宽带干扰信号消除分析*

高 鑫，何方敏，孟 进，李 毅，苟川杰

（海军工程大学 舰船综合电力技术国防科技重点实验室，湖北 武汉 430033）

宽带干扰信号消除分析*

高 鑫，何方敏，孟 进，李 毅，苟川杰

（海军工程大学 舰船综合电力技术国防科技重点实验室，湖北 武汉 430033）

宽带干扰信号在空间信道内的时延和幅度波动较大，使得传统的自适应干扰对消技术难以将其消除。为了分析无法对消的原因，推导了宽带信号对消流程，探讨干扰信号的带宽和时延因素对干扰消除效果的影响，得到了对消效果与这些参数的解析关系，并对对消流程做了仿真分析，仿真结果表明：宽带干扰信号的对消效果与幅度起伏特性、时延起伏特性和带宽有关，幅度起伏特性和时延起伏特性越小、带宽越窄，对消效果越好。

导频信号；干扰对消；仿真；宽带干扰

0　引 言

随着电子技术的飞速发展，越来越多的通讯设备被装备在舰船上。同时，由于舰面空间狭小，各个通讯设备之间并不能从空间上做到严格的隔离，致使电磁干扰越来越严重，严重影响着舰船上的通讯。通信设备间的干扰通常可分为主频干扰和宽带噪声干扰两种。其中，主频干扰是由天线间的隔离度不够以及电子设备的非线性引起的，而宽带噪声干扰主要是由进入信号频带内带外强噪声引起的[1]。噪声功率虽小，但其覆盖接收信道，会恶化信噪比。美国在这一方面研究较早，技术成熟，已经能够有效解决主频干扰和宽带噪声干扰问题[2-4]。国内在该领域起步较晚，西安电子科大和中船重工701所等相关部门也进行了相关研究[5-7]，目前还没有研制出产品的相关报告。海军工程大学从2006年开始对自适应干扰对消装置进行了研究，并已工程化[8]。以上几家都研究主频干扰问题，但在宽带噪

声干扰消除上却鲜有报道。本文探讨影响宽带干扰自适应对消的因素，以期为之后宽带噪声对消的实现打下基础。

1　系统模型

自适应干扰对消的系统框图[5]如图1所示。Xn(t)为天线接收到的干扰信号，Xs(t)为对消之后的误差信号，Xs1(t)和Xs2(t)为参考信号，W1(t)和W2(t)为电调衰减器权值。干扰信号和导频信号通过耦合器进行取样，将取样得到的参考信号通过正交功分器分成两路信号——I路和Q路；然后，经过电调衰减器进行幅度相位调整，使最后通过合成器合成的对消信号与干扰信号等幅反相，而后将通信接收系统接收的干扰信号抵消，达到对消的目的[7]。其中，相关控制环节主要由乘法单元和积分单元实现。

图1　自适应干扰对消系统框

2　宽带干扰信号消除流程分析

以最简单的宽带信号为例，干扰信号为双频信号。对消流程中，只考虑空间造成的时延，不考虑电路内部造成的延时，同时假设干扰信号的时延和幅度与频率成线性关系。定义幅度随频率变化系数α、时延随频率变化参量β和带宽B。

假设原信号为A1cos(ω1t1)+A2cos(ω2t )。

通过线路到达乘法器后，两路参考信号分别为：

通过空间传到乘法器后，干扰信号为：

式中，ω1和ω2分别为干扰信号的频率，AR1和AR2为干扰信号的幅度，AJ1和AJ2为干扰信号的幅度，φ1和2φ为干扰信号的相位，φJ1和φJ2为干扰信号的相位，

参考信号经过电调衰减器后，与干扰信号通过功率合成器，输出的剩余误差信号为：

上式中，AE1、AE2分别为剩余误差的幅度，φE1、φE2分别为剩余误差的相位。

化简得：

式（5）的左边可以转换为：

式（5）的右边可以转换为：

由式（6）和式（7）可得：

要使式（8）在任意时刻恒成立，则：

由式（9）可得：

根据最小均方误差准则，使剩余功率最小，即使Y最小。

可以求得：

由式（11）和式（13）得：

所以权值取式（13）时，Y取最小值。因此，可求得宽带噪声对消输出：

则自适应干扰对消系统噪声的干扰抑制比:

若假设AR1=AR2=m ，则:同时，有：

则有：

3　解析分析

3.1分析一：

假设z为常数且z≥0，由式（21）可知：

又有：

可得y随着带宽解小而增大。

同时由单调性可知：对消比ICR随着y的增大而减小。由此可得，当带宽一定时，幅度变化系数α越小，对消效果越好；带宽B越小，对消效果越好。

3.2分析二：

假设y为常数，则：

在单调周期内，z值越大，对消比越小；带宽B越小，对消效果越好。同时，宽带信号中心频率越小，时延变化参量β越小，对消比越好。

综上所述，宽带干扰信号的对消效果与幅度变化系数α、时延变化参量β和带宽B有关。α越小、β越小、带宽B越窄，宽带噪声中心频率越小，对消效果越好。

4　仿真实例分析

仿真参数采样率为1 000 M。时延变化参量β，带宽B，幅度变化系数α。环境白噪声为-105 dBm。

4.1情况一

设β=1.01 ns/MHz，B=25 kHz，干扰频率为4.03 MHz、4.055 MHz。

当α=5×10-4V/M时，得对消前后的干扰信号频谱图如图2所示。

图2　干扰信号频谱

当α=5×10-6V/M时，得对消前后的干扰信号频谱图如图3所示。

图3　干扰信号频谱

4.2情况二

设α=5×10-6V/M，带宽B=25 kHz，干扰频率为4.03 MHz、4.055 MHz。

当β=1000 ns/M时，得对消前后的干扰信号频谱图如图4所示。

图4　干扰信号频谱

当β=1 ns/M时，得对消前的干扰信号仿真结果和对消后的误差信号，如图5所示。

图5　干扰信号频谱

4.3情况三

当干扰频率为4 MHz和5 MHz时，α=5×10-6V/M，β=1 ns/M，B=1 MHz，得对消前后的干扰信号频谱图如图6所示。

图6　干扰信号频谱

4.4情况四

双频信号频率为20 MHz和21 MHz时，取B=1 MHz, α=5×10-4V/M，β=1000 ns/M，得对消前后的干扰信号频谱图如图7所示。

图7　干扰信号频谱

结果分析：

（1）从4.1节仿真可看出，幅度变化系数α越小，即干扰信号幅度随频率变化越小，对消效果越好。

（2）从4.2节仿真可看出，时延变化参量β越小，即干扰信号时延随频率变化越小，对消效果越好。

（3）结合4.2节仿真和4.3节仿真可看出，宽带信号带宽越小，对消效果越好。

（4）结合4.3节仿真和4.4节仿真可看出，宽带信号中心频率越小，对消效果越好。

综上所述，仿真实例验证了解析解的结果，即宽带干扰信号的对消效果与幅度变化系数α、时延变化参量β、中心频率和带宽B有关，即α越小、β越小、带宽B越窄，中心频率越小，对消效果越好。

5　结 语

本文对双频干扰信号做了分析，得到对消效果与幅度随频率变化系数α、时延随频率变化参量β、中心频率和带宽B四个因素的关系，并通过仿真验证了其正确性，为今后宽带干扰的消除提供借鉴。

[1] 赖鑫.射频干扰对消技术的系统设计与仿真分析[J].电讯技术,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] 郑伟强,杜武林.自适应干扰抵消研究[J].电讯技术,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.射频干扰对消技术在通信系统集成中的应用[J].电讯技术,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] 刘满堂,寻远,刘悦.舰船通信系统电磁兼容性设计技术[J].电讯技术,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，硕士研究生，主要研究方向为自适应干扰对消技术；

何方敏（1982－），男，博士，讲师，主要研究方向为电磁兼容、自适应信号处理；

孟进（1977－），男，研究员，博士研究生导师，主要研究方向为电磁兼容、自适应干扰对消技术、大容量电能变换的EMI抑制技术；

李毅（1977－），男，博士，副研究员，主要研究方向为电磁兼容及射频电路设计；

苟川杰（1992—），男，博士研究生，主要研究方向为自适应干扰对消技术。

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

国家自然科学基金(No. 61201055)