一种解决跳频通信系统EMC 问题的新方法

商贺，谭志良

（军械工程学院 河北 石家庄050003）

一种解决跳频通信系统EMC 问题的新方法

商贺，谭志良

（军械工程学院 河北 石家庄050003）

为了解决跳频通信电台与其他用频设备同时同地使用出现的电磁兼容（EMC）问题，本文将自适应干扰对消技术应用到无线通信系统抗干扰中。首先对自适应对消算法进行了仿真和分析，得到了不同步长LMS算法的收敛曲线与抵消波形，提出了一种变步长LMS算法，并基于simulink中S函数对其进行了建模，验证了该模块的正确性；构建了跳频通信系统模型，得到了通信系统在梳状干扰情况下，LMS对消模块加入前后频谱和误码率的数值，证明了LMS对消模块在解决无线通信系统同址干扰的有效性。

LMS自适应抵消；跳频通信系统；抗干扰；EMC

跳频通信电台[1]是目前我军主要的无线通信装备，为了满足军事通信的需要，在同一个装备中可能需要与多部用频设备同时工作[2]。由于收发天线之间的隔离度不高，电磁兼容问题(EMC)[3]严重影响电台的正常通信。目前解决此问题主要依靠分时、分频工作的方法，给通信电台的使用带来很多不便[4]。自适应低消技术由于不需要信号的先验知识并能不断调整自身参数时刻保持最佳滤波[5]，被广泛应用在生物医学以及声学等领域。文献[6]用自适应技术抵消胎儿心电图中母亲的心音,从而得到纯净的胎儿心音；文献[7]采用自适应抵消技术滤除语音通信时的背景噪声。文中参考自适应抵消技术的上述应用，在通信电台接收机前端引入一自适应抵消模块，解决无线通信系统间的电磁兼容(EMC)问题。

1　LMS 干扰对消原理

自适应对消原理[8]如下图所示，将被干扰的通信信号s+ n0作为对消模块的输入信号，将与干扰信号有较强相关性的信号n1作为参考信号，自适应滤波器在自适应算法的作用下对干扰信号完成最佳估计，然后通过滤波器输出后，通过减法器将干扰信号从输入信号中去除。

图1　对消器模块示意图

2　自适应滤波器原理

FIR横向滤波器[9]如图2，由于它具有全零点滤波器、结构简单、稳定性好等优点，因此广泛应用于自适应滤波器中[10]。

图2　FIR自适应滤波器结构

LMS滤波器的实现步骤如表1：

表1　LMS滤波器的实现步骤

3　LMS算法实现与分析

3.1定步长LMS算法性能分析

自适应算法是实现自适应抵消技术的核心[11]，收敛性和稳定性是表征自适应算法性能的两个重要指标[12]，分别取步长为0.005、0.01和0.05时得到了LMS算法的收敛曲线和噪声对消曲线，如图3所示。

从图3可以看出，步长取不同值时收敛曲线和对消效果有明显差异；当步长取0.005时算法的稳定性比较好，但是收敛需要的迭代次数估计为400次左右，当步长增大到0.05时，虽然收敛次数减小到了几十次，但是稳态性明显变差。总而言之，当步长取较大值时，收敛速度快，但是收敛后稳定性差；当步长取值较小时，能够得到较好的稳定性，但收敛速度慢，定步长LMS算法在收敛速度与稳定性之间存在着矛盾。

图3　定步长LMS自适应算法收敛曲线和对消波形图

3.2变步长LMS模块的构建

为了克服定步长算法稳定性与收敛性之间存在的矛盾，提出一种变步长LMS算法，步长迭代方程如下：

基于MATLAB中的S函数建立了基于上述迭代方程的变步长自适应算法模块，变步长实现模块主程序如下：

然后将被干扰的正弦波作为自适应干扰抵消器的输入，将干扰信号作为抵消器的参考信号，取定步长LMS算法的步长为u=0.005，变步长参数为a=0.6，b=0.025，得到定频情况下，对消前后的波形图。

观察上述波形图可知，经过迭代过程后无论是定步长自适应算法还是变步长自适应算法能够很好的滤除干扰，得到清晰的波形；对比上图中的第三栏和第四栏，可以看出在收敛速度相当的情况下，变步长算法波形要比定步长算法的波形光滑。说明了变步长LMS自适应对消算法在改进算法性能的有效性以及所建立模块的正确性。

图4　定频LMS自适应对消模型

4　跳频通信与干扰模型的构建

基于 simulink建立如下跳频通信系统[13-14]，跳频速率为400 hop/s，采用2FSK调制方式，仿真时间为10 s，信道为5 dB加性高斯白噪声信道，干扰信号采用频率分别为500 Hz，1 kHz，1.5 kHz，2 kHz，2.5 kHz，3 kHz正弦信号组成的梳状干扰[15]（假设跳频频点已知），建立的仿真模型如图所示。

图5　定频LMS自适应对消波形图

图6　跳频通信系统及模型

LMS自适应对消跳频通信仿真：将所建立的干扰抵消模块应用于梳状干扰情况下跳频通信系统中，得到抵消前后跳频通信系统的频谱图如图7。

图7　LMS抵消前后通信系统频谱

从频谱图中可以看出，所建立跳频通信系统模型，有效地拓宽了通信频带，具有较高的抗干扰能力。加入梳状干扰后，在频谱内出现几个明显干扰频谱；经过LMS自适应抵消后梳状干扰的频谱几乎完全消除，通信信号的频谱和抵消前保持一致，说明了梳状干扰得到了抑制。

为了进一步证实抵消模块有效性，在梳状干扰幅度取不同值时，得到我们得到加入LMS自适应对消模块前后的误码率比较。

表2　调制方式为2FSK时自适应对消前后的误码率

通过分析上述数据可知，跳频通信系统具有较强的抗定频干扰能力，但是当多个频点同时存在强干扰时，通信质量仍会受到很大影响；在引入自适应对消模块后，误码率明显提高，甚至可以提高两个数量级以上，明显的改善了跳频通信系统通信质量。

5　结束语

通过文中理论分析与基于Simulink系统级仿真可知，在跳频通信电台接收机前端引入一个自适应干扰抵消模块，将被干扰的通信信号作为输入信号，将其他电台或用频设备发出的信号作为参考信号可以有效解决跳频通信系统在使用时遇到电磁兼容问题。

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A new method to solve the EMC problem of frequency hopping communication system

SHANG He，TAN Zhi-liang
（Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

To solve the EMC of communication radios when they are used in the same time and at the same place；The adaptive cancellation will been applied to the frequency hooping communication.First of all，the adaptive cancellation algorithm is simulated and analyzed，then waveform of different fixed-step and variable-step LMS algorithm and cancellation is shown；A variable-step LMS is introduced and built via the s-function，confirming its validity；Then the model of frequency hopping is built，in the condition that there is comb jamming，getting the error rate and the frequency spectrum before and after applying the LMS adaptive cancellation module，confirming its effect in canceling the co-site interference of communication radios.

LMS；frequency-hopping communication system；interference canceling；EMC

TN975

A

1674－6236（2016）22-0005-04

2016-03-22稿件编号：201603293

国防科技重点实验室基金资助项目(9140C87030413JB34001)

商 贺（1992—），男，河北保定人，硕士研究生。研究方向：电磁防护理论与技术。