共址調(diào)頻和調(diào)幅系統(tǒng)干擾機(jī)理及干擾抑制需求分析*

趙 奎，王 青，孟 進(jìn)，唐 健，張 磊

(海軍工程大學(xué) 艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430033)

自適應(yīng)干擾對消技術(shù)是解決輻射干擾問題的一種有效方法[1-5]。針對不同的通信系統(tǒng)和干擾信號強(qiáng)度，自適應(yīng)對消技術(shù)所需要實(shí)現(xiàn)的干擾抑制性能也具有不同的需求。一般對消性能可以用對消比(Interference Cancellation Ratio, ICR)來表示，即干擾信號對消前和對消后功率的比值。由于共平臺(tái)干擾可能會(huì)造成接收機(jī)低噪聲放大器(Low Noise Amplifier, LNA)工作在非線性區(qū)域，系統(tǒng)輸出并非理想輸出，因此需要對干擾作用機(jī)理進(jìn)行分析研究，并針對特定干擾提出相應(yīng)的干擾抑制需求。

現(xiàn)有報(bào)道均以單頻信號為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)干擾機(jī)理研究，且是單獨(dú)進(jìn)行調(diào)頻(Frequency Modulation, FM)系統(tǒng)和調(diào)幅(Amplitude Modulation, AM)系統(tǒng)的干擾機(jī)理分析。海軍工程大學(xué)的肖歡對短波、超短波調(diào)幅干擾機(jī)理的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究，提出了干擾抑制需求與干擾信號強(qiáng)度的關(guān)系[6]，但在解析推導(dǎo)過程中作了一定假設(shè)，得到了簡化后的解析解，雖然給出了干擾抑制需求與干擾信號強(qiáng)度的關(guān)系曲線，但僅滿足大致趨勢，誤差較大。本文針對寬帶干擾機(jī)理進(jìn)行研究，并將調(diào)頻通信系統(tǒng)和調(diào)幅通信系統(tǒng)干擾機(jī)理進(jìn)行了統(tǒng)一。

1 干擾模型及抑制需求

圖1所示為AM或FM電臺(tái)的共平臺(tái)干擾模型。在艦艇等通信平臺(tái)中，由于空間有限，不同通信設(shè)備的收發(fā)天線距離較近，造成收發(fā)天線空間隔離度較低。由于共址發(fā)射機(jī)功率過大，當(dāng)不同通信設(shè)備同時(shí)收發(fā)時(shí)，發(fā)射機(jī)的信號會(huì)通過空間耦合進(jìn)入接收機(jī)。

實(shí)際中AM和FM電臺(tái)的工作帶寬較寬，對應(yīng)接收機(jī)射頻前端的預(yù)選濾波器帶寬也相應(yīng)較寬。因此，共平臺(tái)的其他發(fā)射機(jī)工作時(shí)，發(fā)射信號可以直接通過預(yù)選濾波器到達(dá)LNA。LNA的線性工作區(qū)域有限，當(dāng)干擾信號較大時(shí)會(huì)致使LNA工作在非線性區(qū)，甚至飽和。LNA的非線性效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生同頻、諧波、交調(diào)等新的頻率分量。當(dāng)LNA輸出經(jīng)過接收機(jī)下變頻和濾波處理后，大部分帶外信號能被濾除掉，最終對通信信號造成干擾的主要是LNA的非線性效應(yīng)產(chǎn)生的同頻分量。

本節(jié)首先對LNA的非線性效應(yīng)進(jìn)行建模，并得到接收機(jī)檢波輸出的信干比(Signal to Interference Ratio, SIR)與天線輸入信干比間的關(guān)系模型。以此為基礎(chǔ)，對干擾抑制需求進(jìn)行解析分析。

圖1 共平臺(tái)干擾模型Fig.1 Model of collocated interference

1.1 LNA非線性模型

LNA非線性可用多項(xiàng)式描述[7-8]：

(1)

其中，f(x)為LNA的輸出，x為LNA的輸入，an為非線性因子。一般地，直流分量和高于三階的非線性分量的功率相對很低，因此可以忽略[9]。

假設(shè)LNA的輸入信號為Vin，則其輸出信號為：

(2)

其中，a1、a2、a3取決于LNA的增益特性，與具體型號有關(guān)，其與LNA參數(shù)之間的關(guān)系如下：

(3)

其中，G為LNA的增益，AIP3為LNA的三階交調(diào)值。

以典型的LNA參數(shù)為例[10]，假設(shè)三階交調(diào)IIP3=-10 dBm，LNA典型增益為35 dB，LNA非線性系數(shù)由式(3)計(jì)算得a1=56.23，a2=5.623，a3=-7497.33。因此可得LNA輸入輸出的電壓關(guān)系如圖2所示。

圖2 LNA輸入輸出電壓關(guān)系Fig.2 Relationship between the LNAs′ input and output voltage

假定有用信號載波頻率為ω1，干擾信號載波頻率為ω2，z1(t)和z2(t)分別為有用信號和干擾信號的復(fù)包絡(luò)，則LNA輸入信號Vin可以表示為：

(4)

將Vin代入式(2)得到LNA輸出：

(5)

對式(5)展開可得到所有LNA非線性產(chǎn)生的新頻率分量，如表1所示。

實(shí)際上，可落入接收機(jī)同頻帶內(nèi)造成干擾的分量主要是同頻分量，即表1中的第2項(xiàng)。因此可以得到接收機(jī)檢波輸出信干噪比R為：

(6)

表1 LNA輸出的頻率分量

1.2 抑制需求分析

采用自適應(yīng)對消技術(shù)的共平臺(tái)干擾抑制系統(tǒng)如圖3所示。其中，接收機(jī)接收天線收到的有用信號與干擾信號的混合信號和共址發(fā)射機(jī)的參考信號經(jīng)過對消裝置[11-12]對消后再進(jìn)入LNA，從而保證LNA工作在線性區(qū)。

圖3 自適應(yīng)干擾對消原理Fig.3 Rational of adaptive interference cancellation

(7)

假設(shè)輸出信干噪比為R時(shí)，可以得到對消比需求ρ為：

(8)

可見，對消比需求主要與干擾信號和有用信號的二階、四階和六階矩有關(guān)，因此對消比需求與所使用的信號調(diào)制形式有關(guān)。下一節(jié)，分別針對AM和FM系統(tǒng)對消比需求進(jìn)行分析。

2 FM和AM電臺(tái)共平臺(tái)干擾對消比需求分析

2.1 FM電臺(tái)共址干擾對消比需求分析

FM調(diào)制信號可表示為：

(9)

(10)

將其代入式(7)可得對應(yīng)的對消比抑制需求為：

(11)

2.2 AM電臺(tái)共址干擾對消比需求分析

AM調(diào)制信號可表示為：

a(t)=Ac[1+μx(t)]ejwt

(12)

其中，Ac為信號幅度，μ為信號調(diào)幅度，Ac[1+μx(t)]為信號復(fù)包絡(luò)，x(t)為調(diào)制信號且x(t)服從均值為0、方差為σ2的高斯分布。

假設(shè)有用信號波形為Ac1[1+μ1x1(t)]·exp(jω1t)，干擾信號波形為Ac2[1+μ2x2(t)]·exp(jω2t)，則調(diào)幅信號的二階、四階和六階矩分別為：

15μ6σ6

(13)

將其代入式(7)可得對應(yīng)的對消比抑制需求為：

(14)

3 仿真結(jié)果

經(jīng)過前文的理論分析，現(xiàn)進(jìn)行解析解和數(shù)值仿真對比。數(shù)值仿真參數(shù)設(shè)置[13]如表2所示，數(shù)值仿真參數(shù)均為無量綱參數(shù)。

表2 仿真參數(shù)

3.1 FM系統(tǒng)仿真結(jié)果

通過式(10)和表2列出的數(shù)值仿真參數(shù)進(jìn)行結(jié)果比對，可以得到輸出信干比和輸入信干比的關(guān)系如圖4所示。

圖4 輸入信干比與輸出信干比關(guān)系Fig.4 Relationship between the input and output of the SIR

由圖4可知，輸出信干比隨輸入信干比增大而增大，但當(dāng)信干比增大到一定程度時(shí)，輸出信干比不再繼續(xù)增大，達(dá)到一定飽和；且輸出信干比達(dá)到飽和時(shí)的大小與有用信號功率大小密切相關(guān)，有用信號功率越大，達(dá)到飽和的輸出信干比越小。

同時(shí)，對通帶內(nèi)的輸出信干比與有用信號和干擾信號的三維圖示進(jìn)行解析仿真和數(shù)值仿真驗(yàn)證，如圖5和圖6所示。

圖5 解析推導(dǎo)輸出信干比三維圖Fig.5 Three-dimension diagram of the output of the SIR with formulas

通過解析推導(dǎo)和數(shù)值仿真分析均可得出，在大干擾調(diào)頻通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)輸出的有效信干比隨輸入干擾信號增大而減小，隨有用信號增大而增大。當(dāng)有用信號強(qiáng)度不變，且為了獲得一定有效輸出時(shí)，通過對消系統(tǒng)將干擾對消消除或降低到一定強(qiáng)度，即可獲得一定的有效輸出，實(shí)現(xiàn)正常通信。

圖6 數(shù)值仿真輸出信干比三維圖Fig.6 Three-dimension diagram of the output of the SIR with simulation

通過式(11)可得，干擾抑制需求即對消比ICR隨干擾強(qiáng)度Jin的變化如圖7所示。

圖7 調(diào)頻ICR與干擾信號強(qiáng)度關(guān)系Fig.7 Relationship between the FM ICR and interference intensity

從圖7可知，在有用信號強(qiáng)度為-56.02 dBm、噪聲功率為-105 dBm條件下，系統(tǒng)對消比隨干擾信號強(qiáng)度增大而增大，當(dāng)干擾信號功率為10 dBm時(shí)，系統(tǒng)需要的對消比為31.12 dB，且仿真曲線和公式推導(dǎo)的數(shù)值基本一致。而文獻(xiàn)[6]的干擾抑制曲線(傳統(tǒng)模型)與之相比，相同干擾信號強(qiáng)度(10 dBm)下，所需的對消比僅為19.42 dB。對于調(diào)頻通信系統(tǒng)來說，本文所提的干擾抑制需求更準(zhǔn)確，文獻(xiàn)[6]低估了干擾抑制需求。

3.2 AM系統(tǒng)仿真結(jié)果

通過式(13)和表2列出的數(shù)值仿真參數(shù)進(jìn)行結(jié)果比對，可以得到輸出信干比和輸入信干比的關(guān)系如圖8所示。

圖8 輸入信干比與輸出信干比關(guān)系Fig.8 Relationship between the input and output of the SIR

由圖8可知，在調(diào)幅通信系統(tǒng)中，輸出信干比隨輸入信干比增大而增大，但當(dāng)信干比增大到一定程度時(shí)，輸出信干比不再繼續(xù)增大，達(dá)到一定飽和；且輸出信干比達(dá)到飽和時(shí)的大小與有用信號功率大小密切相關(guān)，有用信號功率越大，達(dá)到飽和的輸出信干比越大。

同時(shí)，對通帶內(nèi)的輸出信干比與有用信號和干擾信號的三維圖示進(jìn)行解析仿真和數(shù)值仿真驗(yàn)證，如圖9和圖10所示。

圖9 解析推導(dǎo)輸出信干比三維圖Fig.9 Three-dimension diagram of the output of the SIR with formulas

通過解析推導(dǎo)和數(shù)值仿真分析均可得出，在大干擾調(diào)幅通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)輸出的有效信干比隨輸入干擾信號增大而減小，隨有用信號增大而增大。當(dāng)有用信號強(qiáng)度不變，且為了獲得一定有效輸出時(shí)，通過對消系統(tǒng)將干擾對消消除或降低到一定強(qiáng)度，即可獲得有效輸出，實(shí)現(xiàn)正常通信。

圖10 數(shù)值仿真輸出信干比三維圖Fig.10 Three-dimension diagram of the output of the SIR with simulation

通過式(14)可得，干擾抑制需求即對消比ICR隨干擾強(qiáng)度Jin的變化如圖11所示。

圖11 調(diào)幅ICR與干擾信號強(qiáng)度關(guān)系Fig.11 Relationship between the AM ICR and interference intensity

由圖11可知，在有用信號強(qiáng)度為-56.02 dBm、噪聲功率為-105 dBm條件下，系統(tǒng)對消比隨干擾信號強(qiáng)度增大而增大，當(dāng)干擾信號功率為10 dBm時(shí)，系統(tǒng)需要的對消比為33.52 dB，且仿真曲線和公式推導(dǎo)的數(shù)值也基本一致。而文獻(xiàn)[6]的干擾抑制曲線(傳統(tǒng)模型)與之相比，相同干擾信號強(qiáng)度(10 dBm)下，所需對消比僅為19.42 dB。對于調(diào)幅通信系統(tǒng)來說，本文所提的干擾抑制需求更準(zhǔn)確，文獻(xiàn)[6]低估了干擾抑制需求。

綜上調(diào)頻系統(tǒng)和調(diào)幅系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證，在相同仿真條件下，調(diào)幅通信系統(tǒng)所需對消比需求為33.52 dB，調(diào)頻通信系統(tǒng)所需的對消比需求為31.12 dB。因此，調(diào)幅通信系統(tǒng)比調(diào)頻通信系統(tǒng)干擾抑制需求高2.4 dB，說明調(diào)頻通信系統(tǒng)的抗干擾性能優(yōu)于調(diào)幅通信系統(tǒng)[13]。

4 結(jié)論

圍繞自適應(yīng)干擾對消共平臺(tái)干擾抑制技術(shù)應(yīng)用，針對AM以及FM電臺(tái)間干擾對消抑制需求進(jìn)行了解析分析，并通過數(shù)值仿真對解析模型進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，本文提出的干擾抑制需求較傳統(tǒng)方法更精確，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)方法沒有對AM和FM電臺(tái)進(jìn)行區(qū)分，傳統(tǒng)模型給出了相同的的對消比需求。本文研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有用信號功率、噪聲功率和干擾功率相同時(shí)，調(diào)幅通信系統(tǒng)的干擾抑制需求高于調(diào)頻通信系統(tǒng)。因此，調(diào)頻通信系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)于調(diào)幅通信系統(tǒng)。