CN113922867B - 用于部分频带防护的非合作干扰对消装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于部分频带防护的非合作干扰对消装置及方法。该装置包括微波延时线、合成器、耦合器、N个辅助天线、N+1个下变频器、N+1个模数转换器、数字信号处理单元、数模转换器、上变频器，其中N大于等于1，通过在模拟域进行干扰对消处理，并在数字域进行自适应波束形成，实现宽工作频带中部分频点的抗干扰处理。本发明提供的方法可用于宽工作频带中部分窄带频点的干扰防护，而不影响其他未被干扰的信号频点，可避免对宽带信号的高速采样问题，降低对数模转换器采样率的要求，大幅提升接收信噪比指标；且可在数字域实现复杂多径环境和天线数量较多条件下的波束形成信号处理，提高的抗干扰性能。

Description

用于部分频带防护的非合作干扰对消装置及方法

技术领域

本发明涉及卫星通信抗干扰技术领域，尤其涉及一种用于部分频带防护的非合作干扰对消装置及方法。

背景技术

卫星通信是部队的重要通信手段之一，一般用于作战指令、态势数据传输等目的。保障卫星通信链路畅通对于作战成败具有关键作用。然而，实际作战中敌方可能通过电子战武器对卫通地面站实施干扰，从而阻断下行接收链路。因此，对卫通地面站进行干扰防护，提高在电磁干扰环境下的抗干扰通信能力具有重要军事意义。

基于多天线的自适应波束形成技术是当前广泛采用的抗干扰技术之一，其基本原理是利用单个或多个辅助天线实现干扰信号空间采样，然后对辅助天线接收信号进行波束形成处理，得到与干扰信号等幅反向的干扰对消信号，再与主天线接收信号矢量合成实现干扰消除，从而达到抗非合作干扰的目的。

当前，多天线波束形成技术的实现方案有如下几种：一是全数字域对消，即先对所有天线的接收信号进行数字化，然后在数字域完成干扰对消处理。二是全模拟对消，即所有信号处理都是再模拟域完成。三是数字控制模拟对消，即波束形成采用模拟电路，重构滤波器的权值通过数字控制实现。

但是在实际情况中，可能存在部分频点被干扰的情况。例如，当存在多个窄带有用信号频点（如10个1MHz有用信号频点分布在2GHz带宽内），但干扰信号带宽（如20MHz）较小时，只干扰了部分频点（如10个频点中3个1MHz信号），此使只需要对干扰信号所在频点（总带宽为20MHz）进行对消处理，而其他未被干扰的信号可正常接收。或者，当卫通接收信号总带宽较宽（如2GHz），同时存在一个窄带信号（如一个10MHz带宽的定频信号）和一个宽带信号（如一个400MHz带宽的跳频信号），然而由于跳频信号本身具有抗干扰能力，所以只需要对10MHz的定频信号进行抗干扰处理。

针对这种部分频点干扰对消问题，上述方法存在几点不足。具体来说，若采用全数字域对消，则需要对两个或多个接收信号同时数字化，需要很高采样率的ADC。由于高速ADC成本高，因此会导致设备成本大幅增加。此外，一般ADC的信噪比等指标随采样率增加而降低，因此采用高速ADC会限制装置的抗干扰性能。由于模拟对消很难使用高阶滤波器实现波束形成，不适用于复杂多径传播环境或天线数量较多的情况，因此模拟对消性能有限。若采用数字控制模拟对消，一方面很难使用高阶滤波器实现干扰信号重构，另一方面由于需要对辅助天线接收信号和误差信号进行数字化，也需要高速ADC，因此同时存在成本高和对消性能受限等问题。

中国专利“一种用于卫星通信系统消除干扰的方法”（申请号：CN107872268A）、“用于卫星地面站的非合作干扰抑制装置及方法”（申请号：CN107872268A）等都是采用全数字干扰对消方法，都必须使用高速ADC。中国专利“数模混合自适应干扰对消装置”（申请号：CN109150215A）将自适应干扰对消装置分为模拟矢量调制器和数字相关控制器两部分，充分利用了模拟矢量调制器的低噪声、低失真特性，和数字相关器的可编程、对环境变化不敏感、器件参数一致性强的优势。但是，该装置只适用于解决共平台设备间的收发干扰，不能用于抑制敌方干扰设备释放的非合作干扰。且该装置采用前面所述的数模混合对消原理，存在成本高和对消性能受限等问题。因此，当前方法都不能很好的解决宽带信号中部分频点干扰对消问题。

有鉴于此，有必要设计一种改进的用于部分频带防护的非合作干扰对消装置及方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于部分频带防护的非合作干扰对消装置及方法。

为实现上述发明目的，本发明提供了一种用于部分频带防护的非合作干扰对消装置，其包括N个辅助天线、用于大带宽接收信号处理的模拟干扰对消模块、与所述模拟干扰对消模块和所述N个辅助天线分别电性连接并用于窄带频点干扰对消处理的数字波束形成模块；

所述用于部分频带防护的非合作干扰对消装置，基于模拟干扰对消模块和数字波束形成模块，结合模拟域干扰对消和数字域波束形成技术，通过在模拟域进行干扰对消处理，并在数字域进行自适应波束形成，实现大带宽信号中部分窄带频点的干扰对消处理。

作为本发明的进一步改进，所述模拟干扰对消模块包括微波延时线、合成器、耦合器；

所述微波延时线，用于延迟输入信号，其输入端接主天线，输出端接合成器第一输入端口；

所述合成器，用于将延迟后的主天线接收信号与对消信号合成实现干扰对消得到误差信号；其第二输入端口与数字波束形成模块电性连接，输出端接耦合器输入端；

所述耦合器，用于耦合部分合成器输出信号；其输入端接合成器输出端，耦合端与数字波束形成模块电性连接，直通输出端接接收机。

作为本发明的进一步改进，所述数字波束形成模块包括N+1个下变频器、N+1个模数转换器、数字信号处理单元、数模转换器、上变频器，N大于等于1；

所述N+1个下变频器，用于将耦合的误差信号和N个辅助天线的接收信号下变频到低中频或基带；其中第二至第N+1个下变频模块输入端分别接N个辅助天线输出端，N+1个下变频器的输出端分别接N+1个模数转换器的输入端；

所述N+1个模数转换器，用于将N+1个下变频器的输出信号分别转换为数字信号，输出端分别接数字信号处理单元输入端；

所述数字信号处理单元，用于实现数字域波束形成得到数字干扰对消信号，其输出端接数模转换器输入端；

所述数模转换器，用于将数字干扰对消信号转换为中频或基带模拟信号，其输出端接上变频器中频输入端；

所述上变频器，用于将中频或基带干扰对消信号上变频到射频频率，其输出端接合成器第二输入端口。

作为本发明的进一步改进，所述微波延时线为微波光纤延时线。

为实现上述发明目的，本发明还提供了一种用于部分频带防护的非合作干扰对消方法，其基于上述用于部分频带防护的非合作干扰对消装置进行干扰对消控制，包括以下步骤：

S1，误差信号和N个辅助天线的接收信号分别经过一个带通滤波器，得到需要对消频带的误差信号和辅助天线接收信号；

S2，第二到第N+1个带通滤波器的输出信号经过空时滤波器得到干扰对消信号；

S3，对消信号经过一个移相器，得到移相后的对消信号，其中移相器的数值为对消信号经过数模转换器、上变频器、合成器、耦合器、第一模数转换器、第一下变频器、数字信号处理单元处理芯片后的相位值的负数；

S4，第二到第N+1个带通滤波器的输出信号和第一带通滤波器的输出信号经过权值计算模块得到空时滤波器的权值。

作为本发明的进一步改进，所述带通滤波器为多子带滤波器。

作为本发明的进一步改进，所述移相器的数值与实际移相值的偏差的绝对值应小于等于60度。

作为本发明的进一步改进，所述权值计算模块采用LMS算法。

作为本发明的进一步改进，所述权值计算模块中，采用LMS算法，包括以下步骤：

P1，计算得到含延迟的辅助天线接收信号矢量：

x(n)=[x ₁(n),…,x ₁(n-L+1),…,x _k(n),…,x _k(n-L+1),…,x _N (n),…,x _N (n-L+1)]^T；

其中x_k(n)为第k个天线在n时刻的接收信号，L为空时滤波器的时域阶数，N为辅助天线数量，[·]^T为向量转置运算；

P2，迭代计算空时滤波器权值：

w(n+1)=w(n)+µx(n)e^*(n)，其中µ为步长因子；w(n)为滤波器权值信号，e(n)为误差信号；(·)*为共轭运算。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的用于部分频带防护的非合作干扰对消装置，结合模拟域干扰对消和数字域干扰重构技术，实现大带宽信号中部分窄带频点的干扰对消处理，具有成本低、对消性能高的特点。本发明用于部分频带防护的非合作干扰对消装置及方法，分别采用微波延时线、合成器和耦合器实现主天线信号延迟、对消信号和主天线接收信号合成以及误差信号的耦合功能，可用于大带宽的接收信号。同时，采用数字域干扰重构和自适应权值计算方法，可针对窄带频点进行干扰对消处理，因此只需要使用低速ADC实现信号数字化，大幅提升接收信噪比指标。同时，在数字域实现干扰重构可适用于复杂多径环境和天线数量较多的情况，因此可实现更高的干扰对消性能。

2、本发明提供的用于部分频带防护的非合作干扰对消方法，可用于宽工作频带中部分窄带频点的干扰对消处理，由于不需要对其余频带进行变频、模数转换、数模转换、上变频等处理，因此不影响其他未被干扰的信号频点的信号质量。

附图说明

图1为本发明提供的用于部分频带防护的非合作干扰对消装置的结构框示意图。

图2为本发明提供的用于部分频带防护的非合作干扰对消方法中数字域重构算法结构框图。

图3为本发明实施例提供的多子带率滤波器显示图。

附图标记

1-微波延时线；2-合成器；3-耦合器；4-下变频器；5-模数转换器；6-数字信号处理单元；7-数模转换器；8-上变频器；9-辅助天线；10-带通滤波器；20-空时滤波器；30-权值计算模块；40-移相器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

另外，还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

请参阅图1所示，本发明提供了一种用于部分频带防护的非合作干扰对消装置，其包括N个辅助天线、用于大带宽接收信号的模拟干扰对消模块、与所述模拟干扰对消模块和所述N个辅助天线分别电性连接并用于窄带频点干扰对消处理的数字波束形成模块；

所述用于部分频带防护的非合作干扰对消装置基于模拟干扰对消模块和数字波束形成模块，结合模拟域干扰对消和数字域波束形成技术，通过在模拟域进行干扰对消处理，并在数字域进行自适应波束形成，实现大带宽信号中部分窄带频点的干扰对消处理。

请参阅图1所示，所述模拟干扰对消模块包括微波延时线、合成器、耦合器；

所述微波延时线，用于延迟输入信号，其输入端接主天线，输出端接合成器第一输入端口。

在本实施方式中，所述微波延时线为微波光纤延时线。

所述合成器，用于将延迟后的主天线接收信号与对消信号合成实现干扰对消得到误差信号；其第二输入端口与数字波束形成模块电性连接（其第二输入端口接上变频器输出端），输出端接耦合器输入端；

所述耦合器，用于耦合部分合成器输出信号；其输入端接合成器输出端，耦合端与数字波束形成模块电性连接（耦合端接第一个下变频器输入端），直通输出端接接收机。

请参阅图1所示，所述数字波束形成模块包括N+1个下变频器、N+1个模数转换器、数字信号处理单元、数模转换器、上变频器，N大于等于1；

所述N+1个下变频器，用于将耦合的误差信号和N个辅助天线的接收信号下变频到低中频或基带；其中第二至第N+1个下变频模块输入端分别接N个辅助天线输出端，N+1个下变频器的输出端分别接N+1个模数转换器的输入端；

所述N+1个模数转换器，用于将N+1个下变频器的输出信号分别转换为数字信号，输出端分别接数字信号处理单元输入端；

所述数字信号处理单元，用于实现数字域波束形成得到数字干扰对消信号，其输出端接数模转换器输入端；

所述数模转换器，用于将数字干扰对消信号转换为中频或基带模拟信号，其输出端接上变频器中频输入端；

所述上变频器，用于将中频或基带干扰对消信号上变频到射频频率，其输出端接合成器第二输入端口。

实施例1

请参阅图2所示，本发明实施例1提供了一种用于部分频带防护的非合作干扰对消方法，基于上述用于部分频带防护的非合作干扰对消装置进行干扰对消控制，包括以下步骤：

S1，误差信号和N个辅助天线的接收信号分别经过一个带通滤波器，得到需要对消频带的误差信号和辅助天线接收信号；所述带通滤波器为多子带滤波器。

S2，第二到第N+1个带通滤波器的输出信号经过空时滤波器得到干扰对消信号；所述带通滤波器为多子带滤波器。

S3，对消信号经过一个移相器，得到移相后的对消信号，其中移相器的数值为对消信号经过数模转换器、上变频器、合成器、耦合器、第一模数转换器、第一下变频器、数字信号处理单元处理芯片后的相位值的负数；

S4，第二到第N+1个带通滤波器的输出信号和第一带通滤波器的输出信号经过权值计算模块得到空时滤波器的权值。

所述移相器的数值与实际移相值的偏差的绝对值应小于等于60度。本实施例1中，通过离线校准方法得到通道的相位差；通过校准可以使角度误差在5度以内，因此能够满足稳定性条件。

所述权值计算模块采用LMS算法，包括以下步骤：

P1，计算得到含延迟的辅助天线接收信号矢量：

x(n)=[x ₁(n),…,x ₁(n-L+1),…,x _k(n),…,x _k(n-L+1),…,x _N (n),…,x _N (n-L+1)]^T；

其中x_k(n)为第k个天线在n时刻的接收信号，L为空时滤波器的时域阶数，N为辅助天线数量，[·]^T为向量转置运算；

P2，迭代计算空时滤波器权值：

w(n+1)=w(n)+µx(n)e^*(n)，其中µ为步长因子；w(n)为滤波器权值信号，e(n)为误差信号；(·)*为共轭运算。

本实施例1中，整个工作带宽为500MHz，假设需要防护的频点分别为10MHz、15MHz，带宽分别为1MHz和2MHz，频带中同时存在其他通信信号。ADC的采用率为50MHz，采用迭代最小方差算法得到的多频带滤波器如图3所示。

综上所述，本发明提供了一种用于部分频带防护的非合作干扰对消装置及方法。该装置包括微波延时线、合成器、耦合器、N个辅助天线、N+1个下变频器、N+1个模数转换器、数字信号处理单元、数模转换器、上变频器，其中N大于等于1，通过在模拟域进行干扰对消处理，并在数字域进行自适应波束形成，实现宽工作频带中部分频点的抗干扰处理。本发明提供的方法可用于宽工作频带中部分窄带频点的干扰对消处理，而不影响其他未被干扰的信号频点，可避免对宽带信号的高速采样问题，降低对数模转换器采样率的要求，大幅提升接收信噪比指标；且可在数字域实现复杂多径环境和天线数量较多条件下的信号处理，可提高的抗干扰性能。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种用于部分频带防护的非合作干扰对消装置，其特征在于：包括N个辅助天线、用于大带宽接收信号处理的模拟干扰对消模块、与所述模拟干扰对消模块和所述N个辅助天线分别电性连接并用于窄带频点干扰对消处理的数字波束形成模块；

所述用于部分频带防护的非合作干扰对消装置，基于模拟干扰对消模块和数字波束形成模块，结合模拟域干扰对消和数字域波束形成技术，通过在模拟域进行干扰对消处理，并在数字域进行自适应波束形成，实现大带宽信号中部分窄带频点的干扰对消处理；

所述模拟干扰对消模块包括微波延时线、合成器、耦合器；

所述微波延时线，用于延迟输入信号，其输入端接主天线，输出端接合成器第一输入端口；

所述合成器，用于将延迟后的主天线接收信号与对消信号合成实现干扰对消得到误差信号；其第二输入端口与数字波束形成模块电性连接，输出端接耦合器输入端；

所述耦合器，用于耦合部分合成器输出信号；其输入端接合成器输出端，耦合端与数字波束形成模块电性连接，直通输出端接接收机。

2.根据权利要求1所述的用于部分频带防护的非合作干扰对消装置，其特征在于：所述数字波束形成模块包括N+1个下变频器、N+1个模数转换器、数字信号处理单元、数模转换器、上变频器，N大于等于1；

所述N+1个下变频器，用于将耦合的误差信号和N个辅助天线的接收信号下变频到低中频或基带；其中第二至第N+1个下变频模块输入端分别接N个辅助天线输出端，N+1个下变频器的输出端分别接N+1个模数转换器的输入端；

所述N+1个模数转换器，用于将N+1个下变频器的输出信号分别转换为数字信号，输出端分别接数字信号处理单元输入端；

所述数字信号处理单元，用于实现数字域波束形成得到数字干扰对消信号，其输出端接数模转换器输入端；

所述数模转换器，用于将数字干扰对消信号转换为中频或基带模拟信号，其输出端接上变频器中频输入端；

所述上变频器，用于将中频或基带干扰对消信号上变频到射频频率，其输出端接合成器第二输入端口。

3.根据权利要求1所述的用于部分频带防护的非合作干扰对消装置，其特征在于：所述微波延时线为微波光纤延时线。

4.一种用于部分频带防护的非合作干扰对消方法，其特征在于：基于权利要求1至3中任一项权利要求所述的用于部分频带防护的非合作干扰对消装置进行干扰对消控制，包括以下步骤：

S1，误差信号和N个辅助天线的接收信号分别经过一个带通滤波器，得到需要对消频带的误差信号和辅助天线接收信号；

S2，第二到第N+1个带通滤波器的输出信号经过空时滤波器得到干扰对消信号；

S3，对消信号经过一个移相器，得到移相后的对消信号，其中移相器的数值为对消信号经过数模转换器、上变频器、合成器、耦合器、第一模数转换器、第一下变频器、数字信号处理单元处理芯片后的相位值的负数；

S4，第二到第N+1个带通滤波器的输出信号和第一带通滤波器的输出信号经过权值计算模块得到空时滤波器的权值。

5.根据权利要求4所述的用于部分频带防护的非合作干扰对消方法，其特征在于：所述带通滤波器为多子带滤波器。

6.根据权利要求4所述的用于部分频带防护的非合作干扰对消方法，其特征在于：所述移相器的数值与实际移相值的偏差的绝对值应小于等于60度。

7.根据权利要求4所述的用于部分频带防护的非合作干扰对消方法，其特征在于：所述权值计算模块采用LMS算法。

8.根据权利要求7所述的用于部分频带防护的非合作干扰对消方法，其特征在于：所述权值计算模块中，采用LMS算法，包括以下步骤：

P1，计算得到含延迟的辅助天线接收信号矢量：

x(n)=[x ₁(n),…,x ₁(n-L+1),…,x _k(n),…,x _k(n-L+1),…, x _N (n),…,x _N (n-L+1)]^T；

其中x_k(n)为第k个天线在n时刻的接收信号，L为空时滤波器的时域阶数，N为辅助天线数量，[·]^T为向量转置运算；

P2，迭代计算空时滤波器权值：

w(n+1)=w(n)+µx(n)e^*(n)，其中µ为步长因子；w(n)为滤波器权值信号，e(n)为误差信号；(·)*为共轭运算。

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