基于發(fā)射自適應調零的自干擾對消算法研究

高立朝，孫 迅,2，李 達，程彥飛

基于發(fā)射自適應調零的自干擾對消算法研究

高立朝1，孫 迅1,2，李 達1，程彥飛1

（1 北京遙測技術研究所 北京 100076 2 清華大學 北京 100084）

為濾除衛(wèi)星導航中繼增強系統(tǒng)產生的自干擾信號，基于發(fā)射自適應調零思想，提出一種自干擾自適應對消算法并完成了工程實現。通過額外增加輔助發(fā)射天線組成發(fā)射天線陣列，使用自適應調零算法進行天線陣列波束賦形，使發(fā)射天線陣列的增益方向圖在接收天線方向處形成零陷，實現了自干擾信號對消。與傳統(tǒng)發(fā)射對消算法相比，算法實現自干擾信號自適應對消時無需使用訓練信號進行信道時延估計。仿真結果證明算法可以有效濾除自干擾信號。工程實測結果表明算法有35dB以上的自干擾對消性能。

發(fā)射自適應調零；自干擾對消；衛(wèi)星導航增強

引 言

衛(wèi)星導航信號到達地面時功率很低，例如GPS衛(wèi)星導航信號標稱僅有–130dBm。微弱的信號功率導致衛(wèi)星導航在山區(qū)、森林、地下等環(huán)境中導航性能降低甚至無法正常導航[1]。為增強衛(wèi)星導航性能，拓展衛(wèi)星導航應用范圍，可以使用飛艇等中繼端進行導航信號增強轉發(fā)，提高到達地面的衛(wèi)星信號功率。然而在信號增強轉發(fā)過程中，由于發(fā)射信號與接收信號同時同頻均為衛(wèi)星導航信號，因此常需要增加收發(fā)天線間距以避免自干擾問題。為在小型化中繼設備上實現衛(wèi)星導航信號增強轉發(fā)，例如基于無人機平臺的中繼增強系統(tǒng)，關鍵在于實現自干擾濾除。

發(fā)射天線空域自適應調零技術在同頻同時自干擾對消方向有廣泛的應用[2]，然而該技術的實現大部分涉及生成訓練信號進行信道特性估計[3-5]。通過時分加入訓練信號將降低中繼衛(wèi)星的衛(wèi)星信號增強性能。本文基于發(fā)射自適應調零的思想，提出一種無需信道時延特性估計的自干擾發(fā)射自適應調零算法。該算法通過增加額外輔助發(fā)射陣元組成發(fā)射陣列，自適應調整發(fā)射陣列增益方向圖在接收天線方向處形成零陷，從而實現自干擾對消。本文完成了單輔助天線陣元自適應調零的工程實現和測試。仿真分析和工程測試驗證了該算法的有效性。

1 發(fā)射自適應調零技術

發(fā)射自適應調零技術的思想是通過反饋量自適應調節(jié)發(fā)射陣元加權值，使得加權后的發(fā)射天線陣列在指定方向處形成零陷。設輔助發(fā)射陣元個數為M，發(fā)射天線陣自適應調零流程如圖1所示：

圖1 發(fā)射天線陣自適應調零流程

使用常用的最小輸出功率準則，則加權值的計算公式為

1.1 主、輔助發(fā)射鏈路時延間隔

分析式(3)，當主、輔助發(fā)射鏈路之間的時延差超過信號的相干時間時，到達接收天線口面的發(fā)射信號之間互不相關，相當于互相獨立的隨機干擾信號。求解最小輸出功率

在此基礎上對式(3)進行公式推導分析，加權值計算公式改寫為

1.2 收發(fā)時延間隔

在此基礎上可以對式（5）進行公式推導分析，加權值計算公式改寫為

1.3 無需訓練信號進行信道估計的發(fā)射調零實現方案

考慮中繼衛(wèi)星所在空間中不存在多徑，天基中繼與導航衛(wèi)星之間的傳輸信道可認為是理想信道，則式（6）可以改寫為

①使用式（10）進行權值迭代；

②判斷加權值是否收斂；

③如果收斂，重復進行步驟①和②；

圖2 時抗干擾處理結果

圖3 時不自適應調整相位抗干擾處理結果

2 仿真實驗及分析

3 工程實現及測試

工程原理樣機實現選擇FPGA+DSP模式，硬件主要包括模擬部分、數字部分和電源部分組成，其原理如圖5所示。

模擬部分包括一路接收射頻信道、兩路發(fā)射射頻信道、本振電路和時鐘電路。數字部分選用兩片FPGA，一片用于自干擾對消，另一片用于導航信號處理。原理樣機使用串口與外部進行數據交互。ADC與DAC的采樣率均為80MHz。原理樣機實體圖如圖6所示。

為驗證抗干擾算法性能，在暗室進行了工程樣機性能測試。工程測試場景示意圖如圖7所示。

使用存儲式衛(wèi)星導航信號源生成衛(wèi)星導航信號。使用發(fā)射調零原理樣機生成干擾信號，輸出至發(fā)射陣列進行空間傳播。使用接收陣元采集空間中傳播的電磁信號。接收信號經過低噪聲放大器后，進入分路器，一路傳遞至發(fā)射調零原理樣機，一路傳遞至頻譜儀。接收陣元位于黑色載體頂部折板處，發(fā)射陣元位于黑色載體底部折板處，收發(fā)天線間距0.5m。實際測試場景如圖8所示。

圖4 時自適應調整相位抗干擾處理結果

圖5 硬件實現原理

使用發(fā)射調零原理樣機生成1561.368MHz頻率的CW干擾信號，通過監(jiān)控控制發(fā)射調理原理樣機自適應迭代狀態(tài)，當發(fā)射調零原理樣機自適應迭代開環(huán)和閉環(huán)時，ADC后接收信號頻譜如圖9所示。

觀察信號頻譜圖9，自適應迭代開環(huán)時，輔助陣元加權值為0，接收陣元收到主發(fā)射陣元的高功率單頻自干擾信號；當發(fā)自適應迭代閉環(huán)時，輔助陣元加權值自適應向接收信號功率降低方向迭代，接收陣元收到的自干擾信號得到有效濾除。單頻干擾頻率處干擾抑制比為53.65dB。

使用發(fā)射調零原理樣機生成中心頻點1561.098MHz，帶寬4MHz的寬帶干擾信號，發(fā)射調零原理樣機自適應迭代開環(huán)和閉環(huán)時，ADC后接收信號頻譜如圖10所示。

觀察信號頻譜圖10，自適應迭代開環(huán)時，輔助陣元加權值為0，接收陣元收到主發(fā)射陣元的高功率寬帶自干擾信號；當發(fā)射調零閉環(huán)時，輔助陣元加權值自適應向接收信號功率降低方向迭代，自干擾信號得到有效濾除。寬帶干擾抑制比為35.5dB。

圖6 原理樣機實體

圖7 工程測試場景

圖8 實際測試場景

圖9 連續(xù)波自干擾濾除效果

圖10 單寬帶自干擾濾除效果

工程測試結果證明，自干擾發(fā)射自適應調零算法無需訓練信號進行信道時延估計，可以有效濾除單頻、寬帶等類型的自干擾信號，干擾抑制能力在35dB以上。

4 結束語

本文通過對自干擾發(fā)射自適應調零進行理論分析，提出一種無需訓練信號進行信道時延估計的發(fā)射自適應調零算法，并完成了工程實現。通過仿真分析和工程實測對該算法進行了性能測試，結果表明，該算法可以有效濾除自干擾信號，干擾濾除能力在35dB以上。該算法可用于衛(wèi)星導航中繼增強自干擾濾除，對實現小型化衛(wèi)星導航中繼增強系統(tǒng)有重要意義。

[1] HARRISON M, KENAGY R, LILLY R, et al. Alternative positioning, navigation, and timing (APNT) services research development program[C].Proc. of ION GNSS, 2010.

[2] 吳飛. 同時同頻全雙工空域自干擾抑制關鍵技術研究[D]. 成都: 電子科技大學, 2017.

[3] CHUN B, LEE Y H. A spatial self-interference nullification method for full duplex amplify-and-forward mimo relays[C]. Wireless Communications and NETWORKING Conference, Sydney,2010: 1–6.

[4] HUA Y, LIANG P, MA Y, et al. A method for broadband full-duplex mimo radio[J]. IEEE Signal Processing Letters, 2012, 19(12): 793–796.

[5] JOHNSTON S E, FIORE P D. Full-duplex communication via adaptive nulling [C]. Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers, Pacific Grove CA, USA, 2013:1628–1631.

Based on transmit adaptive nulling self-interference cancellation algorithm study

GAO Lichao1, SUN Xun1,2, LI Da1, CHENG Yanfei1

（1. Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100094, China; 2. Dept. Electronic engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China）

To reduce the self-interference generated from satellite navigation enhanced relay system, a new adaptive reduce self-interference algorithm based on transmit adaptive nulling is proposed in this paper and engineering realization is finished. Extra antenna is added to form transmit antenna array, and adaptive nulling algorithm is used to reduce self-interference by generate null in transmit array gain pattern to the direction of receive antenna. Compare with traditional transmit adaptive nulling algorithm, the new algorithm does not need training signals for channel delay estimation. Simulation results prove that the new algorithm can reduce self-interference effectively. Engineering test results show that the new algorithm has more than 35dB self-interference cancellation capabilities.

Transmit adaptive nulling; Self-Interference cancellation; GPS enhance

TN 911.7

A

CN11-1780(2019)05-0022-06

Email:ycyk704@163.com TEL:010-68382327 010-68382557

2019-04-24

2019-06-03

高立朝 1988年生，工程師，碩士，研究方向為衛(wèi)星導航與定位。

孫 迅 1974年生，研究員，博士研究生，研究方向為衛(wèi)星導航與定位。

李 達 1978年生，高級工程師，碩士，研究方向為衛(wèi)星導航與定位。

程彥飛 1991年生，工程師，碩士，研究方向為衛(wèi)星導航與定位。