用于通信系統(tǒng)的干擾對(duì)消電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

用于通信系統(tǒng)的干擾對(duì)消電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

賴劍強(qiáng)**

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

針對(duì)通信設(shè)備應(yīng)用的復(fù)雜化和對(duì)在復(fù)雜電磁環(huán)境下工作的設(shè)備電磁兼容性提出的更高要求，通過(guò)分析對(duì)消技術(shù)的基本原理，提出了一種模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的干擾對(duì)消技術(shù)，并研制出了基于該技術(shù)的干擾對(duì)消原理樣機(jī)。對(duì)該樣機(jī)的單機(jī)測(cè)試和系統(tǒng)聯(lián)試結(jié)果表明，該對(duì)消技術(shù)具備點(diǎn)頻干擾和噪聲干擾的抑制能力，對(duì)消收斂時(shí)間小于100 ms，對(duì)消比大于43 dB，適合在窄帶通信中應(yīng)用并可推廣到其他領(lǐng)域。該成果正逐步在實(shí)際工程中得到運(yùn)用。

通信系統(tǒng)；對(duì)消技術(shù)；干擾噪聲；對(duì)消比

1 引 言

隨著電子裝備在各個(gè)工程領(lǐng)域的多樣化、復(fù)雜化，各個(gè)設(shè)備工作帶來(lái)的電磁兼容問(wèn)題愈發(fā)凸顯，特別是在復(fù)雜電磁環(huán)境中，需要在高靈敏度下工作的系統(tǒng)，例如遠(yuǎn)距離無(wú)線通信系統(tǒng)、雷達(dá)、微弱信號(hào)探測(cè)器等特別容易受到與有用信號(hào)在頻譜上重疊的電磁噪聲干擾，該干擾可能來(lái)自外界，也可能來(lái)自自身平臺(tái)。

常規(guī)無(wú)線通信系統(tǒng)接收和發(fā)射不在同一頻段或者兩者在時(shí)間上不交疊，以避免發(fā)射對(duì)接收造成影響，顯然這種系統(tǒng)的頻譜利用率不高，業(yè)務(wù)量受到限制。如果能夠解決本機(jī)發(fā)射對(duì)接收的干擾，就能實(shí)現(xiàn)同時(shí)同頻的全雙工通信，理論上可以將業(yè)務(wù)傳輸效率提高一倍[1-3]。

基于軟件定義無(wú)線電(Software Defined Radio，SDR)發(fā)展起來(lái)的認(rèn)知無(wú)線電(Cognitive Radio，CR)技術(shù)，由于不能對(duì)通信頻帶進(jìn)行嚴(yán)格限制，射頻前端不再需要包含射頻濾波器、多級(jí)低噪放、混頻器、低通濾波等復(fù)雜而穩(wěn)定性又不太高的模擬射頻電路，取而代之的是對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單放大后直接射頻采樣，在數(shù)字域完成所有的處理功能[4]。然而需要考慮的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是接收信號(hào)的模數(shù)(Analog to Digital，AD)轉(zhuǎn)換器件必須具有高采樣率、高動(dòng)態(tài)范圍。通常天線會(huì)接收到包含多種強(qiáng)度多種頻譜的混合信號(hào)，在這種環(huán)境下要求高動(dòng)態(tài)范圍，就需要使用主動(dòng)對(duì)消技術(shù)抑制不需要的信號(hào)，然后再進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。

以上三種情況分別是常規(guī)系統(tǒng)間電磁干擾問(wèn)題、系統(tǒng)應(yīng)用擴(kuò)展問(wèn)題、新技術(shù)發(fā)展問(wèn)題，這幾種情況歸結(jié)在一起都涉及到信號(hào)去干擾問(wèn)題。對(duì)消技術(shù)用于解決干擾信號(hào)與有用信號(hào)在電磁頻譜上有重疊的消除干擾問(wèn)題，而這種干擾通常使用常規(guī)濾波等手段是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。將去干擾問(wèn)題從干擾信號(hào)和有用信號(hào)兩個(gè)方面看，很容易想到兩種不同的解決思路：一種是根據(jù)事先知道的有用信號(hào)的部分信息，直接從混合信號(hào)中提取有用信號(hào)的完整信息或需要的信息，而不用關(guān)心干擾信號(hào)的情況，稱為信號(hào)提取技術(shù)；另一種是通過(guò)某種途徑得到與干擾信號(hào)等幅反相的信號(hào)并與原信號(hào)進(jìn)行疊加合成，將不需要的干擾信號(hào)抵消掉，剩下的便是有用信號(hào)，這種方法關(guān)心的重點(diǎn)是干擾信號(hào)的特性及其消除方法，稱為干擾對(duì)消技術(shù)。兩種信號(hào)分離技術(shù)的目的相同而采用的手段和研究的對(duì)象則完全不同。

通過(guò)采集與進(jìn)入通信接收信道中干擾信號(hào)的同源信號(hào)，然后對(duì)其進(jìn)行幅度和相位的調(diào)整，與混入有用信號(hào)中的干擾信號(hào)進(jìn)行疊加合成，在理論上可以抑制有用信號(hào)中的干擾信號(hào)且不對(duì)有用信號(hào)產(chǎn)生明顯影響或帶來(lái)新的干擾，這就是干擾對(duì)消技術(shù)的基礎(chǔ)框架。干擾對(duì)消技術(shù)是抗干擾技術(shù)的一個(gè)分支，通常用于與有用信號(hào)同頻或同址干擾的場(chǎng)景，是在不能通過(guò)濾波等簡(jiǎn)單手段達(dá)到抑制干擾的情況下，誕生的一種抗干擾技術(shù)。干擾對(duì)消技術(shù)經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間的研究，但由于其技術(shù)難度較大，在實(shí)際工程應(yīng)用偏少，目前的研究和應(yīng)用在通信、雷達(dá)等領(lǐng)域相對(duì)較多[5-10]。

基于國(guó)防裝備和民用工業(yè)對(duì)對(duì)消的應(yīng)用需求，本文研究了一種射頻干擾對(duì)消技術(shù)，從理論上解釋電磁對(duì)消現(xiàn)象并從對(duì)消基本原理入手，研究并設(shè)計(jì)了對(duì)消電路及基于該電路的原理樣機(jī)，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，得出了具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的結(jié)果，可為對(duì)消技術(shù)的后續(xù)研究和產(chǎn)品化提供指導(dǎo)。

2 對(duì)消技術(shù)基本原理

對(duì)消的概念在射頻研究領(lǐng)域可解釋為兩個(gè)幅度相等、相位相差180°的電磁信號(hào)相互疊加合成，疊加后的結(jié)果為兩個(gè)信號(hào)相互湮沒(méi)，其能量以其他形式耗散掉，從而達(dá)到消除信號(hào)的目的。這里的疊加實(shí)際上是兩組電磁波中方向相反的電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量各自相互抵消的過(guò)程。在自由空間中，電磁波具有相互垂直的電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量，它們位于垂直于傳播方向的平面內(nèi)。圖1給出了理想介質(zhì)中幅度相等、相位反相的兩均勻平面波的電場(chǎng)分量和磁場(chǎng)分量，當(dāng)它們?cè)诳臻g上相遇，會(huì)產(chǎn)生兩者電場(chǎng)和磁場(chǎng)的重合，其表現(xiàn)形式就是電場(chǎng)分量及磁場(chǎng)分量均相互抵消，對(duì)外不再顯示出兩個(gè)對(duì)消信號(hào)頻率電磁波的特性，通常轉(zhuǎn)換為熱量或其他形式的能量耗散掉。

圖1 兩均勻平面波電場(chǎng)及磁場(chǎng)相互抵消示意圖Fig.1 Cancelling of the electric field and magnetic field in two uniform plane waves

對(duì)消技術(shù)主要有兩種方式：一種是模擬對(duì)消，即通過(guò)對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行采樣，然后對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行射頻調(diào)整，將調(diào)整后的信號(hào)與混入通信系統(tǒng)中的干擾信號(hào)進(jìn)行對(duì)消；另外一種是數(shù)字對(duì)消，即數(shù)字信號(hào)處理的方式，通過(guò)對(duì)采樣的干擾信號(hào)進(jìn)行特征分析，然后經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理的過(guò)程消除通信系統(tǒng)中的干擾信號(hào)?？紤]到工程運(yùn)用的實(shí)際情況和技術(shù)難度，對(duì)消的應(yīng)用前期采用模擬對(duì)消的方案較多；當(dāng)今由于可編程器件的發(fā)展及濾波器相關(guān)算法的成熟，數(shù)字對(duì)消技術(shù)在其應(yīng)用靈活性能、可靠性、硬件體積等方面逐漸顯示出其強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。

對(duì)消的性能指標(biāo)衡量方法通常有三種[11]：

對(duì)消比——考核被對(duì)消信號(hào)(一般為干擾信號(hào))在對(duì)消實(shí)施前后的削弱程度，用dB表示，它是一個(gè)相對(duì)值。一般具有實(shí)用價(jià)值的對(duì)消系統(tǒng)要求對(duì)消比達(dá)到20 dB以上。

對(duì)消殘余——考核實(shí)施對(duì)消后干擾信號(hào)的強(qiáng)弱，用dBm或dBm/Hz表示，它是一個(gè)絕對(duì)值。對(duì)于不同的應(yīng)用需求，根據(jù)有用信號(hào)的強(qiáng)弱，對(duì)消殘余的要求差異較大。

系統(tǒng)處理增益——考核實(shí)施對(duì)消前后，系統(tǒng)輸出端的信噪比與輸入端信噪比的比值，用dB表示，表示對(duì)消電路對(duì)信噪比的改善程度。

這三種對(duì)對(duì)消效果的評(píng)價(jià)在本質(zhì)上是一致的，只是關(guān)心的重點(diǎn)不同而已。

在實(shí)際情況下，兩個(gè)相互對(duì)消的射頻信號(hào)無(wú)法完全滿足幅度相等、相位相差180°的理想條件，總會(huì)存在一定的幅度和相位偏差，這種偏差會(huì)帶來(lái)對(duì)消不完全，造成對(duì)消殘余，也就存在對(duì)消比的概念。假設(shè)當(dāng)上述幅度偏差為ΔA，相位偏差為ΔP，則射頻對(duì)消比CR可表示為

(1)

通過(guò)上述表達(dá)式可得到如圖2所示的幾種典型對(duì)消比情況下幅度偏差和相位偏差的關(guān)系曲線。由圖可見(jiàn)，在對(duì)消比要求不高的情況下，對(duì)消信號(hào)與被對(duì)消信號(hào)的幅度和相位偏差要求較為寬松；但當(dāng)需要較高的對(duì)消比時(shí)，則對(duì)信號(hào)的偏差要求特別嚴(yán)格，如圖中給出的當(dāng)對(duì)消比要求為50 dB時(shí)，幅度偏差要求控制在0.027 5 dB以內(nèi)，相位偏差要求控制在0.181 2°以內(nèi)，如此高的精度已經(jīng)超出常規(guī)測(cè)試儀器的測(cè)量誤差，這也是對(duì)消電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在。

圖2 對(duì)消比與幅度偏差和相位偏差的關(guān)系Fig.2 The relationship between cancel ratio and amplitude deviation & phase deviation

為了對(duì)射頻對(duì)消效果進(jìn)行直觀評(píng)價(jià)，通常采用以下方式來(lái)定義對(duì)消比：

(2)

式中：Pi、Pr分別表示輸入的被對(duì)消信號(hào)功率和對(duì)消完成后輸出的殘余信號(hào)功率，均以W為單位表示，在有效對(duì)消的情況下Pr

對(duì)于一個(gè)高對(duì)消比的系統(tǒng)，由于電路工作帶來(lái)的自身溫度變化、外界環(huán)境變化、器件老化衰退等引起的電路參數(shù)的少許漂移足以引起對(duì)消效果的嚴(yán)重惡化，所以通常情況下要求對(duì)消系統(tǒng)能夠進(jìn)行自動(dòng)控制，構(gòu)成自適應(yīng)系統(tǒng)。最典型的方法是采用負(fù)反饋回路，電路可以根據(jù)對(duì)消結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整電路參數(shù)，以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定保持良好對(duì)消效果。

3 對(duì)消電路形式

對(duì)消電路的任務(wù)是根據(jù)被對(duì)消信號(hào)(干擾信號(hào))的特征信息生成對(duì)消信號(hào)，并對(duì)兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行疊加，以消除或降低被對(duì)消信號(hào)的強(qiáng)度，同時(shí)不帶入新的干擾信號(hào)，以達(dá)到將進(jìn)入系統(tǒng)的干擾抑制到規(guī)定要求的目的。對(duì)消信號(hào)可以由對(duì)消電路自己攜帶的信號(hào)源產(chǎn)生，也可以是通過(guò)采樣被對(duì)消信號(hào)的同源信號(hào)經(jīng)調(diào)整后產(chǎn)生，如果條件許可，一般以第二種方式設(shè)計(jì)電路更為方便。圖3給出了一個(gè)用于消除無(wú)線接收機(jī)中干擾信號(hào)的同源干擾對(duì)消系統(tǒng)，其中的核心部分為對(duì)消信號(hào)生成電路，可以是模擬電路、數(shù)字電路或者兩者的結(jié)合。

圖3 典型的同源干擾對(duì)消系統(tǒng)Fig.3 A tipycal homologous interference cancellation system

3.1 模擬對(duì)消電路

模擬射頻對(duì)消的基本原理可用圖4框圖表示。干擾信號(hào)由干擾源發(fā)射后其部分Ti經(jīng)某種途徑混入通信信號(hào)S中，采集部分干擾信號(hào)Tc引出一條支路對(duì)其做幅度和相位調(diào)整，然后將調(diào)整后的信號(hào)Tc′與混有干擾信號(hào)的通信信號(hào)S+Ti進(jìn)行疊加合成。由于合成后的信號(hào)中既有通信信號(hào)S又包含了由于對(duì)消不完全的殘余信號(hào)r，所以可對(duì)該信號(hào)進(jìn)行取樣并進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)。為了只檢測(cè)殘余信號(hào)而忽略有用信號(hào)，需要引入原始干擾信號(hào)作為信號(hào)檢測(cè)的本振源Tl，檢測(cè)結(jié)果作為幅/相調(diào)整的依據(jù)。這樣就建立了一個(gè)能夠自適應(yīng)調(diào)整電路參數(shù)的負(fù)反饋環(huán)路，最終使得殘余信號(hào)足夠小，得到較為純凈的通信信號(hào)。由于幅/相調(diào)整電路可以根據(jù)對(duì)殘余信號(hào)檢測(cè)結(jié)果作實(shí)時(shí)調(diào)整，該電路可以長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定的對(duì)消比。

圖4 模擬射頻對(duì)消原理框圖Fig.4 Functional diagram of analog RF cancellation

原理框圖中核心部分為由幅相調(diào)整器、對(duì)消合成器、相關(guān)檢測(cè)器和自適應(yīng)控制電路構(gòu)成的負(fù)反饋環(huán)路。信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確度決定了幅/相調(diào)整控制信號(hào)的準(zhǔn)確度，從而也就決定了輸出殘余信號(hào)的強(qiáng)弱，即決定對(duì)消比的關(guān)鍵。為了驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，控制電路中駐入了自適應(yīng)對(duì)消控制算法，并可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求進(jìn)行算法調(diào)整，確保系統(tǒng)準(zhǔn)確高效工作。相關(guān)檢測(cè)和幅/相調(diào)整的性能是算法準(zhǔn)確收斂的保證，任何一者出現(xiàn)問(wèn)題或準(zhǔn)確度不夠?qū)?huì)導(dǎo)致虛假收斂或長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法收斂。從圖中可以看到，決定對(duì)消效果的因素有相關(guān)檢測(cè)精度、控制精度以及幅/相調(diào)整精度。

3.2 數(shù)字對(duì)消電路

相比于模擬電路，數(shù)字對(duì)消電路的特點(diǎn)在于使用了數(shù)字自適應(yīng)濾波器技術(shù)，對(duì)消信號(hào)的調(diào)整在數(shù)字域完成，避免了模擬電路穩(wěn)定性差、電路形式復(fù)雜、體積重量大等缺點(diǎn)，而主要的工作轉(zhuǎn)移到了自適應(yīng)濾波器及其算法性能上了。前人的研究認(rèn)為，如果噪聲信號(hào)是一個(gè)廣義平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，則自適應(yīng)濾波器可以采用橫向?yàn)V波器實(shí)現(xiàn)[12]。圖5是一個(gè)采用橫向自適應(yīng)濾波器的數(shù)字對(duì)消電路原理框圖。

圖5 數(shù)字對(duì)消原理框圖Fig.5 Functional diagram of digital cancellation

最小均方(Least Mean Square，LMS)算法由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、不需要計(jì)算相關(guān)函數(shù)、不需要對(duì)矩陣求逆運(yùn)算等優(yōu)點(diǎn)適用作為圖5所示的濾波器算法。該算法屬于隨機(jī)梯度算法中的一種。LMS算法作為線性自適應(yīng)濾波算法，主要包括兩個(gè)過(guò)程：一是濾波過(guò)程，計(jì)算線性濾波器輸出信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)，比較輸出結(jié)果與期望響應(yīng)得到誤差估計(jì)；二是自適應(yīng)過(guò)程，根據(jù)誤差估計(jì)自動(dòng)調(diào)整濾波器控制參數(shù)。實(shí)際上這兩個(gè)過(guò)程構(gòu)成了一個(gè)反饋環(huán)路，使得自適應(yīng)過(guò)程得以實(shí)現(xiàn)。

一個(gè)M階的橫向?yàn)V波器結(jié)構(gòu)如圖6所示，輸入向量被逐級(jí)延時(shí)單元分成M組信號(hào)元素，每組信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)權(quán)值元素，所有權(quán)值元素構(gòu)成一個(gè)M階抽頭權(quán)值向量。所有的參數(shù)都可以通過(guò)矩陣的形式表達(dá)，經(jīng)LMS算法迭代計(jì)算后得到一個(gè)對(duì)期望信號(hào)的估計(jì)，當(dāng)?shù)銐蚨啻魏?，?duì)于廣義平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，得到的估計(jì)可以看作該過(guò)程的維納解。在一個(gè)較短暫的時(shí)間內(nèi)，通信系統(tǒng)的干擾信號(hào)可以看作廣義平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程。

圖6 M階橫向?yàn)V波器結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of M-order transversal filter

在濾波器運(yùn)行過(guò)程中，期望信號(hào)作為判斷濾波器輸出的標(biāo)準(zhǔn)必須參與運(yùn)算，主要目的是得到濾波輸出的誤差信號(hào)，以作為權(quán)值向量的控制參考。

運(yùn)用最小均方自適應(yīng)算法，可以得到抽頭權(quán)值向量的迭代方程的復(fù)數(shù)形式為

w(n+1)=w(n)+2ηu(n)e*(n)。

(7)

式中：e*(n)=d(n)-wH(n)u(n)，wH(n)表示轉(zhuǎn)置共軛。迭代開(kāi)始時(shí)抽頭權(quán)值向量定義了一組猜測(cè)初始值w(0)，如果有先驗(yàn)值則使用先驗(yàn)值作為初始值，沒(méi)有則用全0作為初始值。方程等式右邊第二項(xiàng)代表了本次迭代對(duì)抽頭權(quán)值向量w(n)估計(jì)的調(diào)整，η為步進(jìn)因子，它決定了自適應(yīng)迭代過(guò)程的速度。步進(jìn)因子越大自適應(yīng)過(guò)程的速度越塊，但算法得到的穩(wěn)態(tài)解與維納解的差別越大，可導(dǎo)致算法的失調(diào)。因此，對(duì)η的選擇需要綜合考慮算法的穩(wěn)定收斂與計(jì)算時(shí)間的消耗。圖7給出了使用最小均方算法得到的一個(gè)受噪聲污染的周期為1/3、幅值為1的正弦波信號(hào)的去噪結(jié)果。其中濾波器為128階，離散信號(hào)長(zhǎng)度為10 150，步進(jìn)因子為0.001 5，噪聲干擾信號(hào)為高斯白噪聲序列(標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的偽隨機(jī)序列)，抽頭權(quán)值向量用全0作為初始計(jì)算值。

(a)期望信號(hào)

(b)含噪信號(hào)

(c)濾波輸出

(d)誤差強(qiáng)度圖7 采用最小均方算法濾波計(jì)算結(jié)果Fig.7 Filtered result based on minimum mean square algorithm

由計(jì)算結(jié)果可知，自適應(yīng)濾波器很好地抑制了信號(hào)中的噪聲干擾，去噪后的信號(hào)中起伏比較大的地方表明誤差信號(hào)較為劇烈，這與算法的步進(jìn)因子、迭代次數(shù)及濾波器階數(shù)均相關(guān)。由于每次計(jì)算的噪聲信號(hào)為偽隨機(jī)數(shù)，所以各次計(jì)算的結(jié)果均不相同，誤差強(qiáng)度直接體現(xiàn)了計(jì)算結(jié)果的好壞。通過(guò)多次計(jì)算后統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，隨著迭代次數(shù)的增加誤差強(qiáng)度會(huì)呈現(xiàn)出近似周期性的極大值，這也反映了計(jì)算的自適應(yīng)過(guò)程。

對(duì)于一個(gè)對(duì)消系統(tǒng)，對(duì)消比越高則要求的殘余信號(hào)越小，對(duì)相關(guān)檢測(cè)的精度要求就越高，對(duì)消算法的收斂門限設(shè)置就得足夠嚴(yán)格，同時(shí)就會(huì)帶來(lái)反饋回路更難收斂，循環(huán)運(yùn)算次數(shù)越多，時(shí)間消耗也就越大，并且在對(duì)消完成后由于外界條件和內(nèi)部器件參數(shù)變化導(dǎo)致觸發(fā)系統(tǒng)重啟反饋運(yùn)算的概率也就越大。因此，在工程應(yīng)用中應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的需求，在對(duì)消比和資源消耗上權(quán)衡考慮。

4 原理樣機(jī)測(cè)試

前文分析的模擬對(duì)消電路和數(shù)字對(duì)消電路是兩種實(shí)現(xiàn)干擾對(duì)消的技術(shù)途徑，各有其技術(shù)特點(diǎn)。模擬對(duì)消電路原理簡(jiǎn)單，技術(shù)難度較小，電路實(shí)現(xiàn)容易，但在穩(wěn)定性上有一定的缺點(diǎn)，為了克服電路間干擾以實(shí)現(xiàn)精確收斂，往往功能電路體積重量較大。數(shù)字電路的核心電路采用常用的集成可編程芯片(如FPGA或DSP)為基礎(chǔ)，通過(guò)軟件在數(shù)字域進(jìn)行計(jì)算，處理方式靈活多變，在芯片硬件資源足夠的情況下，對(duì)消電路的性能主要體現(xiàn)在軟件能力上，往往對(duì)硬件的依賴程度很小，這也可縮短開(kāi)發(fā)周期，便于調(diào)試優(yōu)化，但數(shù)字對(duì)消電路在射頻前端AD轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)范圍要求較高，實(shí)現(xiàn)有一定難度。

為了克服兩種對(duì)消電路的缺點(diǎn)，我們研究了一種數(shù)?；旌蠈?duì)消電路，該電路以圖4所示的模擬電路為構(gòu)架，在負(fù)反饋的運(yùn)算及對(duì)對(duì)消信號(hào)調(diào)整量的控制上采用數(shù)字控制的方式。圖8是控制電路的結(jié)構(gòu)框圖，其中FPGA接收來(lái)自相關(guān)檢測(cè)器的反饋信號(hào)，并將該反饋信號(hào)送入DSP作為算法運(yùn)算的依據(jù)，DSP運(yùn)算收斂后將結(jié)果通過(guò)FPGA送給幅/相調(diào)整器，實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)消信號(hào)的調(diào)整。

圖8 對(duì)消控制電路結(jié)構(gòu)Fig.8 Control circuit of canceller

整個(gè)對(duì)消電路工作在超短波頻段的一定帶寬內(nèi)，電路以點(diǎn)頻的方式工作，針對(duì)常規(guī)窄帶通信模式的干擾消除特別有效。對(duì)于跳頻等抗干擾通信模式，對(duì)對(duì)消系統(tǒng)的運(yùn)算時(shí)間要求較為嚴(yán)格，一般只要對(duì)消收斂算法的時(shí)間小于每一跳的穩(wěn)定時(shí)間的1/10，例如一個(gè)500 hop/s的通信模式，則要求每一個(gè)頻點(diǎn)收斂時(shí)間在0.2 ms以內(nèi)，這需要硬件具有高速計(jì)算能力以及算法的高運(yùn)行效率的支持。

4.1 單機(jī)測(cè)試

我們對(duì)研制的干擾對(duì)消原理樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，通過(guò)信號(hào)源發(fā)射單載波信號(hào)以及發(fā)射加性高斯白噪聲(Additive White Gaussian Noise，AWGN)信號(hào)兩種情況，以某超短波頻點(diǎn)f1為例，得到的測(cè)試結(jié)果如圖9 所示。圖9(a)、(b)是以干擾信號(hào)為單載波時(shí)進(jìn)行射頻對(duì)消的結(jié)果，干擾信號(hào)強(qiáng)度由-10.4 dBm被對(duì)消到了-75.8 dBm，對(duì)消比達(dá)到了65.4 dB；圖9(c)、(d)是以干擾信號(hào)為加性高斯白噪聲時(shí)進(jìn)行射頻對(duì)消的結(jié)果，在對(duì)消前，噪聲功率譜密度為-101.7 dBm/Hz，對(duì)消運(yùn)行后，噪聲信號(hào)被削弱到了-160.6 dBm/Hz，對(duì)消比達(dá)到了58.9 dB。通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)對(duì)消算法開(kāi)始到對(duì)消穩(wěn)定后的時(shí)間差，多次測(cè)試得到對(duì)消收斂時(shí)間在48～93 ms之間。

(a)單載波對(duì)消前的信號(hào)強(qiáng)度

(b)單載波對(duì)消后的信號(hào)強(qiáng)度

(c)噪聲對(duì)消前的功率譜密度

(d)噪聲對(duì)消后的功率譜密度

4.2 系統(tǒng)測(cè)試

基于以上測(cè)試結(jié)果，將該干擾對(duì)消原理樣機(jī)在某機(jī)載平臺(tái)綜合通信系統(tǒng)上進(jìn)行了驗(yàn)證性測(cè)試，測(cè)試框圖如圖 10所示。測(cè)試系統(tǒng)中各個(gè)支路衰減器衰減量以及噪聲源輸出信號(hào)強(qiáng)度均來(lái)源于該機(jī)載平臺(tái)的實(shí)際參數(shù)。為了盡可能模擬真實(shí)環(huán)境，在采樣端口將有用信號(hào)疊加在噪聲信號(hào)中。測(cè)試中，將AM或FM話音信號(hào)與AWGN干擾信號(hào)混合，然后經(jīng)過(guò)干擾對(duì)消樣機(jī)，再送入綜合通信系統(tǒng)，在干擾對(duì)消原理樣機(jī)工作和不工作的情況下，調(diào)節(jié)射頻話音信號(hào)輸入強(qiáng)度，保持不同情況下通信系統(tǒng)輸出話音信號(hào)信納比為固定值10。干擾對(duì)消工作和不工作時(shí)，在達(dá)到相同的輸出信納比情況下，射頻話音信號(hào)的強(qiáng)度差可間接視作原理樣機(jī)的對(duì)消能力，即對(duì)消比。

圖10 干擾對(duì)消原理樣機(jī)在通信系統(tǒng)中測(cè)試框圖Fig.10 Test diagram of the interference cancellation principle prototype in a communication system

在設(shè)備可工作頻帶范圍內(nèi)隨機(jī)抽取了典型代表點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試中保證話音電臺(tái)發(fā)射的話音信號(hào)的載波與噪聲源發(fā)射的具有一定帶寬的AWGN信號(hào)在頻譜上是重合的。在抽取的6個(gè)代表頻點(diǎn)中，測(cè)試得到對(duì)消比最大值為46 dB，最小值為43 dB。這與單機(jī)測(cè)試的結(jié)果有一定差距，主要原因是由于測(cè)試環(huán)境本身引入的額外干擾，而干擾對(duì)消樣機(jī)尚不具備處理外加不可預(yù)知的干擾信號(hào)的能力，這也是該項(xiàng)技術(shù)以后需要改進(jìn)的方向。

5 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)射頻對(duì)消的基本原理，本文對(duì)干擾對(duì)消電路進(jìn)行了研究，分析了模擬和數(shù)字兩類電路的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并研制出了一種數(shù)?；旌系膶?duì)消原理樣機(jī)，對(duì)其進(jìn)行了單機(jī)測(cè)試和綜合通信系統(tǒng)聯(lián)機(jī)驗(yàn)證測(cè)試，到了如下結(jié)果：對(duì)消電路具備點(diǎn)頻干擾和噪聲干擾抑制的能力；對(duì)消收斂時(shí)間較短，普遍可控制在100 ms以內(nèi)；噪聲干擾對(duì)消比達(dá)到43 dB以上，具有較好的對(duì)消能力。測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了本文研究的干擾對(duì)消電路的正確性和有效性，在通信系統(tǒng)中具有較高的應(yīng)用價(jià)值，能顯著提高電磁噪聲干擾情況下的接收機(jī)性能。樣機(jī)的收斂時(shí)間在數(shù)十ms量級(jí)，適合常規(guī)模式窄帶通信應(yīng)用，但對(duì)于高速跳頻等抗干擾通信模式，還需要進(jìn)一步縮短收斂時(shí)間。該技術(shù)不僅適用于通信系統(tǒng)，在電子對(duì)抗、信號(hào)探測(cè)、雷達(dá)、醫(yī)療檢測(cè)等領(lǐng)域均具有普遍借鑒意義和潛在應(yīng)用價(jià)值。

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DesignandImplementationofInterferenceCancellationCircuitforCommunicationSystems

LAI Jianqiang

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

For the increasingly complicated applications of communication system and higher electromagnetic compatibility requirements for equipment under complex electromagnetic environment,an interference cancellation technology based on the mixed analog and digital circuit is proposed. After the principle analysis,an elementary prototype for interference cancellation is developed and tested. The corresponding experimental results indicate that point frequency and noise interference can be suppressed with a convergence time less than 100 ms and a cancellation ratio greater than 43 dB. The cancellation technology is suitable for narrowband communications and also worth spreading to other areas. It has been applied in practical engineering.

communication system;cancellation technology;interference noise;cancellation ratio

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.12.012

賴劍強(qiáng).用于通信系統(tǒng)的干擾對(duì)消電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電訊技術(shù)，2017,57(12):1415-1421.[LAI Jianqiang.Design and implementation of interference cancellation circuit for communication systems[J].Telecommunication Engineering,2017,57(12):1415-1421.]

2017-08-14；

2017-10-23

date:2017-08-14；Revised date：2017-10-23

LJQ6601@foxmail.comCorrespondingauthorLJQ6601@foxmail.com

TN973

A

1001-893X(2017)12-1415-07

賴劍強(qiáng)(1982—)，男，四川成都人，2012年獲工學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)為工程師，主要研究方向?yàn)楹娇针娮蛹盁o(wú)線通信技術(shù)。

Email：LJQ6601@foxmail.com