射頻干擾對消技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析?

賴 鑫

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

射頻干擾對消技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析?

賴 鑫??

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

針對現(xiàn)有大型電子信息系統(tǒng)中同平臺接收設(shè)備受到同平臺發(fā)射設(shè)備的發(fā)射干擾情況，研究了可對消發(fā)射設(shè)備干擾的射頻干擾對消技術(shù)。分析了射頻對消技術(shù)的理論模型，提出了射頻對消技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)研究了信號調(diào)整、信號檢測和系統(tǒng)控制3個(gè)主要單元的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)控制算法。系統(tǒng)仿真結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的正確性。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法可用于進(jìn)行后續(xù)的樣機(jī)研制。

電子信息系統(tǒng)；共址干擾；射頻干擾對消；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；信號調(diào)整；信號檢測；系統(tǒng)控制

1 引 言

為了滿足作戰(zhàn)應(yīng)用，現(xiàn)有的大型電子信息平臺上裝備了越來越多的電子設(shè)備。通信、雷達(dá)、導(dǎo)航等不同系統(tǒng)的設(shè)備同時(shí)工作，造成平臺內(nèi)電磁兼容環(huán)境惡劣、環(huán)境電磁噪聲惡化、高靈敏度的設(shè)備極易受到同平臺其他設(shè)備主頻和寬帶噪聲的影響，造成設(shè)備飽和或降靈，這是發(fā)展大型電子信息平臺所必然面臨的問題。

對于這種同平臺收發(fā)設(shè)備的干擾情況，采用天線布局和濾波器的作用都比較有限，不能解決進(jìn)入接收通帶主頻的干擾信號，而引入射頻干擾對消技術(shù)，可用來對消進(jìn)入濾波器通帶內(nèi)的同平臺主頻干擾和寬帶噪聲干擾。

射頻干擾對消技術(shù)通過對同平臺的干擾源進(jìn)行采樣，用來對消進(jìn)入濾波器通帶內(nèi)的干擾噪聲和主頻發(fā)射。射頻干擾對消技術(shù)在國外較早進(jìn)入工程實(shí)用，國內(nèi)的研究跟進(jìn)相對較晚。國內(nèi)的研究最早是對干擾對消技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的原理性分析和理論模型分析［1－2］，后續(xù)也有研究人員在雷達(dá)收發(fā)泄露干擾上采用了該技術(shù)，并進(jìn)行了深入研究［3－4］。國外的研究相對起步較早，把該技術(shù)廣泛應(yīng)用到了雷達(dá)的收發(fā)泄露抑制［5－6］、民用通信［7－8］和軍用通信中［9］。

在美軍的新一代電子戰(zhàn)飛機(jī)EA-18G上，其裝備了射頻對消設(shè)備INCANS，用于在電子戰(zhàn)發(fā)射時(shí)抑制干擾機(jī)的寬帶噪聲，保持同頻段通信系統(tǒng)的工作能力，實(shí)現(xiàn)了干中通，極大提升了飛機(jī)的作戰(zhàn)能力［9］。

針對射頻干擾技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)，本文對該技術(shù)進(jìn)行了理論分析，提出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，并對系統(tǒng)特性和關(guān)鍵技術(shù)展開了分析。

2 理論模型分析

2.1 射頻對消的數(shù)學(xué)模型

射頻對消技術(shù)的數(shù)學(xué)原理是矢量的合成疊加。干擾信號可以比擬為直角坐標(biāo)空間的一個(gè)矢量，利用另一個(gè)與該矢量有相同信息特征的等幅反相矢量與之合成，從而抵消掉該干擾信號［1－3］。

如圖1所示，干擾信號可以描述為極化圖上的矢量A，它包含幅度和相位兩方面的信息。矢量B用來對消該干擾信號。若要實(shí)現(xiàn)對消，B需要與矢量A幅度相同、相位相反，這樣合成矢量C才能夠趨于零。對消的過程也就是調(diào)節(jié)矢量B使其達(dá)到與矢量A等幅反向的過程。

圖1 矢量合成對消示意圖

2.2 對消技術(shù)的原理模型

從數(shù)學(xué)原理出發(fā)，射頻干擾對消技術(shù)的原理模型可用圖2所示的框圖來描述。系統(tǒng)框圖中有兩個(gè)信號輸入通道：空間耦合通道和參考通道。天線間的共場地干擾的空間耦合通道是主通道。參考通道用于引入一矢量與干擾信號進(jìn)行對消。框圖中的惡檢測通道用于取樣對消后的干擾信號，并對主通道的對消效果進(jìn)行檢測。

圖2 射頻對消原理模型

在圖2中，接收機(jī)的接收信號是有用信號S和干擾信號J0。主通道的干擾信號J0和參考信號Jt是來自同一干擾信號源，但分量不同的兩個(gè)相關(guān)信號。在有用信號S和干擾J0進(jìn)入接收機(jī)前，把Jt引入來抵消干擾J0，并且用兩個(gè)通道的信號合成后的殘余信號e來調(diào)節(jié)參考信號Jt的幅相參數(shù)，使其與空間耦合干擾信號J0幅度相等、相位相反，從而建立起一個(gè)負(fù)反饋控制環(huán)路，對消主通道干擾信號。

整個(gè)對消的原理模型簡單明了，其重點(diǎn)是建立反饋的控制環(huán)路，針對對消后的殘差信號來自適應(yīng)地調(diào)節(jié)參考通道的信號幅相特性，這也是整個(gè)對消系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的理論基礎(chǔ)。

3 系統(tǒng)模型分析

根據(jù)圖2所示的對消原理模型，把其中的幅相調(diào)整和對消效果檢測工程化后，轉(zhuǎn)化為可實(shí)現(xiàn)的工程化系統(tǒng)框圖，如圖3所示［3－5］。

圖3 射頻對消系統(tǒng)框圖

在整個(gè)射頻對消系統(tǒng)框圖中，參考通道是對采樣的干擾信號進(jìn)行幅相調(diào)整；檢測通道是對對消后的效果進(jìn)行檢測，檢測效果用來控制信號的幅相調(diào)整。整個(gè)工程化模型主要包括信號調(diào)整、信號檢測和反饋控制3個(gè)主要單元。

3.1 信號調(diào)整單元

3.1.1 正交信號調(diào)整方式

信號調(diào)整單元用于實(shí)現(xiàn)采樣的干擾信號的幅度和相位調(diào)整，達(dá)到與空間耦合信號等幅反相的效果。

設(shè)空間耦合信號和采樣的干擾信號在同一極坐標(biāo)系中，要達(dá)到對采樣干擾信號的調(diào)整，框圖中的幅相調(diào)制需要具有極坐標(biāo)系中360°的任意相位調(diào)整能力和信號放大和衰減能力。信號的衰減和放大在工程實(shí)現(xiàn)上難度不大，而信號的360°移相盡管可以采用移相器實(shí)現(xiàn)，但是要實(shí)現(xiàn)可以滿足工程應(yīng)用的寬頻帶應(yīng)用很難，并且很難保證精確的移相控制。

為了滿足工程化應(yīng)用，對信號調(diào)整采用了工程上常用的正交信號調(diào)整方法，把對一個(gè)信號的360°相位調(diào)整轉(zhuǎn)化為對其投影的兩路正交信號的幅度調(diào)整和反向調(diào)整。

圖4 正交信號合成示意圖

如圖4所示，要把采樣信號矢量B調(diào)整到與空間耦合信號矢量A等幅反向，采用正交坐標(biāo)系坐標(biāo)軸上的兩個(gè)矢量AI和AQ來合成所需要的矢量B。

對于矢量AI和AQ，我們只需要調(diào)整其幅度和進(jìn)行180°的反向，就能使其合成矢量B在坐標(biāo)軸上實(shí)現(xiàn)0°～360°的相位旋轉(zhuǎn)，并且其幅度也可由坐標(biāo)軸上的兩個(gè)矢量調(diào)節(jié)。這樣對一個(gè)矢量信號進(jìn)行360°的相位和幅度調(diào)整就轉(zhuǎn)換為更容易工程化實(shí)現(xiàn)的調(diào)整兩個(gè)正交信號的幅度和180°反向。

3.1.2 信號調(diào)整精度對系統(tǒng)的影響

由于在實(shí)際系統(tǒng)中，空間耦合信號矢量和采用的干擾信號矢量不可能完全幅度相等、相位相反，對消會不徹底，兩者將會合成一個(gè)新的矢量，我們稱為對消后剩余誤差信號。為了評價(jià)對消性能，引入對消比的概念。對消比是指空間耦合信號功率和對消后剩余的誤差信號功率之比。假設(shè)空間耦合信號為A，采樣的干擾信號為B，用三角函數(shù)表示兩個(gè)矢量如下：

其中，ΔA表示矢量A與B的幅度差，Δθ表示兩個(gè)矢量在極坐標(biāo)上的相位差。矢量A與矢量B的合成矢量為對消后矢量，定義其為C，且有C＝A＋B。描述對消效果的對消比可以表述如下：

其中，D表示干擾信號和對消后信號的功率之比，也稱為對消比。對上式進(jìn)行推導(dǎo)：

式中，M和Δθ為變量，利用上式可以計(jì)算出功率比、相位差兩個(gè)參數(shù)與對消比的關(guān)系圖，如圖5所示。

圖5 對消比示意圖

如圖5所示，要實(shí)現(xiàn)較高的對消比，采樣的干擾信號量B與耦合信號量A之間的幅度差和相位差都要達(dá)到非常低的精度。如果直接用移相器來實(shí)現(xiàn)，難度非常大，現(xiàn)改為用一對正交信號的幅度變化來調(diào)節(jié)，更加容易實(shí)現(xiàn)。

3.2 信號檢測單元

在射頻對消系統(tǒng)中，如何對對消結(jié)果進(jìn)行檢測評估是射頻對消系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的問題。如何實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)定地達(dá)到預(yù)期的對消比水平是整個(gè)射頻對消系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

經(jīng)過參考信道的信號對消后，空間耦合信號的幅度減弱，對于對消后信號的檢測是從信號幅度的方面進(jìn)行［3－5］。檢測通道所采集到的信號幅度代表了信號對消的水平，若系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高對消比的對消，那么采集到的檢測信號幅度越小。

通過對殘差信號進(jìn)行檢測，可以評估對消效果，并為對消控制提供依據(jù)。誤差檢測需滿足檢測快、動態(tài)大的要求。誤差檢測處于對消系統(tǒng)的反饋回路中，檢測時(shí)間的長短也將直接影響對消控制的收斂速度；另一方面，誤差檢測也要滿足較大范圍的檢測動態(tài)范圍，與信號調(diào)整所能實(shí)現(xiàn)的對消比所匹配。

對對消后殘差信號的檢測方法有功率檢測、模擬相關(guān)檢測、數(shù)字相關(guān)檢測等多種方法，需要檢測的信息包括對消后信號的相位和幅度兩方面信息。由于在信號調(diào)整中，采用了一對正交矢量合成所需要的參考信號的方式，那么對對消后信號的檢測也需要分成一對正交信號的檢測，檢測的結(jié)果分別對應(yīng)到信號調(diào)整的兩路正交信號。

對信號幅度和相位的檢測可以采用檢波或混頻的方式進(jìn)行。在工程中常采用混頻檢測的方式，對消后信號幅度的大小與混頻后檢測信號的幅度大小相關(guān)，對消后信號幅度越小，所表征的檢測信號的幅度越小。該檢測信號再送入系統(tǒng)控制單元，做為控制幅相調(diào)整的參照。

3.3 系統(tǒng)控制單元

系統(tǒng)控制完成檢測信號輸入到信號調(diào)整輸出的整個(gè)過程。檢測信號表征了此刻射頻對消的效果，系統(tǒng)控制單元接受了檢測信號，根據(jù)系統(tǒng)此刻的檢測效果實(shí)時(shí)對信號調(diào)整單元進(jìn)行調(diào)整，控制采用信號的幅相輸出。整個(gè)過程形成了負(fù)反饋的控制環(huán)路，使得系統(tǒng)能夠正常工作，多次反饋過程后，系統(tǒng)達(dá)到所需要的輸出，實(shí)現(xiàn)對消效果。

3.3.1 控制方式與實(shí)現(xiàn)

為了實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋環(huán)路，可以采用模擬或數(shù)字的方式來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制。接收檢測信號后，進(jìn)行運(yùn)算，再輸出給信號調(diào)整單元的控制信號。在滿足負(fù)反饋環(huán)路的收斂性后，控制方式采用模擬方式就可以滿足系統(tǒng)要求，為了便于后期的應(yīng)用擴(kuò)展和工程化應(yīng)用，可以采用數(shù)字控制的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制［6，10］。

3.3.2 控制算法分析

在系統(tǒng)中采用了負(fù)反饋的控制環(huán)路，分析負(fù)反饋系統(tǒng)的收斂條件，選好合理的系統(tǒng)參數(shù)和控制算法，可以使系統(tǒng)達(dá)到快速穩(wěn)定的收斂［2，10］。

由圖2可知，對消后的合成信號為

將式（6）兩邊平方，得到

因?yàn)镾和J0是互不相關(guān)的兩個(gè)信號，故有E［S（J0＋Y）］＝0，所以式（7）可以改寫為

在對消系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整時(shí)，有用信號的功率E［S2］是不變的，故有：

由上式可知，Y是J0的最小均方估計(jì)，因此e也就是S的最小均方估計(jì)。當(dāng)Y＝－J0時(shí)，e＝S成立。

由以上分析可知，自適應(yīng)抵消器的核心就是以E［e2］最小為準(zhǔn)則。自適應(yīng)處理器對干擾采樣Jt進(jìn)行變換，使其輸出Y與J0等幅反相，從而達(dá)到干擾抵消的目的。

根據(jù)圖3所示的系統(tǒng)框圖，采用的是兩路正交信號做幅度調(diào)整。設(shè)J0＝UI＋UQ，其中UI和UQ是J0的兩路正交分量，同樣設(shè)Y＝Y(jié)I＋YQ，YI和YQ可由UI和UQ的適當(dāng)加權(quán)得到，即有

在系統(tǒng)中為了不引入額外的噪聲，一般是采用衰減方式，因此有WI和WQ的絕對值均小于等于1。

設(shè)權(quán)值矢量W＝［WIWQ］T，干擾采樣Jt＝［U1UQ］T，則有

將式（10）代入到式（11）可得

令E［J0］＝Rxd，E［Jt］＝Rxx，則有

其中，Rxx和Rxd分別如下式所示：

只要Jt和J0是平穩(wěn)慢變化過程，Rxx和Rxd就可認(rèn)為是常數(shù)。由式（13）可知，E［（J0＋Y）2］是權(quán)系數(shù)W的二次函數(shù)。對于該二次函數(shù)，其權(quán)函數(shù)的極值就是其數(shù)學(xué)期望滿足要求的最優(yōu)解。對消后合成信號的數(shù)學(xué)期望E［e2］與E［（J0＋Y）2］相比，只是相差一常數(shù)，因此兩者的最優(yōu)權(quán)值是同一個(gè)解，可通過對式（13）求解得到。E［（J0＋Y）2］的權(quán)函數(shù)圖形可表示為如圖6所示的二次函數(shù)曲線圖，其最優(yōu)權(quán)值即是系統(tǒng)的最優(yōu)解。

圖6 誤差函數(shù)的權(quán)函數(shù)示意圖

如圖6所示，要求得E［（J0＋Y）2］min所對應(yīng)的最優(yōu)權(quán)函數(shù)，即有

將式（16）代入式（13），經(jīng)過運(yùn)算處理后求得權(quán)值最優(yōu)解為

在系統(tǒng)控制單元中，利用迭代方法把式（17）數(shù)學(xué)實(shí)現(xiàn)，完成對輸出權(quán)值的修正，多次迭代后，得到系統(tǒng)的最佳權(quán)值。

4 仿真分析

結(jié)合系統(tǒng)的整體技術(shù)方案，對實(shí)現(xiàn)干擾對消技術(shù)的3個(gè)主要單元進(jìn)行了單元設(shè)計(jì)和關(guān)鍵特性分析，并進(jìn)行了控制算法分析，掌握了干擾對消技術(shù)的總體設(shè)計(jì)技術(shù)。根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的方案架構(gòu)和單位分析工作，利用仿真軟件搭建如圖3所示的系統(tǒng)框圖，設(shè)置一組系統(tǒng)初始參數(shù)如下：干擾信號J0的幅度為1，有用信號S的幅度為1，初始權(quán)值為0，兩路信號間的相位差為100°，并進(jìn)行仿真模擬。

仿真得到的兩路系統(tǒng)權(quán)值變化如圖7所示，經(jīng)過不到20次迭代后，系統(tǒng)的兩路權(quán)值均達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 系統(tǒng)權(quán)值變化圖

圖8 歸一化干擾信號幅度變化圖

仿真得到的歸一化干擾信號幅度變化曲線如圖8所示，在約20次迭代后，干擾信號的歸一化幅度值就基本上趨于零。結(jié)合圖7對比分析，在約20次迭代后，系統(tǒng)權(quán)值的兩路權(quán)值趨于一穩(wěn)定數(shù)值，此時(shí)的干擾信號幅度也趨于零，說明系統(tǒng)在約20次迭代后，達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。

仿真結(jié)果表明，依照前面所述的系統(tǒng)架構(gòu)和系統(tǒng)控制算法，整個(gè)對消系統(tǒng)的可以達(dá)到期望的工作狀態(tài)，并且穩(wěn)定工作，驗(yàn)證了系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的正確性。

5 結(jié)語

射頻對消系統(tǒng)在平臺電磁兼容方面有不可替代的技術(shù)優(yōu)勢。研究了對消系統(tǒng)的系統(tǒng)方案和系統(tǒng)中主要單元的實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)行了模擬仿真，驗(yàn)證了進(jìn)行超短波干擾對消的可行性，為后期工程研制奠定了理論研究基礎(chǔ)。

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賴鑫（1983—），男，重慶人，2010年于西安電子科技大學(xué)獲博士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究航空電子系統(tǒng)、電磁兼容等。

LAIXin was born in Chongqing，in 1983.He received the Ph.D.degree from Xidian University in 2010.He isnow an engineer.His research concerns avionics system and EMC.

Email：llext＠163.com

System Design and Simulation Analysis of RF Interference Cancellation Technology

LAIXin
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

Based on the co-site RF interference between the emission equipment and the receiving equipment in the C4ISR system，the RF interference cancellation technology is discussed in this paper.Based on the analysis of the theorymodel，a system design scheme is proposed.The designmethod of the threemain unit，signal adjustment，signal detectivity and sysem control，and the system control arithmetic are carefully studied.The system model is simulated and the results validate the system designmethod which can be used in the further equipmentmanufacturing.

C4ISR system；co-site RF intererence；RF interference cancellation；system design；signal adjustment；signal datection；system control

TN85

A

1001－893X（2013）03－0259－06

10.3969/j.issn.1001－893x.2013.03.006

2012－08－01；

2013－01－07 Received date：2012－08－01；Revised date：2013－01－07

??通訊作者：llext＠163.com Corresponding author：llext＠163.com