CN102594463B - 一种单个载体中多种电磁设备间同时同频工作的方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单个载体中多种电磁设备间同时同频工作的方法及设备。采用这种方法，面积有限或体积有限的单个载体内的多个设备可以在工作频段相同、部分重叠或相邻的情况下，同时收发电磁波，与外界正常通信。各设备需要增加数字接口和模拟接口，并且相互连接，用以传输各设备的发射信号。发射信号对接收信号的影响可以通过各设备的接收流程中增加模拟干扰抑制和数字干扰抑制去除。这种方法可以极大地提高频谱利用率，降低对杂谐波带外抑制技术的要求，降低系统升级、扩展的难度。

Description

一种单个载体中多种电磁设备间同时同频工作的方法及设备

技术领域

本发明涉及多设备通信。具体而言，本发明涉及面积或体积有限的系统内多设备同频同时与外部通信。

背景技术

在一个体积有限或面积有限的系统(如飞机、航空母舰、导弹)中，有多个发射接收电磁波的设备，如通信设备、导航设备。由于各个设备同处一个频段，部分设备的工作频点重合，各个设备的有效发射信号及杂谐波信号非常容易进入其他设备的接收信道，加上本身设备接收的所需信号，这些信号会发生交叉调制、相互调制、强信号抑制弱信号的接收等。通常情况下会降低设备的灵敏度，增加误码率，设备性能下降；严重情况下，设备的接收信道堵塞，设备功能完全丧失，甚至烧毁接收机前端。如何让这些设备在有限的空间和复杂的电磁环境中正常工作，始终是需要不断解决的问题。

图1不失一般性的表示了有限系统的通信模式：系统平台、各种设备、各设备的通信对象。若设备通信采取FDD模式，则f_n1≠f_n2；若设备i采取TDD，则f_n1＝f_n2。

现有的解决电磁兼容问题的方法主要有：

(a)频分复用技术：这是无线电通信设备最常用的电磁兼容设计技术，要求同一系统中各个设备同时工作的频率均不相同，并且各工作频点最好有一定的间隔。通常后研制的设备在设计时为了避开已有设备的影响，会避开已有设备工作带宽内的频点，并预留一定的保护频带。在图1中，若设备m和设备n采取频分复用技术，则f_m1≠f_n1，f_m2≠f_n2。

(b)杂谐波带外抑制技术：为了抑制设备间的边带干扰，降低无用信号的交叉和相互调制幅度，仅仅采用频分复用措施是不够的，还需要对发射频谱进行优化设计，常用技术包括基带成型技术和射频滤波等。根据理论计算和工程经验，一般带外抑制达到60dB以上，设备间的干扰会减小，满足设备使用。

(c)时分复用技术：这是一种简单有效的电磁兼容设计方式。当同一平台的多个设备工作在同一频段时，可以采取闭锁方式来实现兼容工作。即在一个设备发射时，输出闭锁信号给其他设备，禁止其他设备工作；发射完成后，输出解锁信号，恢复其他设备的工作。图1中，若设备m和设备n采取时分复用技术，则f_m1＝f_n1，f_m2＝f_n2。

现有的电磁兼容解决方法，它们存在的缺点是：

(a)上述第一种方法，频谱利用率相对较低；频谱的分配管理复杂；研发新设备、系统扩展必须要考虑频谱的限制。

(b)上述第二种方法，当系统中设备较多、工作频点间隔小时，对滤波器的要求很高，并且严重增加系统的负担。

(c)上述第三种方法，会影响到其他设备的正常使用，只能作为电磁兼容设计的补充技术，不能作为实时性要求高的设备的电磁兼容设计手段。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的频率复用方式，按照本发明的方法进行通信可以消除来自同一系统的同频干扰，使系统中各个设备的工作频带可以相同，或部分重叠，或相邻，能够极大地提高频谱利用率，降低对杂谐波带外抑制技术的要求，降低系统升级、扩展的难度。

本发明的应用场景如图2所示，单个载体模块1表示一个面积或体积有限的独立系统，如船、飞机、车、方舱等。设备1模块2、设备2模块3、设备N模块4代表在独立系统中工作的多个收发电磁波的设备。模块8、10、12分别为设备1、2、N的发射天线，模块9、11、13分别为设备1、2、N的接收天线。对象1模块5、对象2模块6、对象N模块7分别表示与设备1、2、N通信的对象，模块14、15、16分别为对象1、2、N的收发天线。为了方便后文说明，单个载体中的各设备在这里采取了收发天线分离的模式，在实际应用中，可以通过环形器将收发天线合为一根。各设备之间的连线表示各设备的数字接口、模拟接口要相互连接，用以传输各设备的数字信号和射频信号。本发明与传统通信方法不同之处就在于，各设备同时工作，通信频带均为f₀，即工作频带相同、部分相同或相邻。

本发明提供的频率复用方法，包括发射流程和接收流程，如图3所示，其中关键部分在于接收流程的模拟干扰抑制模块20和数字干扰抑制模块23。

本发明的发射流程，以设备1为例，包括下面的步骤：

步骤1 设备1要发送的数据经过基带信号处理模块17处理后，得到数字信号D₁。

步骤2 将数字信号D₁送往DAC模块18，以及通过设备间的数字接口模块26送至设备1及其他设备的数字干扰抑制模块23。

步骤3 将D₁数模转换，并送入射频信号处理模块19，使信号成为符合发射要求的信号A₁。

不失一般性，假设采取二进制相移键控(BPSK)调制，发射天线共发射k个数据符号，则可以表示为

其中，表示取实部；D₁(i)是设备1发射天线第i个符号持续时间内发射的符号(即数字信号D₁)，

E_s是发射天线的发射功率；T_s是数据D₁(i)一个符号的周期；f₀表示信号传输的载波频率；g(t)为基带成形脉冲。

步骤4 将送到发射天线模块8发射，同时将A₁通过设备间的模拟接口模块25送至设备1及其他设备的模拟干扰抑制模块20。

经过以上步骤，就完成了设备1的发射流程。

本发明的接收流程，以设备1为例，包括下面的步骤：

步骤1 设备1的接收天线模块9接收到的信号r₁送入模拟干扰抑制模块20，与所有设备的射频发射信号A_n(n＝1,2……N)，进行模拟干扰抑制，尽量去除来自系统内部发射信号的干扰，得到信号

接收信号r₁包括通信对象发送的期望信号、系统内部的自干扰信号及噪声信号。所以，简单起见，不考虑多径，r₁可以表示为

期望信号中，A_On(t)表示通信对象n(n＝1,2……N)发送的射频信号，τ_O1，n为对象n发射信号经过无线通信传播介质后，到达设备1接收天线的总路径时延，a_O1，n(t)为t时刻对象i到设备1的信道中的衰落因子；自干扰信号中，A_n(t)表示设备n的射频发射信号，τ1_,n表示设备n发射信号经过无线通信传播介质后，到达设备1接收天线的总路径时延，α_1,n(t)为t时刻设备n发射天线到设备1接收天线的信道中的衰落因子；n₁(t)为设备1接收天线收到的加性复高斯白噪声。

模拟干扰抑制的目的是尽量去除自干扰信号的影响，由于An(t)已知，干扰抑制关键要得到τ_1,n和α_1,n(t)。

步骤2 去除模拟干扰的信号送入射频信号处理模块21，进行射频处理以后，送入ADC模块22，得到数字接收信号s₁。

数字接收信号s₁可以表示为：

步骤3 数字接收信号s₁送入数字干扰抑制模块23，与所有设备的数字发射信号D_n(n＝1,2……N)，进行数字干扰抑制，得到信号

数字干扰抑制的目的是进一步去除发射信号对接收信号的影响，即去除 $\sqrt{E_s}{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^N{D}_n(i-m_{1,n}){\mathrm{\α}}_{1,n}\left(i\right)e^{j2\mathrm{\π}{T}_s\mathrm{i\Δ}{f}_{1,n}}{e}^{j{\mathrm{\θ}}_{1,n}},$ 需要得到延时m_1,n，幅度衰减α_1,n(i)，频率偏移Δf_1,n，初始相位偏移O_1,n。

步骤4 去除数字干扰的信号送入基带信号处理模块24，进行基带信号的处理和判决，得到接收数据。

经过以上步骤，就完成了设备1的接收流程。

需要说明的是：

本发明并未指定基带信号处理模块17、模块24，射频信号处理模块19、模块21的具体内容，可以和现有通信方式中各设备的处理方法一样。

本发明也没有指定模拟干扰抑制和数字干扰抑制的具体方法，有多种干扰抑制方法可以达到抑制效果。在具体实施例中，仅给出一种实施办法。

优点

按照本发明提出的通信结构，与现有的电磁兼容技术比，有如下的优点：

a)同一系统中各个设备可以在同频率同时进行正常收发工作，极大地提高了频谱利用率。

b)由于同系统设备可以同频收发，频谱规划问题变得更加简单；系统增加新设备只需要增加模拟干扰抑制模块和数字干扰模块及相关接口，不会受到频率的限制。

c)对杂谐波带外滤波技术的要求降低，减少系统中滤波部分的资源消耗。

附图说明

图1为有限系统中多设备现有的通信方式。其中，单个载体为面积有限或体积有限的系统，设备1至设备N为系统中各个设备，对象1至对象N为与各个设备通信的对象。f_i1和f_i2分别为各个设备的通信上下行频率。

图2为本发明提出的有限系统中多个设备的通信结构。设备1模块2、设备2模块3、设备N模块4代表在独立系统中工作的多个收发电磁波的设备。模块8、10、12分别为设备1、2、N的发射天线，模块9、11、13分别为设备1、2、N的接收天线。对象1模块5、对象2模块6、对象N模块7分别表示与设备1、2、N通信的对象，模块14、15、16分别为对象1、2、N的收发天线。f₀为各个设备的通信频率。

图3为本发明整体方案的设计图。其中，模块17为发射流程中的基带信号处理，模块18为数模转换器，模块19为发射流程中的射频信号处理，模块8为发射天线，模块9为接收天线，模块20为模拟干扰抑制模块，模块21为接收流程中的射频信号处理，模块22为模数转换器，模块23为数字干扰抑制，模块24为接收流程中的基带信号处理，模块25为模拟接口，模块26为数字接口。D₁为设备1的发送数据经过基带处理后的信号，A₁为设备1待发射的射频信号，r₁为设备1从天线接收到的信号，为经过模拟干扰抑制得到的信号，s₁为设备1的接收信号经过模数转换后的数字信号，为经过数字干扰抑制得到的信号。

图4为模拟干扰抑制的一种实现方法。其中，模块27为可变移相器，模块28为可变衰减器，模块29为加法器，模块30为能量检测器，模块31为参数控制算法。

图5为数字干扰抑制的一种实现方法。其中，模块32为信号同步模块，模块33为信道估计，模块34为信号重建模块，模块36为加法器。

具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明。

本发明的通信结构包括整个发送-接收流程，以设备1为例，如图3所示，其重点为接收流程中的模拟干扰抑制模块和数字干扰抑制模块。

下面结合附图，对本发明进行进一步的讲解，并给出一种模拟干扰抑制和数字干扰抑制的方法。

发射流程：

步骤1 设备1要发送的数据经过基带信号处理模块17处理后，得到数字信号D₁。

步骤2 将数字信号D₁送往DAC模块18，以及通过设备间的数字接口模块26送至设备1及其他设备的数字干扰抑制模块23。

步骤3 将D₁数模转换，并送入射频信号处理模块19，使信号成为符合发射要求的信号A₁。

步骤4 将A₁送到发射天线模块8发射，同时将A₁通过设备间的模拟接口模块25送至设备1及其他设备的模拟干扰抑制模块20。

接收流程：

步骤1 设备1的接收天线模块9接收到的信号r₁送入模拟干扰抑制模块20，与所有设备的射频发射信号A_n(n＝1,2……N)，进行模拟干扰抑制，尽量去除来自系统内部发射信号的干扰，得到信号

模拟干扰抑制的具体方法为：

步骤1.1 将各个可变移相器模块27和可变衰减器模块28初始化为0，能量检测器模块30计算r₁的能量，送入参数控制算法模块31。

步骤1.2 参数控制算法模块31调整设备1的射频发射信号A₁的移相和衰减，并与射频接收信号r₁作差。

步骤1.3 差信号送入能量检测器模块30，计算能量，送入参数控制算法模块31。

步骤1.4 重复步骤1.2，步骤1.3，直至能量检测器模块30得到的差信号能量最小，这时得到了与r₁最为匹配的A₁的移相和衰减。这时的差信号即为去除掉A₁干扰后的接收信号r₁。

步骤1.5 重复步骤1.2～1.4，可以分别得到其他各个设备的射频发射信号A_n(n＝1,2……N)的最佳相移和衰减。r₁依次与经过移相和衰减的A_n(n＝1,2……N)作差，去除来自系统内部发射信号的干扰，得到

以上步骤就完成了模拟干扰抑制。

步骤2 去除模拟干扰的信号送入射频信号处理模块21，进行射频处理以后，送入ADC模块22，得到数字接收信号s₁。

步骤3 数字接收信号s₁送入数字干扰抑制模块23，与所有设备的数字发射信号D_n(n＝1,2……N)，进行数字干扰抑制，进一步去除系统内部发射信号的干扰。

数字干扰抑制的具体方法为：

步骤3.1 使数字接收信号s₁在信号同步模块32与各个数字发射信号D_n(n＝1,2……N)进行时间、频率同步。可采取华东相关法进行时间同步、快速傅里叶变换进行频率同步，或其他方法。

步骤3.2 数字接收信号s₁和各个数字发射信号D_n(n＝1,2……N)送入各信道估计模块33中。信道估计的目的是得到设备n(n＝1,2……N)的发射天线到设备1的接收天线之间的信道参数，如延时、衰减、频偏、相偏等。

步骤3.3 经过同步的信号和估计得到的信道参数送入信号重建模块34，进行干扰信号的重建，得到数字接收信号s₁中所含的、由数字发射信号D_n(n＝1,2……N)引起的干扰信号。

步骤3.4 数字接收信号s₁经过延迟器模块35送到加法器模块36，与重建的干扰信号作差，得到即进一步去除了发射信号干扰的信号。

以上步骤就完成了数字干扰抑制。

步骤4 去除数字干扰的信号送入基带信号处理模块24，进行基带信号的处理和判决，得到接收数据。

上述说明示出并描述了本发明的一个优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (13)

1.一种单个载体中的多种电磁设备间同时同频工作的方法，各设备的发射流程包括下面的步骤：

步骤T1 要发送的数据经过第一基带信号处理模块(17)处理后，得到数字信号D₁；

步骤T2 将数字信号D₁送往DAC模块(18)，同时通过设备间的数字接口模块(26)分别送至各个设备的数字干扰抑制模块(23)；

步骤T3 将数字信号D₁数模转换，并送入射频信号处理模块(19)，使信号成为满足要求的射频信号A₁；

步骤T4 将射频信号A₁送到发射天线模块(8)，同时通过设备间的模拟接口模块(25)分别送至各个设备的模拟干扰抑制模块(20)；

经过以上步骤，就完成了某一设备的发射流程；

其特征在于，步骤T2和步骤T4，将数字信号和模拟信号分别通过设备间的数字接口、模拟接口送至各个设备的数字干扰抑制模块和模拟干扰抑制模块；

各设备的接收流程包括下面的步骤：

步骤R1 接收天线模块(9)接收到的信号r₁，送入模拟干扰抑制模块(20)，与所有设备的射频发射信号A_n，n＝1,2……N，进行模拟干扰抑制得到信号

步骤R2 去除模拟干扰的信号送入射频信号处理模块(21)，进行射频处理以后，送入ADC模块(22)，得到数字接收信号s₁

步骤R3 数字接收信号s₁送入数字干扰抑制模块(23)，与所有设备的数字发射信号D_n，n＝1,2……N，进行数字干扰抑制；

步骤R4 去除数字干扰的信号送入第二基带信号处理模块(24)，进行基带信号的处理和判决，得到接收数据；

经过以上步骤，就完成了某一设备的接收流程；

其特征在于，步骤R1和步骤R3，利用各个设备的发射信号对接收信号进行模拟干扰抑制和数字干扰抑制；

所述模拟干扰抑制的具体方法为：

步骤1.1 将各个可变移相器模块(27)和可变衰减器模块(28)初始化为0，能量检测器模块(30)计算r₁的能量，送入参数控制算法模块(31)；

步骤1.2 参数控制算法模块(31)调整设备1的射频发射信号A₁的移相和衰减，并与射频接收信号r₁作差；

步骤1.3 差信号送入能量检测器模块(30)，计算能量，送入参数控制算法模块(31)；

步骤1.4 重复步骤1.2，步骤1.3，直至能量检测器模块(30)得到的差信号能量最小，这时得到了与r₁最为匹配的A₁的移相和衰减；这时的差信号即为去除掉A₁干扰后的接收信号r₁；

步骤1.5 重复步骤1.2～1.4，可以分别得到其他各个设备的射频发射信号A_n，n＝1,2……N，的最佳相移和衰减；r₁依次与经过移相和衰减的A_n，n＝1,2……N，作差，去除来自系统内部发射信号的干扰，得到

数字干扰抑制的具体方法为：

步骤3.1 使数字接收信号s₁在信号同步模块(32)与各个数字发射信号D_n，n＝1,2……N，进行时间、频率同步；

步骤3.2 数字接收信号s₁和各个数字发射信号D_n，n＝1,2……N，送入各信道估计模块(33)中，得到设备n，n＝1,2……N，的发射天线到设备1的接收天线之间的信道参数；

步骤3.3 经过同步的信号和估计得到的信道参数送入信号重建模块(34)，进行干扰信号的重建，得到数字接收信号s₁中所含的、由数字发射信号D_n，n＝1,2……N，引起的干扰信号；

步骤3.4 数字接收信号s₁经过延迟器模块(35)送到加法器模块(36)，与重建的干扰信号作差，得到去除了发射信号干扰的信号

2.根据权利要求1所述的一种单个载体中的多种电磁设备间同时同频工作的方法，其特征在于，应用于一个独立的系统，系统是体积有限或面积有限的。

3.根据权利要求2的一种单个载体中的多种电磁设备间同时同频工作的方法，其特征在于，所述系统中有多个设备，这些设备需要接收或发射电磁波。

4.根据权利要求3的一种单个载体中的多种电磁设备间同时同频工作的方法，其特征在于，用于接收或发射电磁波的各种收发电磁波的设备的工作频带重合，或者部分重合，或者相邻。

5.根据权利要求4的一种单个载体中的多种电磁设备间同时同频工作的方法，其特征在于，所述各种收发电磁波的设备同时工作。

6.一个采用如权利要求1～5中任一项所述的单个载体中的多种电磁设备间同时同频工作的方法的设备，其特征在于，除以前正常工作所需的装置外，还包括模拟接口和数字接口。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，各设备的模拟接口用射频电缆相互连接，用来传输各个设备的射频发射信号。

8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，各设备的数字接口用数字电缆相互连接，用来传输各个设备的数字发送信号。

9.一种单个载体中的多种电磁设备间同时同频工作的接收信号方法，包括下面的步骤：

步骤R1 接收天线模块(9)接收到的信号r₁，送入模拟干扰抑制模块(20)，与所有设备的射频发射信号An，n＝1,2……N，进行模拟干扰抑制得到信号

步骤R2 去除模拟干扰的信号送入射频信号处理模块(21)，进行射频处理以后，送入ADC模块(22)，得到数字接收信号s₁；

步骤R3 数字接收信号s₁送入数字干扰抑制模块(23)，与所有设备的数字发射信号Dn，n＝1,2……N，进行数字干扰抑制；

步骤R4 去除数字干扰的信号送入第二基带信号处理模块(24)，进行基带信号的处理和判决，得到接收数据；

经过以上步骤，就完成了某一设备的接收流程；

其特征在于，步骤R1和步骤R3，利用各个设备的发射信号对接收信号进行模拟干扰抑制和数字干扰抑制；

所述模拟干扰抑制的具体方法为：

步骤1.1 将各个可变移相器模块(27)和可变衰减器模块(28)初始化为0，能量检测器模块(30)计算r₁的能量，送入参数控制算法模块(31)；

步骤1.2 参数控制算法模块(31)调整设备1的射频发射信号A₁的移相和衰减，并与射频接收信号r₁作差。

步骤1.3 差信号送入能量检测器模块(30)，计算能量，送入参数控制算法模块(31)；

步骤1.4 重复步骤1.2，步骤1.3，直至能量检测器模块(30)得到的差信号能量最小，这时得到了与r₁最为匹配的A₁的移相和衰减；这时的差信号即为去除掉A₁干扰后的接收信号r₁；

步骤1.5 重复步骤1.2～1.4，可以分别得到其他各个设备的射频发射信号A_n，n＝1,2……N，的最佳相移和衰减；r₁依次与经过移相和衰减的A_n，n＝1,2……N，作差，去除来自系统内部发射信号的干扰，得到

数字干扰抑制的具体方法为：

步骤3.1 使数字接收信号s₁在信号同步模块(32)与各个数字发射信号D_n，n＝1,2……N，进行时间、频率同步；

步骤3.2 数字接收信号s₁和各个数字发射信号D_n，n＝1,2……N，送入各信道估计模块(33)中，得到设备n，n＝1,2……N，的发射天线到设备1的接收天线之间的信道参数；

步骤3.3 经过同步的信号和估计得到的信道参数送入信号重建模块(34)，进行干扰信号的重建，得到数字接收信号s₁中所含的、由数字发射信号D_n，n＝1,2……N，引起的干扰信号；

步骤3.4 数字接收信号s₁经过延迟器模块(35)送到加法器模块(36)，与重建的干扰信号作差，得到去除了发射信号干扰的信号

10.根据权利要求9所述的一种单个载体中的多种电磁设备间同时同频工作的接收信号方法，其特征在于，应用于一个独立的系统，系统是体积有限或面积有限的。

11.根据权利要求10的一种单个载体中的多种电磁设备间同时同频工作的接收信号方法，其特征在于，所述系统中有多个设备，这些设备需要接收或发射电磁波。

12.根据权利要求11的一种单个载体中的多种电磁设备间同时同频工作的接收信号方法，其特征在于，用于接收或发射电磁波的各种收发电磁波的设备的工作频带重合，或者部分重合，或者相邻。

13.根据权利要求12的一种单个载体中的多种电磁设备间同时同频工作的接收信号方法，其特征在于，所述各种收发电磁波的设备同时工作。