射频干扰对消技术在通信系统集成中的应用

袁 杰

(中国西南电子技术研究所,成都610036)

1 射频对消技术介绍

1.1 原理简介

射频对消技术的数学原理是矢量的合成叠加。干扰信号可以比拟为直角坐标空间的一个矢量,利用另一个与该矢量有相同信息特征的等幅反相矢量与之合成,从而抵消掉该干扰信号。

如图1所示,干扰信号可以描述为极化图上的矢量A,该信号包含有幅度和相位两方面的信息。矢量B用于对消该干扰信号。当矢量矢量B与矢量A幅度相同、相位相反时,这样合成矢量C才能够趋于零。对消的过程,也就是调节矢量B使其达到与矢量A等幅反向的过程。

图1 矢量合成对消示意图Fig.1 Sketch map of vector synthesis cancellation

1.2 研究模型

根据对消的数学原理,其工程原理模型一般可以表述为图2所示的框图[1-3]。有用信号、干扰信号和经过幅相调整后的采样信号都进入到接收信道中,其中采样信号经过调整后达到与干扰信号等幅反相的效果,实现对干扰信号的消减。对消器的主要部件包括对消效果检测部分、信号控制调整部分和矢量信号幅相调整部分。

图2 射频对消系统框图Fig.2 Block diagram of RF interference cancellation

整个对消器与接收信道组成了一个闭环的负反馈系统,实现了对矢量信号的自适应调整。对消效果检测和矢量信号幅相调整决定了系统的对消能力,信号调整控制对整个系统的状态进行控制。

干扰信号经过对消器的处理后,理想的输出特性如图3所示。当干扰信号幅度较弱时,没有达到抵消开启门限,对消器不运作。当干扰信号幅度逐渐增加,超过抵消开启门限后,对消器发挥作用,将干扰信号进行抵消处理,输出的干扰信号保持在一个可接受的水平上。

图3 抵消效能示意Fig.3 Result of RF cancellation

对消技术尽管有不同的应用场景,但是其中的对消器的构架和在系统中的接入都与图2中的框图类似。在一些场景中也有对消效果检测在前的开环对消技术,但是由于其不具有反馈控制,系统容易发散,在实际应用中应用较少。

1.3 技术研究重点

1.3.1 正交矢量调制技术

在对消技术中,对消的效果关系到对应用场景的能力保障和提升,因此表征对消前后干扰信号幅度比值变化的对消比成为了系统首要的关注指标。

对消器所能实现的对消比由经过幅相调整后的采样信号与干扰信号的合成矢量决定。如图1所示,合成矢量 C的幅度越小,对消效果越好。对于采样的矢量信号,对消器需要对其进行大动态、高精度的360°相位调整和幅度调整难以直接用移相器和衰减器实现。对于矢量调整,在技术上常采用正交矢量调制的方式实现[1,4]。

正交矢量调制把一个矢量分解到正交坐标系的两个坐标轴上,通过调整这两个极轴上矢量的幅度并调整其反相,即可实现信号在坐标空间里的360°相位调整和幅度调整[5]。

按照正交矢量调制的原理,技术实现相对简单,把进入的信号先通过一个90°的正交电桥,分解为相互正交的I路和Q路,再分别对这两路进行0°或180°的移相,以及幅度调整,最后再通过同向功分合成,这样输出的信号就能如图4所示,实现在整个坐标空间的360°相位调整和幅度调整。

图4 正交信号合成示意图Fig.4 Diagram of orthogonal signal synthesis

矢量调整转化为两路正交信号的幅度调整和方向调整,同样地实现高对消比的高精度幅相调整则转化为了对两路正交信号的高精度的幅度调整,因此正交矢量调制器件的研制难度也主要转化到了高精度的幅度控制上。

1.3.2 系统控制

信号调整控制在系统中占有非常重要的作用,它根据反馈回来的对消效果对矢量信号进行幅相调整,在系统中建立起一个负反馈的环路。控制单元根据检测的对消效果持续的对采样信号进行调整,最后达到收敛,实现良好的对消效果。

对反馈环路的控制方式可以采用模拟方式或数字方式。采用模拟方式,需要预先调整好系统的参数,实现可收敛的控制。采用数字控制方式则可以在系统中加入控制算法,并且也更便于后期的应用扩展和工程化应用[3,6-7]。

由于整个对消的环路系统采用的是负反馈环路,系统的稳定性由环路参数决定。文献[6]中对对消的控制算法结构进行了推导,指出了采用开环结构简单,但是需要校准系统,反而导致硬件系统更加复杂;采用闭环控制,通过迭代,逐次逼近系统的最佳权函数则更为简单。文中推导了对消的系统最优控制权值,由于采用正交矢量合成的方法,LMS(最小均方根)算法与对消的系统最优控制环路可以很好地结合起来。

由于LMS算法的这个优势,其在闭环的对消系统控制中得到了广泛的应用[1-3,6,8-9],并且后面还发展出了变步长LMS算法在对消技术的应用研究等。

对消的这些主要技术难点在研究中被一一解决,对消技术也更加成熟,使得对消的工程化应用逐步增多,出现在电子信息系统的多个领域。

2 对消技术在通信系统中的应用

对消技术的应用有多个方面,不仅在电路设计、信号处理中有体现,更重要的是应用到通信系统集成以及信息系统集成中,实现平台的电磁兼容和系统的效能提升。

2.1 实现平台通信系统自兼容

在现有的共场地平台中,常常配置了多条超短波通信链路。由于共平台使用,受到平台尺寸的限制,各条链路的天线间隔短,天线隔离度小,不能满足兼容工作需要的最小隔离度要求。这种情况下超短波接收机会受到同频段工作的超短波发射机的主频或宽带噪声干扰影响,使得接收机饱和或灵敏度降低,不能正常工作,造成系统电磁兼容问题[10-12]。

为解决上述问题,一般采用的方式包括天线布局设计、射频滤波处理等,但对于尺寸较小的移动平台而言,受到平台体积和载重量的影响,天线隔离度和射频滤波器的指标会受到限制,不能完全满足兼容设计要求。

射频干扰对消技术为通信系统电磁兼容提供了一种解决方法。使用射频干扰对消技术后,相当于通过处理减轻了干扰的作用程度,在一定程度上可以解决因平台天线布局、滤波等技术局限所不能解决的问题。

2.1.1 通信系统对消类型

通信系统自兼容方面,重点考虑的干扰问题是本平台发射链路对同一平台的接收链路产生的干扰问题。根据干扰信号与通信信号工作频点的关系,把干扰类型划分为两类,一类是主频干扰,另一类是宽带噪声干扰。

主频干扰是指作为干扰信号的发射频点与正常通信信号工作频点相近,这样在通信信道前端将接收到幅度很强的带外信号,超过接收机可以承受的带外抑制能力和动态范围,从而造成接收机饱和。

宽带噪声干扰是指作为干扰信号的发射频点与正常通信信号工作频点相对较远,但是干扰信号发射产生的带外宽带噪声落入通信链路的接收通带之内,由于干扰信号和通信信号距离较近,因此这种宽带噪声比正常接收信号强度更高,使得有用信号被噪声淹没,影响接收机正常解调。

针对主频干扰和宽带噪声干扰通信系统的射频干扰对消类型分为主频干扰对消和宽带噪声干扰对消。

(1)主频干扰对消

主频干扰对消是指在对消中,采集同平台其他链路的主频干扰信号,经过对消处理后,降低其信号幅度,直至小于接收机阻塞电平后达到避免接收机阻塞的目的。然后利用接收通路的选择性,可以实现正常的接收。

(2)宽带噪声干扰对消

宽带噪声干扰对消是指在对消中,采集通信信号频点及其附近一定带宽的干扰信号,经过对消处理后,降低其信号幅度,从而降低该频点处的干扰信号电平,当干扰信号的幅度小于该频点有用信号的解调门限时,可实现对有用信号的正确解调。

2.1.2 多通路对消

随着信息技术的发展,越来越多的通信手段开始应用,同一平台上可以使用的通信联络手段也越来越多,需要同时工作的通信链路持续增加,因此在系统兼容设计中工作中需要面临多通路系统的相互之间的干扰。作为系统兼容手段的对消系统的设计中也需要面临多通道对消的问题。

多通道对消中,需要重点关注的是多路发射时,对同一个接收天线的干扰。由于不同的发射通路的发射信号彼此没有相关性,因此可以通过对每路发射信号分别设置对消通路的方式实现在单通路上的多路对消。这种方式实现相对简单,但是需要付出增加对消通路的代价。图5给出了一个双发一收的对消效果。由于收发通路均处于同一平台,因此可以比较方便地通过发端耦合的方式实现干扰信号的采样。

图5 双通道对消Fig.5 Diagram of dual channel

2.2 实现与平台信息系统兼容

除了能帮助通信系统内部多条链路实现兼容工作,射频干扰对消技术还可应用于通信系统与其他系统的兼容设计中,提升整个任务系统电磁兼容能力。

在现代电子化战争中,武器平台上都装备了多种功能的电子设备。在综合化的电子平台中,装备有通信、雷达、导航、电子战等多种电子信息系统。尤其对于飞机、舰船和地面移动站点等平台,天线布局受限于环境因素,不得不密集布局,导致系统间天线隔离度不足;同时多种系统均需要同时工作,因此大大加重了彼此干扰程度[10-11]。

与通信系统内部干扰情况类似,干扰模式也主要是主频干扰和带外噪声干扰。但是这种多系统的模式干扰功率更大、干扰信号类型更复杂、组合干扰更多,因此解决起来更加困难。解决这种复杂的系统兼容问题,必须将多种手段综合运用,包括天线设计和布局、射频滤波、抗干扰波形、射频对消、频率规划和管理、闭锁和消隐。其中天线布局设计在保证各系统功能性能的基础上,还要获得尽量大的相互隔离度,以降低发射通路对其他接收机的干扰强度。

射频滤波完成对发射信号的整形处理,在对有用信号影响尽量小的前提下,增大对带外无用信号的衰减,从而减小本地噪声影响。

射频对消起到的作用在于降低滤波器通带范围内干扰信号的强度,使得有用信号能够正常解调。下面介绍3个应用场合。

(1)电子战系统与通信系统——“干中通”

电子战系统和通信系统是信息战争中关键的系统,电子战系统具有大功率宽带干扰能力,而通信系统则要尽量进行隐蔽通信,因此在共平台使用时,电子战的宽带噪声会使得通信系统瘫痪。这是属于宽带信号对窄带接收通路的干扰。合理利用对消技术,有助于降低电子战系统在主干扰频段外的杂散信号对通信系统的影响,实现“干中通”。

(2)通信系统与侦察系统——“通中侦”

侦察系统为只收不发,且为宽带接收,通信系统属于窄带传输系统。通信系统对侦察系统的干扰属于窄带信号对宽带系统的干扰。利用对消技术可以实现对侦察系统接收机前端的保护,避免饱和使得接收效能丧失,实现“通中侦”。

(3)电子战系统与侦察系统——“干中侦”

电子战系统对侦察系统的干扰属于的宽带信号对宽带接收通路的干扰,利用对消技术有助于减轻干扰影响,使得“干中侦”成为可能。

2.3 对消技术的应用平台

(1)特种飞机

在预警机等特种飞机上,装备了雷达、通信、导航、电子战等多种系统的多种电子设备。多种设备同时工作时,发射机的主频和宽带噪声可能会影响同频段的接收设备的灵敏度。干扰对消技术可应用于以下场合,即对消电子战发射宽带噪声对通信接收机和侦察接收机的干扰、对消通信系统发射的主频或宽带噪声对电子系统和侦察系统接收机的干扰、对消邻近通信链路同时收发时,接收通道受到的干扰。

(2)电子战飞机

针对电子战飞机的作战任务需求,对消技术可以在电子战和通信系统同时工作时,对消通信系统接收时收到的电子战宽带噪声的干扰。在美军的电子战飞机EA-18G上,已经有了该技术的工程应用,实现电子战发射和通信接收的兼容。

政策二：4月26日，国家市场监督管理总局发布了《餐饮服务明厨亮灶工作指导意见》。意见提出，鼓励餐饮服务提供者实施明厨亮灶。公开的重点内容包括厨房环境卫生、冷食类食品加工制作、生食类食品加工制作、烹饪和餐饮具清洗消毒（使用洗碗机进行清洗消毒以及提供一次性和集中清洗消毒的餐饮具除外）等。

(3)战斗机

在配置有两条及两条以上超短波通信链路的战斗机上,由于平台布局限制,两条链路同时收发时,接收链路会受到发射链路的主频或宽带干扰,应用对消技术可以改善链路间的电磁兼容。

(4)地面移动站

在地面指挥车、通信车等移动站中,常配备有两条或两条以上的超短波链路。由于平台物理条件限制,链路间隔离度小,极易相互干扰,采用对消技术可以抑制链路间的主频干扰。

(5)大型舰船

在现有的巡洋舰、驱逐舰等大型军舰上,都装备了雷达、电子战、通信等多种电子信息系统。与预警机平台遇到的问题类似,各种电子系统间任然存在着收发之间的干扰问题,对消技术的应用将更加有助于系统的电磁兼容。

需要说明的是,射频对消可以通过主动处理的方式,实现对干扰信号的弱化,虽然有很大的好处,但无法消除干扰信号。同时,射频对消也不能解决所有问题,需要和其他兼容手段结合使用,方能取得最好的效果。

3 国外射频对消产品

国外对干扰对消技术的研究较早进入实用阶段,已广泛应用于其舰船、陆基通信站、指挥通信车和特种飞机等平台的短波和超短波通信系统电磁兼容中。

早在1995年,美国Rockwell公司在跳频通信站中的225400 MHz频段中采用了干扰对消技术,在使用固定天线时可有效抑制干扰。当收发频差达到100 kHz时,就可以形成对干扰信号的抑制效果[13]。在加拿大通用动力公司和美国联合生产的海军远征战车(EFV)中,8条VHF通信链路采用了2套4路对消单元[14],实现可适应SINCGARS跳频模式的收发通信兼容,其方案如图6所示。

图6 EFV采用对消实现的兼容方案Fig.6 Interference cancellation in EFV

ERA公司成功设计并研制了150～175 MHz频段的多通道干扰对消器,并装备于美国海岸防卫站,在达到系统要求性能的同时,可实现对多路干扰信号的对消,并且其后续产品的频段已经扩展到了整个VHF/UHF频段[15]。

在美军的新一代电子战飞机EA-18G[16]上,也应用了对消技术。作为系统能力改进提升的重要部分,机上的射频对消设备INCANS用于在电子战发射时抑制干扰机的宽带噪声,保持同频段通信系统的工作能力,实现了干中通,极大提升了飞机的作战能力。

4 对消技术的未来发展

未来的电子信息系统朝着大动态、宽频段、高灵敏度的方向发展,设备的性能提升和平台中多系统应用给应用其中的对消技术提出了新的技术需求。对消技术作为一种可以通用的电磁兼容防护技术,它的未来发展主要在两方面,一是其自身性能的提升,二是加强在系统电磁兼容中的综合应用。

(1)高精度、大动态对消技术

未来电子设备的高灵敏度给系统电磁兼容提出了更高的需求。若要对消掉设备受到的干扰,对消设备要有更高的对消比,这对对消设备的矢量调制精度和系统动态范围提出了更高要求。高精度射频部件的研制和系统的大动态功能实现是未来对消技术的研究方向。

(2)宽带对消

未来电子设备的使用频率越来越高,作用频率范围更宽,对消设备也要适应应用中的宽频带要求,这需要在对消设备的器件宽频带特性研究和系统应用中的信道宽频带特性实现上做出更多的努力。

(3)频段扩展

现有对消技术的应用多是针对设备和平台电磁兼容出现的问题而进行的一种改进和补偿。目前对消技术在系统中应用主要还是针对通信频段和雷达频段,在未来的电子信息系统设计中,应该把对消技术作为一种系统能力,与系统功能进行综合设计,更好地提升系统效能。随着系统对消需求的增加,将会扩大对消技术的应用频段需求。

5 结束语

射频干扰对消技术作为一种电磁兼容技术手段,在通信系统集成以及电子信息系统集成中得到了广泛的应用和快速的发展。基于射频对消技术设备和产品将在信息系统建设中占据举足轻重的作用。射频干扰对消技术可对消接收机收到的主频干扰和宽带噪声干扰,改善常规技术手段不能完成的系统间电磁兼容,可应用于多种综合化的电子信息平台,是平台电磁兼容设计不可或缺的重要手段,未来将会得到持续不断的发展。

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