接收通道干扰抵消设计与实现*

严承涛，韩肃霜，牛吉凌，王春恒，张明民

（1.中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041；2.北部战区海军参谋部，山东 青岛 266001）

0 引言

随着无线电技术的发展，众多无线收发设备在军事、民用环境下被使用，导致在有限频带内电磁频谱占用复杂，噪声基底升高，电子设备间的干扰日趋严重。在军事一体化电子平台上，包括舰船通信探测平台、陆基通信站、机动通信车和机载指挥等场合，通常布设有多部电子收发设备，并同时工作。设备工作频率相近或重合，天线放置距离近，大功率发射设备工作对周围电磁环境会产生强烈的干扰，引起平台附近电磁噪声水平升高，导致接收设备在强干扰环境下无法正常工作。空间隔离、屏蔽等传统方法都无法使用，如不采取相应措施，将导致整个平台效能下降，甚至整体失效。

传统的抗干扰技术由于基础技术、材料工艺的限制，主要采取频率控制（如跳频频分双工技术（Frequency Division Duplexing，FDD））、时间控制（如时分双工技术（Time Division Duplexing，TDD））、功率控制以及方向控制等，被动地降低了接收噪声功率和提高了信噪比，导致频谱效率降低等。

本文通过干扰抵消技术实现对干扰噪声的主动消除，通过干扰信号提取、信号调整重构和合成抵消实现了无线通信场景下的干扰抑制。原理样机在30～512 MHz 频段大信号干扰环境下满足了足够的接收信噪比，实现了稳定可靠的解调能力，提升了无线通信装备在复杂电磁环境下对时间、频率以及空间的满足度。该设备可应用于多种复杂通信场合，提升设备的共址工作能力，在一体化军用平台和商用环境有着广阔的应用前景。

1 系统需求

现代军事战术指挥和控制越来越依赖无线通信电台、雷达等，在军用飞机、舰船或装甲战车平台上配置有多种无线通信手段，包括高频（High Frequency，HF）、甚高频（Very High Frequency，VHF）、特高频（Ultra High Frequency，UHF）以及卫星通信等多个频段的通信设备。多部无线设备近距离同时工作时将出现严重的共址干扰[1]问题，对战术指挥控制带来了极大的不利影响，造成通信质量严重下降甚至通信联络完全中断。

共址干扰主要由无线收发设备近距离辐射干扰引起。平台内通信电台繁多，收发天线密集布置，且众多电台设备工作在相近频段。例如，在装甲通信的车顶布置有8 根VHF 电台天线和1 根HF 电台天线，如图1 所示。

当有多个设备同时进行信号收发时，发射设备和接收设备主要在以下几个方面受到影响。

（1）基频干扰。当设备收发频率相同或接近时，发射机的大信号辐射信号进入接收机，若超过接收机的动态范围，将极易造成接收机信道阻塞，导致接收设备彻底瘫痪。即使收发频率不同，也可能因强干扰信号的存在和接收机前端的非线性，造成接收机对有用信号的增益下降，即减敏现象。

图1 装甲通信车天线布局

（2）谐波干扰。除发射机的基波会对接收机造成干扰外，发射机谐波落入接收机同样会产生干扰。谐波干扰不仅发生在同一个频段的通信电台间，可能发生在不同频段的电台间，如短波电台的谐波干扰超短波电台，VHF 电台的谐波干扰UHF 电台。

（3）宽带噪声。发射机发射的电磁信号不仅包括基频和谐波信号，还有带外电磁噪声能量（即宽带噪声）。因无线发射导致环境电磁噪声基底增大，会引起接收机接收底噪升高，降低接收机的小信号接收性能。

（4）互调干扰。当两个或多个发射强信号同时进入接收机时，由于接收机前端的射频放大器、混频器的非线性作用，会产生众多的互调产物而对接收信号产生干扰，导致接收性能下降。

综上，在大型军用通信平台上产生了众多复合干扰，而通信设备的共址噪声干扰将会对通信设备带来误码率增大、通信距离减少等恶性影响，大大降低了军用通信平台的作战效率。因此，研究一体化电子系统共址设备间的干扰隔离技术时[2]，如何降低接收设备的噪声能力是解决共址电磁兼容、实现抗干扰一体化系统的必然趋势，而干扰抵消技术能满足上述需求。

2 干扰抵消技术

2.1 正交矢量合成自适应干扰抵消算法

任意向量信号均可由与该向量处于同一平面的两个正交的信号矢量合成[3]得到。因此，用一对正交矢量信号的幅度调节替代信号幅相控制去合成与干扰信号等幅反相的信号。该方法合成的信号不仅抵消性能好，而且架构简单，易于实现。正交矢量合成原理如图2 所示，基于正交矢量合成的自适应干扰抵消器如图3 所示，自适应干扰抵消系统原理如图4 所示。

图2 正交矢量合成原理

图3 基于正交矢量合成的自适应干扰抵消器原理

图4 自适应干扰抵消系统原理

从发射机得到的取样信号VS先经过裂相器分成正交的两路信号UI和UQ，然后正交信号UI、UQ分别和最终的残差信号ε在相关器中取互相关，得到的互相关值在控制器中进行LMS[4]算法调整，进而计算出加权系数ωI和ωQ。在衰减器中，通过加权系数控制两路正交信号的大小，最终将两路衰减的信号与接收信号合并。合并后的残差信号再反馈回相关器不断地进行学习和调节，最终将I、Q两路信号调整相加后，得到和干扰信号等幅反相的信号V1，与干扰信号合并后，剩余的信号即为有用信号S。

2.1.1 裂相器

裂相器的作用是将从发射机取样的信号分解成两个等幅且相位相差90°的信号作为原始参考信号。它与最终合成信号的抵消性能密切相关。

2.1.2 相关器

相关器负责对误差信号求互相关，得到其功率值送入控制单元。相关器一般由乘法器和积分器组成。仿真中使用一个乘法器和低通滤波器来模拟相关器。

同相和正交两个支路的互相关分别为：

式中，有：

因为两路的作用方法完全相同，故仅将I 路作具体的分析。

因为S(t)与UI(t)不相关，则相关器的输出为：

可见，相关器的输出实际上是接收天线上的干扰信号与干扰抵消器的输出信号之和再与I（Q）路信号的相关结果。具体来说，就是要控制器不断调整权控制系数，从而使其相关器输出最小。

2.1.3 控制单元

控制单元作为整个系统的核心，要根据误差互相关和自适应算法[5]给出两路控制值。干扰抵消算法采用改进的LMS 算法，当步长μ一定时，自适应滤波器输出的总收敛速度主要取决于输入序列自相关矩阵R的最小特征值λmin。而总失调则主要取决于最大特征值λmax。然而，随着输入信号强度的变化，输入序列自相关矩阵R的变化输入信号强度的改变将影响收敛速度和失调，甚至可能破坏收敛条件。这就要求传统的LMS 算法有较大的动态范围，即要求μ的值较小，但这降低了收敛速度。为了加快收敛速度同时减小输出失调，可以引入变步长因子||ε(n)||，可将步长视为μ(n)=μ||ε(n)||。||ε(n)||大时μ(n)随之增大，自动进行快速跟踪。||ε(n)||较小时，μ(n)随之减小，以保证失调较小。

因此，需要找到合适的变步长因子||ε(n)||。干扰抵消系统的最终目的是要使干扰抵消器输出的信号V1与从天线上接收到的干扰信号VR大小相同、方向相反。具体来说，就是要控制器不断调整权控制系数，从而使其相关器输出最小。如果||ε(n)||过小，反而会降低收敛速度，增加调整部署。所以，在本系统中，变步长因子||ε(n)||只能由相关器的输出确定。实际中为减小运算量，按式（6）选取：

式中，Cimax为最大相关量，kε＜1 为常数。

由上面的论述可知，相关器的输出先按照式（6）进行变步长运算，最后经计算得出衰减器的衰减系数。

LMS 计算模块作用是实现LMS 算法的迭代运算，即完成：

通过对抽样保持器采出的加权系数进行时延，不断迭代计算出衰减器的加权系数ω(n)。

2.1.4 衰减器

电调衰减器的功能为根据控制器给出的控制电压值对信号幅值进行不同程度的衰减。

2.1.5 合并器

合并器负责I、Q 两路信号与天线接收到的信号的合并，最终输出经抵消后的纯净信号。

2.2 仿真分析

本方案在SystemView5.0 中进行仿真，仿真原理如图5 所示。

图5 自适应干扰抵消系统仿真原理

由图5 可将单通道干扰抵消系统划分为5 个基本模块——宽带裂相器（90°移相器）、相关器、控制器、衰减器、合并器[6]。通过分析如图4 所示的原理，结合现实中的硬件情况，得出了如图5所示的SystemView 仿真原理图。理论上，任意幅度和相位的信号都可以由相互正交的两路信号通过调整幅度和相位实现，类似在直角坐标系中描述不同的点。

取样信号经90°移相后分为相互正交的I 路和Q 路。两路的工作原理相似，所以在此仅就I 路进行分析。仿真的总体思想是通过调整两路相互正交的信号的幅度大小（其中隐含着相位的变化）获得任何幅度和相位的目标信号。由式（8）可以看出，通过调整，α与β、γ与φ2同时改变[7]。仿真的关键是获得衰减器的控制系数。衰减器的控制系数是通过变步长的LMS 算法[8]获得的，步长的大小是相关器的输出函数。

仿真中，针对30～512 MHz 进行干扰抵消仿真测试，均能完成干扰抵消，且抵消比优于40 dB以上。对于自适应干扰抵消系统优劣的判定，通常用干扰抵消比来做量化的判断。

针对30 MHz 信号干扰抵消进行仿真，结果显示经抵消合成的信号在400 μs 后收敛，信号残余幅度为1.5×10-4V。针对512 MHz 信号干扰抵消进行仿真，结果显示经抵消合成的信号在500 μs 后收敛，信号残余幅度为1.3×10-4V。频率为30 MHz、512 MHz 的信号计算干扰抵消比分别为：

3 系统验证实现

干扰抵消设备原理如图6 所示。为了防止干扰设备大功率发射信号对其他设备造成干扰，测试时采用有线方式将干扰耦合到电台有用信号上。通过30 dB 耦合器模拟干扰设备与电台间的隔离度。

图6 干扰对消设备原理

测试验证系统主要由两台无线电台、干扰抵消设备、电子干扰设备以及其他信号控制和分配模块组成。平台模拟一台大功率发射设备与电台安装在同一平台的应用场景。大功率发射设备发射功率为50 W。该设备的发射端口与电台接收端口间的耦合度约为-30 dB。配套设备与演示平台中使用的电台为同一信号，可正常通信。演示系统如图7 所示，验证环境如图8 所示，

图7 演示系统示意

图8 验证环境

窄带和宽带干扰对消演示分别如图9 和图10所示。测试结果表明，在干扰条件下，电台无法正常接收信号。开启干扰抵消设备后，电台可以正常通话，干扰信号被抑制。通过频谱仪显示可以更精确地分析干扰抵消的效果。

图9 窄带干扰对消演示

图10 宽带干扰对消演示

4 结语

本文针对一体化电子平台多无线设备共址工作时产生的干扰问题，对干扰抵消背景、原理、技术路线作了全面阐述，并重点进行仿真分析和样机验证，测试验证了同一平台内大功率宽带发射设备（如干扰机、雷达等）发射的宽带信号（或杂散、谐波等）覆盖了接收设备的工作频率导致接收设备无法正常工作的情况。采用干扰对消设备对频率范围覆盖有用信号的干扰信号，可实现40 dB 以上的对消效果，能够防止接收设备进入阻塞状态以及受到损坏，且在接收信号功率较强时能够保持正常通信。干扰抵消技术可应用于多种复杂通信场合，提升无线设备的抗干扰能力，在一体化军用平台和商用无线环境有着广阔的应用前景。