賴 鑫

（中國西南電子技術研究所，成都610036）

射頻干擾對消技術的系統(tǒng)設計與仿真分析?

賴 鑫??

（中國西南電子技術研究所，成都610036）

針對現(xiàn)有大型電子信息系統(tǒng)中同平臺接收設備受到同平臺發(fā)射設備的發(fā)射干擾情況，研究了可對消發(fā)射設備干擾的射頻干擾對消技術。分析了射頻對消技術的理論模型，提出了射頻對消技術的系統(tǒng)設計方案，重點研究了信號調整、信號檢測和系統(tǒng)控制3個主要單元的設計和系統(tǒng)控制算法。系統(tǒng)仿真結果驗證了該系統(tǒng)設計方法的正確性。該系統(tǒng)設計方法可用于進行后續(xù)的樣機研制。

電子信息系統(tǒng)；共址干擾；射頻干擾對消；系統(tǒng)設計；信號調整；信號檢測；系統(tǒng)控制

1 引 言

為了滿足作戰(zhàn)應用，現(xiàn)有的大型電子信息平臺上裝備了越來越多的電子設備。通信、雷達、導航等不同系統(tǒng)的設備同時工作，造成平臺內電磁兼容環(huán)境惡劣、環(huán)境電磁噪聲惡化、高靈敏度的設備極易受到同平臺其他設備主頻和寬帶噪聲的影響，造成設備飽和或降靈，這是發(fā)展大型電子信息平臺所必然面臨的問題。

對于這種同平臺收發(fā)設備的干擾情況，采用天線布局和濾波器的作用都比較有限，不能解決進入接收通帶主頻的干擾信號，而引入射頻干擾對消技術，可用來對消進入濾波器通帶內的同平臺主頻干擾和寬帶噪聲干擾。

射頻干擾對消技術通過對同平臺的干擾源進行采樣，用來對消進入濾波器通帶內的干擾噪聲和主頻發(fā)射。射頻干擾對消技術在國外較早進入工程實用，國內的研究跟進相對較晚。國內的研究最早是對干擾對消技術進行系統(tǒng)的原理性分析和理論模型分析［1－2］，后續(xù)也有研究人員在雷達收發(fā)泄露干擾上采用了該技術，并進行了深入研究［3－4］。國外的研究相對起步較早，把該技術廣泛應用到了雷達的收發(fā)泄露抑制［5－6］、民用通信［7－8］和軍用通信中［9］。

在美軍的新一代電子戰(zhàn)飛機EA-18G上，其裝備了射頻對消設備INCANS，用于在電子戰(zhàn)發(fā)射時抑制干擾機的寬帶噪聲，保持同頻段通信系統(tǒng)的工作能力，實現(xiàn)了干中通，極大提升了飛機的作戰(zhàn)能力［9］。

針對射頻干擾技術的技術特點，本文對該技術進行了理論分析，提出了系統(tǒng)實現(xiàn)方案，并對系統(tǒng)特性和關鍵技術展開了分析。

2 理論模型分析

2.1 射頻對消的數(shù)學模型

射頻對消技術的數(shù)學原理是矢量的合成疊加。干擾信號可以比擬為直角坐標空間的一個矢量，利用另一個與該矢量有相同信息特征的等幅反相矢量與之合成，從而抵消掉該干擾信號［1－3］。

如圖1所示，干擾信號可以描述為極化圖上的矢量A，它包含幅度和相位兩方面的信息。矢量B用來對消該干擾信號。若要實現(xiàn)對消，B需要與矢量A幅度相同、相位相反，這樣合成矢量C才能夠趨于零。對消的過程也就是調節(jié)矢量B使其達到與矢量A等幅反向的過程。

圖1 矢量合成對消示意圖

2.2 對消技術的原理模型

從數(shù)學原理出發(fā)，射頻干擾對消技術的原理模型可用圖2所示的框圖來描述。系統(tǒng)框圖中有兩個信號輸入通道：空間耦合通道和參考通道。天線間的共場地干擾的空間耦合通道是主通道。參考通道用于引入一矢量與干擾信號進行對消?？驁D中的惡檢測通道用于取樣對消后的干擾信號，并對主通道的對消效果進行檢測。

圖2 射頻對消原理模型

在圖2中，接收機的接收信號是有用信號S和干擾信號J0。主通道的干擾信號J0和參考信號Jt是來自同一干擾信號源，但分量不同的兩個相關信號。在有用信號S和干擾J0進入接收機前，把Jt引入來抵消干擾J0，并且用兩個通道的信號合成后的殘余信號e來調節(jié)參考信號Jt的幅相參數(shù)，使其與空間耦合干擾信號J0幅度相等、相位相反，從而建立起一個負反饋控制環(huán)路，對消主通道干擾信號。

整個對消的原理模型簡單明了，其重點是建立反饋的控制環(huán)路，針對對消后的殘差信號來自適應地調節(jié)參考通道的信號幅相特性，這也是整個對消系統(tǒng)實現(xiàn)的理論基礎。

3 系統(tǒng)模型分析

根據(jù)圖2所示的對消原理模型，把其中的幅相調整和對消效果檢測工程化后，轉化為可實現(xiàn)的工程化系統(tǒng)框圖，如圖3所示［3－5］。

圖3 射頻對消系統(tǒng)框圖

在整個射頻對消系統(tǒng)框圖中，參考通道是對采樣的干擾信號進行幅相調整；檢測通道是對對消后的效果進行檢測，檢測效果用來控制信號的幅相調整。整個工程化模型主要包括信號調整、信號檢測和反饋控制3個主要單元。

3.1 信號調整單元

3.1.1 正交信號調整方式

信號調整單元用于實現(xiàn)采樣的干擾信號的幅度和相位調整，達到與空間耦合信號等幅反相的效果。

設空間耦合信號和采樣的干擾信號在同一極坐標系中，要達到對采樣干擾信號的調整，框圖中的幅相調制需要具有極坐標系中360°的任意相位調整能力和信號放大和衰減能力。信號的衰減和放大在工程實現(xiàn)上難度不大，而信號的360°移相盡管可以采用移相器實現(xiàn)，但是要實現(xiàn)可以滿足工程應用的寬頻帶應用很難，并且很難保證精確的移相控制。

為了滿足工程化應用，對信號調整采用了工程上常用的正交信號調整方法，把對一個信號的360°相位調整轉化為對其投影的兩路正交信號的幅度調整和反向調整。

圖4 正交信號合成示意圖

如圖4所示，要把采樣信號矢量B調整到與空間耦合信號矢量A等幅反向，采用正交坐標系坐標軸上的兩個矢量AI和AQ來合成所需要的矢量B。

對于矢量AI和AQ，我們只需要調整其幅度和進行180°的反向，就能使其合成矢量B在坐標軸上實現(xiàn)0°～360°的相位旋轉，并且其幅度也可由坐標軸上的兩個矢量調節(jié)。這樣對一個矢量信號進行360°的相位和幅度調整就轉換為更容易工程化實現(xiàn)的調整兩個正交信號的幅度和180°反向。

3.1.2 信號調整精度對系統(tǒng)的影響

由于在實際系統(tǒng)中，空間耦合信號矢量和采用的干擾信號矢量不可能完全幅度相等、相位相反，對消會不徹底，兩者將會合成一個新的矢量，我們稱為對消后剩余誤差信號。為了評價對消性能，引入對消比的概念。對消比是指空間耦合信號功率和對消后剩余的誤差信號功率之比。假設空間耦合信號為A，采樣的干擾信號為B，用三角函數(shù)表示兩個矢量如下：

其中，ΔA表示矢量A與B的幅度差，Δθ表示兩個矢量在極坐標上的相位差。矢量A與矢量B的合成矢量為對消后矢量，定義其為C，且有C＝A＋B。描述對消效果的對消比可以表述如下：

其中，D表示干擾信號和對消后信號的功率之比，也稱為對消比。對上式進行推導：

式中，M和Δθ為變量，利用上式可以計算出功率比、相位差兩個參數(shù)與對消比的關系圖，如圖5所示。

圖5 對消比示意圖

如圖5所示，要實現(xiàn)較高的對消比，采樣的干擾信號量B與耦合信號量A之間的幅度差和相位差都要達到非常低的精度。如果直接用移相器來實現(xiàn)，難度非常大，現(xiàn)改為用一對正交信號的幅度變化來調節(jié)，更加容易實現(xiàn)。

3.2 信號檢測單元

在射頻對消系統(tǒng)中，如何對對消結果進行檢測評估是射頻對消系統(tǒng)設計時必須考慮的問題。如何實現(xiàn)快速穩(wěn)定地達到預期的對消比水平是整個射頻對消系統(tǒng)的設計難點。

經過參考信道的信號對消后，空間耦合信號的幅度減弱，對于對消后信號的檢測是從信號幅度的方面進行［3－5］。檢測通道所采集到的信號幅度代表了信號對消的水平，若系統(tǒng)實現(xiàn)了高對消比的對消，那么采集到的檢測信號幅度越小。

通過對殘差信號進行檢測，可以評估對消效果，并為對消控制提供依據(jù)。誤差檢測需滿足檢測快、動態(tài)大的要求。誤差檢測處于對消系統(tǒng)的反饋回路中，檢測時間的長短也將直接影響對消控制的收斂速度；另一方面，誤差檢測也要滿足較大范圍的檢測動態(tài)范圍，與信號調整所能實現(xiàn)的對消比所匹配。

對對消后殘差信號的檢測方法有功率檢測、模擬相關檢測、數(shù)字相關檢測等多種方法，需要檢測的信息包括對消后信號的相位和幅度兩方面信息。由于在信號調整中，采用了一對正交矢量合成所需要的參考信號的方式，那么對對消后信號的檢測也需要分成一對正交信號的檢測，檢測的結果分別對應到信號調整的兩路正交信號。

對信號幅度和相位的檢測可以采用檢波或混頻的方式進行。在工程中常采用混頻檢測的方式，對消后信號幅度的大小與混頻后檢測信號的幅度大小相關，對消后信號幅度越小，所表征的檢測信號的幅度越小。該檢測信號再送入系統(tǒng)控制單元，做為控制幅相調整的參照。

3.3 系統(tǒng)控制單元

系統(tǒng)控制完成檢測信號輸入到信號調整輸出的整個過程。檢測信號表征了此刻射頻對消的效果，系統(tǒng)控制單元接受了檢測信號，根據(jù)系統(tǒng)此刻的檢測效果實時對信號調整單元進行調整，控制采用信號的幅相輸出。整個過程形成了負反饋的控制環(huán)路，使得系統(tǒng)能夠正常工作，多次反饋過程后，系統(tǒng)達到所需要的輸出，實現(xiàn)對消效果。

3.3.1 控制方式與實現(xiàn)

為了實現(xiàn)負反饋環(huán)路，可以采用模擬或數(shù)字的方式來實現(xiàn)系統(tǒng)控制。接收檢測信號后，進行運算，再輸出給信號調整單元的控制信號。在滿足負反饋環(huán)路的收斂性后，控制方式采用模擬方式就可以滿足系統(tǒng)要求，為了便于后期的應用擴展和工程化應用，可以采用數(shù)字控制的方式實現(xiàn)系統(tǒng)的控制［6，10］。

3.3.2 控制算法分析

在系統(tǒng)中采用了負反饋的控制環(huán)路，分析負反饋系統(tǒng)的收斂條件，選好合理的系統(tǒng)參數(shù)和控制算法，可以使系統(tǒng)達到快速穩(wěn)定的收斂［2，10］。

由圖2可知，對消后的合成信號為

將式（6）兩邊平方，得到

因為S和J0是互不相關的兩個信號，故有E［S（J0＋Y）］＝0，所以式（7）可以改寫為

在對消系統(tǒng)的內部結構進行調整時，有用信號的功率E［S2］是不變的，故有：

由上式可知，Y是J0的最小均方估計，因此e也就是S的最小均方估計。當Y＝－J0時，e＝S成立。

由以上分析可知，自適應抵消器的核心就是以E［e2］最小為準則。自適應處理器對干擾采樣Jt進行變換，使其輸出Y與J0等幅反相，從而達到干擾抵消的目的。

根據(jù)圖3所示的系統(tǒng)框圖，采用的是兩路正交信號做幅度調整。設J0＝UI＋UQ，其中UI和UQ是J0的兩路正交分量，同樣設Y＝YI＋YQ，YI和YQ可由UI和UQ的適當加權得到，即有

在系統(tǒng)中為了不引入額外的噪聲，一般是采用衰減方式，因此有WI和WQ的絕對值均小于等于1。

設權值矢量W＝［WIWQ］T，干擾采樣Jt＝［U1UQ］T，則有

將式（10）代入到式（11）可得

令E［J0］＝Rxd，E［Jt］＝Rxx，則有

其中，Rxx和Rxd分別如下式所示：

只要Jt和J0是平穩(wěn)慢變化過程，Rxx和Rxd就可認為是常數(shù)。由式（13）可知，E［（J0＋Y）2］是權系數(shù)W的二次函數(shù)。對于該二次函數(shù)，其權函數(shù)的極值就是其數(shù)學期望滿足要求的最優(yōu)解。對消后合成信號的數(shù)學期望E［e2］與E［（J0＋Y）2］相比，只是相差一常數(shù)，因此兩者的最優(yōu)權值是同一個解，可通過對式（13）求解得到。E［（J0＋Y）2］的權函數(shù)圖形可表示為如圖6所示的二次函數(shù)曲線圖，其最優(yōu)權值即是系統(tǒng)的最優(yōu)解。

圖6 誤差函數(shù)的權函數(shù)示意圖

如圖6所示，要求得E［（J0＋Y）2］min所對應的最優(yōu)權函數(shù)，即有

將式（16）代入式（13），經過運算處理后求得權值最優(yōu)解為

在系統(tǒng)控制單元中，利用迭代方法把式（17）數(shù)學實現(xiàn)，完成對輸出權值的修正，多次迭代后，得到系統(tǒng)的最佳權值。

4 仿真分析

結合系統(tǒng)的整體技術方案，對實現(xiàn)干擾對消技術的3個主要單元進行了單元設計和關鍵特性分析，并進行了控制算法分析，掌握了干擾對消技術的總體設計技術。根據(jù)整個系統(tǒng)的方案架構和單位分析工作，利用仿真軟件搭建如圖3所示的系統(tǒng)框圖，設置一組系統(tǒng)初始參數(shù)如下：干擾信號J0的幅度為1，有用信號S的幅度為1，初始權值為0，兩路信號間的相位差為100°，并進行仿真模擬。

仿真得到的兩路系統(tǒng)權值變化如圖7所示，經過不到20次迭代后，系統(tǒng)的兩路權值均達到了穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 系統(tǒng)權值變化圖

圖8 歸一化干擾信號幅度變化圖

仿真得到的歸一化干擾信號幅度變化曲線如圖8所示，在約20次迭代后，干擾信號的歸一化幅度值就基本上趨于零。結合圖7對比分析，在約20次迭代后，系統(tǒng)權值的兩路權值趨于一穩(wěn)定數(shù)值，此時的干擾信號幅度也趨于零，說明系統(tǒng)在約20次迭代后，達到了穩(wěn)定狀態(tài)。

仿真結果表明，依照前面所述的系統(tǒng)架構和系統(tǒng)控制算法，整個對消系統(tǒng)的可以達到期望的工作狀態(tài)，并且穩(wěn)定工作，驗證了系統(tǒng)方案設計的正確性。

5 結語

射頻對消系統(tǒng)在平臺電磁兼容方面有不可替代的技術優(yōu)勢。研究了對消系統(tǒng)的系統(tǒng)方案和系統(tǒng)中主要單元的實現(xiàn)，并進行了模擬仿真，驗證了進行超短波干擾對消的可行性，為后期工程研制奠定了理論研究基礎。

［1］姚中興，李華樹，任桂興.通信自適應干擾對消系統(tǒng)的性能分析［J］.西安電子科技大學學報，1995，22（3）：256 261.YAO Zhong-xing，LIHua-shu，REN Gui-xing.The performance analysis of adaptive interference cancellation system［J］.Journal of Xidian University，1995，22（3）：256－261.（in Chinese）

［2］鄭偉強，杜武林.自適應干擾抵消研究［J］.電訊技術，1991，31（6）：20－27.ZHENGWei-qiang，DUWu-lin.Study of Adaptive Interference Cancelling［J］.Telecommunication Engineering，1991，31（6）：20－27.（in Chinese）

［3］酈舟劍，王東進.毫米波連續(xù)波雷達載波泄漏對消—理論分析與系統(tǒng)仿真［J］.現(xiàn)代雷達，1998，20（2）：1－11.LI Zhou-jian，WANG Dong-jin.Carrier Feed-through Nulling in Millimeter Wave Continuous Wave Radar——Theoretical Analysis and System Simulation［J］.Modern Radar，1998，20（2）：1－11.（in Chinese）

［4］郭聯(lián)合，王東進.毫米波連續(xù)波雷達載波泄漏對消［J］.現(xiàn)代雷達，2001，23（4）：41－45.GUO Lian-he，WANGDong-jin.Carrier Feed-through Nulling in Millimeter Wave Continuous Wave Radar［J］.Modern Radar，2001，23（4）：41－45.（in Chinese）

［5］Lin Kaihui，Wang Y E，Pao Cheng-Keng，et al.A Ka-Band FMCW Radar Front-End With Adaptive Leakage Cancellation［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2006，54（12）：4041－4048.

［6］Lin Kaihui，Wang Y E.Real-time DSP for Reflected Power Cancellation in FMCW Radars［C］//Proceedings of 2004 IEEE 60th Vehicular Technology Conference.Piscataway，NJ，USA：IEEE，2004：3905－3907.

［7］Nishimori K，Yomo H，Popovski P.Distributed Interference Cancellation for Cognitive RadiosUsing Periodic Signalsof the Primary System［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2011，10（9）：2971－2981.

［8］張賢達.現(xiàn)代信號處理［M］.北京：清華大學出版社，1995.ZHANGXian-da.Modern Signal Processing［M］.Beijing：Tsinghua University Press，1995.（in Chinese）

［9］Kathleen C.New dog in the fight［J］.Boeing Frontiers，2006（9）：12－17.

［10］Li Peng，Lamare R C，F(xiàn)a Rui.Multiple Feedback Successive Interference Cancellation Detection for Multiuser MIMO Systems［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2011，10（8）：2434－2439.

賴鑫（1983—），男，重慶人，2010年于西安電子科技大學獲博士學位，現(xiàn)為工程師，主要研究航空電子系統(tǒng)、電磁兼容等。

LAIXin was born in Chongqing，in 1983.He received the Ph.D.degree from Xidian University in 2010.He isnow an engineer.His research concerns avionics system and EMC.

Email：llext＠163.com

System Design and Simulation Analysis of RF Interference Cancellation Technology

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

Based on the co-site RF interference between the emission equipment and the receiving equipment in the C4ISR system，the RF interference cancellation technology is discussed in this paper.Based on the analysis of the theorymodel，a system design scheme is proposed.The designmethod of the threemain unit，signal adjustment，signal detectivity and sysem control，and the system control arithmetic are carefully studied.The system model is simulated and the results validate the system designmethod which can be used in the further equipmentmanufacturing.

C4ISR system；co-site RF intererence；RF interference cancellation；system design；signal adjustment；signal datection；system control

TN85

A

1001－893X（2013）03－0259－06

10.3969/j.issn.1001－893x.2013.03.006

2012－08－01；

2013－01－07 Received date：2012－08－01；Revised date：2013－01－07

??通訊作者：llext＠163.com Corresponding author：llext＠163.com