干擾抵消技術(shù)在一體化電子信息系統(tǒng)中的運(yùn)用

徐 健，李大光，張 燚

(1.中國電子科技集團(tuán)有限公司第三十六研究所，浙江 嘉興 314033； 2.海裝駐杭州地區(qū)軍事代表室，浙江 杭州 310012)

1 概 述

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中電子設(shè)備的作用日益突出,使用越來越廣泛。現(xiàn)代作戰(zhàn)艦艇體量大，裝備有多種先進(jìn)電子設(shè)備，包括通信、雷達(dá)、通抗、導(dǎo)航、敵我識(shí)別、指控、武控等電子設(shè)備。電子設(shè)備的種類、數(shù)量、功能和指標(biāo)也都有更高的要求，各電子設(shè)備工作頻段不斷擴(kuò)展、重疊，功率等級(jí)不斷提高；同時(shí)作戰(zhàn)艦艇出于布局、安裝與隱身性等方面考慮，將孤立的、功能單一的各設(shè)備孔徑進(jìn)行集成整合；電子設(shè)備采用一體化設(shè)計(jì)提高資源利用效率，以獲得更高水平的功能、性能和互操作性是大勢(shì)所趨，一體化設(shè)計(jì)已成為提高艦船作戰(zhàn)能力和生存能力的重要途徑之一，也是目前世界上各海軍強(qiáng)國艦艇發(fā)展的重點(diǎn)。但一體化電子系統(tǒng)的電磁兼容性問題會(huì)造成單設(shè)備和系統(tǒng)效能降低甚至無法正常工作，導(dǎo)致難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

干擾抵消技術(shù)是解決同頻段電磁兼容的一種有效技術(shù)。干擾抵消技術(shù)主要用于抑制本地發(fā)射設(shè)備對(duì)鄰近設(shè)備的同頻段干擾，在實(shí)現(xiàn)對(duì)鄰近設(shè)備寬帶接收機(jī)保護(hù)的同時(shí)，不對(duì)接收信號(hào)產(chǎn)生失真或者互調(diào)的影響，使得空間距離鄰近的多部收發(fā)裝備能同時(shí)工作，或者使雙工設(shè)備能在鄰道實(shí)現(xiàn)雙工工作[1]。

國外干擾抵消技術(shù)研究起步很早，并已有成熟的專利算法，在軍民設(shè)備中廣泛使用：用于減輕衛(wèi)星通信系統(tǒng)K、Ku波段的干擾，用于提高艦岸中繼通信的性能、用于解決高鐵上多天線之間的隔離問題、用于抵消移動(dòng)通信直放站的干擾等。軍事上的典型應(yīng)用是在EA-18G“咆哮者”電子戰(zhàn)飛機(jī)上，為了解決EA-18G飛機(jī)的ALQ-99干擾吊艙工作時(shí)對(duì)自身的超高頻(UHF)電臺(tái)的干擾問題，美國海軍提出通過配套研制干擾抵消系統(tǒng)來保證飛機(jī)在對(duì)敵干擾時(shí)話音通信順暢，干擾抵消系統(tǒng)被認(rèn)為是使EA-18G飛機(jī)比EA-6B更為先進(jìn)的幾個(gè)關(guān)鍵因素之一。

2 干擾抵消技術(shù)

干擾抵消的原理如圖1所示，系統(tǒng)通過分配器提取一個(gè)與干擾信號(hào)相關(guān)的樣本信號(hào)Vi(t)(這里可以用取樣天線代替分配器進(jìn)行干擾信號(hào)的取樣)，根據(jù)接收設(shè)備前端的信號(hào)ε(t)來對(duì)Vi(t)進(jìn)行幅度和相位調(diào)整后輸出抵消信號(hào)Vo(t)，使得Vo(t)與天線接收到的干擾信號(hào)Ve(t)幅度相同，相位相反，從而使得干擾信號(hào)被抵消，ε(t)→0，而有用信號(hào)因?yàn)椴幌嚓P(guān)，所以不會(huì)被抵消掉，基本不受影響。

圖1 干擾抵消原理示意圖

現(xiàn)有幅相控制器基于模擬正交矢量調(diào)制技術(shù)，分別精確調(diào)整I路和Q路的PIN管的電流就可以控制輸出信號(hào)的幅度和相位。

設(shè)輸入信號(hào)為：

Vi(t)=Acos(wct+φi)

(1)

經(jīng)過正交矢量調(diào)制后輸出信號(hào)為:

(2)

如圖2所示，正交矢量調(diào)制器通過調(diào)整I、Q參數(shù)信號(hào)改變Ac與φc來控制輸入信號(hào)的幅度和相位，得到抵消矢量。通過收斂算法不停地調(diào)整I、Q，最終使誤差矢量滿足要求[2]。

抵消比為：

RC(dB)=10lg (1+α2-2αcos(2πfT+Φ))

(3)

時(shí)延誤差ΔT、頻率偏差Δf都等于0時(shí)，抵消比與幅度誤差、相位誤差之間的關(guān)系曲線見圖3，在幅度誤差一定的情況下，抵消比存在極限值；在相位誤差一定的情況下，抵消比也存在極限值；抵消比越高，幅度和相位誤差可變動(dòng)的范圍越小。對(duì)誤差信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理、采用自適應(yīng)濾波技術(shù)、在數(shù)字域內(nèi)形成抵消信號(hào),可提高波形適應(yīng)能力、提高抑制比，抵消多源干擾。

仿真結(jié)果見圖4，正中間的干擾主頻可抵消40 dB以上。

圖2 正交矢量調(diào)制原理圖

圖3 抵消比與幅度誤差、相位誤差的關(guān)系曲線

圖4 仿真結(jié)果圖

3 干擾抵消技術(shù)在一體化電子信息系統(tǒng)中的應(yīng)用

在一體化電子信息系統(tǒng)中，存有多個(gè)發(fā)射設(shè)備與多個(gè)接收設(shè)備，可采用直接耦合或者取樣天線的方式，見圖5、圖6。在電磁兼容管理設(shè)備統(tǒng)一管理下，對(duì)接收設(shè)備選擇采用對(duì)消措施還是直接連通。

圖5 直接耦合式對(duì)消示意圖

圖6 取樣天線式對(duì)消示意圖

單發(fā)多收情況下，通過獨(dú)立N個(gè)矢量調(diào)制器對(duì)N個(gè)受到影響的接收設(shè)備進(jìn)行干擾抵消。多發(fā)多收情況下，每個(gè)發(fā)射設(shè)備獨(dú)立不相關(guān)時(shí)，需要對(duì)每個(gè)發(fā)射干擾信號(hào)進(jìn)行單獨(dú)級(jí)聯(lián)抵消，需要M×N個(gè)矢量調(diào)制器對(duì)N個(gè)受到干擾的接收設(shè)備進(jìn)行干擾抵消，復(fù)雜度大幅提高，收斂速度降低，同時(shí)抵消效果下降[3]。

一體化電子信息系統(tǒng)間的輻射干擾影響主要是2部分：發(fā)射的干擾主頻信號(hào)與噪聲信號(hào)。由于一體化電子信息系統(tǒng)空間隔離有限且干擾信號(hào)功率大，同頻段內(nèi)的主頻信號(hào)會(huì)使接收設(shè)備如通信電臺(tái)等的射頻前端處于飽和工作狀態(tài)，接收通道阻塞，如果干擾信號(hào)足夠大，甚至?xí)?dǎo)致硬件損壞；同時(shí)干擾主頻帶外底噪會(huì)惡化附近的電磁環(huán)境，直接降低了電臺(tái)的靈敏度[4]。

在采取干擾抵消措施后，主頻抵消實(shí)際測(cè)試結(jié)果見圖7，噪聲抵消實(shí)際測(cè)試結(jié)果見圖8。

圖7 主頻抵消實(shí)際測(cè)試結(jié)果

圖8 噪聲抵消實(shí)際測(cè)試結(jié)果

圖7顯示主頻抵消可以抑制干擾主頻信號(hào)30 dB以上，圖8顯示抵消前寬帶噪聲完全湮沒了250 MHz處的有用信號(hào)，抵消后可接收到-67.58 dBm的有用信號(hào)，信噪比大于20 dB。由于干擾噪聲與接收信號(hào)同頻，不能采用濾波、陷波等手段實(shí)現(xiàn)抑制，只能通過干擾抵消實(shí)現(xiàn)抑制。

4 結(jié)束語

一體化電子信息系統(tǒng)的設(shè)備間主頻及諧波干擾會(huì)在同頻段接收設(shè)備內(nèi)產(chǎn)生交調(diào)，在前端寬帶接收情況下會(huì)使前端阻塞或飽和，甚至燒毀前端；窄帶離散與寬帶相位噪聲會(huì)使接收設(shè)備靈敏度降低，導(dǎo)致誤判與虛警。因干擾信號(hào)與接收信號(hào)處于同一通信頻帶內(nèi)，甚至處于同一信道內(nèi)，這種干擾是傳統(tǒng)濾波器與陷波器無法解決，而干擾抵消技術(shù)恰好可以解決的共址、共道干擾問題。采用干擾對(duì)消技術(shù)可抑制干擾主頻與干擾噪聲影響，為系統(tǒng)內(nèi)接收設(shè)備提供可用信道，提高信道的靈敏度，提高各設(shè)備的時(shí)效率，提高一體化電子信息系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能。一體化電子設(shè)備的電磁兼容性問題是系統(tǒng)性的，需要多方共同研究解決，總體設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮包括干擾對(duì)消技術(shù)在內(nèi)的各種措施，以充分發(fā)揮各設(shè)備效能，達(dá)到作戰(zhàn)設(shè)計(jì)能力。