1、一种近场同频干扰主动抵消架构 樊小琴 中国电子科技集团公司第三十研究所 摘 要： 提出一种近场同频干扰主动抵消通用架构, 针对近场同频干扰重建-抵消部分, 提出一种“多项式+抽头滤波器”干扰信号建模方式, 并采用迭代方法识别非线性模型参数, 实现干扰重建和抵消。仿真结果表明, 在干扰非线性较高时 (功率回退 OBO=1.7 d B) , 相比线性干扰抵消, 残留的干扰信号功率降低 9.5 d B。此外, 所提同频干扰抵消架构对信号帧格式等没有要求, 只需将近场设备的输出作为参考信号输入到干扰抵消模块中;所提架构及算法基于迭代, 易于工程实现。关键词： 非线性; 干扰抵消; 同频干扰; 抵消架构
2、; 作者简介：樊小琴 (1982) , 女, 硕士, 高级工程师, 主要研究方向为通信与信号处理。收稿日期：2017-08-16Near-Field Co-frequency Interference Cancellation StructureFAN Xiao-qin The 30th Research Institute of CETC; Abstract： A general co-frequency near-field interference active-cancellation structure is proposed. The interference signal is
3、modeled as polynomial and filters, and the iteration method is used for identification of non-linear model parameters, interference reconstruction and cancellation. The simulation results show that the residual interference power is reduced by 9.5 d B as compared with linear cancellation when the no
4、nlinearity power is high (OBO=1.7 d B) . The proposed method has little restriction on frame structure, and the only requirement is to take the output of the near-field device as the reference interference signal into the cancellation module. This proposed interference cancellation structure based o
5、n iteration is easy for engineering implementation.Keyword： nonlinear; interference cancellation; co-frequency interference; cancellation structure; Received： 2017-08-160 引言近场同频干扰是指邻近的大功率发射的同频信号影响接收机性能。同频干扰抵消带来的应用优势有:提高电子设备的电磁兼容性1;军事通信中实现“扰中通”, 在干扰敌方的同时不干扰自身通信2;同频全双工传输提升频率利用率, 是未来 5G 蜂窝通信的发展方向之一3。近场
6、同频干扰抑制措施通常分两大类:一是被动抑制, 即物理屏蔽、隔离1;二是主动抵消, 即通过信号处理实现空域干扰自适应调零4, 或重建干扰信号再从接收信号中减掉5-6。在“主动抵消+干扰重建”方案中, 非线性分量的消除是提升干扰抑制度的重要手段5-6。文献5-6针对正交频分复用 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) 调制系统, 通过导引插入和快速傅里叶变换 (Fast Fourier Transform, FFT) 精确估计信道, 再估计非线性参数提升干扰抑制性能。其中, FFT 实现代价较高, 且针对其他类型的同频干扰信号 (雷达信
7、号、邻道泄露) 算法不再适用。因此, 本文提出一种通用的非线性干扰抵消架构, 通过迭代方式估计非线性模型参数, 然后重建干扰信号并消除。在功放近饱和区域, 相比线性干扰重建, 所提方案的干扰残差均方误差 (Mean Square Error, MSE) 改善 9.5 d B, 能在干扰抑制性能和实现复杂度之间取得平衡。1 一种近场干扰抵消架构本文提出的近场干扰抵消架构如图 1 所示。图 1 一种近场干扰抵消架构 下载原图相比传统接收机, 新增两个重建-抵消环路:(1) 干扰信号重建-抵消环:重建干扰信号, 接收信号减去干扰后送入接收机解调;(2) 有用信号重建-抵消环:有用信号通过信道估计重建
8、有用信号并从接收信号中减去, 改善干扰重建环路性能。两个环路互为依靠。干扰重建-消除环路使信号解调更精确;有用信号重建环路使干扰重建更精确, 最终有助于有用信号解调。参考信号来源为干扰设备产生的基带信号, 可以是通信信号、雷达信号甚至邻道干扰信号。要求干扰设备和接收设备能互联, 只需将参考信号输入到干扰抵消模块中。其中, 干扰信号重建-抵消环是关键。如何将同频干扰消除更彻底?特别地, 当干扰机高功率发射时, 干扰信号的非线性分量如何消除?下面给出一种非线性干扰消除方案。2 非线性干扰重建方案传统接收机的信道估计、解调等已有大量文献分析, 而干扰信号的重建精度对接收机性能影响至关重要, 下面将给
9、出一种接收机非线性干扰的重建方案, 如图 2 所示。(1) 干扰信号采用 Hammerstein 模型7, 采用 5 阶多项式建模非线性, 线性滤波器建模干扰信号的传播多径;(2) 采用最小均方 (Least Mean Square, LMS) 迭代方式识别模型参数;(3) 重建干扰信号后消除。图 2 一种非线性干扰重建结构 下载原图重建信号 z 可以表示为:其中, N 是信道响应的阶数, h k, k (1, N) 是信道响应抽头, yk=c1xk+c3xk|xk|+c5xk|xk|是非线性分量, x k是输入的基带参考信号。代价函数选择使均方误差最小:假设系数 c1、c 3、c 5、h k
10、在长度 N 区间内近似不变, 系数 c1、c 3、c 5、h k的负共轭梯度可以表示为:其中, e=r-z 为干扰抵消后信号的残差。模型系数的递推公式可以表示为:其中, c, 1、 c, 3、 c, 5、 h分别是 1 阶、3 阶、5 阶非线性系数和信道线性系数的迭代步长。为了减少线性部分和非线性部分的耦合, 采用不同的步长设置。例如, 非线性特性的变化通常低于信道变化, 可以将线性系数步长设大, 而非线性部分的步长设小。3 仿真结果及分析以 50 Msps 的 QAM 信号为例, 通过 Simulink 链路仿真比较非线性干扰重建信号的均方误差 (MSE) , 以此说明非线性干扰重建的收益。
11、对于其他自干扰信道特性和干扰信号, 本文方案依然可以采用。非线性模型采用经典 Saleh 模型, 幅度曲线 (AM-AM) 和相位曲线 (AM-PM) 的参数分别设置为2.158 7, 1.151 7和4.003 3, 9.104 0;采样率 400 MHz, 干扰噪声比 45 d B;线性部分采用固定信道, 抽头系数分别为0.877 1, -0.175 4, 0, 0.438 5, -0.087 7;线性部分阶数 N=33;非线性部分的迭代步长设置为 2, 线性部分的迭代步长设置为 2。图 3 给出了在不同输出功率回退 (Output Backoff, OBO) 条件下, 当链路迭代收敛后比
12、较线性和非线性干扰重建后的 MSE 改善量。可以看出, 当功率回退较小 (OBO4 d B, 此时残留非线性分量较大) 时, 非线性干扰重建相比线性干扰重建, 干扰残留 MSE 改善超过 9 d B。然而, 随着功率回退增加, 信号非线性分量逐步减少, MSE 改善量逐渐变小;当 OBO=18 d B 时, MSE 改善量不足 1 d B。图 3 不同功率回退 (OBO) 条件下 MSE 改善量 下载原图图 4 给出了功率回退 OBO=1.7 d B 时, 采用线性和非线性干扰重建的频谱图对比。可以看出:采用线性干扰重建无法拟合非线性, 而采用非线性干扰重建则可以更好地拟合非线性。图 4 功率
13、回退 1.7 d B 时功率谱对比 下载原图图 5 给出了线性和非线性干扰抵消后的残差 e 功率谱对比。可以看出, 非线性干扰抵消相比线性抵消, 改善带内信号的功率谱约 9.5 d B。图 5 功率回退 1.7 d B 时残差功率谱对比 下载原图4 结语本文提出了一种通用的近场干扰抵消架构, 针对其中的非线性干扰重建, 提出一种基于多项式的非线性干扰重建结构。仿真结果表明, 当干扰的非线性分量较大时 (OBO4 d B) , 非线性干扰重建能改善干扰残留达 9 d B。此外, 本文所提的干扰消除和重建算法架构基于迭代, 方便工程实现。参考文献1陈巨龙, 王军玲.舰艇设备的电磁屏蔽技术J.船电技
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