衰減器誤差對射頻干擾對消系統(tǒng)的影響

劉建成 全厚德 袁丁 李召瑞 孫慧賢

伴隨現(xiàn)代戰(zhàn)爭信息化速度加快,制信息權(quán)已成為決定戰(zhàn)爭成敗的關(guān)鍵[1].戰(zhàn)場各級指揮控制系統(tǒng)的發(fā)展也因此得到了快速的發(fā)展,但這導(dǎo)致大量電子設(shè)備裝備于同一指揮系統(tǒng),設(shè)備間存在嚴重的相互干擾,使得戰(zhàn)場電磁環(huán)境日益復(fù)雜[2].比如,同一輛通信指揮車上通常裝備有多部短波和超短波電臺,即使在頻分情況下這些電臺若同時工作也將存在嚴重的相互干擾,嚴重時不能夠正常通信.其原因有兩個方面,一是相鄰電臺發(fā)射功率過大,造成輻射的電磁波在接收機天線處產(chǎn)生很強的干擾電壓,超出了接收機的動態(tài)范圍,阻塞接收機;另一方面,是在收發(fā)電臺工作頻率間隔不足夠大時,發(fā)送電臺信號的帶外頻譜拓延落入接收通道,對接收電臺造成很強的干擾.

針對上述電臺互擾問題,國內(nèi)外都進行了深入的研究,相關(guān)成果也在實際設(shè)備中得到了應(yīng)用[3?6].20世紀70年代末美國的Samuel J.Harris和Stephen J.Rosasco提出了利用相位微調(diào)器與正交矢量合成相結(jié)合的閉環(huán)干擾和噪聲對消系統(tǒng),在干擾信號功率為幾十瓦量級時,能夠?qū)崿F(xiàn)40dB以上的對消比[4],但該系統(tǒng)未能實現(xiàn)對關(guān)鍵器件移相器和電調(diào)衰減器的自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法,系統(tǒng)收斂時間長[4],無法滿足現(xiàn)役VHF電臺的需求.文獻[5]中進一步提出了一種寬頻帶ICS(Interference Cancellation System),工作波段為225MHz～400MHz.該系統(tǒng)采用發(fā)射導(dǎo)頻的雙環(huán)自適應(yīng)對消模式,可在fc±85kHz范圍得到大于50dB的干擾對消比,不過該系統(tǒng)同樣受其關(guān)鍵器件性能的制約.文獻[6]針對同車電臺互擾抑制問題,提出了結(jié)合天線耦合分析的射頻互擾對消方案,一定程度上提高了對消系統(tǒng)的收斂速度,但并未進一步分析移相器和衰減器等關(guān)鍵器件對系統(tǒng)性能的影響.

除此之外,近幾年射頻干擾對消被廣泛應(yīng)用于民用的同時同頻全雙工系統(tǒng).文獻[7?8]采用了與文獻[12]相近的對消方案,利用噪聲消除芯片(型號:QHx220)實現(xiàn)了基于最速下降法的正交兩路幅度增益的反饋控制,通過幅度調(diào)節(jié)合成信號的相位完成最終的自干擾信號對消,但該文獻中并未給出噪聲消除芯片參數(shù)影響對消性能的定量分析.文獻[9]初步分析了同時同頻全雙工通信中器件誤差引起的幅度和相位誤差對最終對消性能的影響.文獻[10]較為詳細地分析了射頻域自適應(yīng)干擾對消方法的收斂速度和穩(wěn)態(tài)性能,并通過不同參數(shù)的實驗驗證了其性能.文獻[11]分析了OFDM 全雙工系統(tǒng)中本振相位誤差對系統(tǒng)性能的影響,文獻[12]針對射頻干擾對消系統(tǒng)中時延誤差,提出了利用多路時延合并的對消方案.不過,文獻[7?12]并未分析射頻干擾對消系統(tǒng)中關(guān)鍵的衰減器件響應(yīng)時間和精度誤差對系統(tǒng)收斂時間和對消比的影響,沒有能夠給出器件誤差與收斂時間和對消比之間的閉合表達式.

為此,論文從實際工程實現(xiàn)的角度出發(fā),進一步分析了射頻干擾對消系統(tǒng)中關(guān)鍵器件性能參數(shù)對系統(tǒng)的影響.收斂速度和對消比是射頻干擾對消系統(tǒng)的兩個重要性能指標,論文分析推導(dǎo)出了信號延時器和幅度衰減器等器件固有誤差,與系統(tǒng)收斂時間以及對消比間的閉合關(guān)系式.通過仿真驗證了理論推導(dǎo)結(jié)果的正確性,表明衰減器響應(yīng)時間為30μs時,系統(tǒng)達到收斂狀態(tài)所需時間約為300μs,衰減器精度誤差的標準差為0.001時,系統(tǒng)對消比約為65dB.

本文后續(xù)內(nèi)容安排如下:第1節(jié)首先分析了現(xiàn)有射頻干擾對消模型及其原理;第2節(jié)分析了器件精度導(dǎo)致的誤差對射頻干擾對消系統(tǒng)收斂速度和對消比的影響,推導(dǎo)出了它們之間的閉合關(guān)系式;第3節(jié)通過計算機仿真驗證了論文推導(dǎo)關(guān)系式的正確性;最后對論文進行了總結(jié)展望.

1 射頻干擾對消原理

實現(xiàn)收發(fā)頻率相近的同車電臺同時工作,射頻干擾對消是必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié),該過程是以發(fā)射電臺天線耦合器輸入信號為參考,通過調(diào)整其相位和幅度,在接收電臺天線耦合器與射頻通道之間有效對消接收到的互擾信號.

不失一般性,以一發(fā)一收兩部電臺為例,射頻干擾對消裝置與兩部同時工作電臺構(gòu)成的系統(tǒng)如圖1所示[1?2].可見射頻干擾對消系統(tǒng)的關(guān)鍵在于如何利用輸入至發(fā)射天線的射頻信號sRF(t),無失真地構(gòu)建出接收信號r(t)中的自干擾成分sI(t),進而反相合并.圖中將發(fā)射天線耦合器至接收天線耦合器的傳播空間及二者連接線等效為發(fā)送信號sRF(t)通過的信道h(t),考慮實際系統(tǒng)的因果性,有:

則接收通道的信號r(t)可表示為:

其中,ε(t)表示系統(tǒng)中的加性高斯白噪聲.

圖1 射頻干擾對消系統(tǒng)框圖

由于同車電臺的收發(fā)天線固定,自干擾信道響應(yīng)h(t)可等價于沖擊響應(yīng),即對自干擾信號的影響主要是幅度衰減和時延.

針對圖1所示的一發(fā)一收射頻干擾對消,通常采用正交合成的方法估計干擾信號sI(t)的幅度衰減和相位變化.將發(fā)送通道的射頻信號sRF(t?τ)延時τ后分成si(t)和sq(t)兩路,si(t)與原信號相同,sq(t)為si(t)通過90?移相器的正交分量,其中延時器是估計干擾信號的群延遲,已有文獻根據(jù)實際線纜長度和天線間距預(yù)先估計出自干擾信道的時延[13],再通過兩路衰減器調(diào)控功率和相位.論文將著重分析衰減器性能對射頻干擾對消系統(tǒng)收斂速度和對消比的影響.

2 衰減器誤差對系統(tǒng)性能影響的分析

在第1節(jié)所敘述的射頻對消原理基礎(chǔ)上,本節(jié)將分析對消系統(tǒng)中關(guān)鍵的延時器和衰減器固有誤差對收斂時間和對消比的影響,推導(dǎo)出其閉合關(guān)系式.首先,分析圖1所示射頻干擾對消實現(xiàn)的數(shù)學(xué)描述,參考信號sRF(t?τ)經(jīng)延時器后的正交兩路si(t)和sq(t),分別通過衰減器wi和wq,再相加得到重建的自干擾信號(t),然后與接收信號r(t)反相合并得到誤差信號e(t)(包含期望信號d(t)),而反饋的e(t)再與si(t)和sq(t)共同控制衰減器,實現(xiàn)有效的干擾對消.衰減器參數(shù)的反饋計算如圖2所示,系統(tǒng)的對消過程如式(3)～式(5)所示:

圖2 射頻干擾對消原理圖

其中,T?表示由輸出誤差反饋控制衰減器的工作響應(yīng)時間.

可見,上述的干擾對消過程是基于最小均方誤差準則,即:

其中,表示模值的平方.

2.1 對消系統(tǒng)收斂過程

假設(shè)收發(fā)電臺均采用QPSK調(diào)制,基帶碼元采用升余弦成型濾波,除工作的載波頻率外其余參數(shù)均相同.參考信號(即已知的發(fā)送信號)si(t)、sq(t)和估計誤差e(t)則均具隨機性,且si(t)和sq(t)是均值為0,功率為Ps的周期平穩(wěn)隨機信號,如式(7)所示.

其中,ami和amq分別為第m個碼元同相和正交分量的幅度,取值為為基帶碼元成型脈沖.為便于分析,本文假設(shè)g(t)為矩形脈沖,即:

下面推導(dǎo)系統(tǒng)對消的收斂過程,為進一步分析衰減誤差對系統(tǒng)性能影響奠定基礎(chǔ).假設(shè)接收到的自干擾信號為:

其中,為發(fā)送信號sRF(t)功率與信道衰減的乘積

根據(jù)n(t),d(t)和s(t)的不相關(guān)特性[14],可得:

其中,R R R(0)計算如下:

由式(5)可得:

再根據(jù)式(11)可得:

假設(shè)t時刻的對消誤差經(jīng)歷了n次反饋,則有:

當(dāng)誤差反饋控制增益k在合理取值范圍內(nèi),具體分析可參考文獻[14],則t=t0+nT?時刻系統(tǒng)的對消比ICR(Interference Cancellation Ratio)可表示為:

2.2 衰減器響應(yīng)時間對收斂速度的影響

由于對消系統(tǒng)中誤差反饋放大等器件的響應(yīng)時間可以忽略,系統(tǒng)收斂速度主要受限于衰減器的響應(yīng)時間,所以這里僅對衰減器響應(yīng)時間進行分析.假設(shè)衰減器響應(yīng)時間為T?,若規(guī)定系統(tǒng)達到收斂狀態(tài)的標準為:ICR≥γdB,則根據(jù)2.1節(jié)式(17)可得系統(tǒng)收斂所需時間為:

2.3 衰減器系數(shù)誤差對ICR的影響

又因衰減器誤差ε(t)與n(t),d(t),s(t)和c c c(t)不相關(guān),與式(14)推導(dǎo)同理,可得:

同理,經(jīng)過n次反饋,則有:

參考式(16)和式(17),由式(20)可得衰減器精度誤差與對消比ICR的關(guān)系式,如下所示:

至此,完成了衰減器響應(yīng)時間對系統(tǒng)收斂速度,衰減器精度誤差對系統(tǒng)ICR的分析,二者的閉合表達式分別如式(18)和式(23)所示.

3 仿真驗證

本節(jié)分別仿真不同衰減器響應(yīng)時間和不同精度誤差,對射頻干擾對消系統(tǒng)收斂速度和對消比的影響,進而驗證第2節(jié)理論分析的正確性.仿真以一發(fā)一收兩部電臺為例,收發(fā)的載波頻率分別設(shè)為50.4MHz和50MHz,采用QPSK調(diào)制方式,傳輸速率設(shè)為200kbps.另外,基帶碼元采用平方根升余弦成型濾波,其滾降系數(shù)設(shè)為0.22,射頻的非線性三階交調(diào)抑制比設(shè)為35dB,發(fā)送電臺信號功率為1W,即30dBm,收發(fā)天線間的隔離衰減為30dB,到達接收天線的期望信號功率設(shè)為-75dBm,接收通道噪聲功率設(shè)為-95dBm,接收天線處的自干擾信號和期望信號頻譜如圖3所示.由于實際通信指揮車收發(fā)天線相距較近,且處于利于電磁波輻射的寬闊區(qū)域,自干擾信號主徑遠大于反射路徑,故這里暫不考慮反射多徑的影響.本節(jié)所有結(jié)果均是200次獨立仿真所得.

圖3 接收電臺天線輸出信號頻譜示意圖

3.1 不同響應(yīng)時間的仿真實驗

在上述條件下,設(shè)射頻干擾對消參考信號功率Ps=-10dBm,反饋誤差增益為k=4,為更加貼近實際器件的性能[15],衰減器響應(yīng)時間取T?=5μs,T?=15μs和T?=30μs三種情況,仿真結(jié)果如表1和圖4所示.

表1 不同響應(yīng)時間對消結(jié)果

圖4 不同響應(yīng)時間的對消比變化曲線

由表1和圖4可見,3種響應(yīng)時間對系統(tǒng)最終的對消比影響不大,ICR均在100dB左右,而三者的收斂速度相差較大.從表1可以看出,當(dāng)ICR=60dB時,3種情況所需的收斂時間分別為50μs,154.5μs和300μs,與響應(yīng)時間T?大小具有近似整數(shù)倍的關(guān)系.這是因為,仿真時3種情況的衰減器精度誤差均為0,根據(jù)式(15)和式(17)知,最終對消比僅由期望信號功率,噪聲功率和誤差反饋增益決定.另外,將仿真設(shè)定的相關(guān)參數(shù)代入式(18),可得3種情況對應(yīng)的收斂時間分別為54.62μs,164.21μs和328.32μs,可見仿真結(jié)果與理論推導(dǎo)結(jié)論相吻合,從而驗證了收斂時間閉合表達式的正確性.所以,實際工程中若對系統(tǒng)的收斂速度要求較高,則需要選擇響應(yīng)時間小的衰減器.

3.2 不同精度誤差的仿真實驗

與3.1節(jié)相同,設(shè)參考信號功率Ps=?10dBm,反饋誤差增益為k=4,衰減器響應(yīng)時間T?=5μs,衰減器精度誤差取σε=0.001,σε=0.01和σε=0.05三種情況,仿真結(jié)果如圖5所示.

由圖5可知,隨著衰減器精度誤差的增大,系統(tǒng)的最終對消比會嚴重下降,誤差σε=0.001時對消比為65.7dB,σε=0.01時為45.4dB,σε=0.05時為32.3dB.與3.1節(jié)同理,將相應(yīng)參數(shù)代入式(23),計算結(jié)果與仿真相匹配,同樣驗證了理論推導(dǎo)的正確性.由該結(jié)論可知,衰減器的精度誤差是決定系統(tǒng)對消比的關(guān)鍵因素,在響應(yīng)時間等滿足要求的前提下,實際工程中需盡量采用高精度的衰減器.

圖5 不同精度誤差的對消比變化曲線

4 結(jié)論

針對同車電臺射頻干擾對消系統(tǒng),論文首先從理論上分析推導(dǎo)了系統(tǒng)中衰減器響應(yīng)時間和精度誤差對收斂速度和對消比的影響,給出了相應(yīng)的閉合表達式.在此基礎(chǔ)上,通過仿真進一步驗證了理論推導(dǎo)的正確性,表明衰減器響應(yīng)時間為30μs時,系統(tǒng)達到收斂狀態(tài)所需時間約為300μs,衰減器精度誤差的標準差為0.001時,系統(tǒng)對消比約為65dB.可見,衰減器的響應(yīng)時間與精度誤差直接影響了對消系統(tǒng)的收斂時間和對消比,可根據(jù)文中推導(dǎo)出的結(jié)論確定實際系統(tǒng)所需衰減器的相關(guān)參數(shù),為實際應(yīng)用提供一定的指導(dǎo)意義.不過,論文并未分析延時器等其他器件的影響,下一步仍需進行更為深入的研究.