管海清

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

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一種偏移載波調(diào)幅信號(hào)的頻域優(yōu)選新方法*

管海清**

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

摘要：為了解決民航地空通信中機(jī)載電臺(tái)接收到的多個(gè)偏移載波調(diào)幅信號(hào)互相干擾的問題，提出了一種在頻域進(jìn)行最佳載波搜索的優(yōu)選方法。該方法采用能量重心法對(duì)接收信號(hào)的頻譜幅度和頻率進(jìn)行校正，通過搜索頻譜幅度的最大值，優(yōu)選出一路載噪比最高的調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，同時(shí)對(duì)其他調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行抑制。仿真實(shí)驗(yàn)和電臺(tái)通信實(shí)驗(yàn)均表明該方法可以正確地實(shí)現(xiàn)多個(gè)偏移載波調(diào)幅信號(hào)的優(yōu)選和解調(diào)，明顯降低干擾，解調(diào)后話音的平均意見分提高了3分，具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：民航地空通信;偏移載波;快速傅里葉變換;能量重心法;頻譜校正;優(yōu)選方法

1引言

在民航地空甚高頻通信中，常采用偏移載波通信系統(tǒng)來解決空域覆蓋的問題[1]，即將同一工作頻率的多個(gè)地面電臺(tái)設(shè)置于不同的地理位置，當(dāng)飛機(jī)進(jìn)入覆蓋的空域后，地面控制中心遙控多個(gè)地面電臺(tái)同時(shí)發(fā)射，以保證機(jī)載電臺(tái)至少能接收到其中一路信號(hào)。通常情況下，機(jī)載電臺(tái)會(huì)接收到多個(gè)載波頻率存在一定偏移的調(diào)幅(Amplitude Modulated,AM)信號(hào)。由于這些調(diào)幅信號(hào)的載波頻率間隔較小，無法通過接收機(jī)的濾波器進(jìn)行分離，所以多個(gè)調(diào)幅信號(hào)之間形成了干擾，導(dǎo)致機(jī)載電臺(tái)無法正確地解調(diào)出話音信號(hào)。因此，在解調(diào)之前，需要從接收的信號(hào)中優(yōu)選和分離出一路載噪比最高的調(diào)幅信號(hào)，同時(shí)對(duì)其他信號(hào)進(jìn)行抑制。

目前，對(duì)于偏移載波通信系統(tǒng)中多個(gè)信號(hào)優(yōu)選功能的研究，主要集中在多個(gè)地面電臺(tái)解調(diào)后多路話音信號(hào)的優(yōu)選問題上[2-3]，而對(duì)于機(jī)載電臺(tái)接收到的多個(gè)偏移載波調(diào)幅信號(hào)的優(yōu)選及解調(diào)問題，尚未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。文獻(xiàn)[4]提出的基于CORDIC算法的AM解調(diào)技術(shù)以及文獻(xiàn)[5] 提出的采用能量算子進(jìn)行AM解調(diào)的方法，均只能對(duì)一個(gè)調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，若對(duì)多個(gè)偏移載波的調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，則無法得到正確的解調(diào)結(jié)果。

針對(duì)上述問題，本文提出了一種在頻域進(jìn)行最佳載波搜索的優(yōu)選方法，即首先將接收到的信號(hào)變換到基帶，接著進(jìn)行快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)，利用能量重心法進(jìn)行頻譜校正，通過搜索頻譜幅度的最大值，優(yōu)選出一路載噪比最高的調(diào)幅信號(hào)，并計(jì)算其載波的頻率偏移量；然后對(duì)優(yōu)選出的調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行頻偏校正，利用低通濾波器濾除帶外信號(hào)，降低其他調(diào)幅信號(hào)的干擾；最后進(jìn)行調(diào)幅解調(diào)，恢復(fù)出話音信號(hào)。該方法在不增加FFT點(diǎn)數(shù)的前提下，通過降低采樣速率來提高FFT的頻譜分辨率，通過能量重心法來提高載波頻率和幅度的估計(jì)精度。該方法可以明顯降低干擾，提高話音質(zhì)量。

2偏移載波調(diào)幅信號(hào)模型

在偏移載波通信系統(tǒng)中，單個(gè)地面電臺(tái)發(fā)射的調(diào)幅信號(hào)可表示為

s(t)=A[1+m(t)]cos(2πfct)。

(1)

機(jī)載電臺(tái)接收到的信號(hào)為多個(gè)調(diào)幅信號(hào)的疊加，可以表示為

(2)

式中：N為接收到的調(diào)幅信號(hào)個(gè)數(shù)；Ai為第i路調(diào)幅信號(hào)的載波幅度；Δfi為第i路調(diào)幅信號(hào)的載波頻率偏移量；n(t)為信道噪聲。Ai與飛機(jī)跟地面電臺(tái)的距離有關(guān)，一般來說，距離越近，Ai越大，同時(shí)意味著該路調(diào)幅信號(hào)的載噪比越高。載波頻率偏移量Δfi與偏移載波的數(shù)量有關(guān)，在《國際民航公約附件10》第三卷[6]中，對(duì)偏移載波通信系統(tǒng)中載波頻率的偏移量和穩(wěn)定度進(jìn)行了規(guī)定，偏移載波的數(shù)量為2～5個(gè)，載波頻率的偏移量為4～8 kHz。在實(shí)際通信過程中，由于載波頻率穩(wěn)定度和多普勒頻移的影響，無法對(duì)機(jī)載電臺(tái)接收到的信號(hào)的載波頻率進(jìn)行預(yù)計(jì)，必須進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。

3偏移載波調(diào)幅信號(hào)的優(yōu)選原理

由于機(jī)載電臺(tái)接收到的信號(hào)為多個(gè)調(diào)幅信號(hào)的疊加，多個(gè)信號(hào)之間互相干擾，導(dǎo)致常規(guī)解調(diào)方法不能進(jìn)行正常的解調(diào)。因此，需要從中優(yōu)選出一路載噪比最高的調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，同時(shí)對(duì)其他調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行抑制，降低干擾。

由于調(diào)幅信號(hào)中包含載波的頻率分量，并且多個(gè)調(diào)幅信號(hào)的載波頻率存在4～8 kHz的頻率偏移，所以可以對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，然后在頻域上進(jìn)行搜索，確定各個(gè)載波的頻點(diǎn)位置及幅度。另外，由于民航地空甚高頻通信中話音信號(hào)m(t)的頻率范圍為300～2 500 Hz[7]，與載波的最小頻率間隔為300 Hz，所以FFT的頻率分辨率應(yīng)該小于300 Hz。在FFT點(diǎn)數(shù)固定的情況下，要提高FFT的頻率分辨率，就必須降低信號(hào)的采樣率。為了降低采樣率，需要將接收到的信號(hào)變換到基帶，并通過抽取降低采樣速率。

記抽取后的采樣速率為fs。抽取后的基帶信號(hào)可表示為

d(n)=dI(n)+j×dQ(n)。

(3)

式中：dI(n)、dQ(n)分別為同向分量和正交分量，具體可表示為

(4)

式中：vI(n)、vQ(n)分別為I、Q基帶噪聲。為了獲取基帶信號(hào)的頻譜幅度，對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行N點(diǎn)FFT變換,有

(5)

由于FFT存在能量泄漏和柵欄效應(yīng)，當(dāng)載波頻率偏移量Δfi不為fs/N的整數(shù)倍時(shí)，只能得到相鄰頻率取樣點(diǎn)的譜線值，且與真實(shí)值之間存在一定的誤差。為了解決FFT柵欄效應(yīng)和能量泄漏問題，需要對(duì)FFT的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校正。常見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?？紤]到能量重心法的計(jì)算復(fù)雜度較小，并具有較高的計(jì)算精度，本文采用該方法進(jìn)行FFT的頻譜校正。能量重心法利用特定窗函數(shù)離散頻譜的能量重心無窮逼近坐標(biāo)原點(diǎn)且旁瓣值小的特性，結(jié)合能量重心特性，利用窗主瓣內(nèi)功率譜值較大的多根譜線實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)主瓣重心坐標(biāo)的準(zhǔn)確估計(jì)，完成對(duì)頻譜的校正[11]。

在能量重心法中，為了減小能量泄露，先對(duì)基帶信號(hào)加Hanning窗，然后再進(jìn)行N點(diǎn)FFT變換得

(6)

式中:H(n)為Hanning窗函數(shù)。于是，基帶信號(hào)的功率譜可表示為

(7)

根據(jù)能量重心法，頻率校正值為

(8)

式中：n=1,2,3,…,∞,本文中n取值為2。

根據(jù)能量重心法，幅度校正值為

(9)

式中：α為Hanning窗的能量恢復(fù)系數(shù)，其典型值一般取8/3。在實(shí)際應(yīng)用中，由于Hanning窗的旁瓣衰減很快，理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)均表明，當(dāng)n=1時(shí)，幅度校正值就能達(dá)到工程上可接受的精度，于是校正后的幅度值為

(10)

一旦得到頻譜幅度的校正值，即可通過搜索頻譜幅度的最大值來確定幅度最大的載波位置。記K為頻譜幅度最大值的頻點(diǎn)位置，則根據(jù)式(8)即可計(jì)算出對(duì)應(yīng)的頻偏Δf。得到載波頻偏的估計(jì)值Δf后，在時(shí)域進(jìn)行頻偏校正，且校正后的基帶信號(hào)可以表示為

d′(n)=d(n)e-j2πnΔf/fs。

(11)

頻偏校正后的基帶信號(hào)中，除了優(yōu)選后的調(diào)幅信號(hào)，還可能存在其他的偏移載波信號(hào)。為了降低干擾，采用低通濾波器進(jìn)行濾波處理。低通濾波后的基帶信號(hào)的同相分量和正交分量可分別表示為

(12)

式中：θ為殘留的相位偏差。經(jīng)過優(yōu)選處理后的調(diào)幅信號(hào)，按常規(guī)方法進(jìn)行解調(diào)即可正確恢復(fù)出話音信號(hào)。

4偏移載波調(diào)幅信號(hào)的優(yōu)選實(shí)現(xiàn)

偏移載波調(diào)幅信號(hào)優(yōu)選方法的實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。首先對(duì)來自接收機(jī)的中頻信號(hào)進(jìn)行帶通采樣，通過數(shù)字下變頻將中頻信號(hào)變換到基帶，并通過抽取降低基帶信號(hào)的采樣率；接著對(duì)抽取后的基帶信號(hào)進(jìn)行FFT，利用能量重心法進(jìn)行頻譜校正，通過搜索頻譜幅度的最大值，優(yōu)選出載波幅度最大的調(diào)幅信號(hào)，并計(jì)算其載波的頻率偏移量；然后對(duì)優(yōu)選出的調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行頻偏校正，利用低通濾波器濾除帶外信號(hào)，降低其他調(diào)幅信號(hào)的干擾；最后進(jìn)行調(diào)幅解調(diào)，輸出話音信號(hào)。

圖1　偏移載波調(diào)幅信號(hào)優(yōu)選方法的實(shí)現(xiàn)框圖

在實(shí)現(xiàn)過程中，中頻帶通采樣的頻率為32 MHz，數(shù)字下變頻和抽取后的基帶信號(hào)的采樣率為64 kHz，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)為1 024，因此FFT的頻率分辨率為62.5 Hz。低通濾波器采用128階FIR濾波器，帶外抑制可以達(dá)到-60 dB，所以可以對(duì)其他偏移載波信號(hào)進(jìn)行有效抑制。為了取得較好的解調(diào)性能，采用數(shù)字鎖相環(huán)對(duì)調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)。

5仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.1計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)

本節(jié)對(duì)所提的偏移載波調(diào)幅信號(hào)的優(yōu)選方法進(jìn)行了計(jì)算機(jī)Matlab仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中選擇了民航地空通信中常用的三載波偏移系統(tǒng)進(jìn)行仿真，用于驗(yàn)證優(yōu)選方法的有效性和適用性。仿真環(huán)境為Matlab R2011b。

根據(jù)工程應(yīng)用的實(shí)際情況，設(shè)基帶信號(hào)采樣率fs為64 kHz，F(xiàn)FT的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)為1 024，采用1 kHz的正弦波模擬話音信號(hào)，調(diào)幅的調(diào)制深度為80%。接收的基帶信號(hào)表示為

(13)

式中：話音頻率fa為1 kHz；根據(jù)文獻(xiàn)[6]，載波偏移量Δf1、Δf2和Δf3分別為-7.3 kHz、0 kHz和7.3 kHz；多普勒頻移Δf為18.75 Hz；載波幅度A1、A2和A3分別為1、0.9和0.5；vI(n)和vQ(n)為高斯白噪聲，用來模擬信道噪聲。采用傳統(tǒng)的直接FFT變換法和本文所提的能量重心法得到的頻譜結(jié)果分別如圖2和圖3所示。

圖2　傳統(tǒng)FFT變換法的調(diào)幅信號(hào)幅度譜

圖3　能量重心法的調(diào)幅信號(hào)幅度譜

由圖2可知，采用傳統(tǒng)方法得到的3個(gè)載波對(duì)應(yīng)的幅度值分別是0.64、0.77和0.49，與實(shí)際的幅度值之間存在較大的誤差，若此時(shí)進(jìn)行頻譜搜索，不能找到載噪比最大的載波位置。由圖3可知，采用能量重心法得到的3個(gè)載波對(duì)應(yīng)的幅度值分別是0.99、0.90和0.50，與實(shí)際的幅度值之間的誤差很小，若此時(shí)進(jìn)行頻譜搜索，可以找到正確的載波位置。

分別采用文獻(xiàn)[4]的CORDIC算法、文獻(xiàn)[5]的能量算子方法以及本文所提的優(yōu)選和解調(diào)方法，在不同的載噪比條件下進(jìn)行解調(diào)性能的仿真，仿真結(jié)果如表1所示。

表1　解調(diào)性能對(duì)比

從表1的仿真結(jié)果可以看出：由于文獻(xiàn)[4]的CORDIC算法和文獻(xiàn)[5]的能量算子方法在解調(diào)前未進(jìn)行優(yōu)選處理，所以無法得到正確的解調(diào)結(jié)果；而本文所提方法，在解調(diào)前進(jìn)行了優(yōu)選處理，在降低干擾的同時(shí)，可以獲得最優(yōu)的解調(diào)結(jié)果。

5.2電臺(tái)通信實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了三載波偏移系統(tǒng)的有線通信實(shí)驗(yàn)。3個(gè)地面電臺(tái)和1個(gè)機(jī)載電臺(tái)組成了一個(gè)三載波偏移通信系統(tǒng)，其中機(jī)載電臺(tái)的工作頻率為110.05 MHz，3個(gè)地面電臺(tái)的工作頻率分別在110.05 MHz的基礎(chǔ)上進(jìn)行偏移，頻率偏移量分別為-7.2 kHz、0.1 kHz、7.4 kHz，其中多普勒頻移為0.1 kHz。3個(gè)地面電臺(tái)發(fā)射的3路射頻信號(hào)分別通過衰減器后，再通過合路器合并為1路信號(hào)，最后送給機(jī)載電臺(tái)進(jìn)行解調(diào)。完整的實(shí)驗(yàn)框圖如圖4所示。

圖4　三載波偏移系統(tǒng)通信實(shí)驗(yàn)框圖

在圖4所示的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)人員通過麥克風(fēng)喊話，話音信號(hào)同時(shí)送給3個(gè)地面電臺(tái)，并用同一個(gè)PTT信號(hào)控制3個(gè)地面電臺(tái)同時(shí)發(fā)射，3個(gè)地面電臺(tái)的發(fā)射功率相同，均設(shè)置為10 dBm。接收端實(shí)驗(yàn)人員通過耳機(jī)監(jiān)聽機(jī)載電臺(tái)的輸出話音，并根據(jù)話音質(zhì)量打出平均意見分(Mean Opinion Score，MOS)。MOS的等級(jí)為5、4、3、2、1，分別對(duì)應(yīng)優(yōu)、良、中、差、劣。其中，當(dāng)MOS為5時(shí)，表示話音質(zhì)量非常好，聽得很清楚；當(dāng)MOS為1時(shí)，表示話音質(zhì)量極差，完全聽不清楚，雜音很大。實(shí)驗(yàn)過程中，調(diào)節(jié)3個(gè)衰減器的衰減量，模擬實(shí)際通信的情況，分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過在線更新機(jī)載電臺(tái)的解調(diào)軟件，按照不進(jìn)行優(yōu)選和進(jìn)行優(yōu)選這兩種情況進(jìn)行對(duì)比測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2　三載波偏移系統(tǒng)通信實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：當(dāng)3路信號(hào)幅度不相同時(shí)，優(yōu)選方法可以正確的從中優(yōu)選出一路載噪比最高的調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行解調(diào)；當(dāng)3路信號(hào)幅度相同或接近時(shí)，優(yōu)選方法仍能正常工作；而不進(jìn)行優(yōu)選處理，解調(diào)后的話音質(zhì)量基本不可接受。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文所提方法是可行和實(shí)用的。

6結(jié)束語

本文提出了一種在頻域進(jìn)行最佳載波搜索的偏移載波調(diào)幅信號(hào)的優(yōu)選方法，從接收的多個(gè)信號(hào)中優(yōu)選出一路載噪比最高的調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，同時(shí)對(duì)其他信號(hào)進(jìn)行抑制，與常規(guī)的解調(diào)方法相比，可以降低干擾，提高話音質(zhì)量，同時(shí)可以獲得最佳的解調(diào)結(jié)果。計(jì)算機(jī)仿真和電臺(tái)通信實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性、有效性和實(shí)用性。本文為民航機(jī)載電臺(tái)的解調(diào)算法設(shè)計(jì)提供了一種實(shí)際可行的解決思路，可直接應(yīng)用于實(shí)際工程項(xiàng)目中。在后續(xù)的研究中，可以對(duì)優(yōu)選出的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制方式的識(shí)別，判斷其是有用信號(hào)還是干擾信號(hào)，從而提高優(yōu)選方法在強(qiáng)干擾環(huán)境下的準(zhǔn)確性與可靠性。

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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

中圖分類號(hào)：TN919

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-893X(2016)06-0681-05

作者簡介：

管海清(1980—)，男，湖北蘄春人，2006年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向?yàn)闊o線通信、話音信號(hào)處理。

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.

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引用格式：管海清.一種偏移載波調(diào)幅信號(hào)的頻域優(yōu)選新方法[J].電訊技術(shù)，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.]