基于数字滤波的移动gsm与铁路gsm-r干扰抑制系统和方法
【专利摘要】本发明公开一种能够抑制移动GSM信号对铁路GSM?R干扰的系统及方法，系统由模数转换器、数字滤波器、数模转换器和功率放大器组成，能够应用在铁路附近移动公司GSM基站上，安装在基站设备输出端和天线输入端之间。在应用时，本发明首先将基站输出的带通模拟信号进行模数转换，转换成数字信号，再通过数字滤波器，抑制在铁路GSM?R频段内的信号电平，然后通过数模转换，将通带外电平已被抑制的信号还原成模拟信号，放大信号功率，输送给天线。经实验验证，本发明可有效抑制移动GSM信号对铁路GSM?R干扰，在GSM基站设备以10W功率发射时，GSM?R频段内的干扰信号电平由未安装时的?75dBw左右，下降为?105dBw以下，符合铁路调度信号对于该频段内干扰信号低于?105dBw的要求。
【专利说明】
基于数字滤波的移动GSM与铁路GSM-R干扰抑制系统和方法
技术领域
[0001] 本发明设及移动通信信号优化技术领域，特别是一种基于数字滤波的移动GSM (Global System for Mobile Communication)与铁路GSM-R(GSM for Railways)干扰抑制 系统和方法。
【背景技术】
[0002] GSM-R系统为原铁道部从欧洲引入作为我国铁路专用的数字移动通信系统，并在 此基础上发展出适合中国特点的CTCS(化inese化ain Control System)系列安全调度和 列车自动化控制系统。GSM-R系统是一种主体基于GSM标准基础上，增加了针对铁路高速环 境和调度需求而进行过改良的系统。它使用中国移动GSM公网退让的两个频段。当前，我国 CTCS-3(化inese IYain Conhol System-3)等级铁路（设计最高时速约350公里/小时）已 全部使用GSM-R无线信号进行列车自动控制。可W说如果离开了GSM-R网络，列车高速运行 毫无安全性可言。
[0003] 中国移动GSM900频段与铁路GSM-R频段相邻，其中：移动GSM900上行频段为890~ 915兆赫兹(MHz);下行频段为935~960(l〇w)MHz;铁路GSM-R频段上行频段为885~890MHz; 下行频段为930~935MHz(铁路实际用到934MHz，保留IMHz作为保护间隔）。在实际运行中铁 路GSM-R系统与中国移动GSM系统工作在相近频段，在铁路沿线，两系统基站间存在同、邻频 设台现象，另外，GSM系统采用的宽带直放站对整个上下行通带所有信号、噪声进行放大，导 致两个或多个GSM信号作为干扰信号同时加到GSM-R接收机时，由于非线性的作用，运些干 扰信号的组合频率有时会恰好等于或接近GSM-R信号频率，当其幅值达到一定值时，就会形 成互调干扰，直接影响GSM-R系统的稳定运用，危及高速铁路的行车安全。
[0004] 为保障铁路运行安全，现有的解决方法是调节GSM基站的发射功率、频率配置、天 线俯仰角和方位角等参数避免GSM信号对GSM-R的干扰。其中调节GSM基站的发射功率、天线 俯仰角和方位角造成了铁路沿线话音质量下降，频率配置造成频谱利用率下降，建设成本 提局等弊端。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决的技术问题为:提出一种基于数字滤波的移动GSM与铁路GSM-R干扰 抑制系统和方法，W有效抑制在铁路沿线GSM信号对铁路GSM-R系统形成的干扰，同时保证 铁路沿线GSM话音质量，提高频谱利用率和减少建设成本。
[0006] 本发明采取的技术方案具体为:基于数字滤波的移动GSM与铁路GSM-R干扰抑制系 统，包括依次连接的模数转换器、高通FIR数字滤波器、数模转换器和放大器；
[0007] 模数转换器接收移动GSM基站设备输出的带通模拟信号，进行模数转换，生成数字 信号，输出至高通FIR数字滤波器；
[000引高通FIR数字滤波器对接收到的数字信号进行带通FIR数字滤波，W抑制对铁路 GSM-R信号的干扰，并将滤波后的数字信号输出至模数转换器；
[0009] 数模转换器对接收到的滤波后的数字信号进行数模转换，生成模拟信号，输出至 放大器；
[0010] 放大器对接收到的信号进行功率放大，放大至移动GSM信号的规定功率，传输给天 线。
[0011] 进一步的，本发明上述系统中，高通FIR数字滤波器的通带截止频率为935M化，阻 带截止频率为934MHz;最大通带波纹为1.5分贝，滤波器的最小幅度衰减为-115地。
[0012] 更进一步的，由于移动GSM下行信号最高频率为fH = 960MHz，因此本发明模数转换 器的采样频率选为f S = 2.5*960 = 2400MHz，可保证采样后信号满足无失真条件。
[0013] 本发明基于数字滤波的移动GSM与铁路GSM-R干扰抑制方法，包括W下步骤：
[0014] 步骤一，模数转换:将移动GSM基站设备输出的带通模拟信号转换成数字信号；
[0015] 步骤二，对转换为数字信号的带通模拟信号进行高通FIR数字滤波，其中所采用的 高通有限脉冲响应FIR数字滤波器的设计步骤包括：
[0016] 2-1对所采用的高通有限脉冲响应FIR数字滤波器的参数进行定义，包括滤波器通 带截止频率巧ass、阻带截止频率f stop、最大通带波纹Spass和最小幅度衰减Sstop;
[0017] 2-2由经验公式(1)，估计高通FIR数字滤波器的阶数N:
[0022] 2-3根据步骤2-2得到的滤波器阶数N，利用化rks-McClellan算法获得高通FIR数 字滤波器的系数，进而利用相应高通FIR数字滤波器对步骤一得到的数字信号进行滤波；
[0023] 步骤=，对经高通FIR滤波得到的数字信号进行数字滤波，将频率低于935MHz的信 号即通带外信号功率抑制到-110地W下；
[0024] 步骤四，将通带外电平已被抑制的数字信号还原成带通模拟信号；
[0025] 步骤五，将步骤四得到的信号功率放大至移动公司规定的10W，然后传输给天线。 [00%]本发明通过设计高通FIR数字滤波器，为GSM基站发射信号提供额外的带外抑制 比，抑制GSM发射信号在铁路GSM-R发射信号频段内的电平。所需高通FIR数字滤波器的频率 设置与GSM和GSM-R发射信号的频率范围有关，其通带截止频率应该小于等于GSM发射信号 最低频点，其阻带截止频率应该大于等于GSM-R发射信号最高频点。移动GSM基站的发射信 号频段为935~960MHz，铁路GSM-R基站的发射信号频段为930~934MHz，根据运两种信号的 所占频带，设计具有窄过渡带的高通FIR数字滤波器，滤除935MHz W下的信号。
[0027]进一步的，本发明步骤2-1中，所采用的高通有限脉冲响应FIR数字滤波器的参数 为：fpass = 935MHz，fstop = 9：MMHz，（ Spass)dB = 1.5地，（Sst叩）dB = -115地。根据上述参数，由公 式(I) (2) (3)可得出滤波器阶数N=6792。
[00巧]更进一步的，本发明步骤2-3中，利用化rks-McClellan算法获得高通FIR数字滤波 器的系数，包括W下步骤：
[0029] 2-3-1在通带和阻带范围内，根据滤波器阶数N，选定N/2+2个频率点 作为初始的误差极值频率；
[0030] 2-3-2初始化迭代序号k = 0;
[0031] 2-3-3:开始迭代，k = k+l;
[0032] 2-3-4:对于当前第k次迭代，利用误差极值频率点{点^},=。...WW，求解方程组式 (4)，从而获得本次迭代中的最佳滤波器系数{dk}k=日,.,N/2:
[0033]
：4)
[0034] 其中，OU"4),.=。... W。+:,表示滤波器在频率(乂"4i=。,.上的理想幅度响应， 叫为频域权重函数W(f)在频率点方上的函数值，W(f)的具体取值由下式(5)计算：
[0035]
巧）
[0036] Bpass和Bstop分别表示通带和阻带频率段；
[0037] 利用公式(6)计算该滤波器在误差极值频率点WW上的幅度响应误差
，化及极值频率点上的幅度响应误差上限值Pk:
[00；3引
脚
[0039] 2-3-5利用本次迭代中最佳滤波器系数{dk}k=o,.,N/2和误差函数计算公式(6)获得 通带和阻带内所有频率点上的误差函数值E(f)的绝对值；
[0040] 2-3-6寻找通带和阻带上误差函数E(f)绝对值的局部最大值Emax(f);
[0041] 2-3-7如果Emax(f)含|Pk|，贝IJ在通带和阻带内捜寻新的误差极值频率点(乂，重 复步骤2-3-3至步骤2-3-7,直至最佳滤波器系数{dk}k=G,.,N/2收敛，则程序终止，输出滤波器 系数dk。
[0042] 有益效果
[0043] 本发明所设计采用的高通FIR数字滤波器在带外干扰滤波上具有强劲抑制能力， 从而抑制移动GSM信号对铁路GSM-R信号的干扰，配合模数转换、FIR滤波、数模转换及功率 放大的作用，使得本发明可在有效保障GSM正常发射功率的前提下，将移动铁路沿线基站的 发射功率由现在的Iw恢复到IOwW上，并将隔离保护频率带从现在的6MHz缩小到IMHz,保障 铁路调度信号安全，同时提高频谱利用率与铁路沿线话音质量，降低GSM基站建设成本。
【附图说明】
[0044] 图1所示为本发明系统结构示意图；
[0045] 图2所示为本发明方法流程示意图；
[0046] 图3所示为利用化rks-McClellan算法获得滤波器系数的流程示意图；
[0047] 图4所示为GSM基站在935MHz频点附近发射信号的频谱测量图；
[0048] 图5所示为FIR高通滤波器频率响应图；
[0049] 图6所示为FIR高通滤波器通带内的幅度响应图；
[0050] 图7所示为FIR高通滤波器阻带内的幅度响应图。
【具体实施方式】
[0051] W下结合附图和具体实施例进一步描述。
[0052] 如图1所示，本发明基于数字滤波的移动GSM与铁路GSM-R干扰抑制系统，包括依次 连接的模数转换器ADC、高通FIR数字滤波器、数模转换器DAC和放大器;模数转换器接收移 动GSM基站设备输出的带通模拟信号，进行模数转换，生成数字信号，输出至高通FIR数字滤 波器;高通FIR数字滤波器对接收到的数字信号进行带通FIR数字滤波，W抑制对铁路GSM-R 信号的干扰，并将滤波后的数字信号输出至模数转换器;数模转换器对接收到的滤波后的 数字信号进行数模转换，生成模拟信号，输出至放大器;放大器对接收到的信号进行功率放 大，放大至移动GSM信号的规定功率，传输给天线。
[0053] 在应用时，将本发明系统安装在基站设备输出端和天线输入端之间，可有效抑制 在铁路沿线GSM信号对铁路GSM-R系统形成的干扰，同时保证铁路沿线GSM话音质量，提高频 谱利用率和减少建设成本。
[0054] 相应的，参考图2,本发明基于数字滤波的移动GSM与铁路GSM-R干扰抑制方法，包 括W下步骤：
[0055] 步骤一，模数转换:将移动GSM基站设备输出的带通模拟信号转换成数字信号；
[0056] 步骤二，对转换为数字信号的带通模拟信号进行高通FIR数字滤波，其中所采用的 高通有限脉冲响应FIR数字滤波器的设计步骤包括：
[0057] 2-1对所采用的高通有限脉冲响应FIR数字滤波器的参数进行定义，包括滤波器通 带截止频率巧ass、阻带截止频率f stop、最大通带波纹Spass和最小幅度衰减Sstop;
[005引2-2由经验公式（1)，估计高通FIR数字滤波器的阶数N:
[0059](1)
[0060] 其中，
(2)
[i
[n0Ai1
[0063] 2-3根据步骤2-2得到的滤波器阶数N，利用化rks-McClellan算法获得高通FIR数 字滤波器的系数，进而利用相应高通FIR数字滤波器对步骤一得到的数字信号进行滤波；
[0064] 步骤=，对经高通FIR滤波得到的数字信号进行数字滤波，将频率低于935MHz的信 号即通带外信号功率抑制到-110地W下；
[0065] 步骤四，将通带外电平已被抑制的数字信号还原成带通模拟信号；
[0066] 步骤五，将步骤四得到的信号功率放大至移动公司规定的10W，然后传输给天线。
[0067] 实施例
[0068] 本发明系统中，ADC、DAC及放大器皆可采用现有技术。高通FIR数字滤波器为具有 运算功能的处理器，可采用专用集成电路ASIC或数字信号处理器DSP。
[0069] 高通FIR数字滤波器的通带截止频率为935MHz，阻带截止频率为934MHz;最大通带 波纹为1.5分贝，滤波器的最小幅度衰减为-115地。
[0070] W下根据本发明方法步骤分阶段对进行详述。
[0071] 模数转换阶段：
[0072] 由于移动GSM下行信号最高频率为fH = 960M化，因此本发明模数转换器的采样频 率选为f S = 2.5*960 = 2400MHz，可保证采样后信号满足无失真条件。
[0073] 高通FIR数字滤波阶段:包括对高通FIR滤波器的设计，
[0074] 由于现有的移动GSM基站发射系统频率响应无法做到理想的阶跃方式，所W其下 行带通信号具有相对较宽的频率过渡带，在GSM-R的下行频段内产生了一定的带外干扰信 号。图4是GSM基站在935MHz频点附近发射信号(接入天线前）的频谱测量图，当发射信号峰 值功率约为-39分贝毫瓦(地m)时，在934MHz现慢到的带外信号功率为-90地mXSM基站本身 的带外抑制比约为-50地。计算方法如下：
[0075] GSM基站带外抑制比二带外信号功率今带内峰值功率二-51地
[0076] 当发射功率为IOw即40地m时，带外信号功率约为-10地m，考虑到馈线损耗、天线增 益、路径损耗等因素，现场用手持终端设备测量带外信号功率高达-70dBm。根据铁路局要 求，GSM系统到达铁路产生的带外干扰不应大于-105地m。为了抑制带外干扰信号，通过设计 高通FIR数字滤波器，为GSM基站发射信号提供额外的带外抑制比，抑制GSM发射信号在铁路 GSM-R发射信号频段内的电平。由于铁路沿线基站距离铁路的距离往往小于100米(m)，采用 自由空间传播模型估算所需的滤波器抑制比:滤波器抑制比=GSM基站单载波带外功率-馈 线损耗+放大器增益+天线增益-路径损耗+保护余量。根据经验参数可W估算出所需高通 FIR数字滤波器抑制比应为-115地。
[0077] 本发明所需高通FIR数字滤波器的频率设置与GSM和GSM-R发射信号的频率范围有 关，其通带截止频率应该小于等于GSM发射信号最低频点，其阻带截止频率应该大于等于 GSM-R发射信号最高频点。移动GSM基站的发射信号频段为935~960MHz，铁路GSM-R基站的 发射信号频段为930~934MHz，根据运两种信号的所占频带，设计具有窄过渡带的高通FIR 数字滤波器，滤除935MHz W下的信号。
[0078] 因此，本实施例中，高通FIR滤波器设计的各项参数设置如下：
[0079] 滤波器通带截止频率由移动GSM的最低频率决定，设为f pass = 935MHz;
[0080] 滤波器阻带截止频率由铁路GSM-R的最高频率决定，设为fst〇p = 934MHz;
[0081] 通带内，理想情况下的滤波器幅度响应为0地，根据实际情况，将最大通带波纹设 为
；
[0082] 阻带内，滤波器的最小幅度衰减取决于预设的滤波器抑制比，因此滤波器的最小 幅度衰减为
[0083] 由经验公式，估计高通FIR数字滤波器的阶数N:
[(
[(
[( 位)
[(
[008引对于给定参数fpass = 935MHz，fstop = 9：MMHz，（ Spass)dB= 1.5地，（Sstop)dB =-115地， 由（I)得出滤波器阶数N=6792。
[0089] 然后根据N，利用化rks-McClellan算法获得最终的高通FIR数字滤波器系数，如图 3所示，具体步骤如下：
[0090] 2-3-巧通带和阻带范围内，根据滤波器阶数N，选定N/2+2个频率点[/,'Wt。...WW 作为初始的误差极值频率；
[0091] 2-3-2初始化迭代序号k = 0;
[0092] 2-3-3:开始迭代，k = k+l;
[OOW] 2-3-4:对于当前第k次迭代，利用误差极值频率点托口-?=,,...WW，求解方程组式 (4)，从而获得本次迭代中的最佳滤波器系数{dk}k=日,.,N/2:
[0094]
[0095] 其中，。t；r"U..，ww表示滤波器在频率上的理想頓度响应， W(方w>)为频域权重函数w(f)在频率点夫U U上的函数值，W(f)的具体取值由下式(5)计算：
[0096]
(5)：
[0097] Bpass和Bstop分别表示通带和阻带频率段；
[009引利用公式(6)计算该滤波器在误差极值频率点t/r"},.=。...WW上的幅度响应误差 诚及极值频率点上的幅度响应误差上限值Pk:
[0099]
(6)
[0100] 2-3-5利用本次迭代中最佳滤波器系数{dk}k = o,.,N/2和误差函数计算公式（10)获 得通带和阻带内所有频率点上的误差函数值E(f)的绝对值；
[0101] 2-3-6寻找通带和阻带上误差函数E(f)绝对值的局部最大值Emax(f);
[010^ 2-3-7如果Emax(f)含|Pk|，贝IJ在通带和阻带内捜寻新的误差极值频率点(./：">}，重 复步骤2-3-3至步骤2-3-7,直至最佳滤波器系数{dk}k=G,.,N/2收敛，则程序终止，输出滤波器 系数dk。
[0103] 利用W上步骤所获FIR滤波器的幅度响应图如图5所示，频率高于935MHz的部分为 通带，通带内波纹如图6所示小于等于1.5地。频率低于934MHz的部分为阻带，阻带内幅度衰 减如图7所示大于等于-120地。频率从934MHz到935MHz的部分为通带与阻带之间的过渡带。 图5,图6和图7的横轴为频率，单位为十亿赫兹(G化），竖轴为归一化后取对数的幅度，单位 为地。
[0104] 用上述设计的高通FIR数字滤波器对数字信号进行滤波，将频率低于935M化的信 号即通带外信号功率抑制到-100地W下。
[0105] 数模转换阶段：
[0106] 将通带外电平已被抑制的数字信号还原成带通模拟信号；
[0107] 功率放大阶段：
[0108] 通过放大器将信号功率放大至移动公司规定的lOw，输送给天线。
[0109] 通过多次测试验证表明：移动GSM基站的发射信号功率在935~960MHz频带内始终 保持在IOwW上，同时，该发射信号的带外信号功率在930~934M化频带内始终小于-110地m。既满足铁路调度信号安全的要求，又满足了恢复铁路沿线移动GSM发射信号频率， 提高铁路沿线移动GSM发射信号功率的要求。
[0110] 由于现有的GSM基站发射系统频率响应无法做到理想的阶跃方式，所WGSM带外信 号对铁路GSMR干扰无法避免。本发明在国内外首次采用高性能数字滤波系统抑制GSM带外 信号，成功的在保证GSM正常发射功率的前提下，保障铁路调度信号安全。通过高通FIR数字 滤波器在带外干扰滤波上的强劲抑制能力，在保障铁路运行安全的前提下，将移动铁路沿 线基站的发射功率由现在的Iw恢复到IOwW上，并将隔离保护频率带从现在的6MHz缩小到 IMHz。最终达到提高铁路沿线话音质量，提高频谱利用率，降低基站建设成本。
[0111] W上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可W做出若干改进和变形，运些改进和变形 也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 基于数字滤波的移动GSM与铁路GSM-R干扰抑制系统，其特征是，包括依次连接的模 数转换器、高通FIR数字滤波器、数模转换器和放大器； 模数转换器接收移动GSM基站设备输出的带通模拟信号，进行模数转换，生成数字信 号，输出至高通FIR数字滤波器； 高通FIR数字滤波器对接收到的数字信号进行带通FIR数字滤波，以抑制对铁路GSM-R 信号的干扰，并将滤波后的数字信号输出至模数转换器； 数模转换器对接收到的滤波后的数字信号进行数模转换，生成模拟信号，输出至放大 器； 放大器对接收到的信号进行功率放大，放大至移动GSM信号的规定功率，传输给天线。2. 根据权利要求1所述的基于数字滤波的移动GSM与铁路GSM-R干扰抑制系统，其特征 是，高通FIR数字滤波器的通带截止频率为935MHz，阻带截止频率为934MHz ;最大通带波纹 为1.5分贝，滤波器的最小幅度衰减为-115dB。3. 根据权利要求1或2所述的基于数字滤波的移动GSM与铁路GSM-R干扰抑制系统，其特 征是，模数转换器的采样频率为2400Hz。4. 基于数字滤波的移动GSM与铁路GSM-R干扰抑制方法，包括以下步骤： 步骤一，模数转换:将移动GSM基站设备输出的带通模拟信号转换成数字信号； 步骤二，对转换为数字信号的带通模拟信号进行高通FIR数字滤波，其中所采用的高通 有限脉冲响应FIR数字滤波器的设计步骤包括： 2-1对所采用的高通有限脉冲响应FIR数字滤波器的参数进行定义，包括滤波器通带截 止频率fpass、阻带截止频率fstop、最大通带波纹5pass和最小幅度衰减5stop; 2-2由经验公式(1 )，估计高通FIR数字滤波器的阶数N:2-3根据步骤2-2得到的滤波器阶数N，利用Parks-McClellan算法获得高通FIR数字滤 波器的系数，进而利用相应高通FIR数字滤波器对步骤一得到的数字信号进行滤波； 步骤三，对经高通FIR滤波得到的数字信号进行数字滤波，将频率低于935MHz的信号即 通带外信号功率抑制到-110dB以下； 步骤四，将通带外电平已被抑制的数字信号还原成带通模拟信号； 步骤五，将步骤四得到的信号功率放大至移动公司规定的10W，然后传输给天线。5. 根据权利要求4所述的方法，其特征是，步骤2-1中，所采用的高通有限脉冲响应FIR 数字滤波器的参数为：fpass = 935MHz，fstoP = 934MHz，（ Spass) dB = 1 · 5dB，（ Sstop) dB = -115dB 〇6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征是，步骤2-3中，利用Parks-McClellan算法获 得高通FIR数字滤波器的系数，包括以下步骤： 2-3-1在通带和阻带范围内，根据滤波器阶数N，选定N/2+2个频率点作 为初始的误差极值频率； 2-3-2初始化迭代序号k = 0; 2-3-3:开始迭代，k = k+l; 2-3-4:对于当前第k次迭代，利用误差极值频率点，求解方程组式 (4)，从而获得本次迭代中的最佳滤波器系数{dk}k=Q,..., N/2:其中，D(fi(k-表示滤波器在频率{fi(k-上的理想幅度响应，W(fi ^ )为频域权重函数W (f)在频率点f i ^ >上的函数值，W (f)的具体取值由下式(5)计算：8[)_和&_分别表示通带和阻带频率段； 利用公式(6)计算该滤波器在误差极值频率点上的幅度响应误差{E ，以及极值频率点上的幅度响应误差上限值Pk:2-3-5利用本次迭代中最佳滤波器系数{dk}k=Q,..., N/2和误差函数计算公式(6)获得通带 和阻带内所有频率点上的误差函数值E(f)的绝对值； 2-3-6寻找通带和阻带上误差函数E(f)绝对值的局部最大值Emax(f); 2-3-7如果Emax(f)g |pk|，则在通带和阻带内搜寻新的误差极值频率点{fO，重复步 骤2-3-3至步骤2-3-7,直至最佳滤波器系数{dk}k=〇,...,N/2收敛，则程序终止，输出滤波器系数 dk〇
【文档编号】H03H17/00GK105827256SQ201610220581
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年4月11日
【发明人】唐玥, 朱金秀, 蒋爱民, 杨旭伟, 蒋留坤, 黄健, 周辰, 韩聪
【申请人】河海大学常州校区, 中国移动通信集团江苏有限公司常州分公司