基于发射自适应调零的自干扰对消算法研究

高立朝，孙 迅,2，李 达，程彦飞

基于发射自适应调零的自干扰对消算法研究

高立朝1，孙 迅1,2，李 达1，程彦飞1

（1 北京遥测技术研究所 北京 100076 2 清华大学 北京 100084）

为滤除卫星导航中继增强系统产生的自干扰信号，基于发射自适应调零思想，提出一种自干扰自适应对消算法并完成了工程实现。通过额外增加辅助发射天线组成发射天线阵列，使用自适应调零算法进行天线阵列波束赋形，使发射天线阵列的增益方向图在接收天线方向处形成零陷，实现了自干扰信号对消。与传统发射对消算法相比，算法实现自干扰信号自适应对消时无需使用训练信号进行信道时延估计。仿真结果证明算法可以有效滤除自干扰信号。工程实测结果表明算法有35dB以上的自干扰对消性能。

发射自适应调零；自干扰对消；卫星导航增强

引 言

卫星导航信号到达地面时功率很低，例如GPS卫星导航信号标称仅有–130dBm。微弱的信号功率导致卫星导航在山区、森林、地下等环境中导航性能降低甚至无法正常导航[1]。为增强卫星导航性能，拓展卫星导航应用范围，可以使用飞艇等中继端进行导航信号增强转发，提高到达地面的卫星信号功率。然而在信号增强转发过程中，由于发射信号与接收信号同时同频均为卫星导航信号，因此常需要增加收发天线间距以避免自干扰问题。为在小型化中继设备上实现卫星导航信号增强转发，例如基于无人机平台的中继增强系统，关键在于实现自干扰滤除。

发射天线空域自适应调零技术在同频同时自干扰对消方向有广泛的应用[2]，然而该技术的实现大部分涉及生成训练信号进行信道特性估计[3-5]。通过时分加入训练信号将降低中继卫星的卫星信号增强性能。本文基于发射自适应调零的思想，提出一种无需信道时延特性估计的自干扰发射自适应调零算法。该算法通过增加额外辅助发射阵元组成发射阵列，自适应调整发射阵列增益方向图在接收天线方向处形成零陷，从而实现自干扰对消。本文完成了单辅助天线阵元自适应调零的工程实现和测试。仿真分析和工程测试验证了该算法的有效性。

1 发射自适应调零技术

发射自适应调零技术的思想是通过反馈量自适应调节发射阵元加权值，使得加权后的发射天线阵列在指定方向处形成零陷。设辅助发射阵元个数为M，发射天线阵自适应调零流程如图1所示：

图1 发射天线阵自适应调零流程

使用常用的最小输出功率准则，则加权值的计算公式为

1.1 主、辅助发射链路时延间隔

分析式(3)，当主、辅助发射链路之间的时延差超过信号的相干时间时，到达接收天线口面的发射信号之间互不相关，相当于互相独立的随机干扰信号。求解最小输出功率

在此基础上对式(3)进行公式推导分析，加权值计算公式改写为

1.2 收发时延间隔

在此基础上可以对式（5）进行公式推导分析，加权值计算公式改写为

1.3 无需训练信号进行信道估计的发射调零实现方案

考虑中继卫星所在空间中不存在多径，天基中继与导航卫星之间的传输信道可认为是理想信道，则式（6）可以改写为

①使用式（10）进行权值迭代；

②判断加权值是否收敛；

③如果收敛，重复进行步骤①和②；

图2 时抗干扰处理结果

图3 时不自适应调整相位抗干扰处理结果

2 仿真实验及分析

3 工程实现及测试

工程原理样机实现选择FPGA+DSP模式，硬件主要包括模拟部分、数字部分和电源部分组成，其原理如图5所示。

模拟部分包括一路接收射频信道、两路发射射频信道、本振电路和时钟电路。数字部分选用两片FPGA，一片用于自干扰对消，另一片用于导航信号处理。原理样机使用串口与外部进行数据交互。ADC与DAC的采样率均为80MHz。原理样机实体图如图6所示。

为验证抗干扰算法性能，在暗室进行了工程样机性能测试。工程测试场景示意图如图7所示。

使用存储式卫星导航信号源生成卫星导航信号。使用发射调零原理样机生成干扰信号，输出至发射阵列进行空间传播。使用接收阵元采集空间中传播的电磁信号。接收信号经过低噪声放大器后，进入分路器，一路传递至发射调零原理样机，一路传递至频谱仪。接收阵元位于黑色载体顶部折板处，发射阵元位于黑色载体底部折板处，收发天线间距0.5m。实际测试场景如图8所示。

图4 时自适应调整相位抗干扰处理结果

图5 硬件实现原理

使用发射调零原理样机生成1561.368MHz频率的CW干扰信号，通过监控控制发射调理原理样机自适应迭代状态，当发射调零原理样机自适应迭代开环和闭环时，ADC后接收信号频谱如图9所示。

观察信号频谱图9，自适应迭代开环时，辅助阵元加权值为0，接收阵元收到主发射阵元的高功率单频自干扰信号；当发自适应迭代闭环时，辅助阵元加权值自适应向接收信号功率降低方向迭代，接收阵元收到的自干扰信号得到有效滤除。单频干扰频率处干扰抑制比为53.65dB。

使用发射调零原理样机生成中心频点1561.098MHz，带宽4MHz的宽带干扰信号，发射调零原理样机自适应迭代开环和闭环时，ADC后接收信号频谱如图10所示。

观察信号频谱图10，自适应迭代开环时，辅助阵元加权值为0，接收阵元收到主发射阵元的高功率宽带自干扰信号；当发射调零闭环时，辅助阵元加权值自适应向接收信号功率降低方向迭代，自干扰信号得到有效滤除。宽带干扰抑制比为35.5dB。

图6 原理样机实体

图7 工程测试场景

图8 实际测试场景

图9 连续波自干扰滤除效果

图10 单宽带自干扰滤除效果

工程测试结果证明，自干扰发射自适应调零算法无需训练信号进行信道时延估计，可以有效滤除单频、宽带等类型的自干扰信号，干扰抑制能力在35dB以上。

4 结束语

本文通过对自干扰发射自适应调零进行理论分析，提出一种无需训练信号进行信道时延估计的发射自适应调零算法，并完成了工程实现。通过仿真分析和工程实测对该算法进行了性能测试，结果表明，该算法可以有效滤除自干扰信号，干扰滤除能力在35dB以上。该算法可用于卫星导航中继增强自干扰滤除，对实现小型化卫星导航中继增强系统有重要意义。

[1] HARRISON M, KENAGY R, LILLY R, et al. Alternative positioning, navigation, and timing (APNT) services research development program[C].Proc. of ION GNSS, 2010.

[2] 吴飞. 同时同频全双工空域自干扰抑制关键技术研究[D]. 成都: 电子科技大学, 2017.

[3] CHUN B, LEE Y H. A spatial self-interference nullification method for full duplex amplify-and-forward mimo relays[C]. Wireless Communications and NETWORKING Conference, Sydney,2010: 1–6.

[4] HUA Y, LIANG P, MA Y, et al. A method for broadband full-duplex mimo radio[J]. IEEE Signal Processing Letters, 2012, 19(12): 793–796.

[5] JOHNSTON S E, FIORE P D. Full-duplex communication via adaptive nulling [C]. Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers, Pacific Grove CA, USA, 2013:1628–1631.

Based on transmit adaptive nulling self-interference cancellation algorithm study

GAO Lichao1, SUN Xun1,2, LI Da1, CHENG Yanfei1

（1. Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100094, China; 2. Dept. Electronic engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China）

To reduce the self-interference generated from satellite navigation enhanced relay system, a new adaptive reduce self-interference algorithm based on transmit adaptive nulling is proposed in this paper and engineering realization is finished. Extra antenna is added to form transmit antenna array, and adaptive nulling algorithm is used to reduce self-interference by generate null in transmit array gain pattern to the direction of receive antenna. Compare with traditional transmit adaptive nulling algorithm, the new algorithm does not need training signals for channel delay estimation. Simulation results prove that the new algorithm can reduce self-interference effectively. Engineering test results show that the new algorithm has more than 35dB self-interference cancellation capabilities.

Transmit adaptive nulling; Self-Interference cancellation; GPS enhance

TN 911.7

A

CN11-1780(2019)05-0022-06

Email:ycyk704@163.com TEL:010-68382327 010-68382557

2019-04-24

2019-06-03

高立朝 1988年生，工程师，硕士，研究方向为卫星导航与定位。

孙 迅 1974年生，研究员，博士研究生，研究方向为卫星导航与定位。

李 达 1978年生，高级工程师，硕士，研究方向为卫星导航与定位。

程彦飞 1991年生，工程师，硕士，研究方向为卫星导航与定位。