寬帶干擾信號(hào)消除分析*

高 鑫，何方敏，孟 進(jìn)，李 毅，茍川杰

（海軍工程大學(xué) 艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430033）

寬帶干擾信號(hào)消除分析*

高 鑫，何方敏，孟 進(jìn)，李 毅，茍川杰

（海軍工程大學(xué) 艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430033）

寬帶干擾信號(hào)在空間信道內(nèi)的時(shí)延和幅度波動(dòng)較大，使得傳統(tǒng)的自適應(yīng)干擾對(duì)消技術(shù)難以將其消除。為了分析無法對(duì)消的原因，推導(dǎo)了寬帶信號(hào)對(duì)消流程，探討干擾信號(hào)的帶寬和時(shí)延因素對(duì)干擾消除效果的影響，得到了對(duì)消效果與這些參數(shù)的解析關(guān)系，并對(duì)對(duì)消流程做了仿真分析，仿真結(jié)果表明：寬帶干擾信號(hào)的對(duì)消效果與幅度起伏特性、時(shí)延起伏特性和帶寬有關(guān)，幅度起伏特性和時(shí)延起伏特性越小、帶寬越窄，對(duì)消效果越好。

導(dǎo)頻信號(hào)；干擾對(duì)消；仿真；寬帶干擾

0　引 言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的通訊設(shè)備被裝備在艦船上。同時(shí)，由于艦面空間狹小，各個(gè)通訊設(shè)備之間并不能從空間上做到嚴(yán)格的隔離，致使電磁干擾越來越嚴(yán)重，嚴(yán)重影響著艦船上的通訊。通信設(shè)備間的干擾通?？煞譃橹黝l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(shè)備的非線性引起的，而寬帶噪聲干擾主要是由進(jìn)入信號(hào)頻帶內(nèi)帶外強(qiáng)噪聲引起的[1]。噪聲功率雖小，但其覆蓋接收信道，會(huì)惡化信噪比。美國(guó)在這一方面研究較早，技術(shù)成熟，已經(jīng)能夠有效解決主頻干擾和寬帶噪聲干擾問題[2-4]。國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域起步較晚，西安電子科大和中船重工701所等相關(guān)部門也進(jìn)行了相關(guān)研究[5-7]，目前還沒有研制出產(chǎn)品的相關(guān)報(bào)告。海軍工程大學(xué)從2006年開始對(duì)自適應(yīng)干擾對(duì)消裝置進(jìn)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(bào)道。本文探討影響寬帶干擾自適應(yīng)對(duì)消的因素，以期為之后寬帶噪聲對(duì)消的實(shí)現(xiàn)打下基礎(chǔ)。

1　系統(tǒng)模型

自適應(yīng)干擾對(duì)消的系統(tǒng)框圖[5]如圖1所示。Xn(t)為天線接收到的干擾信號(hào)，Xs(t)為對(duì)消之后的誤差信號(hào)，Xs1(t)和Xs2(t)為參考信號(hào)，W1(t)和W2(t)為電調(diào)衰減器權(quán)值。干擾信號(hào)和導(dǎo)頻信號(hào)通過耦合器進(jìn)行取樣，將取樣得到的參考信號(hào)通過正交功分器分成兩路信號(hào)——I路和Q路；然后，經(jīng)過電調(diào)衰減器進(jìn)行幅度相位調(diào)整，使最后通過合成器合成的對(duì)消信號(hào)與干擾信號(hào)等幅反相，而后將通信接收系統(tǒng)接收的干擾信號(hào)抵消，達(dá)到對(duì)消的目的[7]。其中，相關(guān)控制環(huán)節(jié)主要由乘法單元和積分單元實(shí)現(xiàn)。

圖1　自適應(yīng)干擾對(duì)消系統(tǒng)框

2　寬帶干擾信號(hào)消除流程分析

以最簡(jiǎn)單的寬帶信號(hào)為例，干擾信號(hào)為雙頻信號(hào)。對(duì)消流程中，只考慮空間造成的時(shí)延，不考慮電路內(nèi)部造成的延時(shí)，同時(shí)假設(shè)干擾信號(hào)的時(shí)延和幅度與頻率成線性關(guān)系。定義幅度隨頻率變化系數(shù)α、時(shí)延隨頻率變化參量β和帶寬B。

假設(shè)原信號(hào)為A1cos(ω1t1)+A2cos(ω2t )。

通過線路到達(dá)乘法器后，兩路參考信號(hào)分別為：

通過空間傳到乘法器后，干擾信號(hào)為：

式中，ω1和ω2分別為干擾信號(hào)的頻率，AR1和AR2為干擾信號(hào)的幅度，AJ1和AJ2為干擾信號(hào)的幅度，φ1和2φ為干擾信號(hào)的相位，φJ(rèn)1和φJ(rèn)2為干擾信號(hào)的相位，

參考信號(hào)經(jīng)過電調(diào)衰減器后，與干擾信號(hào)通過功率合成器，輸出的剩余誤差信號(hào)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(jiǎn)得：

式（5）的左邊可以轉(zhuǎn)換為：

式（5）的右邊可以轉(zhuǎn)換為：

由式（6）和式（7）可得：

要使式（8）在任意時(shí)刻恒成立，則：

由式（9）可得：

根據(jù)最小均方誤差準(zhǔn)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(quán)值取式（13）時(shí)，Y取最小值。因此，可求得寬帶噪聲對(duì)消輸出：

則自適應(yīng)干擾對(duì)消系統(tǒng)噪聲的干擾抑制比:

若假設(shè)AR1=AR2=m ，則:同時(shí)，有：

則有：

3　解析分析

3.1分析一：

假設(shè)z為常數(shù)且z≥0，由式（21）可知：

又有：

可得y隨著帶寬解小而增大。

同時(shí)由單調(diào)性可知：對(duì)消比ICR隨著y的增大而減小。由此可得，當(dāng)帶寬一定時(shí)，幅度變化系數(shù)α越小，對(duì)消效果越好；帶寬B越小，對(duì)消效果越好。

3.2分析二：

假設(shè)y為常數(shù)，則：

在單調(diào)周期內(nèi)，z值越大，對(duì)消比越?。粠払越小，對(duì)消效果越好。同時(shí)，寬帶信號(hào)中心頻率越小，時(shí)延變化參量β越小，對(duì)消比越好。

綜上所述，寬帶干擾信號(hào)的對(duì)消效果與幅度變化系數(shù)α、時(shí)延變化參量β和帶寬B有關(guān)。α越小、β越小、帶寬B越窄，寬帶噪聲中心頻率越小，對(duì)消效果越好。

4　仿真實(shí)例分析

仿真參數(shù)采樣率為1 000 M。時(shí)延變化參量β，帶寬B，幅度變化系數(shù)α。環(huán)境白噪聲為-105 dBm。

4.1情況一

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

當(dāng)α=5×10-4V/M時(shí)，得對(duì)消前后的干擾信號(hào)頻譜圖如圖2所示。

圖2　干擾信號(hào)頻譜

當(dāng)α=5×10-6V/M時(shí)，得對(duì)消前后的干擾信號(hào)頻譜圖如圖3所示。

圖3　干擾信號(hào)頻譜

4.2情況二

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

當(dāng)β=1000 ns/M時(shí)，得對(duì)消前后的干擾信號(hào)頻譜圖如圖4所示。

圖4　干擾信號(hào)頻譜

當(dāng)β=1 ns/M時(shí)，得對(duì)消前的干擾信號(hào)仿真結(jié)果和對(duì)消后的誤差信號(hào)，如圖5所示。

圖5　干擾信號(hào)頻譜

4.3情況三

當(dāng)干擾頻率為4 MHz和5 MHz時(shí)，α=5×10-6V/M，β=1 ns/M，B=1 MHz，得對(duì)消前后的干擾信號(hào)頻譜圖如圖6所示。

圖6　干擾信號(hào)頻譜

4.4情況四

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

圖7　干擾信號(hào)頻譜

結(jié)果分析：

（1）從4.1節(jié)仿真可看出，幅度變化系數(shù)α越小，即干擾信號(hào)幅度隨頻率變化越小，對(duì)消效果越好。

（2）從4.2節(jié)仿真可看出，時(shí)延變化參量β越小，即干擾信號(hào)時(shí)延隨頻率變化越小，對(duì)消效果越好。

（3）結(jié)合4.2節(jié)仿真和4.3節(jié)仿真可看出，寬帶信號(hào)帶寬越小，對(duì)消效果越好。

（4）結(jié)合4.3節(jié)仿真和4.4節(jié)仿真可看出，寬帶信號(hào)中心頻率越小，對(duì)消效果越好。

綜上所述，仿真實(shí)例驗(yàn)證了解析解的結(jié)果，即寬帶干擾信號(hào)的對(duì)消效果與幅度變化系數(shù)α、時(shí)延變化參量β、中心頻率和帶寬B有關(guān)，即α越小、β越小、帶寬B越窄，中心頻率越小，對(duì)消效果越好。

5　結(jié) 語

本文對(duì)雙頻干擾信號(hào)做了分析，得到對(duì)消效果與幅度隨頻率變化系數(shù)α、時(shí)延隨頻率變化參量β、中心頻率和帶寬B四個(gè)因素的關(guān)系，并通過仿真驗(yàn)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(duì)消技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析[J].電訊技術(shù),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(qiáng),杜武林.自適應(yīng)干擾抵消研究[J].電訊技術(shù),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(duì)消技術(shù)在通信系統(tǒng)集成中的應(yīng)用[J].電訊技術(shù),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(yuǎn),劉悅.艦船通信系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)技術(shù)[J].電訊技術(shù),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?yàn)樽赃m應(yīng)干擾對(duì)消技術(shù)；

何方敏（1982－），男，博士，講師，主要研究方向?yàn)殡姶偶嫒?、自適應(yīng)信號(hào)處理；

孟進(jìn)（1977－），男，研究員，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡姶偶嫒荨⒆赃m應(yīng)干擾對(duì)消技術(shù)、大容量電能變換的EMI抑制技術(shù)；

李毅（1977－），男，博士，副研究員，主要研究方向?yàn)殡姶偶嫒菁吧漕l電路設(shè)計(jì)；

茍川杰（1992—），男，博士研究生，主要研究方向?yàn)樽赃m應(yīng)干擾對(duì)消技術(shù)。

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(guó)家自然科學(xué)基金(No. 61201055)