自適應(yīng)干擾對(duì)消技術(shù)分析及應(yīng)用*

李　毅　何方敏　李建軒　李文祿

(1.海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　武漢　430033)(2.海軍電磁兼容研究檢測(cè)中心　上?！?00235)

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自適應(yīng)干擾對(duì)消技術(shù)分析及應(yīng)用*

李毅1何方敏1李建軒2李文祿1

(1.海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室武漢430033)(2.海軍電磁兼容研究檢測(cè)中心上海200235)

摘要論文在介紹自適應(yīng)干擾對(duì)消技術(shù)的基礎(chǔ)上,給出了自適應(yīng)干擾對(duì)消系統(tǒng)的數(shù)學(xué)框圖及干擾對(duì)消比和對(duì)消收斂時(shí)間的計(jì)算公式,并用研制成功的短波對(duì)消裝置進(jìn)行了的干擾對(duì)消實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該裝置的干擾對(duì)消比高,收斂時(shí)間短,說(shuō)明自適應(yīng)干擾對(duì)消技術(shù)能有效解決近場(chǎng)強(qiáng)干擾問(wèn)題,為共平臺(tái)收發(fā)電子設(shè)備的電磁兼容提供了新的方法。

關(guān)鍵詞自適應(yīng)干擾對(duì)消; 干擾對(duì)消比; 收斂時(shí)間

Performance Analysis and Application of Adaptive Interference Cancellation System

LI Yi1HE Fangmin1LI Jianxuan2LI Wenlu1

(1. National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System,Naval University of Engineering, Wuhan430033)(2. EMC Research and Measurement Center of Navy, Shanghai200235)

AbstractAn adaptive interference cancellation system(AICS) was introduced. The mathematics model of the AICS, the formulae of interference cancellation ratio (ICR) and convergence time were proposed. The short-wave interference cancellation device was developed and experimented. The experimental results showed ICR was perfect, and convergence time was short for the device. The AICS can deal with the strong electromagnetics interference in the near region, and the AICS was a new technique which resolved electromagnetics compatibility for the receiver and the transmitter of the co-site.

Key Wordsadaptive interference cancellation system, interference cancellation ratio, convergence time

Class NumberTN911.4

1引言

在艦船、飛機(jī)、通信車等有限空間的平臺(tái)上配置多頻段、多功能的通信、雷達(dá)、電子戰(zhàn)等電子設(shè)備時(shí),當(dāng)多個(gè)設(shè)備同時(shí)工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生平臺(tái)內(nèi)部的干擾問(wèn)題,特別是當(dāng)大功率發(fā)射機(jī)和寬帶接收機(jī)同時(shí)工作時(shí),干擾現(xiàn)象尤為嚴(yán)重。當(dāng)多個(gè)頻率鄰近的收發(fā)系統(tǒng)同時(shí)工作時(shí),工作在發(fā)射狀態(tài)的一個(gè)或多個(gè)天線的電磁輻射必然會(huì)通過(guò)空間耦合到工作在接收狀態(tài)的天線上,這些干擾信號(hào)會(huì)影響正常通信數(shù)據(jù)的接收。當(dāng)干擾嚴(yán)重到無(wú)法容忍的量級(jí)時(shí),甚至?xí)^(guò)接收機(jī)的阻塞電平,從而導(dǎo)致接收機(jī)無(wú)法正常工作。為了有效地解決同平臺(tái)內(nèi)部的電磁干擾問(wèn)題,通常的方法是優(yōu)化天線布局、分頻和分時(shí)等被動(dòng)解決措施。由于同一平臺(tái)可供天線布置的空間相對(duì)狹小,該方法解決天線輻射干擾問(wèn)題的作用受限;分頻會(huì)導(dǎo)致使本已寶貴的頻譜資源的浪費(fèi),分時(shí)則使收發(fā)射機(jī)無(wú)法同時(shí)工作。自適應(yīng)干擾對(duì)消技術(shù)是解決這類電磁干擾問(wèn)題的一種主動(dòng)干擾對(duì)消方法,該技術(shù)可有效解決收發(fā)射機(jī)天線布局困難的問(wèn)題,大大提高頻譜資源的利用率,使收發(fā)射機(jī)可同時(shí)工作。國(guó)外開(kāi)展自適應(yīng)干擾對(duì)消方面的研究工作較早[1～6],已有相應(yīng)產(chǎn)品應(yīng)用。國(guó)內(nèi)有研究人員對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了跟蹤研究[7～10],但尚未見(jiàn)應(yīng)用于艦船大功率發(fā)射干擾場(chǎng)合的干擾對(duì)消裝置的報(bào)道。

2自適應(yīng)干擾對(duì)消技術(shù)原理

圖1　自適應(yīng)輻射干擾對(duì)消技術(shù)的基本框圖

圖1是自適應(yīng)干擾對(duì)消技術(shù)的基本框圖,其原理是從發(fā)射機(jī)提取參考信號(hào),經(jīng)延時(shí)匹配和矢量模塊對(duì)參考信號(hào)進(jìn)行幅度和相位調(diào)整,使之與從空間耦合到接收天線的干擾信號(hào)幅度相等,相位相反,再注入合成器,對(duì)消干擾信號(hào),從而消除同平臺(tái)大功率發(fā)射機(jī)對(duì)接收機(jī)的干擾。

3自適應(yīng)干擾對(duì)消技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

將圖1自適應(yīng)干擾對(duì)消技術(shù)的基本框圖細(xì)化,信號(hào)取樣采用耦合器,參考信號(hào)與干擾信號(hào)用合成器合成,矢量模塊對(duì)應(yīng)如圖2所示矢量調(diào)制器,矢量模塊的控制信號(hào)由參考信號(hào)與剩余信號(hào)的相關(guān)性提供。矢量調(diào)制器能調(diào)整參考信號(hào)的幅度和相位,使之與干擾信號(hào)等幅反相。具體的自適應(yīng)干擾對(duì)消系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型[11]如圖3所示。

圖2　矢量調(diào)制器結(jié)構(gòu)

圖3　自適應(yīng)干擾對(duì)消系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

假設(shè)參考信號(hào)為

(1)

干擾信號(hào)為

VI(t)=EIcos(ωt-φ)

(2)

剩余的干擾信號(hào)為

VE(t)=kEYk1kP[W1(t)VR1(t)+W2(t)VR2(t)]

+kEIVI(t)

(3)

式(3)中,ER、EI分別是參考信號(hào)(正交功分器前端)和干擾信號(hào)的幅值,單位均為V;W1(t)、W2(t)為權(quán)值控制支路產(chǎn)生的權(quán)值,kO為正交功分器的耦合系數(shù),k1為參考支路中放大器1的放大倍數(shù),kP為功率合成器的傳輸系數(shù),kEY與kEI分別是合成信號(hào)與接收信號(hào)的耦合系數(shù)。依據(jù)式(3),對(duì)消系統(tǒng)調(diào)整權(quán)值W1(t)、W2(t),從而使剩余的干擾信號(hào)VE(t)大大減小。若E0為乘法器的標(biāo)稱電壓,單位為V-1,K=kskτkFEk2kCkEYkPk1ko2ER2/(2E0)為環(huán)路增益,則推導(dǎo)得到:

干擾對(duì)消比為

ICR≈20lgK

(4)

系統(tǒng)至穩(wěn)態(tài)的收斂時(shí)間為

T≈7τ/(1+K)

(5)

4自適應(yīng)干擾對(duì)消裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在上述研究的基礎(chǔ)上,研制了以模擬電路為主的短波自適應(yīng)干擾對(duì)消裝置。該裝置采用閉環(huán)負(fù)反饋的自適應(yīng)控制電路,在設(shè)計(jì)頻段內(nèi)自動(dòng)跟蹤強(qiáng)干擾信號(hào),對(duì)參考信號(hào)先正交分解成兩路,分別經(jīng)雙極性電調(diào)衰減器進(jìn)行幅度調(diào)整后再合成,最后與接收到的干擾信號(hào)對(duì)消。

將該對(duì)消裝置用于某艦船平臺(tái)1kW短波發(fā)射機(jī)對(duì)短波接收機(jī)的干擾對(duì)消試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖4～圖6所示。圖4中“干擾功率”為接收機(jī)接收到的干擾功率,“剩余功率”為使用對(duì)消裝置對(duì)消干擾信號(hào)后剩余的干擾信號(hào)功率。由圖4可知,在某些頻點(diǎn),干擾功率超過(guò)20dBm,將會(huì)對(duì)接收機(jī)造成嚴(yán)重干擾。圖5為對(duì)消裝置的對(duì)消比。由圖5可見(jiàn),對(duì)消比均在40dB以上。圖6為典型的收斂時(shí)間圖,對(duì)消裝置將干擾信號(hào)降低40dB的時(shí)間不到2ms,對(duì)比對(duì)消前后功率變化曲線可知,干擾信號(hào)還未上升到最大值就被對(duì)消裝置對(duì)消下來(lái)了,說(shuō)明該對(duì)消裝置的響應(yīng)快,收斂時(shí)間短。

圖4　干擾功率和剩余功率

圖5　對(duì)消裝置對(duì)消比

圖6　對(duì)消裝置的收斂時(shí)間

5結(jié)語(yǔ)

自適應(yīng)干擾對(duì)消技術(shù)可以消除窄帶強(qiáng)干擾信號(hào)對(duì)敏感接收機(jī)的干擾,也可以消除強(qiáng)干擾信號(hào)附近一定帶寬內(nèi)的寬帶噪聲。若在對(duì)消裝置中加入導(dǎo)頻信號(hào)進(jìn)行對(duì)消時(shí),還可在目標(biāo)頻帶內(nèi)降低發(fā)射機(jī)對(duì)接收機(jī)的雜散干擾。自適應(yīng)干擾對(duì)消技術(shù)對(duì)共平臺(tái)收發(fā)電子設(shè)備的電磁兼容性提供了一種新的技術(shù)手段,該技術(shù)的推廣應(yīng)用具有重大意義。

參 考 文 獻(xiàn)

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中圖分類號(hào)TN911.4

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.008

作者簡(jiǎn)介:李毅,男,博士,副研究員,研究方向:射頻電路,電磁兼容與計(jì)算電磁學(xué)。何方敏,男, 博士,副研究員,研究方向:系統(tǒng)級(jí)電磁兼容及信號(hào)處理。李建軒,男,碩士,工程師,研究方向:電磁兼容。李文祿,男,博士,講師,研究方向:數(shù)字信號(hào)處理。

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金支助項(xiàng)目(編號(hào):61201055,51422705)資助。

*收稿日期:2015年7月8日,修回日期:2015年8月29日