接收通道干擾抵消設計與實現*

嚴承濤，韓肅霜，牛吉凌，王春恒，張明民

（1.中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041；2.北部戰區海軍參謀部，山東 青島 266001）

0 引言

隨著無線電技術的發展，眾多無線收發設備在軍事、民用環境下被使用，導致在有限頻帶內電磁頻譜占用復雜，噪聲基底升高，電子設備間的干擾日趨嚴重。在軍事一體化電子平臺上，包括艦船通信探測平臺、陸基通信站、機動通信車和機載指揮等場合，通常布設有多部電子收發設備，并同時工作。設備工作頻率相近或重合，天線放置距離近，大功率發射設備工作對周圍電磁環境會產生強烈的干擾，引起平臺附近電磁噪聲水平升高，導致接收設備在強干擾環境下無法正常工作。空間隔離、屏蔽等傳統方法都無法使用，如不采取相應措施，將導致整個平臺效能下降，甚至整體失效。

傳統的抗干擾技術由于基礎技術、材料工藝的限制，主要采取頻率控制（如跳頻頻分雙工技術（Frequency Division Duplexing，FDD））、時間控制（如時分雙工技術（Time Division Duplexing，TDD））、功率控制以及方向控制等，被動地降低了接收噪聲功率和提高了信噪比，導致頻譜效率降低等。

本文通過干擾抵消技術實現對干擾噪聲的主動消除，通過干擾信號提取、信號調整重構和合成抵消實現了無線通信場景下的干擾抑制。原理樣機在30～512 MHz 頻段大信號干擾環境下滿足了足夠的接收信噪比，實現了穩定可靠的解調能力，提升了無線通信裝備在復雜電磁環境下對時間、頻率以及空間的滿足度。該設備可應用于多種復雜通信場合，提升設備的共址工作能力，在一體化軍用平臺和商用環境有著廣闊的應用前景。

1 系統需求

現代軍事戰術指揮和控制越來越依賴無線通信電臺、雷達等，在軍用飛機、艦船或裝甲戰車平臺上配置有多種無線通信手段，包括高頻（High Frequency，HF）、甚高頻（Very High Frequency，VHF）、特高頻（Ultra High Frequency，UHF）以及衛星通信等多個頻段的通信設備。多部無線設備近距離同時工作時將出現嚴重的共址干擾[1]問題，對戰術指揮控制帶來了極大的不利影響，造成通信質量嚴重下降甚至通信聯絡完全中斷。

共址干擾主要由無線收發設備近距離輻射干擾引起。平臺內通信電臺繁多，收發天線密集布置，且眾多電臺設備工作在相近頻段。例如，在裝甲通信的車頂布置有8 根VHF 電臺天線和1 根HF 電臺天線，如圖1 所示。

當有多個設備同時進行信號收發時，發射設備和接收設備主要在以下幾個方面受到影響。

（1）基頻干擾。當設備收發頻率相同或接近時，發射機的大信號輻射信號進入接收機，若超過接收機的動態范圍，將極易造成接收機信道阻塞，導致接收設備徹底癱瘓。即使收發頻率不同，也可能因強干擾信號的存在和接收機前端的非線性，造成接收機對有用信號的增益下降，即減敏現象。

圖1 裝甲通信車天線布局

（2）諧波干擾。除發射機的基波會對接收機造成干擾外，發射機諧波落入接收機同樣會產生干擾。諧波干擾不僅發生在同一個頻段的通信電臺間，可能發生在不同頻段的電臺間，如短波電臺的諧波干擾超短波電臺，VHF 電臺的諧波干擾UHF 電臺。

（3）寬帶噪聲。發射機發射的電磁信號不僅包括基頻和諧波信號，還有帶外電磁噪聲能量（即寬帶噪聲）。因無線發射導致環境電磁噪聲基底增大，會引起接收機接收底噪升高，降低接收機的小信號接收性能。

（4）互調干擾。當兩個或多個發射強信號同時進入接收機時，由于接收機前端的射頻放大器、混頻器的非線性作用，會產生眾多的互調產物而對接收信號產生干擾，導致接收性能下降。

綜上，在大型軍用通信平臺上產生了眾多復合干擾，而通信設備的共址噪聲干擾將會對通信設備帶來誤碼率增大、通信距離減少等惡性影響，大大降低了軍用通信平臺的作戰效率。因此，研究一體化電子系統共址設備間的干擾隔離技術時[2]，如何降低接收設備的噪聲能力是解決共址電磁兼容、實現抗干擾一體化系統的必然趨勢，而干擾抵消技術能滿足上述需求。

2 干擾抵消技術

2.1 正交矢量合成自適應干擾抵消算法

任意向量信號均可由與該向量處于同一平面的兩個正交的信號矢量合成[3]得到。因此，用一對正交矢量信號的幅度調節替代信號幅相控制去合成與干擾信號等幅反相的信號。該方法合成的信號不僅抵消性能好，而且架構簡單，易于實現。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干擾抵消器如圖3 所示，自適應干擾抵消系統原理如圖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干擾抵消器原理

圖4 自適應干擾抵消系統原理

從發射機得到的取樣信號VS先經過裂相器分成正交的兩路信號UI和UQ，然后正交信號UI、UQ分別和最終的殘差信號ε在相關器中取互相關，得到的互相關值在控制器中進行LMS[4]算法調整，進而計算出加權系數ωI和ωQ。在衰減器中，通過加權系數控制兩路正交信號的大小，最終將兩路衰減的信號與接收信號合并。合并后的殘差信號再反饋回相關器不斷地進行學習和調節，最終將I、Q兩路信號調整相加后，得到和干擾信號等幅反相的信號V1，與干擾信號合并后，剩余的信號即為有用信號S。

2.1.1 裂相器

裂相器的作用是將從發射機取樣的信號分解成兩個等幅且相位相差90°的信號作為原始參考信號。它與最終合成信號的抵消性能密切相關。

2.1.2 相關器

相關器負責對誤差信號求互相關，得到其功率值送入控制單元。相關器一般由乘法器和積分器組成。仿真中使用一個乘法器和低通濾波器來模擬相關器。

同相和正交兩個支路的互相關分別為：

式中，有：

因為兩路的作用方法完全相同，故僅將I 路作具體的分析。

因為S(t)與UI(t)不相關，則相關器的輸出為：

可見，相關器的輸出實際上是接收天線上的干擾信號與干擾抵消器的輸出信號之和再與I（Q）路信號的相關結果。具體來說，就是要控制器不斷調整權控制系數，從而使其相關器輸出最小。

2.1.3 控制單元

控制單元作為整個系統的核心，要根據誤差互相關和自適應算法[5]給出兩路控制值。干擾抵消算法采用改進的LMS 算法，當步長μ一定時，自適應濾波器輸出的總收斂速度主要取決于輸入序列自相關矩陣R的最小特征值λmin。而總失調則主要取決于最大特征值λmax。然而，隨著輸入信號強度的變化，輸入序列自相關矩陣R的變化輸入信號強度的改變將影響收斂速度和失調，甚至可能破壞收斂條件。這就要求傳統的LMS 算法有較大的動態范圍，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減小輸出失調，可以引入變步長因子||ε(n)||，可將步長視為μ(n)=μ||ε(n)||。||ε(n)||大時μ(n)隨之增大，自動進行快速跟蹤。||ε(n)||較小時，μ(n)隨之減小，以保證失調較小。

因此，需要找到合適的變步長因子||ε(n)||。干擾抵消系統的最終目的是要使干擾抵消器輸出的信號V1與從天線上接收到的干擾信號VR大小相同、方向相反。具體來說，就是要控制器不斷調整權控制系數，從而使其相關器輸出最小。如果||ε(n)||過小，反而會降低收斂速度，增加調整部署。所以，在本系統中，變步長因子||ε(n)||只能由相關器的輸出確定。實際中為減小運算量，按式（6）選取：

式中，Cimax為最大相關量，kε＜1 為常數。

由上面的論述可知，相關器的輸出先按照式（6）進行變步長運算，最后經計算得出衰減器的衰減系數。

LMS 計算模塊作用是實現LMS 算法的迭代運算，即完成：

通過對抽樣保持器采出的加權系數進行時延，不斷迭代計算出衰減器的加權系數ω(n)。

2.1.4 衰減器

電調衰減器的功能為根據控制器給出的控制電壓值對信號幅值進行不同程度的衰減。

2.1.5 合并器

合并器負責I、Q 兩路信號與天線接收到的信號的合并，最終輸出經抵消后的純凈信號。

2.2 仿真分析

本方案在SystemView5.0 中進行仿真，仿真原理如圖5 所示。

圖5 自適應干擾抵消系統仿真原理

由圖5 可將單通道干擾抵消系統劃分為5 個基本模塊——寬帶裂相器（90°移相器）、相關器、控制器、衰減器、合并器[6]。通過分析如圖4 所示的原理，結合現實中的硬件情況，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都可以由相互正交的兩路信號通過調整幅度和相位實現，類似在直角坐標系中描述不同的點。

取樣信號經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 路進行分析。仿真的總體思想是通過調整兩路相互正交的信號的幅度大小（其中隱含著相位的變化）獲得任何幅度和相位的目標信號。由式（8）可以看出，通過調整，α與β、γ與φ2同時改變[7]。仿真的關鍵是獲得衰減器的控制系數。衰減器的控制系數是通過變步長的LMS 算法[8]獲得的，步長的大小是相關器的輸出函數。

仿真中，針對30～512 MHz 進行干擾抵消仿真測試，均能完成干擾抵消，且抵消比優于40 dB以上。對于自適應干擾抵消系統優劣的判定，通常用干擾抵消比來做量化的判斷。

針對30 MHz 信號干擾抵消進行仿真，結果顯示經抵消合成的信號在400 μs 后收斂，信號殘余幅度為1.5×10-4V。針對512 MHz 信號干擾抵消進行仿真，結果顯示經抵消合成的信號在500 μs 后收斂，信號殘余幅度為1.3×10-4V。頻率為30 MHz、512 MHz 的信號計算干擾抵消比分別為：

3 系統驗證實現

干擾抵消設備原理如圖6 所示。為了防止干擾設備大功率發射信號對其他設備造成干擾，測試時采用有線方式將干擾耦合到電臺有用信號上。通過30 dB 耦合器模擬干擾設備與電臺間的隔離度。

圖6 干擾對消設備原理

測試驗證系統主要由兩臺無線電臺、干擾抵消設備、電子干擾設備以及其他信號控制和分配模塊組成。平臺模擬一臺大功率發射設備與電臺安裝在同一平臺的應用場景。大功率發射設備發射功率為50 W。該設備的發射端口與電臺接收端口間的耦合度約為-30 dB。配套設備與演示平臺中使用的電臺為同一信號，可正常通信。演示系統如圖7 所示，驗證環境如圖8 所示，

圖7 演示系統示意

圖8 驗證環境

窄帶和寬帶干擾對消演示分別如圖9 和圖10所示。測試結果表明，在干擾條件下，電臺無法正常接收信號。開啟干擾抵消設備后，電臺可以正常通話，干擾信號被抑制。通過頻譜儀顯示可以更精確地分析干擾抵消的效果。

圖9 窄帶干擾對消演示

圖10 寬帶干擾對消演示

4 結語

本文針對一體化電子平臺多無線設備共址工作時產生的干擾問題，對干擾抵消背景、原理、技術路線作了全面闡述，并重點進行仿真分析和樣機驗證，測試驗證了同一平臺內大功率寬帶發射設備（如干擾機、雷達等）發射的寬帶信號（或雜散、諧波等）覆蓋了接收設備的工作頻率導致接收設備無法正常工作的情況。采用干擾對消設備對頻率范圍覆蓋有用信號的干擾信號，可實現40 dB 以上的對消效果，能夠防止接收設備進入阻塞狀態以及受到損壞，且在接收信號功率較強時能夠保持正常通信。干擾抵消技術可應用于多種復雜通信場合，提升無線設備的抗干擾能力，在一體化軍用平臺和商用無線環境有著廣闊的應用前景。