射頻干擾對消技術(shù)在通信系統(tǒng)集成中的應(yīng)用

袁 杰

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都610036)

1 射頻對消技術(shù)介紹

1.1 原理簡介

射頻對消技術(shù)的數(shù)學(xué)原理是矢量的合成疊加。干擾信號可以比擬為直角坐標(biāo)空間的一個矢量,利用另一個與該矢量有相同信息特征的等幅反相矢量與之合成,從而抵消掉該干擾信號。

如圖1所示,干擾信號可以描述為極化圖上的矢量A,該信號包含有幅度和相位兩方面的信息。矢量B用于對消該干擾信號。當(dāng)矢量矢量B與矢量A幅度相同、相位相反時,這樣合成矢量C才能夠趨于零。對消的過程,也就是調(diào)節(jié)矢量B使其達(dá)到與矢量A等幅反向的過程。

圖1 矢量合成對消示意圖Fig.1 Sketch map of vector synthesis cancellation

1.2 研究模型

根據(jù)對消的數(shù)學(xué)原理,其工程原理模型一般可以表述為圖2所示的框圖[1-3]。有用信號、干擾信號和經(jīng)過幅相調(diào)整后的采樣信號都進(jìn)入到接收信道中,其中采樣信號經(jīng)過調(diào)整后達(dá)到與干擾信號等幅反相的效果,實現(xiàn)對干擾信號的消減。對消器的主要部件包括對消效果檢測部分、信號控制調(diào)整部分和矢量信號幅相調(diào)整部分。

圖2 射頻對消系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of RF interference cancellation

整個對消器與接收信道組成了一個閉環(huán)的負(fù)反饋系統(tǒng),實現(xiàn)了對矢量信號的自適應(yīng)調(diào)整。對消效果檢測和矢量信號幅相調(diào)整決定了系統(tǒng)的對消能力,信號調(diào)整控制對整個系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行控制。

干擾信號經(jīng)過對消器的處理后,理想的輸出特性如圖3所示。當(dāng)干擾信號幅度較弱時,沒有達(dá)到抵消開啟門限,對消器不運(yùn)作。當(dāng)干擾信號幅度逐漸增加,超過抵消開啟門限后,對消器發(fā)揮作用,將干擾信號進(jìn)行抵消處理,輸出的干擾信號保持在一個可接受的水平上。

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

對消技術(shù)盡管有不同的應(yīng)用場景,但是其中的對消器的構(gòu)架和在系統(tǒng)中的接入都與圖2中的框圖類似。在一些場景中也有對消效果檢測在前的開環(huán)對消技術(shù),但是由于其不具有反饋控制,系統(tǒng)容易發(fā)散,在實際應(yīng)用中應(yīng)用較少。

1.3 技術(shù)研究重點(diǎn)

1.3.1 正交矢量調(diào)制技術(shù)

在對消技術(shù)中,對消的效果關(guān)系到對應(yīng)用場景的能力保障和提升,因此表征對消前后干擾信號幅度比值變化的對消比成為了系統(tǒng)首要的關(guān)注指標(biāo)。

對消器所能實現(xiàn)的對消比由經(jīng)過幅相調(diào)整后的采樣信號與干擾信號的合成矢量決定。如圖1所示,合成矢量 C的幅度越小,對消效果越好。對于采樣的矢量信號,對消器需要對其進(jìn)行大動態(tài)、高精度的360°相位調(diào)整和幅度調(diào)整難以直接用移相器和衰減器實現(xiàn)。對于矢量調(diào)整,在技術(shù)上常采用正交矢量調(diào)制的方式實現(xiàn)[1,4]。

正交矢量調(diào)制把一個矢量分解到正交坐標(biāo)系的兩個坐標(biāo)軸上,通過調(diào)整這兩個極軸上矢量的幅度并調(diào)整其反相,即可實現(xiàn)信號在坐標(biāo)空間里的360°相位調(diào)整和幅度調(diào)整[5]。

按照正交矢量調(diào)制的原理,技術(shù)實現(xiàn)相對簡單,把進(jìn)入的信號先通過一個90°的正交電橋,分解為相互正交的I路和Q路,再分別對這兩路進(jìn)行0°或180°的移相,以及幅度調(diào)整,最后再通過同向功分合成,這樣輸出的信號就能如圖4所示,實現(xiàn)在整個坐標(biāo)空間的360°相位調(diào)整和幅度調(diào)整。

圖4 正交信號合成示意圖Fig.4 Diagram of orthogonal signal synthesis

矢量調(diào)整轉(zhuǎn)化為兩路正交信號的幅度調(diào)整和方向調(diào)整,同樣地實現(xiàn)高對消比的高精度幅相調(diào)整則轉(zhuǎn)化為了對兩路正交信號的高精度的幅度調(diào)整,因此正交矢量調(diào)制器件的研制難度也主要轉(zhuǎn)化到了高精度的幅度控制上。

1.3.2 系統(tǒng)控制

信號調(diào)整控制在系統(tǒng)中占有非常重要的作用,它根據(jù)反饋回來的對消效果對矢量信號進(jìn)行幅相調(diào)整,在系統(tǒng)中建立起一個負(fù)反饋的環(huán)路?？刂茊卧鶕?jù)檢測的對消效果持續(xù)的對采樣信號進(jìn)行調(diào)整,最后達(dá)到收斂,實現(xiàn)良好的對消效果。

對反饋環(huán)路的控制方式可以采用模擬方式或數(shù)字方式。采用模擬方式,需要預(yù)先調(diào)整好系統(tǒng)的參數(shù),實現(xiàn)可收斂的控制。采用數(shù)字控制方式則可以在系統(tǒng)中加入控制算法,并且也更便于后期的應(yīng)用擴(kuò)展和工程化應(yīng)用[3,6-7]。

由于整個對消的環(huán)路系統(tǒng)采用的是負(fù)反饋環(huán)路,系統(tǒng)的穩(wěn)定性由環(huán)路參數(shù)決定。文獻(xiàn)[6]中對對消的控制算法結(jié)構(gòu)進(jìn)行了推導(dǎo),指出了采用開環(huán)結(jié)構(gòu)簡單,但是需要校準(zhǔn)系統(tǒng),反而導(dǎo)致硬件系統(tǒng)更加復(fù)雜;采用閉環(huán)控制,通過迭代,逐次逼近系統(tǒng)的最佳權(quán)函數(shù)則更為簡單。文中推導(dǎo)了對消的系統(tǒng)最優(yōu)控制權(quán)值,由于采用正交矢量合成的方法,LMS(最小均方根)算法與對消的系統(tǒng)最優(yōu)控制環(huán)路可以很好地結(jié)合起來。

由于LMS算法的這個優(yōu)勢,其在閉環(huán)的對消系統(tǒng)控制中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3,6,8-9],并且后面還發(fā)展出了變步長LMS算法在對消技術(shù)的應(yīng)用研究等。

對消的這些主要技術(shù)難點(diǎn)在研究中被一一解決,對消技術(shù)也更加成熟,使得對消的工程化應(yīng)用逐步增多,出現(xiàn)在電子信息系統(tǒng)的多個領(lǐng)域。

2 對消技術(shù)在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

對消技術(shù)的應(yīng)用有多個方面,不僅在電路設(shè)計、信號處理中有體現(xiàn),更重要的是應(yīng)用到通信系統(tǒng)集成以及信息系統(tǒng)集成中,實現(xiàn)平臺的電磁兼容和系統(tǒng)的效能提升。

2.1 實現(xiàn)平臺通信系統(tǒng)自兼容

在現(xiàn)有的共場地平臺中,常常配置了多條超短波通信鏈路。由于共平臺使用,受到平臺尺寸的限制,各條鏈路的天線間隔短,天線隔離度小,不能滿足兼容工作需要的最小隔離度要求。這種情況下超短波接收機(jī)會受到同頻段工作的超短波發(fā)射機(jī)的主頻或?qū)拵г肼暩蓴_影響,使得接收機(jī)飽和或靈敏度降低,不能正常工作,造成系統(tǒng)電磁兼容問題[10-12]。

為解決上述問題,一般采用的方式包括天線布局設(shè)計、射頻濾波處理等,但對于尺寸較小的移動平臺而言,受到平臺體積和載重量的影響,天線隔離度和射頻濾波器的指標(biāo)會受到限制,不能完全滿足兼容設(shè)計要求。

射頻干擾對消技術(shù)為通信系統(tǒng)電磁兼容提供了一種解決方法。使用射頻干擾對消技術(shù)后,相當(dāng)于通過處理減輕了干擾的作用程度,在一定程度上可以解決因平臺天線布局、濾波等技術(shù)局限所不能解決的問題。

2.1.1 通信系統(tǒng)對消類型

通信系統(tǒng)自兼容方面,重點(diǎn)考慮的干擾問題是本平臺發(fā)射鏈路對同一平臺的接收鏈路產(chǎn)生的干擾問題。根據(jù)干擾信號與通信信號工作頻點(diǎn)的關(guān)系,把干擾類型劃分為兩類,一類是主頻干擾,另一類是寬帶噪聲干擾。

主頻干擾是指作為干擾信號的發(fā)射頻點(diǎn)與正常通信信號工作頻點(diǎn)相近,這樣在通信信道前端將接收到幅度很強(qiáng)的帶外信號,超過接收機(jī)可以承受的帶外抑制能力和動態(tài)范圍,從而造成接收機(jī)飽和。

寬帶噪聲干擾是指作為干擾信號的發(fā)射頻點(diǎn)與正常通信信號工作頻點(diǎn)相對較遠(yuǎn),但是干擾信號發(fā)射產(chǎn)生的帶外寬帶噪聲落入通信鏈路的接收通帶之內(nèi),由于干擾信號和通信信號距離較近,因此這種寬帶噪聲比正常接收信號強(qiáng)度更高,使得有用信號被噪聲淹沒,影響接收機(jī)正常解調(diào)。

針對主頻干擾和寬帶噪聲干擾通信系統(tǒng)的射頻干擾對消類型分為主頻干擾對消和寬帶噪聲干擾對消。

(1)主頻干擾對消

主頻干擾對消是指在對消中,采集同平臺其他鏈路的主頻干擾信號,經(jīng)過對消處理后,降低其信號幅度,直至小于接收機(jī)阻塞電平后達(dá)到避免接收機(jī)阻塞的目的。然后利用接收通路的選擇性,可以實現(xiàn)正常的接收。

(2)寬帶噪聲干擾對消

寬帶噪聲干擾對消是指在對消中,采集通信信號頻點(diǎn)及其附近一定帶寬的干擾信號,經(jīng)過對消處理后,降低其信號幅度,從而降低該頻點(diǎn)處的干擾信號電平,當(dāng)干擾信號的幅度小于該頻點(diǎn)有用信號的解調(diào)門限時,可實現(xiàn)對有用信號的正確解調(diào)。

2.1.2 多通路對消

隨著信息技術(shù)的發(fā)展,越來越多的通信手段開始應(yīng)用,同一平臺上可以使用的通信聯(lián)絡(luò)手段也越來越多,需要同時工作的通信鏈路持續(xù)增加,因此在系統(tǒng)兼容設(shè)計中工作中需要面臨多通路系統(tǒng)的相互之間的干擾。作為系統(tǒng)兼容手段的對消系統(tǒng)的設(shè)計中也需要面臨多通道對消的問題。

多通道對消中,需要重點(diǎn)關(guān)注的是多路發(fā)射時,對同一個接收天線的干擾。由于不同的發(fā)射通路的發(fā)射信號彼此沒有相關(guān)性,因此可以通過對每路發(fā)射信號分別設(shè)置對消通路的方式實現(xiàn)在單通路上的多路對消。這種方式實現(xiàn)相對簡單,但是需要付出增加對消通路的代價。圖5給出了一個雙發(fā)一收的對消效果。由于收發(fā)通路均處于同一平臺,因此可以比較方便地通過發(fā)端耦合的方式實現(xiàn)干擾信號的采樣。

圖5 雙通道對消Fig.5 Diagram of dual channel

2.2 實現(xiàn)與平臺信息系統(tǒng)兼容

除了能幫助通信系統(tǒng)內(nèi)部多條鏈路實現(xiàn)兼容工作,射頻干擾對消技術(shù)還可應(yīng)用于通信系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的兼容設(shè)計中,提升整個任務(wù)系統(tǒng)電磁兼容能力。

在現(xiàn)代電子化戰(zhàn)爭中,武器平臺上都裝備了多種功能的電子設(shè)備。在綜合化的電子平臺中,裝備有通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、電子戰(zhàn)等多種電子信息系統(tǒng)。尤其對于飛機(jī)、艦船和地面移動站點(diǎn)等平臺,天線布局受限于環(huán)境因素,不得不密集布局,導(dǎo)致系統(tǒng)間天線隔離度不足;同時多種系統(tǒng)均需要同時工作,因此大大加重了彼此干擾程度[10-11]。

與通信系統(tǒng)內(nèi)部干擾情況類似,干擾模式也主要是主頻干擾和帶外噪聲干擾。但是這種多系統(tǒng)的模式干擾功率更大、干擾信號類型更復(fù)雜、組合干擾更多,因此解決起來更加困難。解決這種復(fù)雜的系統(tǒng)兼容問題,必須將多種手段綜合運(yùn)用,包括天線設(shè)計和布局、射頻濾波、抗干擾波形、射頻對消、頻率規(guī)劃和管理、閉鎖和消隱。其中天線布局設(shè)計在保證各系統(tǒng)功能性能的基礎(chǔ)上,還要獲得盡量大的相互隔離度,以降低發(fā)射通路對其他接收機(jī)的干擾強(qiáng)度。

射頻濾波完成對發(fā)射信號的整形處理,在對有用信號影響盡量小的前提下,增大對帶外無用信號的衰減,從而減小本地噪聲影響。

射頻對消起到的作用在于降低濾波器通帶范圍內(nèi)干擾信號的強(qiáng)度,使得有用信號能夠正常解調(diào)。下面介紹3個應(yīng)用場合。

(1)電子戰(zhàn)系統(tǒng)與通信系統(tǒng)——“干中通”

電子戰(zhàn)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)是信息戰(zhàn)爭中關(guān)鍵的系統(tǒng),電子戰(zhàn)系統(tǒng)具有大功率寬帶干擾能力,而通信系統(tǒng)則要盡量進(jìn)行隱蔽通信,因此在共平臺使用時,電子戰(zhàn)的寬帶噪聲會使得通信系統(tǒng)癱瘓。這是屬于寬帶信號對窄帶接收通路的干擾。合理利用對消技術(shù),有助于降低電子戰(zhàn)系統(tǒng)在主干擾頻段外的雜散信號對通信系統(tǒng)的影響,實現(xiàn)“干中通”。

(2)通信系統(tǒng)與偵察系統(tǒng)——“通中偵”

偵察系統(tǒng)為只收不發(fā),且為寬帶接收,通信系統(tǒng)屬于窄帶傳輸系統(tǒng)。通信系統(tǒng)對偵察系統(tǒng)的干擾屬于窄帶信號對寬帶系統(tǒng)的干擾。利用對消技術(shù)可以實現(xiàn)對偵察系統(tǒng)接收機(jī)前端的保護(hù),避免飽和使得接收效能喪失,實現(xiàn)“通中偵”。

(3)電子戰(zhàn)系統(tǒng)與偵察系統(tǒng)——“干中偵”

電子戰(zhàn)系統(tǒng)對偵察系統(tǒng)的干擾屬于的寬帶信號對寬帶接收通路的干擾,利用對消技術(shù)有助于減輕干擾影響,使得“干中偵”成為可能。

2.3 對消技術(shù)的應(yīng)用平臺

(1)特種飛機(jī)

在預(yù)警機(jī)等特種飛機(jī)上,裝備了雷達(dá)、通信、導(dǎo)航、電子戰(zhàn)等多種系統(tǒng)的多種電子設(shè)備。多種設(shè)備同時工作時,發(fā)射機(jī)的主頻和寬帶噪聲可能會影響同頻段的接收設(shè)備的靈敏度。干擾對消技術(shù)可應(yīng)用于以下場合,即對消電子戰(zhàn)發(fā)射寬帶噪聲對通信接收機(jī)和偵察接收機(jī)的干擾、對消通信系統(tǒng)發(fā)射的主頻或?qū)拵г肼晫﹄娮酉到y(tǒng)和偵察系統(tǒng)接收機(jī)的干擾、對消鄰近通信鏈路同時收發(fā)時,接收通道受到的干擾。

(2)電子戰(zhàn)飛機(jī)

針對電子戰(zhàn)飛機(jī)的作戰(zhàn)任務(wù)需求,對消技術(shù)可以在電子戰(zhàn)和通信系統(tǒng)同時工作時,對消通信系統(tǒng)接收時收到的電子戰(zhàn)寬帶噪聲的干擾。在美軍的電子戰(zhàn)飛機(jī)EA-18G上,已經(jīng)有了該技術(shù)的工程應(yīng)用,實現(xiàn)電子戰(zhàn)發(fā)射和通信接收的兼容。

政策二：4月26日，國家市場監(jiān)督管理總局發(fā)布了《餐飲服務(wù)明廚亮灶工作指導(dǎo)意見》。意見提出，鼓勵餐飲服務(wù)提供者實施明廚亮灶。公開的重點(diǎn)內(nèi)容包括廚房環(huán)境衛(wèi)生、冷食類食品加工制作、生食類食品加工制作、烹飪和餐飲具清洗消毒（使用洗碗機(jī)進(jìn)行清洗消毒以及提供一次性和集中清洗消毒的餐飲具除外）等。

(3)戰(zhàn)斗機(jī)

在配置有兩條及兩條以上超短波通信鏈路的戰(zhàn)斗機(jī)上,由于平臺布局限制,兩條鏈路同時收發(fā)時,接收鏈路會受到發(fā)射鏈路的主頻或?qū)拵Ц蓴_,應(yīng)用對消技術(shù)可以改善鏈路間的電磁兼容。

(4)地面移動站

在地面指揮車、通信車等移動站中,常配備有兩條或兩條以上的超短波鏈路。由于平臺物理條件限制,鏈路間隔離度小,極易相互干擾,采用對消技術(shù)可以抑制鏈路間的主頻干擾。

(5)大型艦船

在現(xiàn)有的巡洋艦、驅(qū)逐艦等大型軍艦上,都裝備了雷達(dá)、電子戰(zhàn)、通信等多種電子信息系統(tǒng)。與預(yù)警機(jī)平臺遇到的問題類似,各種電子系統(tǒng)間任然存在著收發(fā)之間的干擾問題,對消技術(shù)的應(yīng)用將更加有助于系統(tǒng)的電磁兼容。

需要說明的是,射頻對消可以通過主動處理的方式,實現(xiàn)對干擾信號的弱化,雖然有很大的好處,但無法消除干擾信號。同時,射頻對消也不能解決所有問題,需要和其他兼容手段結(jié)合使用,方能取得最好的效果。

3 國外射頻對消產(chǎn)品

國外對干擾對消技術(shù)的研究較早進(jìn)入實用階段,已廣泛應(yīng)用于其艦船、陸基通信站、指揮通信車和特種飛機(jī)等平臺的短波和超短波通信系統(tǒng)電磁兼容中。

早在1995年,美國Rockwell公司在跳頻通信站中的225400 MHz頻段中采用了干擾對消技術(shù),在使用固定天線時可有效抑制干擾。當(dāng)收發(fā)頻差達(dá)到100 kHz時,就可以形成對干擾信號的抑制效果[13]。在加拿大通用動力公司和美國聯(lián)合生產(chǎn)的海軍遠(yuǎn)征戰(zhàn)車(EFV)中,8條VHF通信鏈路采用了2套4路對消單元[14],實現(xiàn)可適應(yīng)SINCGARS跳頻模式的收發(fā)通信兼容,其方案如圖6所示。

圖6 EFV采用對消實現(xiàn)的兼容方案Fig.6 Interference cancellation in EFV

ERA公司成功設(shè)計并研制了150～175 MHz頻段的多通道干擾對消器,并裝備于美國海岸防衛(wèi)站,在達(dá)到系統(tǒng)要求性能的同時,可實現(xiàn)對多路干擾信號的對消,并且其后續(xù)產(chǎn)品的頻段已經(jīng)擴(kuò)展到了整個VHF/UHF頻段[15]。

在美軍的新一代電子戰(zhàn)飛機(jī)EA-18G[16]上,也應(yīng)用了對消技術(shù)。作為系統(tǒng)能力改進(jìn)提升的重要部分,機(jī)上的射頻對消設(shè)備INCANS用于在電子戰(zhàn)發(fā)射時抑制干擾機(jī)的寬帶噪聲,保持同頻段通信系統(tǒng)的工作能力,實現(xiàn)了干中通,極大提升了飛機(jī)的作戰(zhàn)能力。

4 對消技術(shù)的未來發(fā)展

未來的電子信息系統(tǒng)朝著大動態(tài)、寬頻段、高靈敏度的方向發(fā)展,設(shè)備的性能提升和平臺中多系統(tǒng)應(yīng)用給應(yīng)用其中的對消技術(shù)提出了新的技術(shù)需求。對消技術(shù)作為一種可以通用的電磁兼容防護(hù)技術(shù),它的未來發(fā)展主要在兩方面,一是其自身性能的提升,二是加強(qiáng)在系統(tǒng)電磁兼容中的綜合應(yīng)用。

(1)高精度、大動態(tài)對消技術(shù)

未來電子設(shè)備的高靈敏度給系統(tǒng)電磁兼容提出了更高的需求。若要對消掉設(shè)備受到的干擾,對消設(shè)備要有更高的對消比,這對對消設(shè)備的矢量調(diào)制精度和系統(tǒng)動態(tài)范圍提出了更高要求。高精度射頻部件的研制和系統(tǒng)的大動態(tài)功能實現(xiàn)是未來對消技術(shù)的研究方向。

(2)寬帶對消

未來電子設(shè)備的使用頻率越來越高,作用頻率范圍更寬,對消設(shè)備也要適應(yīng)應(yīng)用中的寬頻帶要求,這需要在對消設(shè)備的器件寬頻帶特性研究和系統(tǒng)應(yīng)用中的信道寬頻帶特性實現(xiàn)上做出更多的努力。

(3)頻段擴(kuò)展

現(xiàn)有對消技術(shù)的應(yīng)用多是針對設(shè)備和平臺電磁兼容出現(xiàn)的問題而進(jìn)行的一種改進(jìn)和補(bǔ)償。目前對消技術(shù)在系統(tǒng)中應(yīng)用主要還是針對通信頻段和雷達(dá)頻段,在未來的電子信息系統(tǒng)設(shè)計中,應(yīng)該把對消技術(shù)作為一種系統(tǒng)能力,與系統(tǒng)功能進(jìn)行綜合設(shè)計,更好地提升系統(tǒng)效能。隨著系統(tǒng)對消需求的增加,將會擴(kuò)大對消技術(shù)的應(yīng)用頻段需求。

5 結(jié)束語

射頻干擾對消技術(shù)作為一種電磁兼容技術(shù)手段,在通信系統(tǒng)集成以及電子信息系統(tǒng)集成中得到了廣泛的應(yīng)用和快速的發(fā)展?；谏漕l對消技術(shù)設(shè)備和產(chǎn)品將在信息系統(tǒng)建設(shè)中占據(jù)舉足輕重的作用。射頻干擾對消技術(shù)可對消接收機(jī)收到的主頻干擾和寬帶噪聲干擾,改善常規(guī)技術(shù)手段不能完成的系統(tǒng)間電磁兼容,可應(yīng)用于多種綜合化的電子信息平臺,是平臺電磁兼容設(shè)計不可或缺的重要手段,未來將會得到持續(xù)不斷的發(fā)展。

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