王文益，張鵬飛，胡鐵喬，鐘倫瓏，石慶研

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

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基于FPGA+DSP自適應(yīng)干擾抑制VHF接收機研制

王文益，張鵬飛，胡鐵喬，鐘倫瓏，石慶研

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

摘要：針對民航地空通信易受到無線電干擾的問題，通過合理選用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）和數(shù)字信號處理器（DSP）搭建盲自適應(yīng)干擾抑制接收機的信號處理平臺，再配以具有VHF信號接收功能的射頻前端電路和音頻處理模塊，實現(xiàn)接收、干擾抑制和解調(diào)的功能。其中信號處理平臺主要包括：基于復(fù)數(shù)EASI算法的盲自適應(yīng)干擾抑制、監(jiān)視等核心模塊。測試結(jié)果表明，與常規(guī)電臺相比，盲自適應(yīng)干擾抑制接收機能夠有效地抑制AM、FM等多種干擾，輸出清晰的話音信號。

關(guān)鍵詞：盲源分離；地空通信；干擾抑制；DSP；FPGA

民航VHF（甚高頻）地空通信電臺是工作在118～ 136.975 MHz甚高頻頻段，采用DSB-AM（帶載波雙邊帶幅度調(diào)制）半雙工的方式，是民航地空通信的主要手段。隨著中國民用航空事業(yè)的迅速發(fā)展，民航通信信號受到干擾的情況時常出現(xiàn)。由于干擾信號的頻譜與AM有用信號頻譜發(fā)生混疊，且干擾源具有隨機性和未知性，因此單純使用傳統(tǒng)時域和空域濾波器不能將其濾除。

文獻[1]利用基于非線性最小二乘的恒模信號估計算法，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。文獻[2]利用雙天線接收信號，通過恒模陣列處理和自適應(yīng)干擾對消器，消除恒模干擾信號。此兩種方法只能消除恒模干擾，對于非恒模信號沒有干擾抑制效果。本文采用的盲信號處理方法是在傳輸信道特性和信源未知的情況下，只利用接收天線輸出信號重構(gòu)源信號，與信號本身是否為恒模信號無關(guān)。目前盲信號處理在通信系統(tǒng)、語音增強、醫(yī)學(xué)信號處理和圖像識別中已經(jīng)有了廣泛的硬件實現(xiàn)[3-5]?？紤]到地空通信系統(tǒng)中干擾信號與有用地空通信信號統(tǒng)計獨立，且系統(tǒng)本身信噪比較高的特點，本文將理論分析與實際硬件平臺相結(jié)合，借助FPGA+DSP硬件開發(fā)平臺，基于復(fù)數(shù)EASI算法設(shè)計并實現(xiàn)了能夠抑制任意形式干擾的民航VHF接收機。

1　盲信號分離

1.1盲信號分離

盲信號分離算法中，基于線性混合模型的接收信號可用下面的混合方程描述為

其中：s（k）= [s1（k），s2（k），…，sn（k）]T為n個源信號構(gòu)成的n維向量；x（k）= [x1（k），x2（k），…，xm（k）]T為m維觀測數(shù)據(jù)向量，其元素是各個傳感器得到的輸出；m×n維矩陣A稱為混合矩陣，其元素表示信號的混合情況。式（1）的含義是n個源信號通過混合得到m維觀測數(shù)據(jù)向量。盲信號分離[6]問題的提法是：在混合矩陣A和源信號未知的情況下，只根據(jù)觀測數(shù)據(jù)向量x（k）確定分離矩陣W，則變換后的輸出為

其中：y（k）為源信號向量s（k）的估計。

1.2EASI盲分離算法

在對信號進行分離前，一般需對信號進行白化預(yù)處理。假設(shè)白化矩陣為Q（k），則在線白化算法的迭代公式為

其中：z（k）= Q（k）x（k）為白化后的信號；λ（k）為迭代步長；I為單位矩陣。

對信號進行白化處理后，進入信號的分離過程，該過程的關(guān)鍵是確定一個線性的變換矩陣B（k），使得變換后的輸出分量y（k）= B（k）z（k）盡可能獨立。自然梯度盲分離算法[7]迭代公式為

式中qn（yn）表示第n個源信號的概率密度函數(shù)，但實際上該函數(shù)無法獲得，因此一般用非線性函數(shù)代替。對于通信信號的盲分離，由于通信信號一般為亞高斯信號，因此可選擇的非線性評價函數(shù)為[8]

由于對觀察信號白化后，總的混合矩陣具有正交性，因此在迭代過程中可對分離矩陣B做正交性約束，同時結(jié)合白化過程使得分離矩陣W = BQ，并在忽略λ2（k）項的條件下，得到EASI算法[9]

文獻[9]給出了歸一化的復(fù)數(shù)EASI算法為

對比式（6）和式（7）可以看出，實現(xiàn)式（7）需要實現(xiàn)除法，這在FPGA中需要占用大量資源。對式（6）和式（7）進行MATLAB仿真，分別計算經(jīng)過干擾抑制和包絡(luò)檢波解調(diào)后的數(shù)據(jù)與原始語音信號的相關(guān)系數(shù)，兩種實現(xiàn)方式都能達到很好的干擾抑制效果。此外，在信號處理平臺中對兩種算法進行硬件實現(xiàn)，干擾抑制效果與Matlab仿真結(jié)果一致，但式（7）比式（6）占用大量資源，具體資源占用情況對比如表1所示。因此本文采用式（6）實現(xiàn)盲信號分離算法。

表1　FPGA資源占用情況Tab.1 FPGA resource usage

2　盲自適應(yīng)干擾抑制接收機設(shè)計

2.1接收機整體框架

在本文中假設(shè)信號源的個數(shù)為2，即只有一個信號源和一個干擾源，因為民航VHF空管地空通信很少發(fā)生同時出現(xiàn)多個干擾源的情況。在通常的研究工作中，我們都假定混合矩陣是非奇異的，也就是說，信號的混合是良態(tài)的。但在沒有干擾發(fā)生的情況下，源信號通過奇異的混合矩陣混合在一起，觀測信號是病態(tài)的，而大部分的盲處理算法對于病態(tài)的混合數(shù)據(jù)無效，因此在算法處理前需判斷信號源的個數(shù)。本文設(shè)計的接收機是基于雙通道的，當(dāng)兩路通道的相關(guān)系數(shù)大于閾值時，信號源個數(shù)為1，接收機工作在常規(guī)解調(diào)模式，直接對接收信號進行常規(guī)解調(diào)；當(dāng)兩路通道的相關(guān)系數(shù)小于閾值時，信號源個數(shù)為2，接收機工作在干擾抑制模式，利用干擾抑制算法對接收信號進行干擾抑制后再進行常規(guī)解調(diào)。

盲干擾抑制VHF地空話音通信接收機主要由天線、射頻前端、數(shù)字信號處理、音頻處理4大部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。天線接收的信號為載頻118～136.975 MHz的管制音和同頻帶的任意干擾信號（其中管制話音信號與干擾信號來向不同），接收端的兩個天線間距小于半個波長，接收信號經(jīng)射頻前端處理后輸出50 kHz的中頻信號，兩路中頻信號送入基帶數(shù)字信號處理平臺進行算法處理，完成干擾抑制。信號處理主要包括Hilbert變換、監(jiān)視模塊、EASI盲分離算法、通道切換和解調(diào)濾波等模塊。解調(diào)后的信號經(jīng)AIC23編解碼器D/A變換后輸出管制語音。

圖1　盲干擾抑制地空話音通信接收機框圖Fig.1 Block diagram of air-ground voice interference suppression com m unication receiver based on BSS

2.2信號處理平臺

FPGA擁有強大的并行處理能力，集成度高，應(yīng)用范圍寬，體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活，可作為高計算復(fù)雜度實時信號處理系統(tǒng)的硬件平臺。TMS320C67xxDSP擁有高速的浮點運算處理能力、高效的指令集、大范圍的尋址能力、大容量的片內(nèi)存儲器和出色的對外接口能力，特別適用于對運算能力、存儲量以及對數(shù)據(jù)動態(tài)范圍和精度要求比較高的應(yīng)用場合。本文將理論分析與實際硬件平臺相結(jié)合，借助FPGA+DSP硬件開發(fā)平臺，利用盲信號處理方法對信號進行分離和提取。

信號處理平臺硬件框圖如圖2所示，實物圖如圖3所示。數(shù)字信號處理是整個通信系統(tǒng)的最核心部分，起到了承上啟下的作用，在此平臺中完成干擾信號和有用信號的分離，并解調(diào)濾波輸出有用的管制語音信號。在綜合成本、功耗、體積、性能等諸多因素之后，選用Xilinx公司的Vertex V FPGA XC5VSX50T[10]來編程，在線實現(xiàn)盲干擾抑制算法，該款芯片為65 nm工藝的器件，擁有高達33萬個邏輯單元，超大的容量保證了算法實時實現(xiàn)的可行性。DSP選取的是TI公司的高速DSP浮點處理器TMS320C6713[11]，其主頻為300 MHz，處理能力達2 400 MIPS。

圖2　信號處理平臺硬件框圖Fig.2 Hardware b lock diagram of signal processing platform

圖3　信號處理平臺實物圖Fig.3 Signal processing platform

3　盲信號分離算法的FPGA實現(xiàn)

數(shù)字信號處理算法在MATLAB仿真實驗中通常采用的是雙精度浮點數(shù)值，而在硬件實現(xiàn)中，雖然FPGA已能實現(xiàn)浮點運算，但浮點運算需更高的時鐘和更多的資源，很少有實際系統(tǒng)采用。本文輸入輸出信號采用的是16位的定點數(shù)值。硬件程序設(shè)計時采用模塊化的方法，其中盲自適應(yīng)干擾抑制在FPGA中實現(xiàn)，包括：下變頻、濾波抽取、Hilbert變換、EASI盲分離算法、解調(diào)濾波和AIC23模塊配置等。

圖4　EASI盲分離算法硬件結(jié)構(gòu)Fig.4 Hardware block diagram of EASI-BSS algorithm

復(fù)數(shù)EASI盲信號分離算法硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示，圖4所示的復(fù)數(shù)EASI盲信號分離模塊對輸入數(shù)據(jù)處理過程如下：經(jīng)過正交變換后得到兩路數(shù)據(jù)x1（k）、x2（k）；由復(fù)數(shù)EASI盲分離算法獲得分離矩陣W（k）；將正交變換后的數(shù)據(jù)與分離矩陣W（k）復(fù)乘得到源信號的兩路估計y1（k）、y2（k）。根據(jù)式（5），令a=0，得到非線性評價函數(shù)為y3，λ取固定值2-14。對比實現(xiàn)式（6）和式（7）的資源占用情況，如表1所示。

4　干擾抑制性能測試及結(jié)果分析

對接收機的干擾抑制性能進行測試，測試條件一如下：通過HP 8657B信號發(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；通過ROHDE&SCHW ARZ SMH信號發(fā)生器生成頻率118 MHz，頻偏15 kHz，功率為0 dBm的FM廣播信號。將雙通道射頻前端作為信號處理平臺兩路A/D的輸入。如圖5所示為利用ChipScope軟件觀察系統(tǒng)話音的輸出結(jié)果。

圖5　抗干擾接收機抑制干擾性能測試（FM干擾）Fig.5 Perform ance testing of anti-interference receiver（FM -interference）

測試條件二如下：通過HP 8657B信號發(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；通過ROHDE&SCHW ARZ SMH信號發(fā)生器生成頻率118 MHz，調(diào)制度為80％，功率為0 dBm 的AM音樂信號。將雙通道射頻前端作為信號處理平臺兩路A/D的輸入。如圖6所示為利用ChipScope軟件觀察系統(tǒng)話音的輸出結(jié)果。

圖6　抗干擾接收機抑制干擾性能測試（AM干擾）Fig.6 Perform ance testing of anti-interference receiver（AM -interference）

由解調(diào)輸出波形結(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)過干擾抑制處理后輸出的話音信號與原始話音基本一致，實現(xiàn)了干擾抑制的功能。

本文使用OTE公司的GTR100/25常規(guī)電臺作參考，人為地添加同一頻段的AM或FM調(diào)制干擾信號，實測結(jié)果表明常規(guī)電臺在干信比大于-5dB時已不能正常工作。本文通過改變有用信號與干擾信號的功率比和干擾信號的調(diào)制方式，對比接收機干擾抑制模式和常規(guī)解調(diào)模式的輸出話音信號，其結(jié)果分別如表2和表3所示。以上兩種方式均證明了EASI盲信號分離干擾抑制VHF地空話音通信接收機可以抑制多種干擾并取得很好的干擾抑制效果。

表2　抗干擾接收機性能測試（FM干擾）Tab.2 Perform ance contrast between anti-interference and conventional receivers（FM -interference）

表3　抗干擾接收機與常規(guī)接收機性能對比（AM干擾）Tab.3 Perform ance contrast between anti-interference and conventional receivers（AM -interference）

5　結(jié)語

本文在基于FPGA+DSP的數(shù)字信號處理平臺上完成了盲自適應(yīng)干擾抑制VHF地空話音通信接收機的設(shè)計與實現(xiàn)。在設(shè)計的過程中結(jié)合FPGA和DSP的特點，合理地分配了FPGA和DSP的功能及資源，在FPGA中實現(xiàn)了盲自適應(yīng)干擾抑制算法，在DSP中完成了干擾檢測功能。系統(tǒng)測試表明：盲自適應(yīng)干擾抑制接收機能夠有效地抑制多種干擾，明顯地提高話音通信質(zhì)量。

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（責(zé)任編輯：楊媛媛）

Design and im plem entation of blind adaptive interference suppression VHF receiver based on FPGA+DSP

W ANG W enyi，ZHANG Pengfei，HU Tieqiao，ZHONG Lunlong，SHIQingyan
（Intelligent Signaland Image Processing Key Lab of Tianjin，CAUC，Tianjin 300300，China）

Abstract：Aiming at the problem thatair-ground communication of civilaviation is easily disturbed by radio interference，the reasonableselection of field-programmablegatearray（FPGA）and high-speed digitalsignalprocessor（DSP）are introduced to build a signalprocessing platform with interference suppression receiverbased on blind source separation（BSS），couplingwith the signal receiving circuitwith RF frontend which can receive VHF signaland audio processing module.The signal processing platform mainly includes a real-time complex equivariant adaptive separation via independence（EASI）interference suppression algorithm core components.Compared with a normal receiver which is showed in the test results，the adaptive interference suppression receiver can suppressAM or FM interferencemoreeffectively and outputclearer voice signal.

Key words：BSS；air-ground communication；interference suppression；DSP；FPGA

作者簡介：王文益（1980—），男，湖北襄陽人，副教授，博士，研究方向為自適應(yīng)信號處理、衛(wèi)星導(dǎo)航.

收稿日期：2014-10-31；修回日期：2014-12-22基金項目：天津市科技支撐計劃重點項目（10ZCKFGX04000）；國家自然科學(xué)基金項目（61172112，61271404，61471363）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項（3122014B001）

中圖分類號：TN911.7

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-5590（2016）01-0010-05