嚴(yán)承濤，韓肅霜，牛吉凌，王春恒，張明民

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041；2.北部戰(zhàn)區(qū)海軍參謀部，山東 青島 266001）

0 引言

隨著無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展，眾多無(wú)線收發(fā)設(shè)備在軍事、民用環(huán)境下被使用，導(dǎo)致在有限頻帶內(nèi)電磁頻譜占用復(fù)雜，噪聲基底升高，電子設(shè)備間的干擾日趨嚴(yán)重。在軍事一體化電子平臺(tái)上，包括艦船通信探測(cè)平臺(tái)、陸基通信站、機(jī)動(dòng)通信車和機(jī)載指揮等場(chǎng)合，通常布設(shè)有多部電子收發(fā)設(shè)備，并同時(shí)工作。設(shè)備工作頻率相近或重合，天線放置距離近，大功率發(fā)射設(shè)備工作對(duì)周圍電磁環(huán)境會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的干擾，引起平臺(tái)附近電磁噪聲水平升高，導(dǎo)致接收設(shè)備在強(qiáng)干擾環(huán)境下無(wú)法正常工作?？臻g隔離、屏蔽等傳統(tǒng)方法都無(wú)法使用，如不采取相應(yīng)措施，將導(dǎo)致整個(gè)平臺(tái)效能下降，甚至整體失效。

傳統(tǒng)的抗干擾技術(shù)由于基礎(chǔ)技術(shù)、材料工藝的限制，主要采取頻率控制（如跳頻頻分雙工技術(shù)（Frequency Division Duplexing，F(xiàn)DD））、時(shí)間控制（如時(shí)分雙工技術(shù)（Time Division Duplexing，TDD））、功率控制以及方向控制等，被動(dòng)地降低了接收噪聲功率和提高了信噪比，導(dǎo)致頻譜效率降低等。

本文通過干擾抵消技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾噪聲的主動(dòng)消除，通過干擾信號(hào)提取、信號(hào)調(diào)整重構(gòu)和合成抵消實(shí)現(xiàn)了無(wú)線通信場(chǎng)景下的干擾抑制。原理樣機(jī)在30～512 MHz 頻段大信號(hào)干擾環(huán)境下滿足了足夠的接收信噪比，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定可靠的解調(diào)能力，提升了無(wú)線通信裝備在復(fù)雜電磁環(huán)境下對(duì)時(shí)間、頻率以及空間的滿足度。該設(shè)備可應(yīng)用于多種復(fù)雜通信場(chǎng)合，提升設(shè)備的共址工作能力，在一體化軍用平臺(tái)和商用環(huán)境有著廣闊的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)需求

現(xiàn)代軍事戰(zhàn)術(shù)指揮和控制越來(lái)越依賴無(wú)線通信電臺(tái)、雷達(dá)等，在軍用飛機(jī)、艦船或裝甲戰(zhàn)車平臺(tái)上配置有多種無(wú)線通信手段，包括高頻（High Frequency，HF）、甚高頻（Very High Frequency，VHF）、特高頻（Ultra High Frequency，UHF）以及衛(wèi)星通信等多個(gè)頻段的通信設(shè)備。多部無(wú)線設(shè)備近距離同時(shí)工作時(shí)將出現(xiàn)嚴(yán)重的共址干擾[1]問題，對(duì)戰(zhàn)術(shù)指揮控制帶來(lái)了極大的不利影響，造成通信質(zhì)量嚴(yán)重下降甚至通信聯(lián)絡(luò)完全中斷。

共址干擾主要由無(wú)線收發(fā)設(shè)備近距離輻射干擾引起。平臺(tái)內(nèi)通信電臺(tái)繁多，收發(fā)天線密集布置，且眾多電臺(tái)設(shè)備工作在相近頻段。例如，在裝甲通信的車頂布置有8 根VHF 電臺(tái)天線和1 根HF 電臺(tái)天線，如圖1 所示。

當(dāng)有多個(gè)設(shè)備同時(shí)進(jìn)行信號(hào)收發(fā)時(shí)，發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備主要在以下幾個(gè)方面受到影響。

（1）基頻干擾。當(dāng)設(shè)備收發(fā)頻率相同或接近時(shí)，發(fā)射機(jī)的大信號(hào)輻射信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)，若超過接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍，將極易造成接收機(jī)信道阻塞，導(dǎo)致接收設(shè)備徹底癱瘓。即使收發(fā)頻率不同，也可能因強(qiáng)干擾信號(hào)的存在和接收機(jī)前端的非線性，造成接收機(jī)對(duì)有用信號(hào)的增益下降，即減敏現(xiàn)象。

圖1 裝甲通信車天線布局

（2）諧波干擾。除發(fā)射機(jī)的基波會(huì)對(duì)接收機(jī)造成干擾外，發(fā)射機(jī)諧波落入接收機(jī)同樣會(huì)產(chǎn)生干擾。諧波干擾不僅發(fā)生在同一個(gè)頻段的通信電臺(tái)間，可能發(fā)生在不同頻段的電臺(tái)間，如短波電臺(tái)的諧波干擾超短波電臺(tái)，VHF 電臺(tái)的諧波干擾UHF 電臺(tái)。

（3）寬帶噪聲。發(fā)射機(jī)發(fā)射的電磁信號(hào)不僅包括基頻和諧波信號(hào)，還有帶外電磁噪聲能量（即寬帶噪聲）。因無(wú)線發(fā)射導(dǎo)致環(huán)境電磁噪聲基底增大，會(huì)引起接收機(jī)接收底噪升高，降低接收機(jī)的小信號(hào)接收性能。

（4）互調(diào)干擾。當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)發(fā)射強(qiáng)信號(hào)同時(shí)進(jìn)入接收機(jī)時(shí)，由于接收機(jī)前端的射頻放大器、混頻器的非線性作用，會(huì)產(chǎn)生眾多的互調(diào)產(chǎn)物而對(duì)接收信號(hào)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致接收性能下降。

綜上，在大型軍用通信平臺(tái)上產(chǎn)生了眾多復(fù)合干擾，而通信設(shè)備的共址噪聲干擾將會(huì)對(duì)通信設(shè)備帶來(lái)誤碼率增大、通信距離減少等惡性影響，大大降低了軍用通信平臺(tái)的作戰(zhàn)效率。因此，研究一體化電子系統(tǒng)共址設(shè)備間的干擾隔離技術(shù)時(shí)[2]，如何降低接收設(shè)備的噪聲能力是解決共址電磁兼容、實(shí)現(xiàn)抗干擾一體化系統(tǒng)的必然趨勢(shì)，而干擾抵消技術(shù)能滿足上述需求。

2 干擾抵消技術(shù)

2.1 正交矢量合成自適應(yīng)干擾抵消算法

任意向量信號(hào)均可由與該向量處于同一平面的兩個(gè)正交的信號(hào)矢量合成[3]得到。因此，用一對(duì)正交矢量信號(hào)的幅度調(diào)節(jié)替代信號(hào)幅相控制去合成與干擾信號(hào)等幅反相的信號(hào)。該方法合成的信號(hào)不僅抵消性能好，而且架構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。正交矢量合成原理如圖2 所示，基于正交矢量合成的自適應(yīng)干擾抵消器如圖3 所示，自適應(yīng)干擾抵消系統(tǒng)原理如圖4 所示。

圖2 正交矢量合成原理

圖3 基于正交矢量合成的自適應(yīng)干擾抵消器原理

圖4 自適應(yīng)干擾抵消系統(tǒng)原理

從發(fā)射機(jī)得到的取樣信號(hào)VS先經(jīng)過裂相器分成正交的兩路信號(hào)UI和UQ，然后正交信號(hào)UI、UQ分別和最終的殘差信號(hào)ε在相關(guān)器中取互相關(guān)，得到的互相關(guān)值在控制器中進(jìn)行LMS[4]算法調(diào)整，進(jìn)而計(jì)算出加權(quán)系數(shù)ωI和ωQ。在衰減器中，通過加權(quán)系數(shù)控制兩路正交信號(hào)的大小，最終將兩路衰減的信號(hào)與接收信號(hào)合并。合并后的殘差信號(hào)再反饋回相關(guān)器不斷地進(jìn)行學(xué)習(xí)和調(diào)節(jié)，最終將I、Q兩路信號(hào)調(diào)整相加后，得到和干擾信號(hào)等幅反相的信號(hào)V1，與干擾信號(hào)合并后，剩余的信號(hào)即為有用信號(hào)S。

2.1.1 裂相器

裂相器的作用是將從發(fā)射機(jī)取樣的信號(hào)分解成兩個(gè)等幅且相位相差90°的信號(hào)作為原始參考信號(hào)。它與最終合成信號(hào)的抵消性能密切相關(guān)。

2.1.2 相關(guān)器

相關(guān)器負(fù)責(zé)對(duì)誤差信號(hào)求互相關(guān)，得到其功率值送入控制單元。相關(guān)器一般由乘法器和積分器組成。仿真中使用一個(gè)乘法器和低通濾波器來(lái)模擬相關(guān)器。

同相和正交兩個(gè)支路的互相關(guān)分別為：

式中，有：

因?yàn)閮陕返淖饔梅椒ㄍ耆嗤蕛H將I 路作具體的分析。

因?yàn)镾(t)與UI(t)不相關(guān)，則相關(guān)器的輸出為：

可見，相關(guān)器的輸出實(shí)際上是接收天線上的干擾信號(hào)與干擾抵消器的輸出信號(hào)之和再與I（Q）路信號(hào)的相關(guān)結(jié)果。具體來(lái)說(shuō)，就是要控制器不斷調(diào)整權(quán)控制系數(shù)，從而使其相關(guān)器輸出最小。

2.1.3 控制單元

控制單元作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，要根據(jù)誤差互相關(guān)和自適應(yīng)算法[5]給出兩路控制值。干擾抵消算法采用改進(jìn)的LMS 算法，當(dāng)步長(zhǎng)μ一定時(shí)，自適應(yīng)濾波器輸出的總收斂速度主要取決于輸入序列自相關(guān)矩陣R的最小特征值λmin。而總失調(diào)則主要取決于最大特征值λmax。然而，隨著輸入信號(hào)強(qiáng)度的變化，輸入序列自相關(guān)矩陣R的變化輸入信號(hào)強(qiáng)度的改變將影響收斂速度和失調(diào)，甚至可能破壞收斂條件。這就要求傳統(tǒng)的LMS 算法有較大的動(dòng)態(tài)范圍，即要求μ的值較小，但這降低了收斂速度。為了加快收斂速度同時(shí)減小輸出失調(diào)，可以引入變步長(zhǎng)因子||ε(n)||，可將步長(zhǎng)視為μ(n)=μ||ε(n)||。||ε(n)||大時(shí)μ(n)隨之增大，自動(dòng)進(jìn)行快速跟蹤。||ε(n)||較小時(shí)，μ(n)隨之減小，以保證失調(diào)較小。

因此，需要找到合適的變步長(zhǎng)因子||ε(n)||。干擾抵消系統(tǒng)的最終目的是要使干擾抵消器輸出的信號(hào)V1與從天線上接收到的干擾信號(hào)VR大小相同、方向相反。具體來(lái)說(shuō)，就是要控制器不斷調(diào)整權(quán)控制系數(shù)，從而使其相關(guān)器輸出最小。如果||ε(n)||過小，反而會(huì)降低收斂速度，增加調(diào)整部署。所以，在本系統(tǒng)中，變步長(zhǎng)因子||ε(n)||只能由相關(guān)器的輸出確定。實(shí)際中為減小運(yùn)算量，按式（6）選?。?/p>

式中，Cimax為最大相關(guān)量，kε＜1 為常數(shù)。

由上面的論述可知，相關(guān)器的輸出先按照式（6）進(jìn)行變步長(zhǎng)運(yùn)算，最后經(jīng)計(jì)算得出衰減器的衰減系數(shù)。

LMS 計(jì)算模塊作用是實(shí)現(xiàn)LMS 算法的迭代運(yùn)算，即完成：

通過對(duì)抽樣保持器采出的加權(quán)系數(shù)進(jìn)行時(shí)延，不斷迭代計(jì)算出衰減器的加權(quán)系數(shù)ω(n)。

2.1.4 衰減器

電調(diào)衰減器的功能為根據(jù)控制器給出的控制電壓值對(duì)信號(hào)幅值進(jìn)行不同程度的衰減。

2.1.5 合并器

合并器負(fù)責(zé)I、Q 兩路信號(hào)與天線接收到的信號(hào)的合并，最終輸出經(jīng)抵消后的純凈信號(hào)。

2.2 仿真分析

本方案在SystemView5.0 中進(jìn)行仿真，仿真原理如圖5 所示。

圖5 自適應(yīng)干擾抵消系統(tǒng)仿真原理

由圖5 可將單通道干擾抵消系統(tǒng)劃分為5 個(gè)基本模塊——寬帶裂相器（90°移相器）、相關(guān)器、控制器、衰減器、合并器[6]。通過分析如圖4 所示的原理，結(jié)合現(xiàn)實(shí)中的硬件情況，得出了如圖5所示的SystemView 仿真原理圖。理論上，任意幅度和相位的信號(hào)都可以由相互正交的兩路信號(hào)通過調(diào)整幅度和相位實(shí)現(xiàn)，類似在直角坐標(biāo)系中描述不同的點(diǎn)。

取樣信號(hào)經(jīng)90°移相后分為相互正交的I 路和Q 路。兩路的工作原理相似，所以在此僅就I 路進(jìn)行分析。仿真的總體思想是通過調(diào)整兩路相互正交的信號(hào)的幅度大?。ㄆ渲须[含著相位的變化）獲得任何幅度和相位的目標(biāo)信號(hào)。由式（8）可以看出，通過調(diào)整，α與β、γ與φ2同時(shí)改變[7]。仿真的關(guān)鍵是獲得衰減器的控制系數(shù)。衰減器的控制系數(shù)是通過變步長(zhǎng)的LMS 算法[8]獲得的，步長(zhǎng)的大小是相關(guān)器的輸出函數(shù)。

仿真中，針對(duì)30～512 MHz 進(jìn)行干擾抵消仿真測(cè)試，均能完成干擾抵消，且抵消比優(yōu)于40 dB以上。對(duì)于自適應(yīng)干擾抵消系統(tǒng)優(yōu)劣的判定，通常用干擾抵消比來(lái)做量化的判斷。

針對(duì)30 MHz 信號(hào)干擾抵消進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示經(jīng)抵消合成的信號(hào)在400 μs 后收斂，信號(hào)殘余幅度為1.5×10-4V。針對(duì)512 MHz 信號(hào)干擾抵消進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示經(jīng)抵消合成的信號(hào)在500 μs 后收斂，信號(hào)殘余幅度為1.3×10-4V。頻率為30 MHz、512 MHz 的信號(hào)計(jì)算干擾抵消比分別為：

3 系統(tǒng)驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)

干擾抵消設(shè)備原理如圖6 所示。為了防止干擾設(shè)備大功率發(fā)射信號(hào)對(duì)其他設(shè)備造成干擾，測(cè)試時(shí)采用有線方式將干擾耦合到電臺(tái)有用信號(hào)上。通過30 dB 耦合器模擬干擾設(shè)備與電臺(tái)間的隔離度。

圖6 干擾對(duì)消設(shè)備原理

測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)主要由兩臺(tái)無(wú)線電臺(tái)、干擾抵消設(shè)備、電子干擾設(shè)備以及其他信號(hào)控制和分配模塊組成。平臺(tái)模擬一臺(tái)大功率發(fā)射設(shè)備與電臺(tái)安裝在同一平臺(tái)的應(yīng)用場(chǎng)景。大功率發(fā)射設(shè)備發(fā)射功率為50 W。該設(shè)備的發(fā)射端口與電臺(tái)接收端口間的耦合度約為-30 dB。配套設(shè)備與演示平臺(tái)中使用的電臺(tái)為同一信號(hào)，可正常通信。演示系統(tǒng)如圖7 所示，驗(yàn)證環(huán)境如圖8 所示，

圖7 演示系統(tǒng)示意

圖8 驗(yàn)證環(huán)境

窄帶和寬帶干擾對(duì)消演示分別如圖9 和圖10所示。測(cè)試結(jié)果表明，在干擾條件下，電臺(tái)無(wú)法正常接收信號(hào)。開啟干擾抵消設(shè)備后，電臺(tái)可以正常通話，干擾信號(hào)被抑制。通過頻譜儀顯示可以更精確地分析干擾抵消的效果。

圖9 窄帶干擾對(duì)消演示

圖10 寬帶干擾對(duì)消演示

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)一體化電子平臺(tái)多無(wú)線設(shè)備共址工作時(shí)產(chǎn)生的干擾問題，對(duì)干擾抵消背景、原理、技術(shù)路線作了全面闡述，并重點(diǎn)進(jìn)行仿真分析和樣機(jī)驗(yàn)證，測(cè)試驗(yàn)證了同一平臺(tái)內(nèi)大功率寬帶發(fā)射設(shè)備（如干擾機(jī)、雷達(dá)等）發(fā)射的寬帶信號(hào)（或雜散、諧波等）覆蓋了接收設(shè)備的工作頻率導(dǎo)致接收設(shè)備無(wú)法正常工作的情況。采用干擾對(duì)消設(shè)備對(duì)頻率范圍覆蓋有用信號(hào)的干擾信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)40 dB 以上的對(duì)消效果，能夠防止接收設(shè)備進(jìn)入阻塞狀態(tài)以及受到損壞，且在接收信號(hào)功率較強(qiáng)時(shí)能夠保持正常通信。干擾抵消技術(shù)可應(yīng)用于多種復(fù)雜通信場(chǎng)合，提升無(wú)線設(shè)備的抗干擾能力，在一體化軍用平臺(tái)和商用無(wú)線環(huán)境有著廣闊的應(yīng)用前景。