CN105119662B

CN105119662B - 无线电抗干扰设备

Info

Publication number: CN105119662B
Application number: CN201510572838.2A
Authority: CN
Inventors: 张传胜; 刘毅; 高力行; 卞红波; 龚高茂; 徐淼; 严剑
Original assignee: Hunan Maxwell Electronic Technology Co Ltd
Current assignee: Hunan Maxwell Electronic Technology Co Ltd
Priority date: 2015-09-10
Filing date: 2015-09-10
Publication date: 2017-08-01
Anticipated expiration: 2035-09-10
Also published as: CN105119662A

Abstract

本发明公开了一种无线电抗干扰设备，包括天线阵列采样模块、滤波模块、放大和移相模块、模拟/数字转换模块、移相和加权计算模块以及求和模块；天线阵列采样模块采样信号后，通过滤波器模块滤波，送入放大和移相模块，放大和移相模块输出的信号通过模拟/数字转换模块后送入移相和加权计算模块，移相和加权计算模块形成相位移动值和幅度加权值控制量，送回放大和移相模块，放大和移相模块采用修正后的相位移动值和幅度加权值对经过滤波的采样信号进行移相和放大，再将信号求和后输出。本发明在信号进入模拟/数字转换模块量化前在模拟域上进行加权和移相合成，采用闭环控制方法减少器件误差，从根本上提高了无线电设备的抗干扰能力。

Description

无线电抗干扰设备

技术领域

本发明属于无线电导航和通信领域，具体涉及一种无线电抗干扰设备。

背景技术

无线电导航和通信设备，广泛应用于各种精确打击武器的制导、通信和测控、以及武器实验场高速武器的跟踪和精确轨道测量中；但以上无线电通信和导航接收的无线电信号通常很微弱，如GPS信号到达接收机的功率一般在-130dBmW左右，等于1000英里外1个25W灯泡的发光强度，这样微弱的信号非常容易遭到干扰。试验证实：功率为1W的调频干扰，可以使半径为22km内的GPS接收机不能工作。当干扰距离增加一倍时，发射功率只需增加6dB。这种干扰机使用高增益的全向天线，在视距范围几百公里内的导航用户都将受到干扰。如图1所示，为干扰源离接收机不同的距离（横轴表示）时，卫星导航接收机能够容忍的最大干扰信号比。例如100W的干扰机，距离1000米时，接收机感知到干扰电平和有用信号功率比(简称：干信比J/S，记为J/S)为90dB。对于没有做任何抗干扰处理的军码导航接收机（P（Y））接收机，最大的干信比J/S为34dB。对于经过一般抗干扰处理的P(Y)接收机，最大的干信比为44dB。一般的民用接收机能够容忍的J/S只有22dB。而此时干扰机形成的干信比J/S为90dB，远远大于以上各接收机的抗干扰门限，以上各接收机将在这种干扰环境无法正常工作。目前市场上出现了一系列针对在强电磁干扰环境下的无线电抗干扰电子设备。这些设备一般采用利用阵列天线，采用空域滤波的方式，进行干扰压制。目前，一般可以抗击60dB到90dB的无线电干扰。目前还没有出现抗干扰能力更强的无线电抗干扰设备。

目前，常规的抗干扰算法为空域自适应滤波。其基本原理是，接收无线电信号的天线不是采用一个天线，而是采用N（N>3）个天线组成的天线阵列来同时接收无线电信号。利用干扰信号和有用信号一般不是同一个方向的特征来区分干扰信号和有用信号，对同时接收到N路信号进行不同的移相和加权，然后相加，使得干扰信号进行对消，而有用信号没有被对消，从而在空域中消除了无线电信号干扰，如图2所示。图3所示为背景技术的具体实施方式：假设有N（N>3）个天线同时接收无线电信号，将天线收到的信号分别为记为，其中第m个天线单元接收到的信号记为：

上式中，为信号幅度，为信号频率，为信号相移。抗干扰信号处理的方法是，通过分析N个接收信号的特征，计算出对每一路天线信号进行相位移动和幅度加权值，然后在进行求和，得到合成后的信号

目前的抗干扰接收机采用如图4、图5所示的设备方案，接收N个天线信号的微弱射频信号，通过N个并行的射频接收机模块，进行滤波、变频放大、滤波、放大到一定强度的中频信号，然后通过模数转换器（ADC）进行量化处理。送入数字信号处理模块处理，采用空时自适应滤波算法，识别和剔除各种强电磁干扰信号，然后在基带信号处理模块内合成，然后再通过数模转换器（DAC），进行数字域到模拟域转化，再次调制到给定的频率，形成剔除干扰信号的无线电信号，送入到接收机。可以看出，这种抗干扰处理的主要特点是，对各个天线阵信号进行加权移相是在进行ADC量化后进行的，加权移相本身也是数字化方式。这种方案的优点是加权移相完全是在数字域上进行，利用一般的FPGA/DSP器件可以非常方便实现。对射频的要求不是很高，射频比较简单。目前市面上的抗干扰设备基本是这种方案。

以上方案的主要问题是抗干扰能力有限，主要原因是，其需要将天线接收到的微弱无线电信号放大到幅度比较大中频信号，才能够被ADC器件采集到。ADC器件的特点是，只有到送入到ADC前端的信号达到一定的强度后，才能被采集到。例如对于ADI公司生产的14位精度、125MSPS的AD9258器件，进入ADC前端的信号至少大于－55dBmW，才能被采集到。一般来说，中频信号必须达到ADC的最小量化电平以上3到6dB才能被采集到，否则会让信号淹没在ADC本身的噪声中。

射频信号本来是非常微弱的，例如对于卫星导航信号，20MHz带宽的射频热噪声电平只有－99dBmW，而ADC的噪声电平大致在-55dBmW。因此，射频的放大倍数G至少为-55dBmW－（－99dBmW）＝44dB。如此大的放大倍数，对于强干扰信号是不利的。例如，如果射频的放大倍数G维持为44dB，此时天线入口的输入信号最大只能达到－44dBmW才能放大到中频0dBmW的信号。考虑到强信号产生的非线性失真，实际输入信号比该信号－44dBmW还小至少6dB以下，因此最大输入信号将小于－44dBmW－6dB＝－50dBmW。因此，实际可以达到的抗干扰能力为－50dBmW－（－130dB）＝80左右。

可以看出，只有降低ADC的底噪声电平，才能降低射频接收机的放大倍数G，从而提高最大的能够进入到射频接收机的干扰信号电平。受ADC成本、器件工艺的限制，目前ADC的底噪声电平几乎已经达到了工艺的极限，很难再大幅度降低。这是传统方案的抗干扰能力无法进一步大幅度提升的主要原因。

发明内容

发明的目的在于提供一种能够有效提高抗干扰能力的无线电抗干扰设备。

本发明提供的这种无线电抗干扰设备，包括天线阵列采样模块、滤波模块、放大和移相模块、模拟/数字转换模块（ADC模块）、移相和加权计算模块以及求和模块；天线阵列采样模块采样信号后，通过滤波器模块滤波，直接送入放大和移相模块，放大和移相模块输出的信号通过模拟/数字转换模块（ADC模块）进行数据转换后送入移相和加权计算模块，移相和加权计算模块形成相位移动值和幅度加权值控制量，送回放大和移相模块，对放大和移相模块的相位移动值和幅度加权值进行修正，放大和移相模块采用修正后的幅度加权值和相位移动值对经过滤波的采样信号进行幅度加权和相位移动，再输出信号到求和模块，通过求和模块求和后，输出信号。

所述放大和移相模块采用射频接收通道，包括可变放大器和移相变频器。

所述移相和加权计算模块采用复数加权和计算模块，为数字信号处理电路。

所述可变放大器和移相变频器，包括正交下变频器、滤波器和矢量调制器。正交下变频器的输入端与经过滤波的天线采集信号连接，正交下变频器输出两路I/Q正交信号，经过滤波后再次送入一个矢量调制器进行精密的移相处理，矢量调制器的输出端与模拟/数字转换模块（ADC模块）量化端连接，同时复数加权和计算模块输出的相位和幅度控制量输入矢量调制器模块。

所述数字信号处理电路采用DSP或FPGA器件电路。

本发明还提供一种用矢量调制器进行移相的方法；所述矢量调制器的相位和幅度控制量是由移相和加权计算模块产生，移相和加权计算模块根据空域自适应算法，首先产生相位移相控制信号φ_m和幅度加权控制信号k_m，然后根据φ_m、k_m形成大小分别为k_mcos(φ_m)、k_msin(φ_m)的控制电压送入矢量调制器的幅度和相位控制端，矢量调制器根据控制电压信号完成相位移动和幅度加权运算。

本发明，在信号进入模拟/数字转换模块（ADC模块）量化前进行加权合成，在模拟域上进行加权合成，从根本上回避了模拟/数字转换模块（ADC模块）的底噪声问题，使得射频的放大倍数能够远远小于44dB，从而使得更强的干扰也可以得到线性放大并被后续电路消除掉，从而在根本上提高设备的抗干扰指标；本发明考虑了电路的非线性效应，从天线射频输入的最强干扰电平可以达到－35dBmW时，IMD3可以达到66dB，此时，干信比J/S可以提升至少15dB（两个方案的最强电平比－35dBmW－（－50dBmW））；如果进一步降低射频的增益时，还可以将抗干扰水平进一步提高；采用基于矢量调制的方式进行移相，从而解决射频移相和加权问题，这种方式精度高，具有连续可调的优势；本发明相对于传统的抗干扰方案，数字信号处理模块更加简单，不需要进行数字合成处理、调制发射处理；当加权系数和移相值的控制值计算完毕，再通过DAC变成模拟信号，送入到射频接收机相应的电路模块；矢量调制器本身是模拟器件，考虑到元器件的杂散效应，以上的、有可能送出的控制量和实际得到的控制量存在电路误差偏差，按照目前的设计，可以有效的消除这种偏差，主要原因是移相控制、加权处理后的中频数据送入到模拟/数字转换模块（ADC模块）进行采样，形成了一个闭环系统，出现移相或者加权误差后，信号处理算法能够自动感知这种误差，然后形成的控制量、可以自动补偿，通过自闭环信号处理算法，可以从根本上避免由于元器件的制造偏差、温度变化引起的问题；下表对比了传统的抗干扰接收机和本专利设计的抗干扰设备之间的指标。可以看出，采用本专利，大幅度提高抗干扰能力。

附图说明

图1为现有技术中接收机在一定干扰功率的干扰作用距离示意图。

图2为现有技术中空域抗干扰原理功能框图。

图3为现有技术中空域抗干扰基本原理图。

图4为现有技术中ADC量化后数字式加权抗扰天线模块整体结构框图。

图5为现有技术中ADC量化后数字式加权抗扰天线模块整体结构图。

图6为本发明的ADC量化前加权模拟式抗干扰天线模块整体结构框图。

图7为本发明的ADC量化前加权模拟式抗干扰天线模块整体结构图。

图8为本发明的利用矢量合成器进行射频移相的技术原理图。

图9为本发明的利用矢量调制进行移相的原理图。

具体实施方式

如图6所示，为本发明的ADC量化前加权模拟式抗干扰天线模块整体结构框图；天线阵列采样模块采样信号后，通过滤波器模块滤波，直接送入放大和移相模块，放大和移相模块输出的信号通过模拟/数字转换模块（ADC模块）进行数据转换后送入移相和加权计算模块，移相和加权计算模块形成相位移动值和幅度加权值控制量，送回放大和移相模块，对放大和移相模块的相位移动值和幅度加权值进行修正，放大和移相模块采用修正后的幅度加权值和相位移动值对经过滤波的采样信号进行幅度加权和相位移动，再输出信号到求和模块，通过求和模块求和后，输出信号。

如图7所示，为本发明的ADC量化前加权模拟式抗干扰天线模块结构图；天线接收到的信号，经过滤波器、一个可控增益的可变放大器、可以改变相位的移相变频器、滤波器后，模拟信号再次通过放大器放大后送入到ADC进行量化，通过数字下变频后，在移相和加权计算模块内部进行处理，形成相位移动和幅度加权控制量，通过控制模块输入到可变放大器和移相变频器修正可变放大器的幅度加权值和移相变频器相位移动值，可变放大器和移相变频器采用修正后的幅度加权值和相位移动值对经过滤波的采样信号进行幅度加权和相位移动，再将处理后的信号送入到一个模拟求和器进行合成，而后经过放大和上变频器输出信号，此外，移相和加权计算模块会输出一个控制量对放大器的放大值进行微调；此时，信号的合成在模拟域上进行；同时，经过求和后的信号，会通过放大器、模拟/数字转换模块（ADC模块）和数字下变频后输入移相和加权计算模块，移相和加权计算模块输出一个控制量对放大器的放大值进行微调。

如图8~图9所示，为本发明的利用矢量合成器进行射频移相的技术原理图和利用矢量调制进行移相的原理图，天线信号经过滤波器、低噪声放大器（LNA）放大后再滤波，送入到正交下变频器进行处理，再经过滤波处理，变成I/Q正交信号，I/Q正交信号再次送入一个矢量调制器进行精密的移相处理，移相；矢量调制器包含一个同相输入端、一个正交输入端，这两个输入端接入正交变频的I/Q正交信号；矢量调制器的相移控制端有两个输入端，从这两个输入端输入相位控制信号；通过改变相位控制端的电压，改变射频输入信号的相位；从矢量调制器输出的中频信号通过ADC转换，送入数字信号处理模块，数据信号处理模块根据ADC转换结果，采用空域自适应算法，产生相位移相控制信号和幅度加权信号，然后根据、形成大小分别为、的控制电压，送入矢量调制器的两个相位控制端，、这两个控制电压，在矢量合成器内部，和射频输入信号、进行矢量合成，变成经过移相、加权的信号。这样就完成了对输入信号移相、加权的动作，实现了射频信号处理，处理后的信号再通过求和模块求和以及上变频器和放大器后，输出信号；此外，移相和加权计算模块会输出一个控制量对放大器的放大值进行微调；同时，经过求和后的信号，会通过放大器、模拟/数字转换模块（ADC模块）和数字下变频后输入移相和加权计算模块，移相和加权计算模块输出一个控制量对放大器的放大值进行微调。

Claims

1.一种无线电抗干扰设备，包括天线阵列采样模块、滤波模块、放大和移相模块、模拟/数字转换模块、移相和加权计算模块以及求和模块，其特征在于天线阵列采样模块采样信号后，通过滤波器模块滤波，直接送入放大和移相模块，放大和移相模块输出的信号通过模拟/数字转换模块进行数据转换后送入移相和加权计算模块，移相和加权计算模块形成相位移动值和幅度加权值控制量，送回放大和移相模块，对放大和移相模块的相位移动值和幅度加权值进行修正，放大和移相模块采用修正后的幅度加权值和相位移动值对经过滤波的采样信号进行幅度加权和相位移动，再输出信号到求和模块，通过求和模块求和后，输出信号。

2.根据权利要求1所述的无线电抗干扰设备，其特征在于所述放大和移相模块采用射频接收通道，包括可变放大器和移相变频器。

3.根据权利要求2所述的无线电抗干扰设备，其特征在于所述移相和加权计算模块采用复数加权和计算模块，为数字信号处理电路。

4.根据权利要求2所述的无线电抗干扰设备，其特征在于所述可变放大器和移相变频器，包括正交下变频器、滤波器和矢量调制器；正交下变频器的输入端与经过滤波的天线采集信号连接，正交下变频器输出两路正交信号，经过滤波后再次送入一个矢量调制器进行精密的移相处理，矢量调制器的输出端与模拟/数字转换模块量化端连接，同时移相和加权计算模块输出的幅度和移相控制量则输入矢量调制器模块。

5.根据权利要求3所述的无线电抗干扰设备，其特征在于所述可变放大器和移相变频器，包括正交下变频器、滤波器和矢量调制器；正交下变频器的输入端与经过滤波的天线采集信号连接，正交下变频器输出两路正交信号，经过滤波后再次送入一个矢量调制器进行精密的移相处理，矢量调制器的输出端与模拟/数字转换模块量化端连接，同时移相和加权计算模块输出的幅度和移相控制量则输入矢量调制器模块。

6.根据权利要求3所述的无线电抗干扰设备，其特征在于所述数字信号处理电路采用DSP或FPGA器件电路。

7.一种用权利要求4所述的矢量调制器进行移相的方法，其特征在于所述矢量调制器的幅度和移相控制量是由移相和加权计算模块产生，移相和加权计算模块根据空域自适应算法，首先产生相位移相控制信号φ_m和幅度控制信号k_m，然后根据φ_m、k_m形成大小分别为k_mcos(φ_m)、k_msin(φ_m)的控制电压送入矢量调制器的幅度和移相控制端，矢量调制器根据控制电压信号完成移相和加权运算。

8.一种用权利要求5所述的矢量调制器进行移相的方法，其特征在于所述矢量调制器的幅度和移相控制量是由移相和加权计算模块产生，移相和加权计算模块根据空域自适应算法，首先产生相位移相控制信号φ_m和幅度控制信号k_m，然后根据φ_m、k_m形成大小分别为k_mcos(φ_m)、k_msin(φ_m)的控制电压送入矢量调制器的幅度和移相控制端，矢量调制器根据控制电压信号完成移相和加权运算。