寬帶干擾信號消除分析*

高 鑫，何方敏，孟 進，李 毅，茍川杰

（海軍工程大學 艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，湖北 武漢 430033）

寬帶干擾信號消除分析*

高 鑫，何方敏，孟 進，李 毅，茍川杰

（海軍工程大學 艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，湖北 武漢 430033）

寬帶干擾信號在空間信道內的時延和幅度波動較大，使得傳統的自適應干擾對消技術難以將其消除。為了分析無法對消的原因，推導了寬帶信號對消流程，探討干擾信號的帶寬和時延因素對干擾消除效果的影響，得到了對消效果與這些參數的解析關系，并對對消流程做了仿真分析，仿真結果表明：寬帶干擾信號的對消效果與幅度起伏特性、時延起伏特性和帶寬有關，幅度起伏特性和時延起伏特性越小、帶寬越窄，對消效果越好。

導頻信號；干擾對消；仿真；寬帶干擾

0　引 言

隨著電子技術的飛速發展，越來越多的通訊設備被裝備在艦船上。同時，由于艦面空間狹小，各個通訊設備之間并不能從空間上做到嚴格的隔離，致使電磁干擾越來越嚴重，嚴重影響著艦船上的通訊。通信設備間的干擾通常可分為主頻干擾和寬帶噪聲干擾兩種。其中，主頻干擾是由天線間的隔離度不夠以及電子設備的非線性引起的，而寬帶噪聲干擾主要是由進入信號頻帶內帶外強噪聲引起的[1]。噪聲功率雖小，但其覆蓋接收信道，會惡化信噪比。美國在這一方面研究較早，技術成熟，已經能夠有效解決主頻干擾和寬帶噪聲干擾問題[2-4]。國內在該領域起步較晚，西安電子科大和中船重工701所等相關部門也進行了相關研究[5-7]，目前還沒有研制出產品的相關報告。海軍工程大學從2006年開始對自適應干擾對消裝置進行了研究，并已工程化[8]。以上幾家都研究主頻干擾問題，但在寬帶噪

聲干擾消除上卻鮮有報道。本文探討影響寬帶干擾自適應對消的因素，以期為之后寬帶噪聲對消的實現打下基礎。

1　系統模型

自適應干擾對消的系統框圖[5]如圖1所示。Xn(t)為天線接收到的干擾信號，Xs(t)為對消之后的誤差信號，Xs1(t)和Xs2(t)為參考信號，W1(t)和W2(t)為電調衰減器權值。干擾信號和導頻信號通過耦合器進行取樣，將取樣得到的參考信號通過正交功分器分成兩路信號——I路和Q路；然后，經過電調衰減器進行幅度相位調整，使最后通過合成器合成的對消信號與干擾信號等幅反相，而后將通信接收系統接收的干擾信號抵消，達到對消的目的[7]。其中，相關控制環節主要由乘法單元和積分單元實現。

圖1　自適應干擾對消系統框

2　寬帶干擾信號消除流程分析

以最簡單的寬帶信號為例，干擾信號為雙頻信號。對消流程中，只考慮空間造成的時延，不考慮電路內部造成的延時，同時假設干擾信號的時延和幅度與頻率成線性關系。定義幅度隨頻率變化系數α、時延隨頻率變化參量β和帶寬B。

假設原信號為A1cos(ω1t1)+A2cos(ω2t )。

通過線路到達乘法器后，兩路參考信號分別為：

通過空間傳到乘法器后，干擾信號為：

式中，ω1和ω2分別為干擾信號的頻率，AR1和AR2為干擾信號的幅度，AJ1和AJ2為干擾信號的幅度，φ1和2φ為干擾信號的相位，φJ1和φJ2為干擾信號的相位，

參考信號經過電調衰減器后，與干擾信號通過功率合成器，輸出的剩余誤差信號為：

上式中，AE1、AE2分別為剩余誤差的幅度，φE1、φE2分別為剩余誤差的相位。

化簡得：

式（5）的左邊可以轉換為：

式（5）的右邊可以轉換為：

由式（6）和式（7）可得：

要使式（8）在任意時刻恒成立，則：

由式（9）可得：

根據最小均方誤差準則，使剩余功率最小，即使Y最小。

可以求得：

由式（11）和式（13）得：

所以權值取式（13）時，Y取最小值。因此，可求得寬帶噪聲對消輸出：

則自適應干擾對消系統噪聲的干擾抑制比:

若假設AR1=AR2=m ，則:同時，有：

則有：

3　解析分析

3.1分析一：

假設z為常數且z≥0，由式（21）可知：

又有：

可得y隨著帶寬解小而增大。

同時由單調性可知：對消比ICR隨著y的增大而減小。由此可得，當帶寬一定時，幅度變化系數α越小，對消效果越好；帶寬B越小，對消效果越好。

3.2分析二：

假設y為常數，則：

在單調周期內，z值越大，對消比越小；帶寬B越小，對消效果越好。同時，寬帶信號中心頻率越小，時延變化參量β越小，對消比越好。

綜上所述，寬帶干擾信號的對消效果與幅度變化系數α、時延變化參量β和帶寬B有關。α越小、β越小、帶寬B越窄，寬帶噪聲中心頻率越小，對消效果越好。

4　仿真實例分析

仿真參數采樣率為1 000 M。時延變化參量β，帶寬B，幅度變化系數α。環境白噪聲為-105 dBm。

4.1情況一

設β=1.01 ns/MHz，B=25 kHz，干擾頻率為4.03 MHz、4.055 MHz。

當α=5×10-4V/M時，得對消前后的干擾信號頻譜圖如圖2所示。

圖2　干擾信號頻譜

當α=5×10-6V/M時，得對消前后的干擾信號頻譜圖如圖3所示。

圖3　干擾信號頻譜

4.2情況二

設α=5×10-6V/M，帶寬B=25 kHz，干擾頻率為4.03 MHz、4.055 MHz。

當β=1000 ns/M時，得對消前后的干擾信號頻譜圖如圖4所示。

圖4　干擾信號頻譜

當β=1 ns/M時，得對消前的干擾信號仿真結果和對消后的誤差信號，如圖5所示。

圖5　干擾信號頻譜

4.3情況三

當干擾頻率為4 MHz和5 MHz時，α=5×10-6V/M，β=1 ns/M，B=1 MHz，得對消前后的干擾信號頻譜圖如圖6所示。

圖6　干擾信號頻譜

4.4情況四

雙頻信號頻率為20 MHz和21 MHz時，取B=1 MHz, α=5×10-4V/M，β=1000 ns/M，得對消前后的干擾信號頻譜圖如圖7所示。

圖7　干擾信號頻譜

結果分析：

（1）從4.1節仿真可看出，幅度變化系數α越小，即干擾信號幅度隨頻率變化越小，對消效果越好。

（2）從4.2節仿真可看出，時延變化參量β越小，即干擾信號時延隨頻率變化越小，對消效果越好。

（3）結合4.2節仿真和4.3節仿真可看出，寬帶信號帶寬越小，對消效果越好。

（4）結合4.3節仿真和4.4節仿真可看出，寬帶信號中心頻率越小，對消效果越好。

綜上所述，仿真實例驗證了解析解的結果，即寬帶干擾信號的對消效果與幅度變化系數α、時延變化參量β、中心頻率和帶寬B有關，即α越小、β越小、帶寬B越窄，中心頻率越小，對消效果越好。

5　結 語

本文對雙頻干擾信號做了分析，得到對消效果與幅度隨頻率變化系數α、時延隨頻率變化參量β、中心頻率和帶寬B四個因素的關系，并通過仿真驗證了其正確性，為今后寬帶干擾的消除提供借鑒。

[1] 賴鑫.射頻干擾對消技術的系統設計與仿真分析[J].電訊技術,2013,53(03):259-264. LAI Xin.System Design and Simulation Analysis of RF Interference Cancellation Technology [J]. Telecommunication Engineering,2013,53(03):259-264.

[2] Lee D W.High Power Broadband Cancellation System [M].1980.

[3] Samuel J. Harris,Dr. Stephen J. Rosasco.High Power HF and Noise Cancellation System[M].1980.

[4] Guion W G,Milligton T A.RF Cancellation Circuit for Shore-based VHF FM Transceiver[M].1978.

[5] 鄭偉強,杜武林.自適應干擾抵消研究[J].電訊技術,1991,31(06):20-27. ZHENG Wei-qiang,DU Wu-lin.Research on Adaptive Interference Cancellation [J].Telecommunication Engineering,1991,31(06):20-27.

[6] 袁杰.射頻干擾對消技術在通信系統集成中的應用[J].電訊技術,2013,52(12):1870-1875. YUAN Jie.Application of RF Interference Cancellation in Communication System Integration[J].Telecommunication Engineer-ing,2013,52(12):1870-1875.

[7] 劉滿堂,尋遠,劉悅.艦船通信系統電磁兼容性設計技術[J].電訊技術,2012,52(08):1359-1364. LIU Man-tang,XUN Yuan,LIU Yue.EMC Design for Shipborne Communication Systems [J].Telecommunication Engineering, 2012,52(08):1359-1364.

[8] Li W L,Zhao Z H,T J.Performance Analysis and Optimal Design of Adaptive Interference Cancellation System[J].IEEE Transaction on Electromagnetic Compatibility,2013:1068-1075.

高鑫（1993—），男，碩士研究生，主要研究方向為自適應干擾對消技術；

何方敏（1982－），男，博士，講師，主要研究方向為電磁兼容、自適應信號處理；

孟進（1977－），男，研究員，博士研究生導師，主要研究方向為電磁兼容、自適應干擾對消技術、大容量電能變換的EMI抑制技術；

李毅（1977－），男，博士，副研究員，主要研究方向為電磁兼容及射頻電路設計；

茍川杰（1992—），男，博士研究生，主要研究方向為自適應干擾對消技術。

Analysis on Wideband Band Interfering Signal Cancellation

GAO Xin, HE Fang-min, MENG Jin, LI Yi, GOU Chuan-jie
(State Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System, Naval Univ.of Engineering, Wuhan Hubei 430033, China)

The large time delay and amplitude fluctuation of wideband interference signal in space channel makes. the traditional adaptive interference cancellation technology hard to eliminate the interfering signal. In view of this situation, the wideband signal cancellation process is derived, discusses the impact of bandwidth and time-delay factors on noise-canceling effect explored, and the analytic relationships of between the cancellation effect and these parameters also acquired. And the simulation analysis on cancellation process indicates that the effect of wideband interference signal is closely related to the amplitude fluctuation, time delay and bandwidth, the smaller the amplitude and time delay, the narrower the bandwidth, the better the effect.

pilot signal; interference cancellation; simulation; wideband interference

National Natural Science Foundation of China (No. 61201055)

TN911.4

A

1002-0802(2016)-08-0975-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.08.004

2016-04-24;

2016-07-20

date:2016-04-24;Revised date:2016-07-20

國家自然科學基金(No. 61201055)