电子信息系统中干扰对消技术的发展与应用*

2017-01-03王慧

电讯技术 2016年12期

关键词：干扰信号滤波器信息系统

王慧

(国家计算机网络与信息安全管理中心，北京 100029)

电子信息系统中干扰对消技术的发展与应用*

王慧**

(国家计算机网络与信息安全管理中心，北京 100029)

作为大型电子信息系统电磁兼容设计中的一种重要技术手段，干扰对消技术具有自相关性强、频谱利用高等技术特点。分析了干扰对消技术的正交信号合成和多时延信号合成两种技术实现形式，总结了其在现代电子信息系统、通信、雷达、电子战等领域中的应用情况，提出了其未来的发展思路和方向，包括模块化和集成化、宽带高性能对消技术以及综合化应用，以供该领域技术人员参考。

电子信息系统；干扰对消；电磁兼容设计；发展与应用

1 引言

现代军用电子信息系统已经由早期的各个独立功能子系统发展成了当前的集成雷达、通信、电子战、侦察等多个传感器功能的综合化电子信息系统。装备于飞机和舰船上的综合电子信息系统不仅扩展了平台在信息化作战中的综合作用能力范围，同时也对系统集成技术，尤其是系统电磁兼容技术提出了新的要求。

早期的电子信息平台受限于电子技术水平与平台能力，系统中装备的无线电系统和设备较少，一般采用天线布局和滤波器技术作为技术手段，实现多个无线电设备的兼容工作。得益于航空载机和舰船等平台的发展和电子技术的巨大进步，现代电子信息系统的发展呈现出设备作用范围扩大、频段综合利用率提升、接收机灵敏度动态范围提高等技术特点，这使得接收机同平台共址兼容成为系统电磁兼容设计中的重点。

尽管滤波器技术也从早期的腔体形式、微带形式发展到现在的交叉耦合滤波器设计、低温共烧陶瓷技术(Low-Temperature Cofired Ceramics,LTCC)、微机电技术(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)，滤波器的带外抑制能力更高，但是其对接收机工作频带内收到的同频带干扰不能形成抑制，而该带内干扰问题可以用干扰对消技术来解决。对消技术通过对干扰信号进行采样调整，再与干扰信号进行合成对消，因此，其对干扰信号具有很强的相关性，在频率间隔小或者接收机带内干扰抑制等滤波器所不能发挥抑制作用的场景，对消技术也可以有效实现对信号的抑制[1-3]。

干扰对消技术可以更加有效地抑制进入接收机滤波器通带中的干扰信号。由于具有“选择性”的特点，射频干扰对消技术在近几十年内得到了长足的发展，从在固定的通信站中的应用发展到在航空和舰船平台应用。对消技术与天线布局、滤波器技术等综合应用，在现代电子信息系统的电磁兼容设计中发挥着更加重要的作用。

本文介绍了干扰对消技术的研究现状，总结了其在电子信息系统中的应用情况，最后提出了未来的研究发展方向，可供该领域技术人员参考。

2 干扰对消技术研究现状

干扰对消技术用于射频干扰抑制的技术思想在20世纪30年代左右出现，德国物理学家 Paul Leug明确阐述了利用声波的相消干涉来消除噪声的原理：通过人为引入一定数量的噪声源(次级声源)，并调节使它们与原来的噪声源(初级声源)的幅值相等，相位相反，两者叠加抵消，最终达到消减噪声的目的[3]。由于干扰对消的技术特点，其在射频上的应用和发展受到了广泛的关注。

射频干扰对消技术最初的发展思想是构建一个与干扰信号幅度相同、相位相反的射频信号，并与干扰信号合成，从而对干扰信号形成抵消效果。对消技术由于其原理简单，便于用多种技术形式实现，干扰信号的正交合成技术即是最开始的技术实现形式。

以正弦波信号为例，如图1所示，不考虑其时间变化，其可以描述为极化图上的一个固定矢量信号A。矢量信号B是该信号的等幅反向信号，用于对消该干扰信号，使得两者的合成矢量信号为零。矢量B是由一对同样存在于坐标系中的正交矢量T和T′通过幅度调整和相位调整最后合成而得。对消的执行过程，也就是不断调节矢量T和T′，使得矢量B达到与矢量A等幅反向的过程[1,4-6]。

图1 正交合成的原理模型

Fig.1 Schematic diagram of orthogonal combination

在系统电磁兼容中，共址干扰和干扰对消抑制的典型应用模型框图如图2所示。干扰信号一般通过天线耦合进入接收机信道中，通过对干扰信号进行采样，并且进行信号调整，通过参考通道与耦合通道的干扰信号进行对消抑制，从而在接收机端消除干扰。注意到，对消合成后的信号有个检测通道，实现对对消效果的评估，以及作为信号调整的输入信号。

图2 对消的工程应用典型原理模型

Fig.2 Schematic diagram of cancellation applicaiton

对于采用正交合成技术形式的干扰对消，图2中的信号调整单元中即是采用的正交合成的技术形式。如图3所示，正交合成即是把采样的干扰信号分解为两个独立的正交信号，再通过对两路正交信号分别进行幅度调整和相位的0/π移相，从而在正交坐标系中实现对信号幅度的任意调整和整个坐标系360°的任意相位调整[7-10]。

图3 正交信号合成示意图[8]

Fig.3 Schematic diagram of orthogonal signal combination[8]

图3所示，通过对I轴和Q轴上的信号进行幅度调整和正反向调整，实现了信号在如图所示的整个坐标系圆内的任意调整。该种技术形式中只有对信号的0/π两种相位控制方式，避免了工程中难以实现的360°范围内精度非常苛刻的移相调整。

正是由于工程上的这些技术特点，正交信号合成的干扰对消方式在实际中得到了广泛的应用，从1968年美国空军的罗马航空发展中心(Rome Air Development Center,RADC)委托有关单位研究解决干扰对消问题开始，到后续2000年左右英国的ERA Technology等公司研制了多种应用常见的大量射频干扰对消设备这一段期间，射频干扰对消中所采用的技术形式基本上都是正交合成对消的形式[5-7,10-14]。在这段期间，关于正交合成的模块化和芯片化设计都有了快速发展，后续相继研制了小型化和多通道设备，同时对于系统的自适应稳定控制研究也相当成熟。正交合成的对消技术得到了广泛的应用。

正交合成是构建等幅反向信号的一种技术形式，另一种广泛应用的技术形式是在近十几年内发展起来的采用自适应滤波思想的多时延信号合成技术形式。

如图4所示，在自适应滤波器中，对输入信号X(k)进行不同的单位时间延迟，对延迟后的每个信号乘以对应的控制系数Wn(K)，最后合成信号Y(k)。通过自适应滤波器算法调节不同的权值，最后使得输入信号合成的信号Y(k)与期望信号D(k)之间的差值E(k)趋于零。

图4 自适应滤波器[15]

Fig.4 Adaptive filter[15]

利用自适应滤波的思想，用多个原始信号不同时延分量的信号进行合成，利用自适应滤波算法控制各个合成信号的权值大小，最后实现对原始信号的合成重建，用于实现合成对消[16]。典型的多时延信号合成框图和信号波形合成示意图分别如图5和图6所示。

图5 多时延信号合成[16]

Fig.5 Combination of signals with different delay[16]

图6 信号分量合成的波形示意[16]

Fig.6 Schematic diagram of signal combination[16]

该种方式的信号合成的表达式为

y=a(1)f(t-nΔt)+a(2)f(t-(n-1)Δt)+ …+a(2n-1)f(t+(n-1)Δt)+a(2n)f(t+nΔt)。

(1)

式中：f(t-nΔt)等参量表示原始信号在不同时间点的采样；a(1)等参数表示这些不同时间点信号的权值。最后，所有这些信号合成信号y，并且通过自适应滤波算法不断去逼近期望信号，也即是原信号。同时要注意，合成表达式中是不包括原始信号分量的。该种技术方案中，也是仅需要对每个信号的幅度和正反向进行调整。一些国内外的学者和研究机构把该种技术形式应用到现在热门的同时同频全双工技术的研究中，同时实现射频域上和数字域上的信号对消[16-20]。

上面讲到的两种技术形式中，尽管一种是对信号进行正交合成，另一种是采用自适应滤波器的思想，利用不同时延的原始信号进行合成，但总的来说两种技术形式都是利用与原信号具有相关性的一组非相关信号进行线性组合，形成期望信号。对消技术从最早的提出到现在应用，用于构建干扰信号的等幅反向信号的方法都是基于上述两种技术形式。在硬件实现上，随着电子技术的不断进步，最早用二极管搭建的衰减电路网络，现在也可以用芯片实现，同时实现了更加灵活的数字控制。

对消技术的控制算法一直都采用比较经典的最小均方(Least Mean Square，LMS)算法或者递推最小二乘(Recursive Least Square，RLS)法自适应滤波算法。不难看出，上面的两种技术形式都与自适应滤波中的信号合成形式类似，不论是正交信号还是时延信号都可以看成自适应滤波中的信号分量，那么整个对消系统的控制权值的调整过程即是一个自适应滤波器的权值迭代计算过程。一般在系统中采用LMS算法的居多，但是在一些具有局部最小值的情况中，多采用RLS算法。在自适应对消技术的发展中，自适应滤波算法被不断改进并且作为一种主要的控制算法广泛用于对消的负反馈控制，用于实现稳定快速的自适应对消[17-19,21]。

3 对消技术在电子信息系统中的应用

由于对消技术具有信号相关性，并且可以实现对接收机滤波器通带内的干扰信号的抑制，因此，对消技术在一些使用场景中可以替代滤波器进行使用。同时，在大型电子信息系统的系统电磁兼容设计中，可把对消技术与天线布局和滤波器技术一起作为系统的电磁兼容解决手段进行综合应用，提升系统的实际工作性能，因此，对消技术在电子信息系统中的通信、雷达等多个技术领域有着重要的应用。

3.1 应用于多种雷达系统电磁兼容

对消技术在雷达上的应用，最典型的应用是收发环路间的泄露信号对消[6,11,22]。除此之外，还广泛应用在无源探测雷达的直达波干扰对消和雷达系统中的旁瓣对消。

如图7所示，在单天线的连续波雷达中，收发环路之间的隔离一般采用环形器，但是环形器的端口间隔离度一般，发射信号泄露会引起接收性能下降。采用对消技术，可以对泄露信号进行抑制，提升接收机的性能。这个应用也是对消技术在雷达上的一个典型应用。

图7 典型的雷达泄露对消框图[22]

Fig.7 Typical schematic diagram of radar leakage cancellation[22]

雷达天线一般都采用相控阵天线，其具有低副瓣特性，但是有强信号通过副瓣进入接收机后，仍然会干扰接收机的正常接收，影响有用信号的正常接收解析。针对这种情况，一种常用的工程方法是在雷达系统的相控阵天线附近装备辅助接收天线，当存在有意干扰的时候，调节辅助天线接收的信号，实现对天线旁瓣接收方向的干扰信号的抑制[23]。

对消技术在雷达中的另一个典型应用是无源探测雷达中的直达波和多径信号等的干扰对消。无源探测雷达系统本身不发射电磁波信号而只用外辐射源信号进行目标探测和跟踪，这种采用被动方式工作的无源探测雷达具有可寂静探测、隐蔽性好、反隐身、抗干扰能力强、低空探测性能优良的特点，但是其应用中也存在着直达波干扰和多径干扰等情况。该种雷达一般利用广播等信号做为探测，一般情况下其探测到物体后，再返回接收天线的信号强度一般小于直达波的信号强度，对探测信号的正常接收和处理会受到影响，因此，在该类雷达的旁边一般会配备一个参考天线，对接收下来的直达波信号和多径信号进行抑制，提高有用信号的正常接收和解析能力[24]。在如图8所示的美军“沉默哨兵”雷达中也采用了对消技术消除直达波信号等的影响。

图8 沉默哨兵雷达[25]

Fig.8 Silent sentinel radar[25]

3.2 应用于通信系统的电磁兼容设计

对消技术最早在工程方面的应用即是在通信上的应用。国外的早期研究可追溯到越南战争时期，由于当时的通信业务繁忙，经常使得整个通信频段异常拥挤，面临严重的发射机邻道干扰问题。因此，RADC委托有关单位研究解决该问题，最后在1968年研制出具有自动相位微调的开环干扰抵消系统。该系统在300 MHz的载频上，实现了对邻道干扰的抑制。这一应用也促进了对消技术的发展。工程化的正交调制信号合成技术的出现，改进的闭环控制系统实验成功，使得干扰对消技术在通信系统中的应用进入了实用化阶段。

在加拿大通用动力公司和美国联合生产的海军远征战车中，有8条VHF通信链路，由于天线间隔离度不足，在系统中采用了2套4路的对消单元，用于抑制收发通道间耦合的干扰信号。同时，该系统还可适应电台的跳频工作模式[23]。

美国的ZEGER ABRAMS公司也成功研制了可用于平台通信系统共址兼容的干扰对消系统，该系统由4路对消单元组成，适应美军超短波电台跳频模式，最大可实现60 dB的对消性能，已经在美军的指挥装甲车上实装应用。产品实物如图9所示。

图9 ZEGER ABRAMS公司的4路对消产品 [24]

Fig.9 Four paths cancellation product of ZEGER ABRAMS[24]

英国ERA公司研制了多种对消产品，包括小型化对消产品和多通道的对消产品。图10为其研制的小型化设备，图11为其在2006年为美国的海岸警卫队设计并制造的150～175 MHz频段的8通道干扰抵消器。据介绍[14]，ERA公司生产的抵消器可在8通道同时工作时实现40 dB抵消比，当干扰信号与有用信号相隔250 Hz时，有用信号只衰减3 dB。该种应用极大地提高了频率资源紧张时的频率利用率。同时，该公司还在积极研发专用的信号调整芯片和控制芯片。

图10 ERA公司的小型化对消产品

Fig.10 Minimized cancellation product of ERA

图11 ERA的8通道对消器[14]

Fig.11 Eight paths cancellation product of ERA[14]

使干扰对消技术更加受到关注的一个应用是其在美军最新的电子战飞机EA-18G中的应用。EA-18G“咆哮者”是波音公司研制的新一代电子攻击机，美国防部从2008年开始,用该飞机逐步替代EA-6B“徘徊者”。EA-6B在使用中的一个严重问题就是自身的电子战系统工作时，相同频段的通信系统会受到干扰导致通信功能无法正常使用。针对这一情况，波音公司在EA-18G上研制开发了干扰对消系统(Interference Cancellation System,INCANS)。在飞机的ALQ-99战术干扰吊舱实施任务干扰的同时，通过INCANS系统抑制天线耦合的电子战干扰，使得UHF通信系统此时仍然具备通信能力。干扰对消系统能使EA-18G在实施干扰的同时仍然保持与友军的正常通信，这正是EA-18G成为下一代干扰机的关键因素之一，是干扰对消技术在机载平台应用的典范[26]。

3.3 应用于全双工移动通信

从第三代移动通信开始，现代移动通信技术迅速发展，数据通信业务发展尤其迅速。移动通信数据业务量的大量增加，给现有的移动通信频率规划带来了频率资源紧张等问题。在现有移动通信频率规划不变的情况下，如何提高频率利用率是移动通信的一个研究重点。在1997年的一份国外专利中指出，采用射频干扰抑制技术结合数字干扰抑制技术进行自干扰抑制，可以实现同时同频收发信号的同时同频全双工通信。该专利中利用了对消技术中的干扰抑制具有相关性这一特点，在接收端对耦合过来的同一频率发射信号进行抑制，实现了比现有全双工通信系统更好的频率利用率。该专利出现后，国外[16-18]和国内[19-20]的诸多学者和研究团队开展了该技术的深入研究。同时，同频全双工技术取得了快速发展，并且在WiFi和LTE等通信系统中得到了实验性应用验证。

目前，全双工技术已经成为无线通信领域的研究热点。国内外多所大学的学者们都在积极地跟踪这一技术，关于应用于其中的对消技术的研究也更加深入。相信随着研究的深入，高性能、小型化的对消技术和设备都将出现，并且在移动通信中发挥巨大的作用。

3.4 应用于系统电磁兼容设计

现代电子信息系统与几十年前相比，功能集成化、综合化。在任务执行中，多个传感器系统要保持态势感知能力，系统的电磁兼容设计是一项无法跨过的工作。尤其是在特种飞机或者大型舰船上，同时装备有通信、雷达、导航、电子战等多种电子信息系统，多系统同时工作会造成整个平台内的电磁环境恶化，系统内高灵敏度的收信机会受到其他发射机的主频信号和宽带噪声的影响，造成接收机阻塞或者降灵，因此，在系统兼容设计中，需要采用专用的手段来提高系统间的电磁兼容性[27]。

如前所述的通信、雷达等系统中出现的兼容工作问题，在平台中多个工作频段重合的系统同时工作时，接收机会面临更为严重的电磁兼容问题。为了提高收发信道间的隔离，需要应用到多种电磁兼容技术手段：从发射信道进行设计出发，先利用天线布局提高系统的隔离度，再利用发射滤波器和接收滤波器分别抑制带外发射和带外干扰接收，在抑制不足的情况下，采用对消技术进行通带内的干扰抑制。未来的大型电子系统的电磁兼容设计会发展成为以系统兼容工作指标为目标，综合应用多种电磁兼容专项技术手段进行收发信道的兼容工作设计的电磁兼容设计模式。这也是促进对消技术进一步发展的方向。

4 对消技术的未来研究方向

干扰对消技术由于是对干扰信号进行采样对消，因此，其与干扰信号具有非常强的自相关性，正如文献中所提到的，对干扰信号进行抑制时，对有用信号基本上不产生影响。鉴于其技术特点，对消技术后续的研究发展趋势如下：

(1)模块化和集成化

微电子技术的发展使得以往的功能电路逐渐被芯片取代。器件的规模在不断减小，但是其所实现的功能却逐渐增强。目前已经出现了对消设备中的正交信号调制功能芯片化的趋势，可以相信，未来的残差抑制检测、自适应控制等功能也会逐渐芯片化或者功能电路小型化，从而使得整个对消功能可以模块化和集成化，推进其在更多场景中的应用。

(2)宽带高性能对消技术研究

在现有的诸多文献和报道中，实现的对消比一般平均为40～50 dB，但是系统所实现的对消带宽一般不超过3%。在未来以移动通信为代表的电子信息系统中，同时同频全双工的需求使得宽带对消必须工程实用。研究如何采用技术手段拓展对消带宽，并且稳定地实现高对消比的性能是未来对消技术研究的一个方向。

(3)综合化应用

未来的电子信息系统一定是集成化、综合化、紧耦合的状态。对消技术作为一种可应用于系统电磁兼容的专项技术，如何将其与其他电磁兼容手段融合，最大化地发挥各自的效能，综合应用于系统电磁兼容设计，提升系统平台的作战能力，是未来系统电磁兼容设计中应关注的重点方向。

5 结束语

对消技术作为一项系统电磁兼容专项技术，经过几十年的发展，已经广泛应用在通信、雷达等多个技术领域。随着相关电子技术和信号处理技术的进步，未来的对消技术发展将逐步向集成化和小型化方向发展，并且会在模拟领域和数字领域综合成熟应用。对消技术不仅可以单独解决一些系统电磁兼容问题，还可以与其他电磁兼容专项技术综合应用于大型电子信息系统电磁兼容设计，更大程度地提升系统的频率资源利用率和系统效能。

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WANG Hui was born in Beijing,in 1986. She received the M.S. degree in Purdue University，USA,in 2009. She is now an engineer.Her research concerns information security.

Email:76601510@qq.com

Development and Applications of Interference Cancellation Technology for Electronic Information Systems

WANG Hui

(National Computer Network and Information Security Management Center,Beijing 100029,China)

As an important technological means in electromagnetic compatibility(EMC) design of electronic information system(EIS),interference cancellation technology is characterized by high spectrum efficiency and strong signal autocorrelation.This paper analyzes both the orthogonal signal combination and multi-delay signal combination forms of interference cancellation technology,summarizes its the applications in EIS,communication and radar,and presents its developing directions,including modularization and integration,wideband high performance cancellation technology and comprehensive application,in hope of providing reference for those engaged in this field.

electronic information system；interference cancellation；electromagnetic compatibility design;development and application

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.12.019

王慧.电子信息系统中干扰对消技术的发展与应用[J].电讯技术，2016,56(12):1409-1416.[WANG Hui.Development and applications of interference cancellation technology for electronic information systems[J].Telecommunication Engineering,2016,56(12):1409-1416.]

2016-07-15；

2016-11-24 Received date:2016-07-15；Revised date：2016-11-24

TN97

1001-893X(2016)12-1409-08