一種解決跳頻通信系統(tǒng)EMC 問題的新方法

商賀，譚志良

（軍械工程學(xué)院 河北 石家莊050003）

一種解決跳頻通信系統(tǒng)EMC 問題的新方法

商賀，譚志良

（軍械工程學(xué)院 河北 石家莊050003）

為了解決跳頻通信電臺與其他用頻設(shè)備同時同地使用出現(xiàn)的電磁兼容（EMC）問題，本文將自適應(yīng)干擾對消技術(shù)應(yīng)用到無線通信系統(tǒng)抗干擾中。首先對自適應(yīng)對消算法進行了仿真和分析，得到了不同步長LMS算法的收斂曲線與抵消波形，提出了一種變步長LMS算法，并基于simulink中S函數(shù)對其進行了建模，驗證了該模塊的正確性；構(gòu)建了跳頻通信系統(tǒng)模型，得到了通信系統(tǒng)在梳狀干擾情況下，LMS對消模塊加入前后頻譜和誤碼率的數(shù)值，證明了LMS對消模塊在解決無線通信系統(tǒng)同址干擾的有效性。

LMS自適應(yīng)抵消；跳頻通信系統(tǒng)；抗干擾；EMC

跳頻通信電臺[1]是目前我軍主要的無線通信裝備，為了滿足軍事通信的需要，在同一個裝備中可能需要與多部用頻設(shè)備同時工作[2]。由于收發(fā)天線之間的隔離度不高，電磁兼容問題(EMC)[3]嚴重影響電臺的正常通信。目前解決此問題主要依靠分時、分頻工作的方法，給通信電臺的使用帶來很多不便[4]。自適應(yīng)低消技術(shù)由于不需要信號的先驗知識并能不斷調(diào)整自身參數(shù)時刻保持最佳濾波[5]，被廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)以及聲學(xué)等領(lǐng)域。文獻[6]用自適應(yīng)技術(shù)抵消胎兒心電圖中母親的心音,從而得到純凈的胎兒心音；文獻[7]采用自適應(yīng)抵消技術(shù)濾除語音通信時的背景噪聲。文中參考自適應(yīng)抵消技術(shù)的上述應(yīng)用，在通信電臺接收機前端引入一自適應(yīng)抵消模塊，解決無線通信系統(tǒng)間的電磁兼容(EMC)問題。

1　LMS 干擾對消原理

自適應(yīng)對消原理[8]如下圖所示，將被干擾的通信信號s+ n0作為對消模塊的輸入信號，將與干擾信號有較強相關(guān)性的信號n1作為參考信號，自適應(yīng)濾波器在自適應(yīng)算法的作用下對干擾信號完成最佳估計，然后通過濾波器輸出后，通過減法器將干擾信號從輸入信號中去除。

圖1　對消器模塊示意圖

2　自適應(yīng)濾波器原理

FIR橫向濾波器[9]如圖2，由于它具有全零點濾波器、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于自適應(yīng)濾波器中[10]。

圖2　FIR自適應(yīng)濾波器結(jié)構(gòu)

LMS濾波器的實現(xiàn)步驟如表1：

表1　LMS濾波器的實現(xiàn)步驟

3　LMS算法實現(xiàn)與分析

3.1定步長LMS算法性能分析

自適應(yīng)算法是實現(xiàn)自適應(yīng)抵消技術(shù)的核心[11]，收斂性和穩(wěn)定性是表征自適應(yīng)算法性能的兩個重要指標(biāo)[12]，分別取步長為0.005、0.01和0.05時得到了LMS算法的收斂曲線和噪聲對消曲線，如圖3所示。

從圖3可以看出，步長取不同值時收斂曲線和對消效果有明顯差異；當(dāng)步長取0.005時算法的穩(wěn)定性比較好，但是收斂需要的迭代次數(shù)估計為400次左右，當(dāng)步長增大到0.05時，雖然收斂次數(shù)減小到了幾十次，但是穩(wěn)態(tài)性明顯變差?？偠灾?dāng)步長取較大值時，收斂速度快，但是收斂后穩(wěn)定性差；當(dāng)步長取值較小時，能夠得到較好的穩(wěn)定性，但收斂速度慢，定步長LMS算法在收斂速度與穩(wěn)定性之間存在著矛盾。

圖3　定步長LMS自適應(yīng)算法收斂曲線和對消波形圖

3.2變步長LMS模塊的構(gòu)建

為了克服定步長算法穩(wěn)定性與收斂性之間存在的矛盾，提出一種變步長LMS算法，步長迭代方程如下：

基于MATLAB中的S函數(shù)建立了基于上述迭代方程的變步長自適應(yīng)算法模塊，變步長實現(xiàn)模塊主程序如下：

然后將被干擾的正弦波作為自適應(yīng)干擾抵消器的輸入，將干擾信號作為抵消器的參考信號，取定步長LMS算法的步長為u=0.005，變步長參數(shù)為a=0.6，b=0.025，得到定頻情況下，對消前后的波形圖。

觀察上述波形圖可知，經(jīng)過迭代過程后無論是定步長自適應(yīng)算法還是變步長自適應(yīng)算法能夠很好的濾除干擾，得到清晰的波形；對比上圖中的第三欄和第四欄，可以看出在收斂速度相當(dāng)?shù)那闆r下，變步長算法波形要比定步長算法的波形光滑。說明了變步長LMS自適應(yīng)對消算法在改進算法性能的有效性以及所建立模塊的正確性。

圖4　定頻LMS自適應(yīng)對消模型

4　跳頻通信與干擾模型的構(gòu)建

基于 simulink建立如下跳頻通信系統(tǒng)[13-14]，跳頻速率為400 hop/s，采用2FSK調(diào)制方式，仿真時間為10 s，信道為5 dB加性高斯白噪聲信道，干擾信號采用頻率分別為500 Hz，1 kHz，1.5 kHz，2 kHz，2.5 kHz，3 kHz正弦信號組成的梳狀干擾[15]（假設(shè)跳頻頻點已知），建立的仿真模型如圖所示。

圖5　定頻LMS自適應(yīng)對消波形圖

圖6　跳頻通信系統(tǒng)及模型

LMS自適應(yīng)對消跳頻通信仿真：將所建立的干擾抵消模塊應(yīng)用于梳狀干擾情況下跳頻通信系統(tǒng)中，得到抵消前后跳頻通信系統(tǒng)的頻譜圖如圖7。

圖7　LMS抵消前后通信系統(tǒng)頻譜

從頻譜圖中可以看出，所建立跳頻通信系統(tǒng)模型，有效地拓寬了通信頻帶，具有較高的抗干擾能力。加入梳狀干擾后，在頻譜內(nèi)出現(xiàn)幾個明顯干擾頻譜；經(jīng)過LMS自適應(yīng)抵消后梳狀干擾的頻譜幾乎完全消除，通信信號的頻譜和抵消前保持一致，說明了梳狀干擾得到了抑制。

為了進一步證實抵消模塊有效性，在梳狀干擾幅度取不同值時，得到我們得到加入LMS自適應(yīng)對消模塊前后的誤碼率比較。

表2　調(diào)制方式為2FSK時自適應(yīng)對消前后的誤碼率

通過分析上述數(shù)據(jù)可知，跳頻通信系統(tǒng)具有較強的抗定頻干擾能力，但是當(dāng)多個頻點同時存在強干擾時，通信質(zhì)量仍會受到很大影響；在引入自適應(yīng)對消模塊后，誤碼率明顯提高，甚至可以提高兩個數(shù)量級以上，明顯的改善了跳頻通信系統(tǒng)通信質(zhì)量。

5　結(jié)束語

通過文中理論分析與基于Simulink系統(tǒng)級仿真可知，在跳頻通信電臺接收機前端引入一個自適應(yīng)干擾抵消模塊，將被干擾的通信信號作為輸入信號，將其他電臺或用頻設(shè)備發(fā)出的信號作為參考信號可以有效解決跳頻通信系統(tǒng)在使用時遇到電磁兼容問題。

[1]閆云斌，全厚德，崔佩璋.跳頻通信中阻塞干擾樣式的自動識別[J].電信科學(xué)，2013，29（1）:103-108.

[2]姚富強.通信抗干擾工程與實現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[3]林澤祥，蘭強.天線的電磁兼容技術(shù)[J].電波科學(xué)學(xué)報，2007，22 （1）:172-175.

[4]荀彥新.無線電抗干擾通信原理及應(yīng)用[D].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

[5]Simon haykin著，鄭寶玉等譯.自適應(yīng)濾波器原理[M].4版，北京：清華大學(xué)出版社.2006.

[6]徐欣，馬千里，朱旭.胎兒心電提取自適應(yīng)濾波器仿真對比研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報，2011（6）:847-852.

[7]楊有糧，王英哲，陳克安.自適應(yīng)有源噪聲控制器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電聲技術(shù)，2003（3）：63-66.

[8]劉曉龍，劉建霞.基于自適應(yīng)濾波器原理的干擾對消技術(shù)研究[J].機械管理開發(fā)，2009（6）:194-196.

[9]Zongtao Liu，Pingxian Yang，Hua Jiang.Adaptive Noise Cancellation System Based on Artifical Neural Network and Adaptive Filter[J].Energy Procedia，2011（13）：5821-5825.

[10]Sanjit K.Mitra.Digital Signal processing[M].Publishing House of Electronics Industry，2005.

[11]滕振宇，馮永新，隋濤，等.基于Matlab的短波差分跳頻通信仿真設(shè)計與實現(xiàn)[J].沈陽理工大學(xué)學(xué)報，2010（5）:17-20.

[12]李正周.MATLAB數(shù)字信號處理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[13]王桂杰.跳頻通信系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù)的研究[D].重慶：重慶大學(xué)通信工程學(xué)院，2014.

[14]竇秀娟.基于Simulink的跳頻同步技術(shù)仿真平臺設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2014.

[15]胡中豫.現(xiàn)代短波通信[M].北京:國防工業(yè)出版社，2003.

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稿件編號：201603293

國防科技重點實驗室基金資助項目(9140C87030413JB34001)

商 賀（1992—），男，河北保定人，碩士研究生。研究方向：電磁防護理論與技術(shù)。