基于FPGA+DSP自适应干扰抑制VHF接收机研制

王文益，张鹏飞，胡铁乔，钟伦珑，石庆研

（中国民航大学智能信号与图像处理天津市重点实验室，天津　300300）



基于FPGA+DSP自适应干扰抑制VHF接收机研制

王文益，张鹏飞，胡铁乔，钟伦珑，石庆研

（中国民航大学智能信号与图像处理天津市重点实验室，天津300300）

摘要：针对民航地空通信易受到无线电干扰的问题，通过合理选用现场可编程逻辑门阵列（FPGA）和数字信号处理器（DSP）搭建盲自适应干扰抑制接收机的信号处理平台，再配以具有VHF信号接收功能的射频前端电路和音频处理模块，实现接收、干扰抑制和解调的功能。其中信号处理平台主要包括：基于复数EASI算法的盲自适应干扰抑制、监视等核心模块。测试结果表明，与常规电台相比，盲自适应干扰抑制接收机能够有效地抑制AM、FM等多种干扰，输出清晰的话音信号。

关键词：盲源分离；地空通信；干扰抑制；DSP；FPGA

民航VHF（甚高频）地空通信电台是工作在118～ 136.975 MHz甚高频频段，采用DSB-AM（带载波双边带幅度调制）半双工的方式，是民航地空通信的主要手段。随着中国民用航空事业的迅速发展，民航通信信号受到干扰的情况时常出现。由于干扰信号的频谱与AM有用信号频谱发生混叠，且干扰源具有随机性和未知性，因此单纯使用传统时域和空域滤波器不能将其滤除。

文献[1]利用基于非线性最小二乘的恒模信号估计算法，提取恒模干扰信号，将去载波信号与干扰信号相减得到去载波的AM信号。文献[2]利用双天线接收信号，通过恒模阵列处理和自适应干扰对消器，消除恒模干扰信号。此两种方法只能消除恒模干扰，对于非恒模信号没有干扰抑制效果。本文采用的盲信号处理方法是在传输信道特性和信源未知的情况下，只利用接收天线输出信号重构源信号，与信号本身是否为恒模信号无关。目前盲信号处理在通信系统、语音增强、医学信号处理和图像识别中已经有了广泛的硬件实现[3-5]。考虑到地空通信系统中干扰信号与有用地空通信信号统计独立，且系统本身信噪比较高的特点，本文将理论分析与实际硬件平台相结合，借助FPGA+DSP硬件开发平台，基于复数EASI算法设计并实现了能够抑制任意形式干扰的民航VHF接收机。

1　盲信号分离

1.1盲信号分离

盲信号分离算法中，基于线性混合模型的接收信号可用下面的混合方程描述为

其中：s（k）= [s1（k），s2（k），…，sn（k）]T为n个源信号构成的n维向量；x（k）= [x1（k），x2（k），…，xm（k）]T为m维观测数据向量，其元素是各个传感器得到的输出；m×n维矩阵A称为混合矩阵，其元素表示信号的混合情况。式（1）的含义是n个源信号通过混合得到m维观测数据向量。盲信号分离[6]问题的提法是：在混合矩阵A和源信号未知的情况下，只根据观测数据向量x（k）确定分离矩阵W，则变换后的输出为

其中：y（k）为源信号向量s（k）的估计。

1.2EASI盲分离算法

在对信号进行分离前，一般需对信号进行白化预处理。假设白化矩阵为Q（k），则在线白化算法的迭代公式为

其中：z（k）= Q（k）x（k）为白化后的信号；λ（k）为迭代步长；I为单位矩阵。

对信号进行白化处理后，进入信号的分离过程，该过程的关键是确定一个线性的变换矩阵B（k），使得变换后的输出分量y（k）= B（k）z（k）尽可能独立。自然梯度盲分离算法[7]迭代公式为

式中qn（yn）表示第n个源信号的概率密度函数，但实际上该函数无法获得，因此一般用非线性函数代替。对于通信信号的盲分离，由于通信信号一般为亚高斯信号，因此可选择的非线性评价函数为[8]

由于对观察信号白化后，总的混合矩阵具有正交性，因此在迭代过程中可对分离矩阵B做正交性约束，同时结合白化过程使得分离矩阵W = BQ，并在忽略λ2（k）项的条件下，得到EASI算法[9]

文献[9]给出了归一化的复数EASI算法为

对比式（6）和式（7）可以看出，实现式（7）需要实现除法，这在FPGA中需要占用大量资源。对式（6）和式（7）进行MATLAB仿真，分别计算经过干扰抑制和包络检波解调后的数据与原始语音信号的相关系数，两种实现方式都能达到很好的干扰抑制效果。此外，在信号处理平台中对两种算法进行硬件实现，干扰抑制效果与Matlab仿真结果一致，但式（7）比式（6）占用大量资源，具体资源占用情况对比如表1所示。因此本文采用式（6）实现盲信号分离算法。

表1　FPGA资源占用情况Tab.1 FPGA resource usage

2　盲自适应干扰抑制接收机设计

2.1接收机整体框架

在本文中假设信号源的个数为2，即只有一个信号源和一个干扰源，因为民航VHF空管地空通信很少发生同时出现多个干扰源的情况。在通常的研究工作中，我们都假定混合矩阵是非奇异的，也就是说，信号的混合是良态的。但在没有干扰发生的情况下，源信号通过奇异的混合矩阵混合在一起，观测信号是病态的，而大部分的盲处理算法对于病态的混合数据无效，因此在算法处理前需判断信号源的个数。本文设计的接收机是基于双通道的，当两路通道的相关系数大于阈值时，信号源个数为1，接收机工作在常规解调模式，直接对接收信号进行常规解调；当两路通道的相关系数小于阈值时，信号源个数为2，接收机工作在干扰抑制模式，利用干扰抑制算法对接收信号进行干扰抑制后再进行常规解调。

盲干扰抑制VHF地空话音通信接收机主要由天线、射频前端、数字信号处理、音频处理4大部分组成，系统框图如图1所示。天线接收的信号为载频118～136.975 MHz的管制音和同频带的任意干扰信号（其中管制话音信号与干扰信号来向不同），接收端的两个天线间距小于半个波长，接收信号经射频前端处理后输出50 kHz的中频信号，两路中频信号送入基带数字信号处理平台进行算法处理，完成干扰抑制。信号处理主要包括Hilbert变换、监视模块、EASI盲分离算法、通道切换和解调滤波等模块。解调后的信号经AIC23编解码器D/A变换后输出管制语音。

图1　盲干扰抑制地空话音通信接收机框图Fig.1 Block diagram of air-ground voice interference suppression com m unication receiver based on BSS

2.2信号处理平台

FPGA拥有强大的并行处理能力，集成度高，应用范围宽，体系结构和逻辑单元灵活，可作为高计算复杂度实时信号处理系统的硬件平台。TMS320C67xxDSP拥有高速的浮点运算处理能力、高效的指令集、大范围的寻址能力、大容量的片内存储器和出色的对外接口能力，特别适用于对运算能力、存储量以及对数据动态范围和精度要求比较高的应用场合。本文将理论分析与实际硬件平台相结合，借助FPGA+DSP硬件开发平台，利用盲信号处理方法对信号进行分离和提取。

信号处理平台硬件框图如图2所示，实物图如图3所示。数字信号处理是整个通信系统的最核心部分，起到了承上启下的作用，在此平台中完成干扰信号和有用信号的分离，并解调滤波输出有用的管制语音信号。在综合成本、功耗、体积、性能等诸多因素之后，选用Xilinx公司的Vertex V FPGA XC5VSX50T[10]来编程，在线实现盲干扰抑制算法，该款芯片为65 nm工艺的器件，拥有高达33万个逻辑单元，超大的容量保证了算法实时实现的可行性。DSP选取的是TI公司的高速DSP浮点处理器TMS320C6713[11]，其主频为300 MHz，处理能力达2 400 MIPS。

图2　信号处理平台硬件框图Fig.2 Hardware b lock diagram of signal processing platform

图3　信号处理平台实物图Fig.3 Signal processing platform

3　盲信号分离算法的FPGA实现

数字信号处理算法在MATLAB仿真实验中通常采用的是双精度浮点数值，而在硬件实现中，虽然FPGA已能实现浮点运算，但浮点运算需更高的时钟和更多的资源，很少有实际系统采用。本文输入输出信号采用的是16位的定点数值。硬件程序设计时采用模块化的方法，其中盲自适应干扰抑制在FPGA中实现，包括：下变频、滤波抽取、Hilbert变换、EASI盲分离算法、解调滤波和AIC23模块配置等。

图4　EASI盲分离算法硬件结构Fig.4 Hardware block diagram of EASI-BSS algorithm

复数EASI盲信号分离算法硬件结构如图4所示，图4所示的复数EASI盲信号分离模块对输入数据处理过程如下：经过正交变换后得到两路数据x1（k）、x2（k）；由复数EASI盲分离算法获得分离矩阵W（k）；将正交变换后的数据与分离矩阵W（k）复乘得到源信号的两路估计y1（k）、y2（k）。根据式（5），令a=0，得到非线性评价函数为y3，λ取固定值2-14。对比实现式（6）和式（7）的资源占用情况，如表1所示。

4　干扰抑制性能测试及结果分析

对接收机的干扰抑制性能进行测试，测试条件一如下：通过HP 8657B信号发生器生成载频118 MHz，调制度为80％，功率为0 dBm的AM管制语音信号；通过ROHDE&SCHW ARZ SMH信号发生器生成频率118 MHz，频偏15 kHz，功率为0 dBm的FM广播信号。将双通道射频前端作为信号处理平台两路A/D的输入。如图5所示为利用ChipScope软件观察系统话音的输出结果。

图5　抗干扰接收机抑制干扰性能测试（FM干扰）Fig.5 Perform ance testing of anti-interference receiver（FM -interference）

测试条件二如下：通过HP 8657B信号发生器生成载频118 MHz，调制度为80％，功率为0 dBm的AM管制语音信号；通过ROHDE&SCHW ARZ SMH信号发生器生成频率118 MHz，调制度为80％，功率为0 dBm 的AM音乐信号。将双通道射频前端作为信号处理平台两路A/D的输入。如图6所示为利用ChipScope软件观察系统话音的输出结果。

图6　抗干扰接收机抑制干扰性能测试（AM干扰）Fig.6 Perform ance testing of anti-interference receiver（AM -interference）

由解调输出波形结果可知，对混合信号直接解调时输出信号与原始话音信号相差较大，而经过干扰抑制处理后输出的话音信号与原始话音基本一致，实现了干扰抑制的功能。

本文使用OTE公司的GTR100/25常规电台作参考，人为地添加同一频段的AM或FM调制干扰信号，实测结果表明常规电台在干信比大于-5dB时已不能正常工作。本文通过改变有用信号与干扰信号的功率比和干扰信号的调制方式，对比接收机干扰抑制模式和常规解调模式的输出话音信号，其结果分别如表2和表3所示。以上两种方式均证明了EASI盲信号分离干扰抑制VHF地空话音通信接收机可以抑制多种干扰并取得很好的干扰抑制效果。

表2　抗干扰接收机性能测试（FM干扰）Tab.2 Perform ance contrast between anti-interference and conventional receivers（FM -interference）

表3　抗干扰接收机与常规接收机性能对比（AM干扰）Tab.3 Perform ance contrast between anti-interference and conventional receivers（AM -interference）

5　结语

本文在基于FPGA+DSP的数字信号处理平台上完成了盲自适应干扰抑制VHF地空话音通信接收机的设计与实现。在设计的过程中结合FPGA和DSP的特点，合理地分配了FPGA和DSP的功能及资源，在FPGA中实现了盲自适应干扰抑制算法，在DSP中完成了干扰检测功能。系统测试表明：盲自适应干扰抑制接收机能够有效地抑制多种干扰，明显地提高话音通信质量。

参考文献：

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[2]胡铁乔，吴勇，吴仁彪，等.双通道恒模干扰抑制VHF接收机设计与实现[J].中国民航大学学报，2015，33（1）：13-18.

[3] CHARAYAPHAN CHAROENSAK.A single-chip FPGA design for realtime ICA-basedblind source separation algorithm[J].IEEEInternational Symposium on Circuitsand Systems，2005，6：5822-5825.

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[10]XilinxVirtexVdatasheet[EB/OL].[2014-10-26].http：//www.xilinx.com/ support/documentation/virtex-5.htm.

[11]TMS320C6713B Floating-Point Digital Signal Processor，SPRS294B [Z].Texas Instruments Incorporated，2006.

（责任编辑：杨媛媛）

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

作者简介：王文益（1980—），男，湖北襄阳人，副教授，博士，研究方向为自适应信号处理、卫星导航.

收稿日期：2014-10-31；修回日期：2014-12-22基金项目：天津市科技支撑计划重点项目（10ZCKFGX04000）；国家自然科学基金项目（61172112，61271404，61471363）；中央高校基本科研业务费专项（3122014B001）

中图分类号：TN911.7

文献标志码：A

文章编号：1674-5590（2016）01-0010-05