聯合doa估計與主波束成型的測距儀脈沖干擾抑制方法
【專利摘要】一種聯合DOA估計與主波束成型的測距儀脈沖干擾抑制方法：將來自陣列天線接收的射頻信號轉換為模擬基帶信號；將模擬基帶信號轉換為數字基帶信號；通過估計器分析射頻信號的數目和信號的來向信息；通過線性約束最小方差波束成型方法得到各路數字基帶信號來向的波束成型權值，并進行主波束成型；由主波束成型后的各路信號同得到正交頻分復用直射徑信號；估計接收信號的多普勒頻偏值，進行多普勒頻偏補償；進一步移除循環前綴，并轉換為頻域信號，頻域信號經四倍下采樣送入均衡器，均衡器輸出信號依次通過解調器、解交織器及譯碼器得到發送比特序列的估計值。本發明可直接利用線性約束最小方差波束成型對陣列接收信號進行加權處理，抑制測距儀脈沖信號。
【專利說明】聯合DOA估計與主波束成型的測距儀脈沖干擾抑制方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種測距儀脈沖干擾抑制方法。特別是涉及一種聯合D0A估計與主波 束成型的測距儀脈沖干擾抑制方法。

【背景技術】
[0002] 為保障民航新一代空中交通管理系統安全、可靠、高效的運行，國際民航組織 (ICA0)提出了兩種地空數據鏈候選技術方案：L頻段數字航空通信系統1 (L-DACS1)與L 頻段數字航空通信系統2(L-DACS2)，其中，L-DACS1系統采用多載波正交頻分復用（0FDM) 傳輸方案，L-DACS2系統采用單載波高斯最小移頻鍵控（GMSK)傳輸方案。相對于L-DACS2 系統，L-DACS1系統具有更高的傳輸容量，更適合頻率選擇性衰落信道傳輸的特性，因此 L-DACS1系統獲得航空界的廣泛關注。與此同時，為解決民航甚高頻頻率資源匱乏的問題， 2007年世界無線電大會（WRC)批準未來民航地空數據鏈系統部署在航空無線電導航頻段， 且以內嵌方式工作于測距儀（DME)頻道間。由于測距儀信號頻譜與L頻段數字航空通信系 統1的頻譜存在部分交疊，且測距儀系統以高功率突發脈沖方式工作，因此不可避免出現 測距儀發射的脈沖信號干擾L-DACS1系統0FDM接收機的問題。由于測距儀地面站發射功 率遠高于機載測距儀發射機，因此測距儀脈沖干擾問題在L-DACS1系統的前向鏈路傳輸中 (地面站一〉機載終端）尤其嚴重，因此針對測距儀地面站干擾L-DACS1系統前向鏈路機載 接收機的問題，開展測距儀脈沖干擾抑制研究具有重要意義。
[0003] 在L-DACS1系統0FDM接收機脈沖干擾抑制研究方面，文獻Epple U，Brandes S, Gligorevic S, et al. Receiver optimization for L-DACS1[C]//Digital Avionics Systems Conference, 2009. DASC，09. IEEE/AIAA 28th. IEEE, 2009:4. B. 1-1-4. B. 1-12.首 先建立了測距儀脈沖干擾模型，并仿真研究了測距儀對L-DACS1系統鏈路傳輸可靠性的 影響，研究表明：測距儀脈沖干擾顯著惡化鏈路傳輸的可靠性；并研究脈沖熄滅法對0FDM 接收機鏈路差錯性能的影響，仿真研究表明：脈沖熄滅法可一定程度消除測距儀脈沖干 擾，但脈沖熄滅將導致子載波間干擾（ICI);針對脈沖熄滅法產生非線性子載波間干擾， 文獻 Brandes S, Epple U, Schnell M. Compensation of the impact of interference mitigation by pulse blanking in OFDM systems[C]//Global Telecommunications Conference,2009.GL0BEC0M 2009. IEEE. IEEE, 2009:1-6.和文獻 Epple U,Shutin D,Schnell M. Mitigation of impulsive frequency-selective interference in OFDM based systems [J]. Wireless Communications Letters, IEEE, 2012, 1 (5) :484-487.提出 了迭代ICI干擾重構與補償方法，仿真研究表明：ICI干擾重構與補償方法可提高接收機 的可靠性，但該方法運算復雜度較高；針對脈沖熄滅法脈沖熄滅門限設置困難的問題，文獻 Epple U, Schnell M. Adaptive threshold optimization for a blanking nonlinearity in OFDM receivers[C]//Global Communications Conference(GL0BEC0M), 2012 IEEE. IEEE, 2012:3661-3666.以信干比最大化準則為基礎提出了 AWGN信道自適應脈沖熄滅門 限設置方法。以上工作主要由德國宇航中心開展，其主要圍繞單天線脈沖熄滅、脈沖熄滅 ICI干擾補償、脈沖熄滅門限設置方法開展，所提出方法在實際應用中存在以下方面的問 題：（1)快速時變信道環境下，脈沖熄滅門限不易確定；（2)脈沖熄滅方法導致子載波間干 擾（ICI)，降低了鏈路傳輸的可靠性；（3) ICI干擾補償困難，運算復雜度高。
[0004] 在0FDM接收機陣列天線的干擾抑制方面，為克服蜂窩通信系統的共信道干 擾問題，文獻 Kim C K，Lee K，Cho Y S. Adaptive beamforming algorithm for OFDM systems with antenna arrays[J]. Consumer Electronics, IEEE Transactions on，2000, 46 (4) : 1052-1058.以導頻子信道輸出信號與參考信號最小化準則為基礎，利用 LMS方法首次提出0FDM接收機陣列天線自適應接收方法；為克服陸地移動信道嚴重多徑 擴展降低鏈路傳輸可靠性的問題，文獻Hara S，Hane S，Hara Y. Simple-steering 0FDM adaptive array antenna for Doppler-shifted signal suppression[J]. Vehicular Technology，IEEE Transactions on，2005, 54(1) :91-99.以空子載波信號能量最小化準 則為基礎提出陣列天線自適應波束成型方法，該方法使陣列天線主瓣方向指向信號的直射 徑，陣列天線波束的零點對準散射徑，以消除移動信道的多徑傳播效應，提高鏈路傳輸的可 靠性；針對相同的問題，文獻 Budsabathon M，Hara Y，Hara S. Optimum beamforming for pre-FFT OFDM adaptive antenna array[J]. Vehicular Technology,IEEE Transactions on，2004, 53 (4) : 945-955.基于信干比最大化準則提出OFDM接收機時域自適應波束成型算 法；為克服藍牙發射機干擾802. 11 0FDM接收機的問題，文獻Jeng S S，Tsung C W，Chang F P. WLAN smart antenna with Bluetooth interference reduction[J]. Communication s，IET，2008, 2 (8) : 1098-1107.基于空域濾波方法提出陣列天線OFDM接收機傳輸方法，提 高了 802. 11 0FDM接收機的可靠性。與共信道干擾及多徑干擾不同，測距儀干擾具有以下 特性：（1)高強度；(2)干擾密集；（3)脈沖特性；(4)測距儀脈沖信號與0FDM信號載波頻 率存在 ±500KHz 的頻差（Epple U，Hoffmann F，Schnell M. Modeling DME interference impact on LDACS1[C]//Integrated Communications,Navigation and Surveillance Conference(ICNS)，2012.IEEE，2012:G7-l-G7-13·)。鑒于以上特性，文獻 Kim C K，Lee K，Cho Y S. Adaptive beamforming algorithm for OFDM systems with antenna arrays[J]. Consumer Electronics, IEEE Transactions on，2000,46(4):1052-1058 和 文獻 Hara S，Hane S，Hara Y. Simple-steering OFDM adaptive array antenna for Doppler-shifted signal suppression[J]. Vehicular Technology,IEEE Transactions on，2005, 54(1) :91-99.和文獻Budsabathon M，Hara Y，Hara S. Optimum beamforming for pre-FFT OFDM adaptive antenna array[J]. Vehicular Technology, IEEE Transactions on，2004, 53 (4) :945-955.和文獻 eng S S，Tsung C W，Chang F P. WLAN smart antenna with Bluetooth interference reduction[J]. Communications, IET, 2008, 2(8):1098-110 7提出的方法難以直接應用于L-DACS1系統OFDM接收機。
[0005] 在基于陣列天線的機載航空通信方面，為解決偏遠地區蜂窩通信系統大范圍通信 覆蓋問題，文獻 Dovis，F. ；Sellone, F. Smart antenna system design for airborne GSM base-stations 2000IEEE Proceedings of the Sensor Array and Multichannel Signal Processing Workshop. 2000. Page (s) :429-433和文獻Mondin M，Dovis F，Mulassano P. On the use of HALE platforms asGSM base stations[J]. Personal Communications, IEEE, 2001，8 (2) : 37-44.提出利用機載GSM基站的方法以擴展GSM蜂窩通信系統的覆蓋范圍，同 時使用陣列天線波束成型以消除蜂窩通信系統的共信道干擾；上述文獻提出在高空平臺中 使用自適應陣列天線以提高通信系統的覆蓋范圍。
[0006] 0FDM系統脈沖干擾消除的方法主要包括：脈沖熄滅方法、脈沖限幅方法、聯合脈 沖熄滅與ICI干擾補償方法，壓縮感知脈沖干擾重構及消除方法，以下分別敘述這些技術 的缺陷與不足。
[0007] 脈沖熄滅方法基本思路：接收機根據接收信號樣值，首先需要確定脈沖干擾發生 的位置，然后，將存在脈沖干擾處的信號樣值設置為零，以消除脈沖干擾信號。在實際系統 應用該方法時存在以下兩個方面的問題：脈沖干擾位置不易確定、脈沖熄滅后導致ICI干 擾問題。在確定脈沖干擾位置時，通常采用門限比較的方法，當接收信號樣值超過給定門 限，接收機認為該樣值為脈沖干擾信號，然而由于0FDM信號自身峰均比較高，且經過多徑 信道傳播后，接收機的脈沖熄滅門限通常不易確定。另外一個方面，接收機采用脈沖熄滅 后，將導致0FDM信號產生子載波間干擾（ICI)，子載波間干擾將惡化通信系統的鏈路可靠 性。
[0008] 脈沖限幅方法基本思路：接收機根據接收信號樣值，確定0FDM信號的峰值幅度， 然后將接收信號樣值中超過該峰值幅度的信號樣值均設置為峰值幅度值，以降低脈沖干擾 信號的影響。脈沖限幅方法的主要問題：脈沖限幅值不易確定、限幅后接收信號存留干擾問 題。由于0FDM信號自身峰均比（PAPR)較高，且經過多徑信道傳播后，接收機通常不易確定 脈沖限幅值。脈沖限幅并不能完全消除脈沖干擾信號，因此接收信號仍殘留了脈沖干擾，這 些脈沖干擾將惡化通信系統的鏈路傳輸性能。
[0009] 聯合脈沖熄滅與ICI干擾補償方法的基本思想：首先利用脈沖熄滅的方法消除脈 沖干擾信號，然后進一步重構ICI干擾，最后對產生的ICI干擾進行補償。以上方法存在的 問題：脈沖熄滅門限確定不易，此外迭代ICI干擾重構及補償運算的復雜度較高。


【發明內容】

[0010] 本發明所要解決的技術問題是，提供一種聯合D0A估計與主波束成型的測距儀脈 沖干擾抑制方法。
[0011] 本發明所采用的技術方案是：一種聯合D0A估計與主波束成型的測距儀脈沖干擾 抑制方法，包括：
[0012] 將來自陣列天線接收的射頻信號通過射頻前端轉換為模擬基帶信號；將模擬基帶 信號轉換為數字基帶信號；通過2D-MUSIC估計器分析所述的數字基帶信號得到陣列天線 接收的射頻信號的數目和信號的來向信息；將所述的數字基帶信號和所述的陣列天線接收 的射頻信號的數目和信號的來向信息通過線性約束最小方差波束成型方法得到各路數字 基帶信號來向的波束成型權值，并進行主波束成型；將主波束成型后的各路信號同時送入 信號分類器分辨各路信號的類型，得到正交頻分復用直射徑信號；正交頻分復用直射徑信 號通過多普勒頻偏估計器估計接收信號的多普勒頻偏值，然后進行多普勒頻偏補償；多普 勒頻偏補償后信號進一步移除循環前綴，并通過快速傅里葉變換運算轉換為頻域信號，頻 域信號經四倍下采樣送入均衡器，均衡器輸出信號依次通過解調器、解交織器及譯碼器得 到發送比特序列的估計值。
[0013] 在將模擬基帶信號轉換為數字基帶信號時，為避免測距儀脈沖信號采樣產生頻譜 混疊干擾OFDM信號，使用四倍過采樣方式。
[0014] 所述的2D-MUSIC估計器的估計方法是：
[0015] 設機載接收機使用均勻圓陣，陣元數為M，圓陣半徑為r，信號波長為λ，陣列天線 接收信號包括有0FDM直射徑、0FDM散射徑及多個DME干擾信號，總數目為P，0FDM直射徑、 散射徑及DME干擾信號以方位角^[0，叫，/ = 1，2,3，一，/3、俯仰角0^[0,31/2]入射到陣列 天線，陣列天線接收信號模型表示為：

【權利要求】
1. 一種聯合DOA估計與主波束成型的測距儀脈沖干擾抑制方法，其特征在于，包括： 將來自陣列天線接收的射頻信號通過射頻前端轉換為模擬基帶信號；將模擬基帶信號 轉換為數字基帶信號；通過2D-MUSIC估計器分析所述的數字基帶信號得到陣列天線接收 的射頻信號的數目和信號的來向信息；將所述的數字基帶信號和所述的陣列天線接收的射 頻信號的數目和信號的來向信息通過線性約束最小方差波束成型方法得到各路數字基帶 信號來向的波束成型權值，并進行主波束成型；將主波束成型后的各路信號同時送入信號 分類器分辨各路信號的類型，得到正交頻分復用直射徑信號；正交頻分復用直射徑信號通 過多普勒頻偏估計器估計接收信號的多普勒頻偏值，然后進行多普勒頻偏補償；多普勒頻 偏補償后信號進一步移除循環前綴，并通過快速傅里葉變換運算轉換為頻域信號，頻域信 號經四倍下采樣送入均衡器，均衡器輸出信號依次通過解調器、解交織器及譯碼器得到發 送比特序列的估計值。
2. 根據權利要求1所述的一種聯合D0A估計與主波束成型的測距儀脈沖干擾抑制方 法，其特征在于，在將模擬基帶信號轉換為數字基帶信號時，為避免測距儀脈沖信號采樣產 生頻譜混疊干擾OFDM信號，使用四倍過采樣方式。
3. 根據權利要求1所述的一種聯合D0A估計與主波束成型的測距儀脈沖干擾抑制方 法，其特征在于，所述的2D-MUSIC估計器的估計方法是： 設機載接收機使用均勻圓陣，陣元數為M，圓陣半徑為r，信號波長為λ，陣列天線接收 信號包括有OFDM直射徑、OFDM散射徑及多個DME干擾信號，總數目為P，OFDM直射徑、散射 徑及〇1^干擾信號以方位角^[〇, 2訃/ = 1，2,3，一^、俯仰角0#[〇,31/2]入射到陣列天線， 陣列天線接收信號模型表示為：

利用航路飛行階段直射徑信號的強度遠遠大于散射徑信號強度的特性，通過比較待檢 測信號的平均功率，分辨正交頻分復用信號的直射徑與散射路徑，信號分類器最終輸出正 交頻分復用直射徑信號進入下一模塊。
【文檔編號】H04L27/26GK104092634SQ201410366574
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月29日 優先權日:2014年7月29日
【發明者】劉海濤, 成瑋, 李冬霞, 張學軍 申請人:中國民航大學