CN101103522B - Am信号处理方法和系统 - Google Patents

Abstract

可通过迭代投影的方法使用RF数据来分离(212)在过载的信号环境中接收的多个同信道AM信号(A，B)。

Description

AM信号处理方法和系统

技术领域

本发明通常涉及射频(RF)信号接收，更具体地说，涉及接收和分离同信道调幅(AM)信号。

背景技术

当在相同频率范围同时发送两个或多个信号时出现同信道信号干扰。例如，正接收由两个或多个分离的发射机同时在相同频率发送的两个或多个信号的接收机可能碰到同信道信号干扰。在此情况下，在不首先分离给定的信号与其它信号以允许解调制或其它进一步的信号处理的情况下，不能访问或进一步处理包含在干扰同信道信号中的任意一个中的数据(例如语音数据、文本数据等)。

过去，为了进行同信道信号分离，已经采用诸如空间干扰消除的波束成形和干扰消除技术。这些技术通过从感兴趣的信号中消除或清除其它同信道信号而采用多个传感器来分离给定的感兴趣的信号。然而，除了昂贵的、具有与等于或大于同信道信号数目的多个传感器对应的多个信道的相干多信道调谐器之外，这样的方法还需要信源的空间分离。当信号的数量超过传感器的数量时，信号环境可表征为过载。在这样的过载的信号环境中，传统的波束成形和干扰消除技术的性能通常失败或恶化。

发明内容

在此公开的是可实现成在过载的信号环境(即同信道信号的数量超过分离传感器(例如分离天线)的数量的信号环境)中分离同信道AM信号的方法和系统。有利的是，可在一个示例性实施例中实现公开的方法和系统以通过迭代投影的方法使用从一个传感器获得的数据 在过载的环境中实现同信道AM信号的分离。当实现为使用从单个信道调谐器获得的数据时，例如，公开的方法和系统的迭代方法消除了对空间分离的多个信源的约束和多信道相干硬件的需要。

在一个实施例中，可实现公开的方法和系统以通过即使当AM同信道信号的数量超过天线元件或传感器的数量时能够进行同信道信号分离来改进AM接收机系统的可靠性和性能。在另一实施例中，可实现公开的方法和系统以通过减少分离同信道AM信号所需的对应的分离调谐器信道和传感器的数量来减少AM接收机系统的成本、复杂性和/或大小。在另一实施例中，可实现公开的方法和系统以通过允许从在相同频率有意发送的多个同信道AM信号中选择和分离一个或多个目标AM信号，并潜在地允许简化并消除用于建立新的AM广播信道的政府批准过程来允许更高效地使用AM频段。

作为示例，在一个示例性实施例中，可将公开的方法和系统实现为接收机系统，其能够使用耦合到对应的单个信道调谐器的单个传感器(例如单个天线)来从两个或多个发送的同信道AM信号中分离或隔离至少一个AM信号。可利用这样的单个传感器实现来实现节省成本并减少接收机系统大小，帮助在移动平台(例如，船、飞行器、汽车、火车、无人航空工具、模型飞行器等)上安装这样的接收机系统，在这些移动平台中，成本较高和较大的多个传感器天线接收机系统的实现是不切实际或不可能的。

可在一个实施例中有利地实现公开的方法和系统以从已经从过载的信号环境分离的同信道AM信号中选择性地隔离(例如为了收听、进一步处理等的目的)一个或多个期望的同信道AM信号，所述过载的信号环境是例如当恒定或移动接收机同时在相同频率上在地理上位于发送AM信号的两个发射器之间时无意或不期望地创建的。这样的情况的一个示例是基于车载的接收机，其位于具有在相同频率同时广播AM信号的发射机的两个城市之间。

然而，还可在另一实施例中实现公开的方法和系统，从而能够有选择地隔离已经从无意或不期望地创建的过载的信号环境中分离的一 个或多个AM信号。在这点上，以按更高效地利用选择的频率范围的方式在相同的所选择的频率范围上同时有意地发送两个或多个AM信号。在这样的实施例中，可按适合于创建下述过载的信号环境的任意方式来发送或发源同信道AM信号，根据所述方式，可分离AM同信道信号并可使用公开的方法和系统隔离至少一个AM同信道信号。例如，可(例如由位于分开相邻的城市中的天线和发射机，由位于相同城市的不同地理区域的天线和发射机，等等)从地理上的远程位置发送或发源同信道AM信号，和/或(例如由位于相同无线站或其它设施处的天线和发射机)发送或发源同信道AM信号。

在一个示例性实施例中，可在相同的所选择的频率范围上有意发送多个商用AM无线电信号。在另一示例性实施例中，可在由AM信号的其它发射机(例如商用AM无线发射机)使用(或可由AM信号的其它发射机使用)的相同的所选择的频率范围上连续地或基于需要地有意地广播包含公共服务信息(例如与天气有关的信息、与高速路有关的信息、紧急广播系统“EBS”信息等)的AM无线电信号。例如，可实现公开的方法和系统以允许在可由本地商用AM无线站共享的一个或多个AM频率上(例如在所选择的多个AM频率上)发送(例如当出现诸如坠机、地震、龙卷风、飓风等灾难事件时)间歇公共服务广播。在该实施例中，可根据公开的方法和系统配置接收机以隔离公共服务广播与其它同信道AM信号。

如果碰巧有时存在公共服务传输(例如为了有助于确保即使在不利的同信道信号条件下也接收公共服务传输)，则无论过载的信号环境是有意的还是无意的，在一个实施例中，都在被设计为隔离公共服务AM广播信号与过载的信号环境的专用公共服务无线电中实现公开的方法和系统。在另一实施例中，可将公开的方法和系统实现为商用AM无线接收机的一部分，所述商用AM无线接收机被配置为在正常运行条件下接收商用无线广播，但还被配置为当在过载的信号环境中出现间歇公共服务广播信号时隔离并识别它们。这样的接收机可被可选地配置为优选地向收听者播放公共服务广播。在任何情况下，在公 共服务发送之前，可使信号环境过载，或可通过(有意或无意地)同时将公共服务传输发送到在相同频率上的其它AM信号上而创建信号环境。

在任意情况下，响应于指定同信道AM信号中的给定的一个的标识的命令，可执行给定的同信道AM信号与已经接收并与在过载的信号环境中接收的RF数据分离的其它同信道AM信号的隔离。这样的命令可例如发源于适合于可选择地挑选用于隔离的给定同信道AM信号(例如，用户挑选用于收听的期望的同信道广播、计算机处理器挑选用于执行手头的具体任务所需的选择的选择的同信道广播)的任意信源。

在一方面中，在此公开一种用于处理AM信号的方法，所述方法包括：在过载的信号环境中接收RF数据，所述接收的RF数据包括在相同频率范围并且同时接收的同信道AM信号；以及分离所述同信道AM信号中的每一个与所述接收的RF数据的其它同信道AM信号。

在另一方面中，在此公开一种用于发送AM信号的方法，所述方法包括：提供RF数据，所述RF数据包括在相同频率范围并且同时发送以由在过载的信号环境中运行的接收机接收的同信道AM信号，所述接收机被配置为分离所述同信道AM信号与所述RF数据的其它同信道AM信号。

在另一方面中，在此公开一种使用过载的信号环境通信的系统。所述系统包括：发送电路，被配置为提供RF数据，所述RF数据包括在相同频率范围并且同时发送的同信道AM信号；以及接收和分离电路，被配置为接收并分离所述同信道AM信号与所述RF数据的其它同信道AM信号。

在另一方面中，在此公开一种用于处理AM信号的方法，包括：接收RF数据，所述RF数据包括同信道AM信号。该方法可包括：通过以下步骤分离每一同信道AM信号与接收的RF数据的其它同信道AM信号：i)提供所述同信道AM信号的(S)的初始估计和表示所述同信道AM信号的幅度和相位的(a)的初始估计，ii)至少部分 地基于所述同信道AM信号的最近的先前估计 

表示所述同信道AM信号的幅度和相位的(a)的最近的先前估计以及所述接收的RF数据(r)来提供所述同信道AM信号的至少一个附加的改进估计 

以及iii)重复步骤ii)，直到满足指定的终止准则。

在另一方面中，在此公开一种AM信号处理系统，包括：接收和分离电路，被耦合以从在过载的信号环境中运行的至少一个传感器接收RF数据，所述接收的RF数据包括在相同频率范围并且同时接收的同信道AM信号。所述接收和分离电路可被配置为分离所述同信道AM信号中的每一个与所述接收的RF数据的其它同信道AM信号。

在另一方面中，在此公开一种AM信号处理系统，包括：接收和分离电路，被耦合以从在过载的信号环境中运行的单个传感器接收RF数据，所述接收的RF数据包括同信道AM信号。所述接收和分离电路可被配置为通过以下步骤分离所述同信道AM信号中的每一个与所述接收的RF数据的其它同信道AM信号：i)提供所述同信道AM信号的(S)的初始估计和表示所述同信道AM信号的幅度和相位的(a)的初始估计；ii)至少部分地基于所述同信道AM信号的的最近的先前估计 

表示所述同信道AM信号的幅度和相位的(a)的最近的先前估计以及接收的RF数据(r)来提供所述同信道AM信号的至少一个附加的改进估计 

以及iii)重复步骤ii)，直到满足指定的终止准则。

附图说明

图1示出根据公开的方法和系统的一个示例性实施例的方法。

图2示出根据公开的方法和系统的一个示例性实施例的系统。

图3示出根据公开的方法和系统的一个示例性实施例的f(λ)的曲线图。

图4示出根据公开的方法和系统的一个示例性实施例的f(λ)的曲线图。

图5-8示出根据所公开的方法和系统的方法执行的仿真结果。

具体实施方式

使用公开的方法和系统，可对从过载的信号环境接收的同信道AM信号彼此进行分离。在这点上，可通过对同信道信号环境建模以有助于分离过载的信号环境中的同信道AM信号而在一个实施例中实现公开的方法和系统。例如，为了示例性目的，单个传感器接收机可观察在共同频带内进行发送的n个独立的AM调制的信源的m个时间样本。在公开的方法和系统的一个实施例中，可通过接收的信号(r)等于信号矩阵(S)乘以复向量(a)再加上复噪声(n)的形式的均匀采样的复基带接收信号模型表示所述单个传感器的情况：

                     r＝Sa+n

                     (式1)

其中，r∈C^m，S∈R^m×n，a∈Cⁿ，n∈C^m。在式1的模型中，S的列表示对于每一信源的时间采样的波形。a的元素是表示每一信源的幅度和相位的复标量，以及n是复噪声向量。通过使用式1的接收信号模型，可在一个实施例中实现公开的方法和系统以给定了r的情况下确定或估计S。在成功估计S之后，可将估计的S的每一列通过传统的AM调制器以提取消息。

图1示出根据公开的方法和系统的一个示例性实施例的可使用式1的关系式在过载的信号环境中分离同信道AM信号而采用的示例性方法100。如图1所示，可在步骤110对a和S的值初始化。如将关于在此描述的仿真而进一步描述的那样，虽然能够用任意其它合适的类型的值来初始化a，但也可在步骤110将a和S中的每一个初始化为随机值。

在图1的步骤120，可使用a和S的最近的先前估计来改善S的估计。对于改善的S的估计，这说明S的最近的估计比S的先前估计更近似S的真实值。在这点上，可使用来自步骤110的a和S的初始化的值，其后，可能需要如下进一步描述的那样使用a和S的最近的先前估计值，在步骤120第一次估计S。在图1的步骤130，可将来自 步骤120的S的估计约束为实数。其后，可在步骤140针对一个或多个选择的终止准则评估步骤130的结果(外加其它结果，例如S的先前估计或a的可能的当前估计)。如果已经满足终止准则，则在所示的步骤160接受所述结果。然而，如果尚未满足终止准则，则可使用从步骤130获得的S的先前估计在步骤150估计a的新值。可如迭代流程路径152表示的那样重复步骤120，此时使用来自步骤150的a的最近的先前估计和来自步骤130的S的最近的先前估计。使用该方法，可重复迭代步骤120至150，直到在步骤140满足一个或多个选择的终止准则，并在步骤160接受该结果。

参照图1，更详细地说，可使用a的最近的先前估计和S的先前估计在步骤150估计S的值。由于Sa＝r对于S具有无限的解，因此可施加约束以减少S的解空间。例如，在一个实施例中，可连同施加残差约束，通过仅考虑相对“接近于”S的最近的先前估计的解(表示为 

)来减少S的解空间。在这点上，术语“接近于”指的是Frobenius范数意义上的距离度量，其中，通过得到当前估计 

和先前估计 之间的差的Frobenius范数来计算所述距离。Frobenius范数定义为  ${\left|\right|A\left|\right|}_F=\sqrt{\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\left|a_{\mathrm{ij}}\right|}^2},$ 其中，A∈C^m×n。

在一个示例性实施例中，可将受约束的优化问题如下表示为{E^HE}的矩阵迹(trace)的最小化：

服从 $\begin{array}{c}\underset{E}{\min }\mathrm{tr}\left\{E^{H}E\right\}\\ {\left|\right|r-(E+{\hat{S}}^{(k-1)})a\left|\right|}^2=\mathrm{\δ}\end{array}$

                    (式2)

其中，E如下定义：

$E={\hat{S}}^{\left(k\right)}-{\hat{S}}^{(k-1)},$

                    (式3)

其中， 

是最小化目标函数并满足约束的S的当前估计，其中，δ是约束边界，并且其中，tr{·}是迹算子。(注意： ${\left|\right|E\left|\right|}_F^2=\mathrm{tr}\left\{E^{H}E\right\}.$ )

约束边界(δ)是可用于在S的估计期间定义残差的平方长度的的参数，即可将其用来表示在估计和观察的数据之间的可允许的失配量。在公开的方法和系统的实践中，可采用任意合适的约束边界方法。例如，0的约束边界值导致最小平方残差约束。还可选择与噪声功率(例如，在噪声功率的估计为可用的情况下)成比例的约束边界值。设置约束边界值的另一可能的方法是使用纯粹启发式的方法。

可使用任意合适的方法来求解图2的受约束的优化问题。可找到关于相似的求解方法的进一步的信息。例如Joel H.Trussel和MehmetR.Civnlar的The Feasible Solution in Signal Restoration，IEEETransactions and Acoustics，Speech and Signal Processing，Vol.ASSP-32，No.2，April 1984，pp.201-212，通过引用将其合并到此。

可使用拉格朗日函数技术在一个示例性实施例中求解式2的优化问题。在此情况下，可将拉格朗日函数表示为：

$L(E,\mathrm{\λ})=\mathrm{tr}\left\{E^{H}E\right\}+\mathrm{\λ}\left\{{[r-(E+{\hat{S}}^{(k-1)})a]}^H\right[r-(E+{\hat{S}}^{(k-1)})a]-\mathrm{\δ}\}$

                        (式4)

拉格朗日函数的梯度是

${\▿}_E\·L(E,\mathrm{\λ})=E+\mathrm{\λ}[(E+{\hat{S}}^{(k-1)}){\mathrm{aa}}^H-{\mathrm{ra}}^H]$

                        (式5)

关于E求解拉格朗日函数的梯度▽_E·L(E，λ)＝0的根，对于E产生以下的表达式，

$E=(r-{\hat{S}}^{(k-1)}a)a^H{({\mathrm{aa}}^H+\frac{1}{\mathrm{\λ}}I)}^{-1}.$

                      (式6)

在步骤125，可使用对于上述E的解以及约束式来计算拉格朗日乘数f(λ)。可将拉格朗日乘数的表达式表示如下，

$f\left(\mathrm{\λ}\right)={(r-{\hat{S}}^{(k-1)}a)}^H(r-{\hat{S}}^{(k-1)}a){[1-a^H{({\mathrm{aa}}^H+\frac{1}{\mathrm{\λ}}I)}^{-1}a]}^2-\mathrm{\δ}.$

                       (式7)

可根据期望来定义拉格朗日乘数解的范围，并在步骤125在指定的范围内进行计算解的尝试。如果对计算解的尝试失败，则可在步骤128终止该方法，而无可用的估计。可选地，可在步骤128指定对于拉格朗日乘数解的一个或多个连续的较宽范围，并可进行在指定的连续范围内计算解的尝试，直到求出解，或直到对于所有指定的连续范围已经执行该方法，但没有找到解，此时可在步骤128终止该方法。在确定式7中的根的过程中，对于假定根存在的加括号的范围指定的解和范围影响迭代的速度。

一旦获得f(λ)的根，就可基于哪个根最小化目标函数tr{E^HE}来选择正确的根。可在式6中使用这个根来计算投影E，其后可在步骤120将投影E用于计算 

在步骤130，在算法的第k次迭代的结束，也就是当模型将每一信源的时间采样定义为实数时，可舍弃 

的虚部，并采用 的实部作为S的当前估计。

在步骤130之后，可在步骤140针对一个或多个终止准则评估S的当前估计。在这点上，合适的终止准则可包括可在步骤140使用以确定是否应该接受步骤130的结果的任意一个或多个指定的准则。在一个实施例中，终止准则可包括具体数量的已经执行的迭代(例如步 骤120至150的迭代)。例如，可对于指定的给定数量的迭代以迭代的方式执行步骤120至150，而无需考虑其它终止准则。可选地，当已经执行指定的最大数量的迭代时(例如当尚未满足其它指定的终止准则时)，可指定最大数量的迭代以终止步骤120至150的迭代。另一可能是基于其它指定的终止准则的实现在允许终止步骤120至150的迭代之前必须执行的指定的最小数量的迭代。可单独采用或结合其它指定的终止准则采用的终止准则的其它示例包括：需要用于在步骤120获得的残差的长度的最小阈值(即当残差的长度小于指定的阈值时终止迭代)，当在评估函数的指定范围上步骤120的拉格朗日乘数函数(式7)没有解时终止步骤120至150的迭代等，但不限于此。应理解，终止准则的前述示例仅是示例性的，可在步骤140附加地或可选地采用其它准则。

如果在步骤140满足指定的终止准则，则可结束方法100的步骤，并在步骤160接受该结果。然而，如果在步骤140不满足终止准则，则方法100可进入步骤150，在步骤150可使用任意合适的方法，例如至少使用在前面的步骤120至130中先前确定的结果的一部分来估计a的新值。在一个实施例中，可使用最小平方估计方法在步骤150联合估计a的元素。例如，可如下面所描述的那样使用在步骤130获得的S的最近的先前估计和r来计算a的值。

在一个示例性实施例中，对于步骤150，可将最小平方问题表示为关于目标函数等于残差的平方范数的优化问题，

                 J(a)＝‖r-Sa‖².

                       (式8)

因此，优化问题是 

可通过求解目标函数的梯度  $\underset{a}{\arg }{\▿}_a\·J\left(a\right)=0$ 的根来求解最小值。使梯度等于0生成以下表达式，

               ▽_a·J(a)＝S^HSa-S^Hr＝0

                        (式9)

因此，对于该示例性实施例，步骤150中的估计可表达为

$\hat{a}={\left(S^{H}S\right)}^{-1}{S}^{H}r.$

                     (式10)

可通过检验目标函数的Hessian是正定的来检验解为最小，

${\▿}_a^2={\▿}_a{\▿}_a\·J\left(a\right)=S^{H}S>0$

                     (式11)

在此情况下，因为S^HS是构建的正定，所以将解检验为最小。

一旦在步骤150已经如此估计a，则方法100可经由迭代流程路径152进入步骤120，在步骤120，可按照先前描述的方式使用来自步骤150的a的最近的先前估计和来自步骤130的S的最近的先前估计来估计S的新值。其后可重复步骤130至140，并且如果在步骤140满足终止准则，则终止方法100，或者如果在步骤140不满足终止准则，则可重复步骤150。按照该方式，可迭代地重复步骤150、120、125、130和140，直到在步骤140满足终止准则，并且该方法进入步骤160。

虽然关于单个传感器接收机在此进行描述，但应理解，可使用多于一个的传感器来实现公开的方法和系统的方法，以在过载的信号环境中分离同信道AM信号。

可按适合于取得在此和其它地方描述的同信道信号分离结果的任何方式将公开的方法和系统实现为例如接收机或收发机的一部分。图2示出系统200的一个示例性实施例，系统200可实现为在过载的信号环境中接收并分离同信道AM信号A和B。如图2所示，系统200包括：单个传感器，实现为天线220的形式，天线220被耦合到接收和分离电路214，在该示例性实施例中，接收和分离电路214包括接收路径电路210，其耦合到信号分离电路212，应理解可采用适合于执行在此和其它地方描述的一个或多个信号分离任务的接收和分离电路 的任意其它配置。

在图2中示出系统200被配置为仅进行接收的系统。然而，应理解，在公开的方法和系统的其它实施例中，可以可选地将其实现在配置为收发机的系统中。此外，可能的是，可将一个或多个天线220耦合到接收和分离电路214，和/或天线220可以是单一元件天线或天线阵列。还应理解，在其它实施例中，过载的信号环境可包括多于两个的同信道信号。

如图2所示，天线220耦合为将RF数据202提供给接收路径电路210，RF数据202包含多个接收的AM信号A和B的组合。接收路径电路210(例如单个信道调谐器或其它合适的电路)被配置为处理或调节从天线220接收的RF数据202，从而将处理的信号204(例如作为单调谐信道)提供给信号分离电路212(例如实现为数字信号处理器的一部分或以其它合适的电路)，处理的信号204包含组合的多个信号A和B。信号分离电路212被配置为从接收路径电路210接收处理的信号204并分离多个信号A和B。如所示的那样，信号分离电路212被配置为将多个区分的信号A和B(例如作为各个分离信号206和/或208)提供给未示出的其它接收机系统组件(例如用于进一步处理、AM调制的组件/电路等)。应理解，可由信号分离电路212同时提供分离信号206和208，或可由信号分离电路212优选地或可选择地提供区分的信号206或208中的仅一个。

在公开的方法和系统的实践中，可使用适合于分离例如从在过载的信号环境中布置的一个或多个传感器接收的两个或多个组合的同信道AM信号的任意电路配置或电路配置的组合来实现图2的信号分离电路(例如电路212)。例如，在一个实施例中，可通过迭代投影的方法(例如使用诸如在此结合图1描述的方法)使用从一个或多个传感器获得的数据在过载的环境中按适合于取得同信道AM信号的分离的任意方式来配置信号分离电路。在一个实施例中，可将图2的信号分离电路212实现为数字信号处理器(DSP)。可选地，或除了DSP之外，可使用任意其它类型的合适的信号处理器来实现信号分离电路 212。

应理解，图2所示的实施例仅是示例性的，根据在此公开的方法、适合于完成信号分离的电路和/或传感器的任意其它配置是可能的。还应理解，虽然图2示出从过载的信号环境分离两个同信道AM信号，但可在包括三个或更多的同信道AM信号的过载的信号环境中实现公开的方法和系统。在图2中，示出信号分离电路212被配置为分离同信道AM信号A和B，并将这些信号提供为分离输出信号206和208。然而，应理解，在其它实施例中，可将信号分离电路配置为仅分离出从两个或多个同信道AM信号的过载的信号环境接收的一个同信道AM信号。例如从图2的过载的信号环境仅分离AM信号A或B。在这点上，过载的信号环境可包括同信道AM信号的任意给定总数，在一个实施例中，可按照期望或要求满足给定应用的需要，可将公开的方法和系统实现为分离出等于或小于同信道AM信号的总数的同信道AM信号的任意数量。在一个示例性实施例中，可将同信道AM信号的给定总数表征为具有大于给定信号强度阈值的接收的信号强度的同信道AM信号的数量。

仿真结果

以下是通过结合用于在过载的信号环境中的AM信号(S)的估计的图1的公开的方法100实现式1-11而执行的仿真结果。对于四个仿真中的每一个采用的过载的信号实施例包括一个传感器和两个同信道AM信号。应理解，虽然可在具有两个或多个相等强度的AM同信道信号的过载的信号环境中实现公开的方法和系统，但用于每一仿真的两个同信道信号包括一个相对较强的同信道信号(S1)和一个相对较弱的同信道信号(S2)。

如以下进一步描述的那样，在改变a的初始估计的同时，使用S的随机初始估计执行四次仿真。在第一仿真中，将a初始化为信号的已知真实初始相位。在第二仿真中，使用信号的随机初始相位初始化a。在第三仿真中，使用信号的已知错误初始相位估计a。使用正确的 初始相位但包括频偏以仿真关于较强信号(S1)的多普勒频移来执行第四仿真。仿真结果表明，在以已知、随机或错误相位初始化描述的条件下，公开的方法成功实现了信号分离。因此，仿真显示了可如何有利地实现公开的方法，从而即使当初始相位未知时也成功实现信号分离。

在一些仿真中可见，在特定条件下以错误相位进行初始化可提供比使用随机相位初始化更好的信号分离。已经观察到，这种状况出现的时间趋向于在对于a的每一分量的随机值的相位与小的角度分离相关联时。

仿真的信号环境和信号生成参数

以下是用于在此描述的仿真的信号参数的列表。

仿真的消息：以仿真的数据执行仿真，其中，通过对均匀随机分布采样来构造消息。还使用记录的语音数据作为消息来执行仿真。在任何情况下，消息都受AM调制，并加入零均值加性复高斯白噪。

带宽受约束的消息：已经发现，将消息带宽约束为传输带宽的分数可改进分离性能。

SNR(信噪比)：将AM信号的SNR分别设置为20dB和15dB。

初始相位：两个信号的初始相位是30°和100°。

AM调制指数：将仿真的调制指数设置为0.5，其中，调制指数定义为消息的最小值的负数除以载波幅度的比率。

块大小：对于大多数情况，将每处理周期的采样数量或块大小设置为1024。

多普勒频率：除非被指示为相反，否则将多普勒频率设置为0。

仿真的算法参数值

使用包括两个同信道AM信号加上噪声的信号环境来进行下面的仿真。因此，将结合式1描述的信号模型维度参数(n)设置为2。对于仿真，已经将约束边界δ设置为值1，在此情况下，该值是选择以 提供与单位范数残差约束对应的S的解的启发式值。与之相比，选择零的约束边界值(δ)导致当在求解式7中拉格朗日乘数的根λ时需要搜索的值的较大范围。如在式7中可见，约束边界(δ)的值充当上下变换(shift)整个函数的参数。在这点上，当残差的长度变小或约束边界(δ)是较小的值时，根接近很大的值。图3是当将约束边界(δ)设置为1时一组特定数据的f(λ)的曲线图。图4是被放大到出现根的图1的曲线图的范围的相同曲线图。

在以下仿真中，定义用于定位λ的根的加括号的范围内的解和范围分别是5.0和[-3，1000]。在仿真中使用的选择的终止准则是最大数量的六次迭代以及对于在指定范围上在式7中拉格朗日乘数的根λ的存在的测试的组合。在该示例性实现中，选择预先定义的最大迭代数量来充当所允许的最大迭代数量的上界，采用对于拉格朗日乘数的根λ的存在的测试来允许当残差的长度变小时算法终止或退出。

仿真性能

通过简单AM调制器的、具有其各自相位的真实信号和估计信号的幅度对时间曲线图的形式来呈现四种仿真情况的性能。除了另外注明之外，所有以下仿真都使用上述参数值。此外，在每个曲线图中仅绘出少数采样，从而可容易地看见相对于真实信号的估计信号的轨迹。

图5示出使用正确初始相位进行的仿真1的结果。图6示出使用随机初始相位进行的仿真2的结果。图7示出使用错误初始相位0°和90°进行的仿真3的结果。图8示出使用正确初始相位但却包括频偏以仿真对30°的20dB信号的50Hz的多普勒频移和对100°的弱信号的无多普勒频移的情况的仿真4的结果。

图5-8的四个仿真结果中的每一个示出用于分离和估计较强AM同信道信号(S1)和较弱AM同信道信号(S2)两者的公开的方法和系统的实现。前面三个仿真假定对两个信号进行相干调谐。图8示出在具有结合较强信号(具有较小多普勒频移)的无多普勒频移(相干调谐的)的较弱信号的过载的信号环境中实现公开的方法和系统的。 对于该仿真，块大小从1024个采样减少为以10kHz的采样率的32个采样。在一个示例性实施例中，可将多普勒频率对采样率的比率用于在采样之间确定存在多少相位改变，并确定公开的方法和系统的性能。

关于在此描述的仿真，注意，a的最终估计可不收敛到真实的a。在这点上，由于1的约束边界忽略了几乎所有的噪声功率，因此假定a的每一分量可以稍微扰动偏离真实值是合理的。将相位初始化为0°和90°的情况可能导致收敛到大约6°和84°的错误相位的估计。甚至在收敛到错误相位的情况下，结果也显示可估计每一信号。随每一迭代降低的残差表明S和a的估计随着每一迭代而越来越“符合”数据。应理解，在其它示例性实施例中，还可通过多普勒频移和失谐(misstuning)偏移的结合来增强特定信号环境的性能而实现公开的方法和系统。

虽然本发明可适用于各种修改和替换的形式，但已经在此描述并通过示例示出具体实施例。然而，应理解，本发明并非期望受限于所公开的特定形式。相反，本发明覆盖落入由所附权利要求定义的本发明的精神和范围内的所有修改、等同物以及替换。此外，可进行各种组合和/或独立地使用公开的方法和系统的不同方面。因此，本发明不限于仅在此示出的那些组合，而是可包括其它组合。

Claims (26)

1.一种用于处理AM信号的方法，包括：

在过载的信号环境中接收RF数据，所述接收的RF数据包括用于在相同频率范围中同时接收的同信道AM信号；以及

分离所述同信道AM信号中的每一个与所述接收的RF数据的其它同信道AM信号，

其中，所述分离包括：基于接收的RF数据估计所述同信道AM信号中的每一个，以及

其中，所述分离还包括：

提供所述同信道AM信号中的每一个的初始估计；至少部分地基于所述接收的RF数据和所述同信道AM信号中的每一个的所述初始估计提供所述同信道AM信号中的每一个的第一改进估计；以及至少部分地基于所述接收的RF数据和所述同信道AM信号中的每一个的所述第一改进估计提供所述同信道AM信号中的每一个的第二改进估计；

或者，其中所述分离还包括：

步骤i)提供所述同信道AM信号中的每一个的初始估计；步骤ii)至少部分地基于所述接收的RF数据和所述同信道AM信号中的每一个的最近的先前估计提供所述同信道AM信号中的每一个的至少一个附加的改进估计，以及步骤iii)重复步骤ii)，直到满足指定的终止准则。

2.如权利要求1所述的方法，其中，由单个传感器接收所述RF数据；以及

其中，所述步骤i)包括：提供所述同信道AM信号的信号矩阵S的初始估计和表示所述同信道AM信号的幅度和相位的a的初始估计；

其中，所述步骤ii)包括：至少部分地基于所述同信道AM信号的最近的先前估计

表示所述同信道AM信号的幅度和相位的a的最近的先前估计以及所述接收的RF数据r提供所述同信道AM信号的改进估计

其中，所述步骤ii)包括：根据以下关系式提供最小化目标函数tr{E^HE}并且满足约束边界δ的所述同信道AM信号的改进估计

$\underset{E}{\min }\mathrm{tr}\left\{E^{H}E\right\}$

服从 ${\left|\right|r-(E+{\hat{S}}^{(k-1)})a\left|\right|}^2=\mathrm{\δ}$

其中， $E={\hat{S}}^{\left(k\right)}-{\hat{S}}^{(k-1)}.$

3.如权利要求1所述的方法，其中，从地理上远程的位置发送所述同信道AM信号；其中，所述方法还包括：接收所述RF数据，所述RF数据包括从地理上远程的位置发送的所述同信道AM信号；以及其中，所述分离包括：基于所述接收的RF数据来估计所述同信道AM信号中的每一个。

4.如权利要求1所述的方法，还包括：在地理上位于同时在相同频率上发送AM信号的两个发射机之间的接收机处接收所述同信道AM信号。

5.如权利要求1所述的方法，其中，通过在相同频率范围内同时有意地广播所述同信道AM信号来创建所述过载的信号环境。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述同信道AM信号中的一个包括公共服务信息；并且其中，所述方法还包括：隔离包括所述公共服务信息的所述同信道AM信号与所述接收的RF数据的其它同信道AM信号。

7.如权利要求5所述的方法，其中，所述方法还包括：响应于用于指定所述同信道AM信号中的给定的一个的标识的命令，选择性地隔离所述同信道AM信号中的所述给定的一个与所述接收的RF数据中的其它同信道AM信号。

8.一种用于发送AM信号的方法，包括：提供RF数据，所述RF数据包括用于在相同频率范围内同时进行发送以由在过载的信号环境中运行的接收机接收的同信道AM信号，所述接收机被配置为分离所述同信道AM信号中的每一个与所述RF数据的其它同信道AM信号，

其中，所述分离包括：基于接收的RF数据估计所述同信道AM信号中的每一个，以及

其中，所述分离还包括：

提供所述同信道AM信号中的每一个的初始估计；至少部分地基于所述接收的RF数据和所述同信道AM信号中的每一个的所述初始估计提供所述同信道AM信号中的每一个的第一改进估计；以及至少部分地基于所述接收的RF数据和所述同信道AM信号中的每一个的所述第一改进估计提供所述同信道AM信号中的每一个的第二改进估计；

或者其中，所述分离还包括：

步骤i)提供所述同信道AM信号中的每一个的初始估计；步骤ii)至少部分地基于所述接收的RF数据和所述同信道AM信号中的每一个的最近的先前估计提供所述同信道AM信号中的每一个的至少一个附加的改进估计，以及步骤iii)重复步骤ii)，直到满足指定的终止准则。

9.如权利要求8所述的方法，还包括：从地理上远程的位置发送所述同信道AM信号。

10.如权利要求8所述的方法，其中，所述同信道AM信号中的一个包括公共服务信息；并且其中，所述接收机还被配置为隔离包括所述公共服务信息的所述同信道AM信号与所述接收的RF数据的其它同信道AM信号。

11.如权利要求8所述的方法，其中，所述方法还包括：接收包括同信道AM信号的所述发送的RF数据；以及分离所述同信道AM信号中的每一个与所述RF数据的其它同信道AM信号。

12.一种使用过载的信号环境进行通信的系统，所述系统包括：

发送电路，被配置为提供RF数据，所述RF数据包括在相同频率范围内同时发送的同信道AM信号；以及

接收和分离电路，被配置为接收并分离所述同信道AM信号中的每一个与所述RF数据的其它同信道AM信号；

其中，所述接收和分离电路被配置为通过基于所述接收的RF数据估计所述同信道AM信号中的每一个来分离所述同信道AM信号中的每一个与所述其它同信道AM信号，以及

其中，所述接收和分离电路还被配置为：

提供所述同信道AM信号中的每一个的初始估计；至少部分地基于所述接收的RF数据和所述同信道AM信号中的每一个的所述初始估计来提供所述同信道AM信号中的每一个的第一改进估计；以及至少部分地基于所述接收的RF数据和所述同信道AM信号中的每一个的所述第一改进估计来提供所述同信道AM信号中的每一个的第二改进估计；

或者其中，所述接收和分离电路还被配置为执行：

步骤i)提供所述同信道AM信号中的每一个的初始估计；以及步骤ii)至少部分地基于所述接收的RF数据和所述同信道AM信号中的每一个的最近的先前估计来提供所述同信道AM信号中的每一个的至少一个附加的改进估计，以及步骤iii)重复步骤ii)，直到满足指定的终止准则。

13.如权利要求12的系统，其中，所述发送电路被配置为提供所述RF数据，用于从地理上远程的位置在相同频率范围内同时发送所述同信道AM信号。

14.如权利要求12的系统，还包括用于从地理上远程的位置发送所述同信道AM信号的发射机。

15.一种用于处理AM信号的方法，包括：

接收RF数据，所述接收的RF数据包括同信道AM信号；以及

通过以下步骤分离所述同信道AM信号中的每一个与所述接收的RF数据的其它同信道AM信号：

i)提供所述同信道AM信号的信号矩阵S的初始估计和表示所述同信道AM信号的幅度和相位的a的初始估计，

ii)至少部分地基于所述同信道AM信号的最近的先前估计表示所述同信道AM信号的幅度和相位的a的最近的先前估计以及所述接收的RF数据r来提供所述同信道AM信号的至少一个改进估计

以及

iii)重复步骤ii)，直到满足指定的终止准则；以及

其中，所述步骤ii)包括：根据以下关系式提供用于最小化目标函数tr{E^HE}并且满足约束边界δ的所述同信道AM信号的改进估计

$\underset{E}{\min }\mathrm{tr}\left\{E^{H}E\right\}$

服从 ${\left|\right|r-(E+{\hat{S}}^{(k-1)})a\left|\right|}^2=\mathrm{\δ}$

其中， $E={\hat{S}}^{\left(k\right)}-{\hat{S}}^{(k-1)}.$

16.如权利要求15所述的方法，其中，所述步骤ii)还包括：通过以下步骤最小化目标函数tr{E^HE}并且满足约束边界δ：

a)形成拉格朗日函数：

$L(E,\mathrm{\λ})=\mathrm{tr}\left\{E^{H}E\right\}+\mathrm{\λ}\left\{{[r-(E+{\hat{S}}^{(k-1)})a]}^H\right[r-(E+{\hat{S}}^{(k-1)})a]-\mathrm{\δ}\};$

b)其后，计算拉格朗日函数的梯度：

${\▿}_{E^{*}}L(E,\mathrm{\λ})=E+\mathrm{\λ}[(E+{\hat{S}}^{(k-1)}){\mathrm{aa}}^H-{\mathrm{ra}}^H];$

c)其后，关于E求出拉格朗日函数的梯度的根；

d)求出用于最小化目标函数tr{E^HE}的f(λ)的根，其中：

$f\left(\mathrm{\λ}\right)={(r-{\hat{S}}^{(k-1)}a)}^H(r-{\hat{S}}^{(k-1)}a){[1-a^H{({\mathrm{aa}}^H+\frac{1}{\mathrm{\λ}}I)}^{-1}a]}^2-\mathrm{\δ};$

e)其后，使用以下关系式计算投影E：

$E=(r-{\hat{S}}^{(k-1)}a)a^H{({\mathrm{aa}}^H+\frac{1}{\mathrm{\λ}}I)}^{-1};$

f)其后，使用以下关系式计算所述同信道AM信号的改进估计

$E={\hat{S}}^{\left(k\right)}-{\hat{S}}^{(k-1)};$ 以及

g)将

约束为实数。

17.如权利要求15的方法，其中，从地理上远程的位置发送所述同信道AM信号；以及其中，所述方法还包括：接收所述RF数据，所述RF数据包括从地理上远程的位置发送的所述同信道AM信号。

18.一种AM信号处理系统，包括：

接收和分离电路，被耦合以从在过载的信号环境中运行的至少一个传感器接收RF数据，所述接收的RF数据包括在相同频率范围内同时接收的同信道AM信号；以及

其中，所述接收和分离电路被配置为将所述同信道AM信号中的每一个与所述接收的RF数据的其它同信道AM信号分离，

其中，所述接收和分离电路被配置为通过基于所述接收的RF数据估计所述同信道AM信号中的每一个来分离所述同信道AM信号中的每一个与所述其它同信道AM信号，以及

其中，所述接收和分离电路还被配置为：

提供所述同信道AM信号中的每一个的初始估计；至少部分地基于所述接收的RF数据和所述同信道AM信号中的每一个的所述初始估计来提供所述同信道AM信号中的每一个的第一改进估计；以及至少部分地基于所述接收的RF数据和所述同信道AM信号中的每一个的所述第一改进估计来提供所述同信道AM信号中的每一个的第二改进估计；

或者其中，所述接收和分离电路还被配置为执行：

步骤i)提供所述同信道AM信号中的每一个的初始估计；以及步骤ii)至少部分地基于所述接收的RF数据和所述同信道AM信号中的每一个的最近的先前估计来提供所述同信道AM信号中的每一个的至少一个附加的改进估计，以及步骤iii)重复步骤ii)，直到满足指定的终止准则。

19.如权利要求18所述的系统，所述至少一个传感器是单个传感器，并且其中，所述接收和分离电路还被配置为：

通过提供所述同信道AM信号的信号矩阵S的初始估计和表示所述同信道AM信号的幅度和相位的a的初始估计来执行所述步骤i)；以及

通过至少部分地基于所述同信道AM信号的最近的先前估计表示所述同信道AM信号的幅度和相位的a的最近的先前估计以及所述接收的RF数据r提供所述同信道AM信号的改进估计

来执行所述步骤ii)。

20.如权利要求19所述的系统，其中，所述接收和分离电路还被配置为：通过根据以下关系式提供用于最小化目标函数tr{E^HE}并且满足约束边界δ的所述同信道AM信号的改进估计

来执行所述步骤ii)：

$\underset{E}{\min }\mathrm{tr}\left\{E^{H}E\right\}$

服从 ${\left|\right|r-(E+{\hat{S}}^{(k-1)})a\left|\right|}^2=\mathrm{\δ}$

其中， $E={\hat{S}}^{\left(k\right)}-{\hat{S}}^{(k-1)}.$

21.如权利要求18所述的系统，其中，所述接收和分离电路被耦合以接收包括从地理上远离的位置发送的同信道AM信号的RF数据；其中，所述接收和分离电路被配置成分离所述同信道AM信号中的每一个与从地理上远离的位置发送的其它同信道AM信号；以及其中，所述接收和分离电路被配置成通过基于所述接收的RF数据来估计所述同信道AM信号中的每一个而将所述同信道AM信号中的每一个与所述其它同信道AM信号分离。

22.如权利要求18所述的系统，其中，所述同信道AM信号中的一个包括公共服务信息；并且其中，所述接收和分离电路还被配置为隔离包括所述公共服务信息的所述同信道AM信号与所述接收的RF数据的其它同信道AM信号。

23.如权利要求18所述的系统，其中，所述接收和分离电路还被配置为：响应于用于指定所述同信道AM信号中的给定的一个的标识的命令，选择性地隔离所述同信道AM信号中的所述给定的一个与所述接收的RF数据中的其它同信道AM信号。

24.一种AM信号处理系统，包括：

接收和分离电路，被耦合以从在过载的信号环境中运行的单个传感器接收RF数据，所述接收的RF数据包括同信道AM信号；以及

其中所述接收和分离电路被配置为通过以下步骤分离所述同信道AM信号中的每一个与所述接收的RF数据的其它同信道AM信号：

i)提供所述同信道AM信号的信号矩阵S的初始估计和表示所述同信道AM信号的幅度和相位的a的初始估计，

ii)至少部分地基于所述同信道AM信号的最近的先前估计表示所述同信道AM信号的幅度和相位的a的最近的先前估计以及接收的RF数据r提供所述同信道AM信号的至少一个改进估计

以及

iii)重复步骤ii)，直到满足指定的终止准则；以及

其中，所述接收和分离电路还被配置为：通过根据以下关系式提供用于最小化目标函数tr{E^HE}并且满足约束边界δ的所述同信道AM信号的改进估计

来执行所述步骤ii)：

$\underset{E}{\min }\mathrm{tr}\left\{E^{H}E\right\}$

服从 ${\left|\right|r-(E+{\hat{S}}^{(k-1)})a\left|\right|}^2=\mathrm{\δ}$

其中， $E={\hat{S}}^{\left(k\right)}-{\hat{S}}^{(k-1)}.$

25.如权利要求24所述的系统，其中，所述接收和分离电路还被配置为：通过用以下步骤最小化目标函数tr{E^HE}并且满足约束边界δ来执行步骤ii)：

a)形成拉格朗日函数：

$L(E,\mathrm{\λ})=\mathrm{tr}\left\{E^{H}E\right\}+\mathrm{\λ}\left\{{[r-(E+{\hat{S}}^{(k-1)})a]}^H\right[r-(E+{\hat{S}}^{(k-1)})a]-\mathrm{\δ}\};$

b)其后，计算拉格朗日函数的梯度：

${\▿}_{E^{*}}L(E,\mathrm{\λ})=E+\mathrm{\λ}[(E+{\hat{S}}^{(k-1)}){\mathrm{aa}}^H-{\mathrm{ra}}^H];$

c)其后，关于E求出拉格朗日函数的梯度的根；

d)求出最小化目标函数tr{E^HE}的f(λ)的根，其中：

$f\left(\mathrm{\λ}\right)={(r-{\hat{S}}^{(k-1)}a)}^H(r-{\hat{S}}^{(k-1)}a){[1-a^H{({\mathrm{aa}}^H+\frac{1}{\mathrm{\λ}}I)}^{-1}a]}^2-\mathrm{\δ};$

e)其后，使用以下关系式计算投影E：

$E=(r-{\hat{S}}^{(k-1)}a)a^H{({\mathrm{aa}}^H+\frac{1}{\mathrm{\λ}}I)}^{-1};$

f)其后，使用以下关系式计算所述同信道AM信号的改进估计

$E={\hat{S}}^{\left(k\right)}-{\hat{S}}^{(k-1)};$ 以及

g)将

约束为实数。

26.如权利要求24所述的系统，其中，所述接收和分离电路被耦合以接收包括从地理上远离的位置发送的同信道AM信号的RF数据；其中，所述接收和分离电路被配置成分离所述同信道AM信号中的每一个与从地理上远离的位置发送的其它同信道AM信号。

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