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CN101578761B - 用于检测幅度调制信号的同时的双重发射的方法和装置 - Google Patents

用于检测幅度调制信号的同时的双重发射的方法和装置 Download PDF

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CN101578761B CN2008800013767A CN200880001376A CN101578761B CN 101578761 B CN101578761 B CN 101578761B CN 2008800013767 A CN2008800013767 A CN 2008800013767A CN 200880001376 A CN200880001376 A CN 200880001376A CN 101578761 B CN101578761 B CN 101578761B
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Abstract

本发明公开了一种装置，其在紧邻的载波频率情况下对总信号中多个幅度调制的高频信号的存在进行检测。总信号被相位解调器(156)进行相位解调并且被傅立叶变换设备(157)进行傅立叶变换。借助傅立叶变换，通过分析设备(155)确定多个载波频率的存在。

Description

用于检测幅度调制信号的同时的双重发射的方法和装置
本发明涉及一种用于在带有幅度调制信号的通信系统中、特别是在空中交通管制(ATC)中的航空无线电设备中用于检测同时的多重发射的方法和装置。
对于现有技术应参考US 6,823,025B2，其中公开了用于幅度调制的检测器。然而以此不可能检测双重发射(Doppelaussendung)。
由于在民用航空中交通量不断增长，在相同信道上的同时的双重发射的危险也增大。特别是在极其频繁使用的机场区域中会出现的是，两个飞行员同时与航空管制员联系，而航空管制员和飞行员并未注意到这种危险的情况。航空管制员仅仅听到较强的信号，并且告知收到无线电信号。而未被听到的飞行员认为航空管制员的应答对于他有效。
通常使用的调制方法AM-DSB(双边带幅度调制)表现为相对于多重接收为线性的，据此成比例更少地解调较弱的接收信号(下面称为次级信号)。由于座舱中受限的信噪比和背景噪声(Nebengeraeusche)，相对而言弱了20dB至30dB的信号几乎不能被识别。
实际上只要航空无线电设备的石英精度(Quarzgenauigkeit)用尽了原来由ICAO(国际民航组织)规定的范围的+/-5ppm，就出现具有两个航空无线电设备的差频的明显可听见的哨音。目前，带有现代参考振荡器的航空无线电设备频率非常精确，具有小于1ppm的偏差，由此差频通常在100Hz以下，并且在固定的接收设备的音频滤波器中被滤除。传统上，在航空无线电设备中，并不检测在相同信道上两个或更多个信号的同时发射。
本发明的任务是，提出一种方法和一种装置，借助其可以可靠地、短时间地、以小的开销并且由此以低成本地检测紧邻的载波频率的幅度调制信号的双重或者多重发射。
根据本发明，该任务通过一种方法和装置来解决。该方法用于在幅度调制的高频信号的紧邻的载波频率(20，25)情况下对总信号中多个幅度调制的高频信号的存在进行检测，在该方法中执行以下步骤：将总信号进行相位解调，将相位解调的总信号变换到频率空间中，以及确定幅度调制的高频信号的多个载波频率(20，25)的存在。该装置用于在幅度调制的高频信号的紧邻的载波频率(20，25)情况下对总信号中多个幅度调制的高频信号的存在进行检测，具有相位解调器(156)、变换设备(157)和分析设备(155)，其中相位解调器(156)将总信号根据其相位来解调，其中变换设备(157)将相位解调的总信号变换到频率空间中，并且其中分析设备(155)确定幅度调制的高频信号的多个载波频率(20，25)的存在。
为了检测紧邻的载波频率情况下总信号中多个被幅度调制的高频信号的存在，该总信号被相位解调器进行相位解调，并且由变换设备(例如通过傅立叶变换或者小波变换)变换到频率空间中。借助变换，通过分析设备确定多个载波频率的存在。根据多个载波频率的存在可以直接确定多个信号的存在。
有利的是，总信号是混频到中频上的接收信号。通过向下混频(Heruntermischung)，由于总信号的频率降低而实现了降低对处理设备的要求。
优选的是，检测在总信号中两个幅度调制的高频信号的存在。通过限制为两个信号，明显改进了检测可靠性。
有利的是，在确定总信号中存在多个载波频率时，确定载波频率偏移。通过确定载波频率偏移，可以基于不同偏移频率的不同概率来确定所检测到的信号的附加的可信程度。
傅立叶变换优选同时以多个不同的变换窗口长度来进行。这样，可以针对不同的载波频率偏差来实现最优的检测。
有利的是，总信号中存在多个载波频率通过不同变换窗口长度的同时的傅立叶变换的结果的ODER(或)运算来检测。这样实现了检测的高可靠性。
优选的是，对时间上相继的信号区段执行相同变换窗口长度的多个傅立叶变换，并且由此通过相同变换窗口长度的多个傅立叶变换的结果的相关而改进了傅立叶变换结果的可靠性。在小于允许的处理时间的变换窗口长度的情况下，相同窗口长度的多个傅立叶变换的串联(Hintereinanderschaltung)提高了检测的可靠性。
有利的是，在总信号中存在多个载波频率通过由导频音生成器将总信号施加以导频音来显示。导频音设置在可听见的范围中，并且于是可以被操作人员良好地感知。可替选地，光学显示也是可能的。这样可靠地显示了检测。
下面借助附图来示例性地描述本发明，在附图中示出了本发明的有利的实施例。其中：
图1示出了通过示例性的接收设备接收多个信号；
图2示出了带有两个幅度调制信号的示例性频谱，其中这两个信号分别带有载波信号；
图3示出了示例性的理想的幅度调制信号的I/Q图；
图4示出了示例性的幅度调制干扰信号的I/Q图；
图5示出了示例性的幅度调制信号的I/Q图，其中该信号带有通过发射合成器引起的叠加的相位噪声；
图6示出了示例性的幅度调制信号的I/Q图，其中该信号带有通过发射末级引起的叠加的相位失真；
图7示出了示例性的非理想的幅度调制信号的I/Q图；
图8示出了示例性的幅度调制信号的I/Q图，其中示意性示出了叠加的第二幅度调制信号；
图9示出了示例性的幅度调制信号的I/Q图，该信号带有叠加的第二幅度调制信号；
图10示出了在两个不同时刻的示例性的幅度调制语音信号的频谱，其中该语音信号带有叠加的未被调制的第二信号；
图11示出了示例性的理想的幅度调制正弦信号的时间分布，其中该信号带有部分叠加的理想的第二幅度调制正弦信号；
图12示出了图11中的相位解调信号的时间分布；以及
图13示出了根据本发明的装置的示例性实施例。
在借助图11-13来阐述根据本发明的方法的实施例的工作原理以及根据本发明的装置的实施例的构造之前，首先借助图1-10对在本发明所基于的信号就其形成和组成进行了阐述。相同的要素在类似的图中部分不再重复示出和描述。
图1示出了通过示例性的接收设备14来接收多个信号。飞行器11从小的距离将信号13发送至地面站14。飞行器10从较大的距离将信号12发送给地面站。在信号12和13的相同的输出功率情况下，形成地面站接收到的信号12和13的功率的明显差别。
在图2中示出了具有两个幅度调制信号的示例性频谱，其中这些信号分别具有载波信号20和25。较强的信号13在频谱中比较弱的信号具有更大的幅度。于是，载波20和边带21及22在其幅度上明显大于载波25和边带24及26。虽然两个信号在相同的信道上传输，但明显可见两个载波20和25的载波频率偏移。
图3示出了示例性的理想的幅度调制信号的I/Q图。语音信号具有大约30％的平均调制指数以及高达95％的峰值，这些峰值尤其是通过咝咝声(Zischlaute)引起。语音信号始终具有无活动的间歇，即0％调制的持续载波周期(CW，连续波)。信号30始终具有同相分量和正交分量的相同值。
在图4中示出了示意性的幅度调制的干扰信号的I/Q图。特别重要的是低频的马达噪声或者嗡嗡噪声(Brummgeraeusche)，这些噪声周期性地包含在发射信号中。通常，这些噪声在有用信号之下大约15dB至40dB，并且产生例如10％的残余调制(Restmodulation)。信号40是这种信号。在此该信号也总是具有同相分量和正交分量的相同值。
图5示出了示例性的幅度调制信号的I/Q图，该信号带有通过发射合成器引起的叠加的相位噪声。传统的PLL合成器具有载波附近的、在低于100Hz的范围中的强相位噪声。调制方法AM-DSB虽然原则上对于该现象不敏感，但是由此使得识别次级信号困难。所示的是在考虑到相位噪声的情况下具有30％调制指数的幅度调制信号50。由此，信号50的同相分量和正交分量不再始终相同。在适用VDL模式2的现代航空无线电设备中使用恒相的DDS或者小数N合成器(Fraktional-N Synthesizer)，由此这里并不存在该问题。然而并不能假设所有语音无线电设备都包含该技术。
在图6中示出了示例性的幅度调制信号的I/Q图，该信号具有通过发射末级引起的叠加的相位失真。根据发射机的质量，通过发射末级的非线性形成了几度的相位波动，在极端情况下甚至高达+/-10度。所示的是理想的AM信号60如何受到同步相位调制的效应影响。于是可以确定在较高幅度的情况下虚部的明显的降落(Einbrechen)。与上述类似地，现代的适合VDL模式2的航空无线电设备是有利的。通过主动的线性化来补偿这些效应，据此这种发射机在AM-DSB运行中也没有或者仅仅具有小的同步相位调制(PM)。
图7示出了示例性非理想的幅度调制信号的I/Q图。在该图中示出了借助图3-6所示的信号30、40、50和60的叠加。叠加到理想信号上的相位噪声以及同步相位调制都清楚可见。干扰信号40由于其与理想信号30的相似性而不可识别。
在图8中示出了示例性幅度调制信号的I/Q图，其中示意性示出了叠加的第二幅度调制信号。次级载波81表现为SSB信号，该SSB信号带有与两个航空无线电发射机的相对石英偏差(Quarzablage)(即初级载波80和次级载波81之间的频率差)对应的差频。
如果两个发射信号未被调制地出现(在谈话间歇期间情况如此)，则具有SSB(信号边带)调制的传统情况。当次级信号被以语音调制时，这种考虑也有效，因为次级信号的AM边带与自己的载波81相比是可以忽略的。由此，次级载波81以差频绕初级载波80旋转。根据初级信号的当前值，由此得到初级信号和次级信号的总信号。
图9示出了示例性的幅度调制信号的I/Q图，该信号带有叠加的第二幅度调制信号。基于借助图8示出的叠加得到图9所示的I/Q图中的总信号90。在此，次级载波81围绕初级载波80的旋转运动可以清楚地识别。
识别双重发射的确定性和可靠性在带有随后的频谱分析的纯粹的幅度解调情况下受到限制。下面的例子展示了以下条件情况下两个彼此相继的傅立叶分析的结果：
-初级信号，以语音调制
-次级信号未被调制，与初级载波的比例为20dBC
-频率差为1kHz(并非实际情况)
图10中示出了在两个不同时刻的示例性的幅度调制语音信号的频谱，该语音信号带有叠加的未被调制的第二信号。在1kHz的间距中的次级载波102、104为初级载波100的水平的十分之一，并且包含在语音信号中。在相继的分析中看到两个载波信号102、104不变地存在，而两个彼此对称的边带101、103根据语音改变其能量分布。在实践中，必须识别10Hz到240Hz之间的频率偏差，因此FFT窗口长度必须为至少200ms。周期性存在的SSB载波可以通过多个FFT窗口的级联而与语音相区分，然而这要求长的分析时间。该方法的另一缺点是相对于单音的背景噪声(例如200Hz的马达噪音)差的鲁棒性。
图11示出了示例性的理想的幅度调制正弦信号111的时间分布，其中该信号带有部分叠加的理想的第二幅度调制正弦信号110。在叠加的第二信号110的区域中包络线的变化明显可见。然而，在直接傅立叶变换中调制信号占优势。
然而如果替代AM解调信号而分析相位中解调的信号，则得到多重改进的显著性。在图12中示出了图11中的相位解调信号的时间分布。该例子示出了，在传统的带有同步相位调制的发射机情况下原始的占优势的调制信号121本身强烈衰减地出现在相位解调器的输出的上。而所寻找的SSB次级信号120通过相位解调而突出。当现在对该信号进行傅立叶变换时，差分信号可以作为主分量可见。
由于所要求的10Hz或者更小的高分辨率，傅立叶变换或者快速傅立叶变换的窗口长度必须选择得非常长并且为200ms或者更大。考虑到可用的算法反应时间，可以仅仅分析两个、最多三个窗口，然而这增加了检测可靠性的成本。借助自适应的开窗操作或者通过使用小波可以针对每个差频始终选择最佳的分辨率。在大多数情况下，可以将多个分析窗口依次分析并且彼此相关，由此可以可靠地检测次级信号的周期性SSB载波。
图13示出了根据本发明的装置的一个示例性实施例。施加在输入端154上的中频信号被输送给模数转换器130并且被其量化和采样。连接在后面的DDC FIR(有限脉冲响应)滤波器131由数字化的信号产生同相和正交分量。CORDIC模块132由此产生模分量和相位分量。模分量在偏移校正之后借助低通滤波器133通过带通滤波器134和陷波滤波器(Notch-Filter)135引导至音频输出端153。带通滤波器134和陷波滤波器135在此去除不希望的信号部分。
信号的相位分量通过两个路径引导至连接在低通滤波器139之前的加法器160。一个路径是直接连接。在第二路径上，相位信号首先在块137中被转换为频率信号。借助低通滤波器138去除高频部分。接着该信号在块149中被转换回相位信号并且与未被修改的信号求和。该步骤用于频率跟踪。低通滤波器139减小关于高频部分的相位波动。块132、137、138、149和139在此形成了相位解调器156。
该信号现在通过多个FFT组140、141、142和143来处理，其方式是进行快速傅立叶变换(FFT，Fast Fourier Transformation)。在例如256ms的处理时间情况下，信号区段在FFT组143中由例如8192比特长度的单个FFT窗口处理。FFT组140、141和142具有更小的窗口长度并且由此具有更短的处理时间。由此，信号区段被多个窗口长度更短的FFT窗口处理。块140、141、142和143在此形成了傅立叶变换装置157。
FFT组140、141和142的结果被相关器150、151和152相关并且由此加强了其有效性。判决器144、145、146和147判定是否通过单个窗口长度的FFT包含了在相位解调中形成的中频信号的差频的足够重要的部分。如果情况如此，则将值1转发给ODER(或)运算148。块150、151、152、144、145、146、147和148在此形成了分析设备155。如果ODER运算148得到值1，则激活导频音生成器136，并且附加地将明显可听见的导频音输送给音频输出端153。
本发明并不局限于所示的实施例。替代傅立叶变换可以使用不同的变换函数，例如FFT、小波或者类似的频率空间中的变换。替代声学的报警信号，也可以输出光学报警信号。所有前面描述的特征或者附图中示出的特征在本发明的范围中都可以任意组合。

Claims (31)

1.一种用于在幅度调制的高频信号的紧邻的载波频率(20，25)情况下对总信号中多个幅度调制的高频信号的存在进行检测的方法，在该方法中执行以下步骤：
-将总信号进行相位解调，
-将相位解调的总信号变换到频率空间中，以及
-确定幅度调制的高频信号的多个载波频率(20，25)的存在，
其中，执行傅立叶变换和/或小波变换以作为频率空间中的变换，并且
其中，同时以多个时间上不同的变换窗口长度来对所述相位解调的总信号执行多个傅立叶变换。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，总信号是混频到中频上的接收信号。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对在总信号中两个幅度调制的高频信号的存在进行检测。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对在总信号中两个幅度调制的高频信号的存在进行检测。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在确定总信号中幅度调制的高频信号的多个载波频率(20，25)的存在时，确定幅度调制的高频信号的载波频率偏移。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在确定总信号中幅度调制的高频信号的多个载波频率(20，25)的存在时，确定幅度调制的高频信号的载波频率偏移。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在确定总信号中幅度调制的高频信号的多个载波频率(20，25)的存在时，确定幅度调制的高频信号的载波频率偏移。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在确定总信号中幅度调制的高频信号的多个载波频率(20，25)的存在时，确定幅度调制的高频信号的载波频率偏移。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，总信号 中存在多个载波频率(20，25)通过不同变换窗口长度的同时的傅立叶变换的结果的或运算来检测。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，对时间上相继的信号区段执行相同变换窗口长度的多个傅立叶变换，并且通过相同变换窗口长度的多个傅立叶变换的结果的相关而提高了傅立叶变换结果的可靠性。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，对时间上相继的信号区段执行相同变换窗口长度的多个傅立叶变换，并且通过相同变换窗口长度的多个傅立叶变换的结果的相关而提高了傅立叶变换结果的可靠性。
12.一种用于在幅度调制的高频信号的紧邻的载波频率(20，25)情况下对总信号中多个幅度调制的高频信号的存在进行检测的装置，具有相位解调器(156)、变换设备(157)和分析设备(155)，
其中相位解调器(156)将总信号根据其相位来解调，
其中变换设备(157)将相位解调的总信号变换到频率空间中，并且
其中分析设备(155)确定幅度调制的高频信号多个载波频率(20，25)的存在，
其中变换设备(157)执行傅立叶变换和/或小波变换，并且
其中变换设备(157)同时以多个时间上不同的变换窗口长度来对所述相位解调的总信号执行傅立叶变换。
13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，总信号是混频到中频上的接收信号。
14.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述装置对在总信号中两个幅度调制的高频信号的存在进行检测。
15.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述装置对在总信号中两个幅度调制的高频信号的存在进行检测。
16.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，在确定总信号中幅度调制的高频信号的多个载波频率(20，25)的存在时，通过分析设备(155)确定幅度调制的高频信号的载波频率偏移。
17.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，在确定总信号中幅度调制的高频信号的多个载波频率(20，25)的存在时，通过分析设备(155) 确定幅度调制的高频信号的载波频率偏移。
18.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，在确定总信号中幅度调制的高频信号的多个载波频率(20，25)的存在时，通过分析设备(155)确定幅度调制的高频信号的载波频率偏移。
19.根据权利要求12至18中任一项所述的装置，其特征在于，总信号中多个载波频率(20，25)的存在由分析设备(155)通过不同变换窗口长度的同时的傅立叶变换的结果的或运算来检测。
20.根据权利要求12至18中任一项所述的装置，其特征在于，变换设备(157)对时间上相继的信号区段执行相同变换窗口长度的多个傅立叶变换，并且由分析设备(155)中的相关器(150，151，152)通过相同变换窗口长度的多个傅立叶变换的结果的相关而提高傅立叶变换结果的可靠性。
21.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，变换设备(157)对时间上相继的信号区段执行相同变换窗口长度的多个傅立叶变换，并且由分析设备(155)中的相关器(150，151，152)通过相同变换窗口长度的多个傅立叶变换的结果的相关而提高傅立叶变换结果的可靠性。
22.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，由导频音生成器(136)通过对总信号施加导频音来显示在总信号中存在多个载波频率，和/或产生光学报警信号。
23.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，由导频音生成器(136)通过对总信号施加导频音来显示在总信号中存在多个载波频率，和/或产生光学报警信号。
24.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，由导频音生成器(136)通过对总信号施加导频音来显示在总信号中存在多个载波频率，和/或产生光学报警信号。
25.根据权利要求15所述的装置，其特征在于，由导频音生成器(136)通过对总信号施加导频音来显示在总信号中存在多个载波频率，和/或产生光学报警信号。
26.根据权利要求16所述的装置，其特征在于，由导频音生成器(136)通过对总信号施加导频音来显示在总信号中存在多个载波频率，和/或产生光学报警信号。 
27.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，由导频音生成器(136)通过对总信号施加导频音来显示在总信号中存在多个载波频率，和/或产生光学报警信号。
28.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，由导频音生成器(136)通过对总信号施加导频音来显示在总信号中存在多个载波频率，和/或产生光学报警信号。
29.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，由导频音生成器(136)通过对总信号施加导频音来显示在总信号中存在多个载波频率，和/或产生光学报警信号。
30.根据权利要求20所述的装置，其特征在于，由导频音生成器(136)通过对总信号施加导频音来显示在总信号中存在多个载波频率，和/或产生光学报警信号。
31.根据权利要求21所述的装置，其特征在于，由导频音生成器(136)通过对总信号施加导频音来显示在总信号中存在多个载波频率，和/或产生光学报警信号。 
CN2008800013767A 2007-05-09 2008-04-21 用于检测幅度调制信号的同时的双重发射的方法和装置 Active CN101578761B (zh)

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