——恒模陣列和自適應(yīng)干擾對(duì)消器模塊的實(shí)現(xiàn)方案，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)分別如圖5和圖6所示。

圖5中所示的雙通道恒模陣列模塊對(duì)輸入數(shù)據(jù)的處理過程如下：經(jīng)過正交變換后的兩路數(shù)據(jù)x1（n）、x2（n）分別與權(quán)值w1（n）、w2（n）進(jìn)行復(fù)乘，其相加后的結(jié)果作為陣列輸出ycma（n），陣列權(quán)矢量的初始值均為1。對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理得到y(tǒng)nor（n），將陣列輸出與歸一化數(shù)據(jù)相減得到誤差項(xiàng)ecma（n），根據(jù)權(quán)值更新公式選擇適當(dāng)?shù)牟介L(zhǎng)因子μCMA，利用輸入數(shù)據(jù)、誤差項(xiàng)和步長(zhǎng)因子對(duì)權(quán)值進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，得到w1（n+1）、w2（n+1）。圖5中從左至右的3個(gè)虛線框內(nèi)依次實(shí)現(xiàn)對(duì)兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)求和、對(duì)陣列輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化和恒模陣列的權(quán)值更新等功能。

圖5 雙通道恒模陣列硬件結(jié)構(gòu)Fig.5 Hardware framework of bi-channel constant modulus array

圖6 雙通道自適應(yīng)干擾對(duì)消器硬件結(jié)構(gòu)Fig.6 Hardware framework of bi-channel self-adaptive interference cancellation

圖6中所示的自適應(yīng)干擾對(duì)消器對(duì)數(shù)據(jù)的處理過程如下：恒模捕獲模塊中的歸一化數(shù)據(jù)ynor（n）和一路正交變換的輸出數(shù)據(jù)x1（n）作為對(duì)消模塊的輸入，經(jīng)過復(fù)乘、加法和乘法等運(yùn)算得到中間變量r（n）和R（n），根據(jù)復(fù)數(shù)遞推最小二乘（CRLS）算法原理，用r（n）除以R（n）得到自適應(yīng)干擾對(duì)消器權(quán)值wCRLS（n），如式（7）所示。用x1（n）減去加權(quán)后的歸一化數(shù)據(jù)，其結(jié)果為干擾抑制后的輸出信號(hào)ycma（n）。其中λ表示定點(diǎn)化后的遺忘因子。由于運(yùn)算復(fù)雜，本模塊對(duì)乘法器、除法器、開平方器均進(jìn)行了分時(shí)復(fù)用。

3.2 DSP程序設(shè)計(jì)

DSP在系統(tǒng)復(fù)位后，首先初始化FPGA和配置EDMA，等待數(shù)據(jù)傳輸完成后進(jìn)入干擾監(jiān)視模塊，然后對(duì)恒模陣列的輸出信號(hào)類型進(jìn)行屬性判斷，并將干擾檢測(cè)結(jié)果和屬性判斷結(jié)果返回給FPGA。這里給出DSP中主程序的設(shè)計(jì)流程，如圖7所示。

考慮到VHF地空通信無線電干擾信號(hào)的間斷性，無干擾時(shí)恒模算法會(huì)降低系統(tǒng)的信噪比。接收機(jī)干擾監(jiān)視模塊的作用是在DSP中判斷接收天線輸出是否存在干擾，并生成相應(yīng)的控制信號(hào)傳輸給FPGA，在FPGA中控制信號(hào)處理平臺(tái)的工作模式。干擾監(jiān)視模塊的具體方案是：在DSP模塊中采用雙精度的浮點(diǎn)數(shù)值計(jì)算兩路信號(hào)的相關(guān)系數(shù)，沒有干擾時(shí)兩路相關(guān)系數(shù)接近于1，有干擾時(shí)兩路的相關(guān)系數(shù)會(huì)降低[9]。將計(jì)算結(jié)果與設(shè)定的閾值相比較，小于閾值則認(rèn)為有干擾，并且根據(jù)多組數(shù)據(jù)的計(jì)算判決結(jié)果來最終確定是否存在干擾。最后將所有結(jié)果以控制字的形式發(fā)送給FPGA，作為接收機(jī)的工作模式選擇開關(guān)。

圖7 DSP主函數(shù)流程圖Fig.7 Flow chart of DSP main function

調(diào)頻等恒模信號(hào)頻譜的特點(diǎn)是能量在整個(gè)頻帶內(nèi)分布均勻，而AM信號(hào)頻譜的特點(diǎn)是能量主要集中在載頻附近，載頻處頻譜的幅度遠(yuǎn)大于其他副瓣的幅度，因此可以利用二者頻譜的特點(diǎn)進(jìn)行區(qū)分[6]。將恒模陣列的輸出作為屬性判斷模塊的輸入數(shù)據(jù)，利用Goertzel算法計(jì)算該信號(hào)的頻譜，以50 kHz為中心，頻點(diǎn)間隔為10 Hz，計(jì)算周圍100個(gè)頻點(diǎn)的頻譜模值，搜索結(jié)果中的最大頻譜模值（主峰）和次大頻譜模值（次峰）并計(jì)算其比值，考慮到頻譜能量泄露的影響，搜索次峰時(shí)應(yīng)把主峰及其附近頻點(diǎn)處的頻譜模值置0。設(shè)定一個(gè)閾值，若主次峰之比大于閾值則認(rèn)為恒模陣列發(fā)生誤捕獲。為了提高判斷的精度，可將此過程進(jìn)行多次并設(shè)定AM信號(hào)檢出門限，若發(fā)生誤捕獲的次數(shù)大于該門限，則認(rèn)為恒模陣列的輸出為AM信號(hào)，否則為恒模干擾信號(hào)。屬性判斷完成后，DSP將其結(jié)果發(fā)送給FPGA，作為包絡(luò)檢波模塊輸入選擇開關(guān)的控制信號(hào)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖8 雙通道恒模干擾抑制系統(tǒng)核心模塊性能測(cè)試Fig.8 Performance testing of core module of bi-channel constant modulus anti-interference system

對(duì)接收機(jī)的恒模干擾抑制性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試條件：通過HP 8657B信號(hào)發(fā)生器生成載頻118 MHz，調(diào)制度為80%，功率為0 dBm的AM管制語音信號(hào)；通過ROHDE&SCHWARZ SMH信號(hào)發(fā)生器生成頻率118 MHz，頻偏15 kHz，功率為0 dBm的FM廣播信號(hào)，將兩種信號(hào)進(jìn)行混合作為接收機(jī)的兩路輸入，如圖8（a）所示。利用ChipScope軟件觀察恒模陣列和自適應(yīng)干擾對(duì)消器的輸出，分別如圖8（b）和圖8（c）所示。將恒模陣列的輸出數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab進(jìn)行處理，經(jīng)驗(yàn)證其具有良好的恒模特性。由圖8（b）和驗(yàn)證結(jié)論可知，恒模陣列能夠有效地提取恒模干擾。由圖8（c）和接收機(jī)語音輸出結(jié)果可知，自適應(yīng)干擾對(duì)消器能夠有效地通過干擾對(duì)消將AM信號(hào)從受干擾的信號(hào)中分離出來。當(dāng)干擾信號(hào)功率較低時(shí)，恒模陣列將發(fā)生誤捕獲，其陣列輸出為AM信號(hào)，通過屬性判斷系統(tǒng)將直接對(duì)恒模陣列輸出進(jìn)行解調(diào)。

圖9 雙通道干擾抑制接收機(jī)性能測(cè)試Fig.9 Performance testing of bi-channel anti-interference receiver

在有干擾的情況下，利用ChipScope軟件觀察系統(tǒng)的話音輸出。由圖9（b）和圖9（c）可知，對(duì)混合信號(hào)直接解調(diào)時(shí)輸出信號(hào)與原始話音信號(hào)相差較大，而經(jīng)過恒模干擾抑制處理后接收機(jī)輸出的話音信號(hào)與原始話音基本一致，實(shí)現(xiàn)了干擾抑制的功能。本文使用OTE公司的GTR100/25常規(guī)電臺(tái)作參考，用ROHDE&SCHWARZ信號(hào)發(fā)生器生成同一頻段的FM調(diào)制干擾信號(hào)，實(shí)測(cè)結(jié)果表明常規(guī)電臺(tái)在干信比大于-5 dB時(shí)已不能正常工作。本文通過改變AM信號(hào)與FM干擾的功率比，對(duì)比干擾抑制模式和常規(guī)解調(diào)模式輸出的話音信號(hào)，其結(jié)果如表1所示。由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，雙通道恒模干擾抑制接收機(jī)可輸出清晰的話音信號(hào)，具有良好的干擾抑制效果。

表1 雙通道干擾抑制接收機(jī)與常規(guī)接收機(jī)性能對(duì)比Tab.1 Performance contrast between anti-interference and conventional receivers

5 結(jié)語

本文在基于FPGA和DSP的平臺(tái)上完成了雙通道恒模干擾抑制VHF接收機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)過程中針對(duì)雙通道恒模算法、干擾監(jiān)視和信號(hào)屬性判斷方法的特點(diǎn)，對(duì)FPGA和DSP的功能及資源進(jìn)行了合理劃分，在FPGA中搭建雙通道恒模干擾抑制系統(tǒng)的主體部分，在DSP中完成對(duì)FPGA的控制、干擾監(jiān)視和信號(hào)屬性判斷。系統(tǒng)測(cè)試表明，雙通道恒模干擾抑制接收機(jī)能夠自適應(yīng)地對(duì)恒模干擾進(jìn)行有效的抑制，明顯提高話音通信質(zhì)量。本實(shí)現(xiàn)方案亦可應(yīng)用于甚高頻數(shù)據(jù)鏈通信干擾抑制，具有一定的擴(kuò)展性。

[1]霍振飛.恒模算法及其在空管地空通信自適應(yīng)干擾抑制中的作用[D].天津：中國(guó)民航大學(xué)，2003.

[2]張賢達(dá)，保 錚.通信信號(hào)處理[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002.

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（責(zé)任編輯：楊媛媛）

Design and implementation of bi-channel constant modulus anti-interference VHF receiver

HU Tie-qiao，WU Yong，WU Ren-biao，SHI Qing-yan，WANG Xin-peng
（Intelligent Signal and Image Processing Key Lab of Tianjin，CAUC，Tianjin 300300，China）

To solve the radio interference during civil aviation ground-air communication，a design and implementation scheme of bi-channel constant modulus adaptive anti-interference receiver is presented based on FPGA and DSP platform.The signal-processing platform of receiver achieves adaptive interference cancellation in FPGA. DSP is used to determine whether there exists interference in constant modulus algorithm，and to determine the properties of output signals in case of false capture.Coupled with RF front-end signal receiving circuit，the receiver is able to receive signals，suppress interference and demodulate ground-air communication signals.Test results show that the bi-channel constant modulus anti-interference receiver can suppress constant modulus interference in self-adaptive way.

bi-channel constant modulus algorithm；interference suppression；FPGA；DSP

V243;TN911.7

:A

:1674-5590(2015)01-0013-06

2013-11-21；

:2013-12-16

天津市科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（10ZCKFGX04000）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃（2011BAH24B12）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61172112，61271404，61179064）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（ZXH2012M006，ZXH2009A003，ZXH2012M006，3122013D020，3122013SY27）

胡鐵喬（1970—），男，河南洛陽人，副教授，碩士，研究方向?yàn)樽赃m應(yīng)信號(hào)處理、陣列信號(hào)處理、硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).