测距仪信号功率谱及邻道泄露功率.pdf

第42 卷第1期2024年2 月中国民航大学学报JOURNAL OF CIVIL AVIATION UNIVERSITY OF CHINAVol.42 No.1February 2024测距仪信号功率谱及邻道泄露功率刘海涛，刘莉,王磊，李冬霞（中国民航大学天津市智能信号处理与图像处理重点实验室，天津30 0 30 0）摘要：为了解决宽带航空数据链频率资源质乏的问题,L频段数字航空通信系统(L-DACS,L-band digital aerona-utical communications system)将以内嵌的方式部署在航空无线电导航L频段测距仪(DME,distance measureequipment)波道间，因此，不可避免产生测距仪信号干扰L-DACS系统接收机的问题。为了定量描述DME/N(distance measure equipment/normal)与 DME/P(distance measure equipment/precision)信号带外泄露对 L-DACS系统接收机的影响，首先建立了DME/N与DME/P信号数学模型，然后理论推导出DME/N与DME/P信号的功率谱密度表达式，以此为基础研究了DME/N与DME/P信号带外泄露对邻道部署的L-DACS系统接收机的影响，最后通过计算机仿真验证了理论分析结果的正确性。研究表明：DME信号带外泄露对L-DACS系统的影响主要表现在第一邻道,DME/P信号在第一邻道内泄露功率比DME/N信号泄露功率高约10 dB。关键词：L频段数字航空通信系统；测距仪；邻道干扰；功率谱；带外泄露功率中图分类号：V243.1;TN929.5Power spectrum of DME signal and its leakage power in adjacent channel(Intelligent Signal and Image Processing Key Lab of Tianjin,CAUC,Tianjin 300300,China)Abstract:To solve the problem of spectrum resource scarcity in aeronautical data link,L-band digital aeronautical communi-cations system(L-DACS)will be deployed as an inlay system in the spectral gaps between channels of the distancemeasuring equipment(DME).Therefore,its unavoidable that the DME signal has a severe influence on the perfor-mance of L-DACS system receiver.To analyze the influence of out-of-band leakage of DME/N(distance measureequipment/normal)and DME/P(distance measure equipment/precision)signal on L-DACS system receiver,themathematical models of DME/N and DME/P signal are established,firstly.Then,the expressions of power spectraldensity of DME/N and DME/P signal are theoretically derived.Based on these expressions,the effect of out-of-band leakage of DME/N and DME/P signal on L-DACS receiver,which is deployed in adjacent channel,areresearched.Finally,the correctness of the theoretical analysis results is verified through computer simulation.Theresults show that the impact of out-of-band leakage of DME signal on L-DACS system is mainly manifested in thefirst adjacent channel,and the leakage power of DME/P signal in the first adjacent channel is 10 dB higher than thatof DME/N signal.Key words:L-band digital aeronautical communications system;distance measure equipment;adjacent channel interfer-ence;power spectrum;out-of-band leakage power为保障民航新一代空中交通管理系统安全、可靠、高效运行，德国宇航研究中心提出了民航新一代L频段数字航空通信系统(L-DACS,L-band digital aer-onautical communications system）,2 0 16 年12 月国际民航组织(ICAO,International Civil Aviation Organization)正式启动了L-DACS系统的标准化工作2 ,使L-DACS收稿日期：2 0 2 2-11-0 3；修回日期：2 0 2 3-0 1-11作者简介：刘海涛（19 6 6 一）,男，河北深州人，教授,博士，研究方向为航空移动通信系统文献标志码：ALIU Haitao,LIU Li,WANG Lei,LI Dongxia基金项目：国家自然科学基金项目（U2233216)文章编号：16 7 4-559 0(2 0 2 4)0 1-0 0 10-0 6系统取代民航业通用的VDL模式2，成为全球标准。为解决L-DACS系统频率资源匮乏的问题,2 0 0 7 年世界无线电大会批准L-DACS部署在航空无线电导航频段，并以内嵌方式部署在测距仪（DME,distancemeasure equipment)波道间3。由于测距仪与L-DACS信号频谱存在部分重叠，且测距仪地面站发射功率较第42 卷第1期高，因此，不可避免地产生测距仪信号干扰L-DACS系统接收机的问题4。为了克服测距仪信号对邻道部署的L-DACS系统接收机的干扰,提高L-DACS系统空-地链路传输的可靠性，开展测距仪信号带外泄露特性研究对L-DACS系统接收机干扰抑制方法的研究具有重要意义。近年来，围绕L-DACS接收机测距仪干扰抑制问题,国内外开展了大量研究。文献5 建立了DME信号的数学模型,并研究了DME信号对L-DACS系统链路传输可靠性的影响。文献6 通过理论分析给出DME/N(distance measure equipment/normal)信号的能量谱密度，并计算得到了DME/N信号带外泄露功率，但在第二邻道带外泄露功率计算有误。利用DME信号在时域呈现高斯脉冲的特性,文献7-8 提出了脉冲熄灭干扰抑制方法，但同时也带来了两个新问题，一是脉冲门限值大小的问题，二是子载波间干扰(ICI,inter car-rier interference)的问题。为了解决以上问题,文献9 提出了脉冲熄灭法门限的最优设置方法，通过设置合理的门限值抑制DME信号的干扰。为克服正交频分复用(OFDM,orthogonal frequency division multiplexing）接收机脉冲熄灭产生的ICI 问题,文献10 提出了基于软符号重构的迭代ICI 抑制方法。文献11-12 提出基于压缩感知信号重构的测距仪干扰抑制方法，但该方法会产生估计误差，干扰抑制后还有残余的DME信号。文献13 提出了基于三阶累积量的自适应滤波抑制方法,解决了L-DACS 与 DME 的兼容性问题。文献14提出了联合正交与盲波束形成的抑制方法，该方法运用在低信噪比状态下容易产生不稳定的主波束。文献15提出了L频段数字航空通信系统1(L-DACS1）的系统干扰抑制与循环自适应波束形成的抑制方法，该方法在低信噪比下能形成较稳定的波束。文献16 提出了基于最大输出信噪比的干扰抑制方法，该方法可以在低信噪比下抑制干扰,且生成的主波束比文献14 更稳定。文献17 提出基于块稀疏贝叶斯（BSBL-BO，block sparse Bayesian learning-bound optimization）算法，在时域上达到去除DME信号干扰的目的，该方法比已有的脉冲干扰抑制方法具有更高的重构精度和更快的运算速度，提高了L-DACS系统前向链路传输的可靠性。在国内外研究中,学者只针对DME信号的干扰抑制方法进行了大量研究，对于DME信号带外泄露对L-DACS接收机影响等方面开展的工作较少5,且只分析了 DME/N,对于 DME/P(distance measure equipment/刘海涛，刘莉，王磊，等：测距仪信号功率谱及邻道泄露功率1.1DME/N信号模型图1给出了DME/N高斯脉冲对信号的时域波形，其中单个高斯脉冲信号18 表示为-en(t)=e式中：=5.5/T2,Tw=3.5s,代表高斯脉冲的半幅宽度。单个高斯脉冲信号的能量记为E=V元/。1.0X0.60.9FY1.00.8F0.7上0.6上0.50.40.30.20.10图1DME/N高斯脉冲对时域波形Fig.1 Time-domain waveform of DME/N Gaussian pulse pairs根据DME的技术规范19 ,高斯脉冲对信号可表示为-B(i-A22+e2g%(t)=e式中：t代表高斯脉冲对的间隔,t由DME/N地面站的工作信道决定，在X信道下，t=12s，在Y信道下,t=30 s。根据DME的技术规范19,机载DME设备发射高斯脉冲对的重复频率与其工作状态有关，当DME设备处于搜索状态时,其发射高斯脉冲对的重复频率为40 150Hz；当DME设备处于跟踪状态时，其发射高斯脉冲对的重复频率为10 30 Hz。由于高斯脉冲对的重复频率是一个随机变量,因此难以直接分析得到DME/N信号的功率谱。为便于理论分析，假设DME信号的高斯脉冲对重复频率为定值，则DME/N信号可建模为-11-precision)信号并没有进行研究。为了研究 DME信号对邻道L-DACS接收机干扰的影响,本文将分别研究DME/N和DME/P信号的带外泄露对L-DACS接收机干扰的影响，理论分析给出DME/N与DME/P信号功率谱密度计算公式,并以此为基础得到了DME/N与DME/P信号的邻道泄露功率。1DME/N信号的邻道泄露功率X1.8Y1.012sT.=3.5 s0.51.0时间/us(1)1.52.02.5(2)-12 一个周期信号PSN(t)2ENFN=-00式中：PN代表DME/N信号的平均功率；F代表高斯脉冲对的重复频率;Tn=1/Fn代表高斯脉冲对之间的间隔。1.2DME/N信号功率谱密度根据式(3,DME/N信号中第1个周期信号表示为-P2SN+e2ENFNe则s（t)的傅里叶变换为TPNSN(f)=2VBENFN由式(5)可得DME/N信号的傅里叶系数为1S(k)S(f)TNIf-kFN-jmkF,Arecos(ThkFNAt)据周期信号功率谱的计算公式2 0 可得到DME/N信号的功率谱密度为Pr(f)=ZISs(h)P.N(f-hFN)=k=-004TFNPNBENk=00式中：DME/N信号功率谱由一系列频域离散冲击脉冲8%(f-kFn)组成,冲击脉冲出现在kFn处,且keN*,其中第个冲击脉冲的幅度由因子4TPveBENcos?(kFNt）联合确定。1.3DME/N信号邻道泄露功率在Ji,fa频带范围内,DME/N信号的功率为4TFNPIN(fi,fa)Pr(fi,fa)=P(f)df=BEN式中/F4kF(fif)=2eLIRI表1给出了高斯脉冲对重复频率为10、30、40、150Hz情况下，DME/N信号在第一邻道和第二邻道泄露的功率值。表1最后一行为文献6 计算得到的DME/N信号的邻道泄露功率。由表1可看出：表1与文献6 计算给出的DME/N信号在频带及第一邻道内的泄露功率值大致一样，分中国民航大学学报B-(i-kT)2B(t-Ai-kT.)2+ee2eji/M.cos(mfAt)2TPTNBENFN-Fecos(hFNAt).SN(f-kFN)(7)和式中:OL=0.8s,代表左侧高斯脉冲的标准差;OR=2 s,代表右侧高斯脉冲的标准差;h(t)=u(t）-u(t-x)是左侧门函数,x=2.5 s;hr=u(tx)-u(t-z)是右侧门函数,z=9 s。单个非对称高斯脉冲信号的能量(8)1.0X0.250.9Y1.00.80.7cos(hkFNAt)(9)2024年2 月表1DME/N信号的邻道泄露功率Tab.1_Adjacent channel leakage power of DME/N signal(3)重复频率/Hz103040150文献6 计算值(4)别约为0.0 0 5dB和32 dB；但在第二邻道内的泄露功率值与文献6 存在较大差异,文献6 在第二邻道内的泄露功率为59.19 0 dB,经仔细核对，该文献的计算结(5)果有误,结果应与表1计算的值相近,约为6 0 5 dB。根据表1可得到如下结论：DME/N信号在其指配频带内功率仅衰减约0.0 0 5dB,在第一邻道内泄露功率衰减约32 dB,在第二邻道内泄露功率衰减约6 0 5dB；(6)高斯脉冲对的重复频率对DME/N信号带外泄露功率影响非常小;DME/N信号对L-DACS系统的干扰主要体现在第一邻道内。2DME/P信号的邻道泄露功率2.1DME/P信号模型图2 给出了DME/P高斯脉冲对信号的时域波形，DME/P的基本脉冲为非对称的高斯脉冲,单个非对称高斯脉冲2 1 表示为et)=e.h(l)+e20Rhr(t)X1.65Y1.012us0.60.50.40.8us0.30.2上0.10图2 DME/P高斯脉冲对信号时域波形Fig.2Time-domain waveform of DME/P Gaussian pulse pairs泄露功率/dB频带/MHz第一邻道/MHz第二邻道/MHz-0.250.250.250.750.00532.0780.00532.0710.00532.0730.00532.0240.00532.020(t-x)20.51.0时间/us1.251.75604.701604.671604.686604.58159.190(10)1.52.02.5第42 卷第1期刘海涛，刘莉，王磊，等：测距仪信号功率谱及邻道泄露功率-13-为 Ep=(V/2)(ierf(x/oL)+Orerf(z-x)/r),其中,erf()为误差函数。DME/P非对称高斯脉冲对表示为(t-x）20gp(t)=ehi(t)+e20元hi(t-At)+ehr(t-At)式中：t代表非对称高斯脉冲对的间隔，t取值由DME/P询问器的工作模式决定，处于初始进近模式时,t=12s,最终进近模式时,t=18 s。同理，假设DME/P信号非对称高斯脉冲对的重复频率为定值,则DME/P信号可建模为一个周期信号8PPSp(t)2EpFP=-00(L-x-kT,220元ehr(t-kTp)+e_(t-x-A-kT,)kTp)+e20hr(t-At-kTp)式中：Pp代表DME/P信号的平均功率;Fp代表非对称高斯脉冲对的重复频率;Tp=1/Fp代表非对称高斯脉冲对之间的间隔。机载DME处于初始进近模式时,重复频率不超过16 Hz，处于最终进近模式时，重复频率不超过 40 Hz。2.2DME/P信号功率谱密度根据式（12）,DME/P信号中第1个周期信号表示为PP(1Sp则sp（t)的傅里叶变换为TPP-jm/(2x+A1)SpC.cos(mft).EpFPe-20元2erf(jV2oiTf)+-jV2oiTf)+erfV20L-20Rm32Reerferf(jV2RTf)由式(14)可得DME/P信号的傅里叶系数为1Sp(f)Sp(k)Tf-kFFcos(hkFpAt)Q(kFp)式中Q(kFp)=OLe(-x-A)220R20hr(t)+e(11)(-x-kT,220元hi(t-kTp)+e_(t-x-Ar-kT,220220元20Rhi(t)+e2EpFPe(t-x-A)220:hi(t-t)+eeZ-x+jV20RTf)/20R(14)1TPP-jmkF(2x+A1)TEpFPe-202T212F2erf-jV2oiTkFpV2-20RmkF2erfV2ORerf(jV2aRTkFp)进一步根据周期信号功率谱的计算公式2 0,得到DME/P信号的功率谱密度为P()=Z ISs(h)P-0(-kF)=EiP-.80hi(t-At-k=-00式中:DME/P信号功率谱由一系列频域离散冲激脉冲(12)Sp(f-kFp)组成,冲击脉冲出现在kFp处,且keN,其中第 h个冲激脉冲的幅度由因子 FP-,cos(mkF,At)和IQ(kFp)P联合确定。2.3DME/P信号邻道泄露功率在Ji,f频带范围内,DME/P信号的功率为Pi(fi,f2)=式中f/FThr(t)+Ifi,j)=Zcos(hFpAt).IQ(kFp)P2LAF(t-x-A)220Rhr(t-At)erf(jV2LTkFp)+Z-x+jV2ORTkFp)(16)EpEpEp表2 给出了重复频率为10、16、2 0、40 Hz情况下，DME/P信号在第一邻道及第二邻道泄露功率值。(13)表2 DME/P信号的邻道泄露功率Tab.2Adjacent channel leakage power of DME/P泄露功率/dB重复频率/Hz频带/MHz-0.250.25100.058160.058200.054400.054由表2 可看出：DME/P信号在其指配频带内功率衰减约0.0 58 dB,在第一邻道内泄露功率衰减约22dB,在第二邻道内泄露功率衰减约6 1dB;非对称高斯脉冲的重复频率对DME/P信号带外泄露功率的影响非常小;DME/P信号对L-DACS系统的干扰(15)主要体现在第一邻道内。(18)(19)第一邻道/MHz第二邻道/MHz0.250.751.251.7521.83060.69521.83060.69522.12960.66822.12960.668-14-综合表1与表2 的结果可得到如下结论：DME/N与DME/P信号对L-DACS系统的干扰影响主要体现在第一邻道内；在第一邻道内,DME/P信号泄露功率比DME/N信号泄露功率高近10 dB，即相同工作条件下，DME/P信号对邻道L-DACS系统的干扰更严重。3实验仿真结果3.1仿真参数表3为DME/N信号和DME/P信号的功率谱密度仿真参数的设置。表3功率谱密度的仿真参数Tab.3 Simulation parameters of power spectral density参数高斯脉冲的半幅宽度/us左边高斯脉冲的标准差/us右边高斯脉冲的标准差/us平均功率/W采样频率/(10 Hz)采样点数/(10 3个)高斯脉冲对的时间间隔/us重复频率/Hz3.2仿真结果图3和图4分别给出DME/N信号的功率谱密度（重复频率为10、30、40、150 Hz）、D M E/P信号的功率谱密度（重复频率10、16、2 0、40 Hz),图中蓝色曲线代表功率谱密度，红色曲线代表理论公式计算得到的功率谱密度，其中,DME/N信号仿真图中的红色点代表理论公式(7)计算得到的功率谱密度,DME/P信号仿30仿真_40理论-8000.20.40.60.8频率/MHz(a）跟踪状态F=10Hz-30-40-708000.20.40.60.81.0频率/MHz(c)搜索状态F=40 Hz图3DME/N信号的功率谱密度Fig.3Power spectral density of DME/N signal中国民航大学学报真图中的红色点代表理论公式(17)计算得到的功率谱密度。曲线比较表明：仿真结果与理论公式完全一致，验证了理论分析的正确性。(H.MAP)/-30一仿真-40理论-50-60-70-8000.20.4(0.60.81.0频率/MHz(a)初始进近模式F=10 Hz-30仿真-40理论DME/NDME/P3.50.821125111212/1810/30/40/15010/16/20/40一仿真理论801.000.20.40.60.81.0频率/MHz(b)跟踪状态F=30 Hz(-.MAP)/30一仿真40理论70-8000.20.40.60.81.0频率/MHz(d)搜索状态F=150Hz2024年2 月-30一仿真理论8000.20.40.60.81.0频率/MHz(b)初始进近模式F=16 Hz-30仿真40理论80-8000.20.40.60.8频率/MHz(c）最终进近模式F=20Hz图4DME/P信号的功率谱密度Fig.4Power spectral density of DME/P signal4结语为了定量给出DME/N与DME/P信号带外泄露对L-DACS系统的影响,理论分析给出DME/N和DME/P信号功率谱密度的表达式，并定量计算出DME/N和DME/P带外泄露功率，最后通过仿真验证理论分析结果的正确性。研究结论如下：(1)DME/N与DME/P信号带外泄露对邻道L-DACS系统的影响主要体现在第一邻道内；(2)DME/N信号在第一邻道内泄露功率相对于其发射功率低约32 dB,DME/P信号在第一邻道内泄露功率相对于其发射功率低约2 2 dB,即DME/P信号在第一邻道内泄露功率比DME/N信号泄露功率高近10 dB;(3)相同工作环境下,DME/P信号对邻道的L-仿真DACS系统的干扰较DME/N信号更严重。理论基于本文的研究工作可以进一步研究更多其他能够代替测距仪DME信号的脉冲波形,且从时域、频域两个方面对比分析DACS系统接收机的影响。参考文献：1 SCHNELL M,EPPLE U,SHUTIN D,et al.LDACS:future aeronauticalcommunications for 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