射頻自適應干擾抵消系統的分析與設計

鄒 敏,紀學軍

(中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

在現代武器裝備中,同一個平臺上往往存在大量的接收和發射設備,特別是在電子對抗設備中經常存在大功率干擾與高靈敏度的接收設備,為了使得所有設備能正常工作,傳統的做法就是通過復雜的頻譜管理使設備分時分頻工作。但是在信息密度極高的現代戰爭環境下,戰場形勢瞬息萬變,重要設備的分時工作意味著可能丟掉重要戰場情報,這將使得設備的戰術性能大大降低,還可能造成重大損失。自適應干擾抵消系統則是解決這個問題的一種有效手段,自適應干擾抵消不僅能使得同平臺的接收和發射設備同時工作,而且還可能同頻工作。這樣在提高裝備戰術性能的同時,還提高了頻譜利用率,減輕了復雜電磁環境下的頻譜管理難度。

在基于最小均方(LMS)算法的自適應干擾抵消系統原理的基礎上,重點對系統的射頻實現方式進行了分析,給出了具有較強工程指導意義的設計公式,對工程設計中的一些問題進行了討論,并給出了解決方法。

1 系統模型

自適應干擾抵消系統原理如圖1所示。圖1中vm(t)為從天線接收的干擾信號;vr(t)為與干擾信號相關的參考信號,一般由本地接收機從發射機取樣得到;w(t)為對參考信號vr(t)的加權值;e(t)為抵消后輸出的誤差信號。參考信號vr(t)經過w(t)加權調整以后與干擾信號vm(t)求和,求和誤差e(t)作為抵消后的輸出信號。為了適應干擾信號vm(t)幅度和相位的變化,w(t)將隨vm(t)的變化進行自適應的調整。調整過程由最優化算法實現如LMS算法,自適應調整的結果使得誤差信號e(t)達到最優化算法收斂的極小值。

圖1 自適應干擾抵消系統原理模型

定義干擾信號vm(t)與誤差信號e(t)的功率比為自適應干擾抵消系統的抵消比(ICR),ICR將作為衡量系統性能的主要指標。

設本地發射機輻射的信號為:

式中,a(t)、θ(t)分別為信號幅度和相位。由本地接收機接收的干擾信號為:

式中,Gm、β分別為信號由發射天線傳播到接收天線的幅度衰減和相移。本地從發射機取樣的干擾信號為:

式中,Gr、φ分別為取樣系數和相移。對于以LMS算法進行自適應調整的抵消系統的抵消比可表示為:

式中,SNR=pa/pn,pa為發射信號功率,pn為系統隨機熱噪聲。這里得到的抵消比沒有考慮系統實現方式,忽略了系統本身誤差,是系統理想情況下具有的性能。對于具體的抵消系統,抵消比則必須考慮系統引入的誤差,抵消比將在式(4)的基礎上進行修正,并且主要由系統本身參數來描述。

2 射頻實現方案的設計與分析

在實際應用中,為了保護接收信道,通常大信號干擾抵消需要在射頻最前端完成,這樣一來,系統直接在射頻段實現就變得很有必要。現有資料已指出,射頻實現LMS算法比較適合自適應干擾抵消系統,特別是在微波頻段。

這里基于正交矢量合成原理對自適應抵消系統的射頻實現方案進行設計和分析。方案原理框圖如圖2所示。

圖2 系統的射頻實現方案

UL為到達的干擾信號,其相位為 ?L,ULx為耦合器2輸出端抵消后剩余的誤差信號,其相位為?Lx,取樣的參考信號為Ur,其相位為 ?r。Ur與ULx的相位差為?=?Lx-?r,耦合器1到混頻器本振端的路徑相移為?1,耦合器2到混頻器射頻輸入端的路徑相移為 ?2,耦合器1到矢量調整器的路徑相移為 ?3,矢量調制器到耦合器2的路徑相移為 ?4,其中耦合器1,耦合器2為3 dB耦合器,對于耦合器引入的路徑移相,耦合器1為 ?5,耦合器2為 ?6,正交混頻器和矢量調制器的路徑移相分別包含在 ?1、?2、?3和 ?4中,耦合器 1 為 90°混合網絡 ,耦合器 2為180°混合網絡,環路中以二階低通濾波器代替理想積分器完成算法的積分功能。誤差放大器增益為K1,混頻器傳輸系數為K2,矢量調制器傳輸系數為K3,濾波器增益為Kd,矢量調制器調制斜率為M。

正交混頻器同相輸出端積分器輸出信號為:

正交混頻器反相輸出端積分器輸出信號為:

矢量調制器輸出信號為:

耦合器2輸出端輸出抵消以后的信號為:

則系統的抵消比ICR可表示為:

從式(9)中可以看出,系統要達到最佳的抵消效果即達到最大的抵消比需要滿足:

式(10)說明要達到最佳抵消效果,系統中耦合器1直通端口到正交混頻器本振端口的電長度應該與耦合端口通過矢量調制器,耦合器2和誤差放大器到達正交混頻器射頻輸入端口的電長度相等。

式(9)和式(10)是圖2描述的射頻自適應干擾抵消系統工程設計的重要依據,特別是系統工作帶寬較寬時,能否滿足式(10)給出的條件成為系統設計成功的關鍵。

3 系統測試結果

基于圖2描述的方案,設計實現了工作在225～400 MHz的自適應干擾抵消系統。系統實測結果如表1所示。從測試數據可以看出,抵消系統對連續波的平均抵消比接近50 dB,抵消時間小于1 ms。而且系統對于帶寬小于2MHz的寬帶信號也有不小于30 dB的抵消。

表1 射頻自適應干擾抵消系統測試結果

4 問題分析與討論

用作積分功能的低通濾波器會對抵消誤差產生較大影響,在滿足抵消時間和系統穩定性的條件下,通過減小電阻、增大電容的方式,可使系統更加接近理想積分器,使得系統抵消誤差大大減小,從而增大系統抵消比。

在高抵消比的條件下,需要較大的環路增益,而增大誤差放大器增益則是提高環路增益最有效的方法,但是這將在一定程度上影響系統穩定性,造成系統比較容易自激振蕩,產生較大的雜散。在高增益的條件下解決系統穩定性的問題,需要做好放大器各級之間及放大器與正交混頻器等系統中其他器件的匹配和隔離。也應該選用端口間隔離度足夠大的正交混頻器,這不僅能夠保持系統的穩定性,而且能夠使得系統獲得較好的線性度,從而減小誤差,增大抵消比。對于抵消時間的調整,除了調整環路帶寬以外,足夠大的本振驅動也能減小抵消時間,加快系統的收斂速度。

5 結束語

上述對于系統模型的分析結論適用于任何實現形式的基于LMS算法的自適應干擾或噪聲抵消系統的性能分析,具有廣泛的適用性。在此基礎上設計完成的射頻自適應干擾抵消系統,工作頻段寬、抵消比大、抵消速度快,完全滿足了收發隔離、同平臺多電臺同時工作等電磁兼容方面的需要。但是系統對于寬帶干擾的抵消性能還有待提高,以適應不斷發展的寬帶通信的需要,也是目前系統改進的一個重要方向。

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