曾巍 劉航 韓冬

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

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應(yīng)用自適應(yīng)濾波抑制星載接收機(jī)帶內(nèi)干擾的探索

曾巍 劉航 韓冬

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

為抑制衛(wèi)星內(nèi)對星載接收機(jī)的帶內(nèi)電磁干擾，文章分析了星載接收機(jī)在衛(wèi)星上的電磁環(huán)境，提出將自適應(yīng)濾波器應(yīng)用到星載接收機(jī)上降噪，設(shè)計了自適應(yīng)濾波器及其算法，分析了噪聲的多徑效應(yīng)對自適應(yīng)濾波的影響，明確了接收機(jī)天線、信道增益設(shè)計要求。對自適應(yīng)濾波器在抑制星載接收機(jī)帶內(nèi)電磁干擾的效果進(jìn)行了仿真和分析。仿真結(jié)果表明：自適應(yīng)濾波提高了星載接收機(jī)抑制衛(wèi)星帶內(nèi)電磁干擾信號的能力，為星載接收機(jī)的電磁兼容設(shè)計提供了一種主動適應(yīng)衛(wèi)星平臺電磁環(huán)境的新思路。

星載接收機(jī)；自適應(yīng)濾波；帶內(nèi)干擾；電磁兼容

1 引言

星載接收機(jī)是衛(wèi)星系統(tǒng)的重要組成設(shè)備，其與衛(wèi)星上其它設(shè)備的電磁兼容性(EMC)是影響衛(wèi)星任務(wù)成敗的關(guān)鍵，[1]5-8特別是對于以無線電收發(fā)為主業(yè)務(wù)的衛(wèi)星而言，作為有效載荷的星載接收機(jī)與衛(wèi)星平臺的電磁兼容性就尤為重要。隨著星載接收機(jī)技術(shù)的發(fā)展和用戶需求的提高，星載接收機(jī)的接收靈敏度越來越高。而衛(wèi)星結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部空間狹小，儀器設(shè)備密集，尤其是電源分系統(tǒng)布局特殊，系統(tǒng)內(nèi)電纜間、設(shè)備間、電纜與設(shè)備間等各種耦合干擾現(xiàn)象隨處可見[1]5-8。衛(wèi)星平臺逐漸成為不可忽視的影響星載接收機(jī)的“干擾源”。

星載接收機(jī)接收到的電磁干擾分為工作頻段范圍內(nèi)的干擾(簡稱帶內(nèi)干擾)和工作頻段范圍外的干擾(簡稱帶外干擾)。帶外干擾可以通過優(yōu)化接收天線和射頻信道的濾波器實現(xiàn)抑制[2]。帶內(nèi)干擾是影響星載接收機(jī)的主要干擾。電磁干擾有3個必備要素：干擾源、傳播路徑和敏感器[1]12。解決衛(wèi)星平臺對星載接收機(jī)的帶內(nèi)干擾，可以通過電磁兼容設(shè)計[3-6]來減少干擾源，也可以通過屏蔽技術(shù)和接地技術(shù)[7-8]來阻斷傳播路徑，還可以兩者并用。但是，屏蔽技術(shù)和接地技術(shù)也存在實施條件受限制的情況，例如衛(wèi)星上的工藝條件限制等。因此，對敏感器(例如星載接收機(jī))采取抗干擾措施，常常成為上述兩種方法的有效補(bǔ)充。另外，在工程實踐中還常遇到在一個成熟的衛(wèi)星系統(tǒng)上增添新的有效載荷射頻接收設(shè)備的情況。在不允許對衛(wèi)星平臺系統(tǒng)做較大改變并保持原系統(tǒng)電磁環(huán)境的情況下，唯一的選擇是限于對新射頻接收機(jī)采取措施，有針對性地提高新設(shè)備的抗干擾性能，去主動適應(yīng)平臺環(huán)境。

時空濾波和射頻對消是針對射頻接收設(shè)備的兩種抗干擾措施?？諘r濾波[9-12]主要是抑制來自于地面且來向與目標(biāo)信號來向不同的干擾信號。其中，帶內(nèi)的窄帶干擾信號主要是采用時域濾波抑制，帶內(nèi)的寬帶干擾信號主要是采用空域濾波抑制?？沼驗V波是采用調(diào)節(jié)單元天線相位改變天線陣方向圖的方式，增強(qiáng)有用信號來向的天線增益，減弱干擾信號來向的天線增益，實現(xiàn)對信號與干擾的“此消彼長”。而衛(wèi)星平臺對有效載荷星載接收機(jī)的干擾源長時間存在且方位固定，如果使天線陣為“躲避”干擾信號而長時間處于一種方向圖狀態(tài)，會影響衛(wèi)星有效載荷對地面的覆蓋效率。衛(wèi)星干擾信號來自于衛(wèi)星內(nèi)部，干擾信號往往會從天線陣的后瓣被接收，這不是天線陣設(shè)計所關(guān)注的主要問題，很難保證抗干擾效果。有效載荷星載接收機(jī)的大瞬時覆蓋需求和衛(wèi)星資源的限制也會影響天線陣在衛(wèi)星上的應(yīng)用。射頻對消技術(shù)主要在窄帶寬上進(jìn)行“射頻對消”[13-14]，但在帶寬和動態(tài)范圍上存在限制，并且要求干擾信號達(dá)到接收端無多徑傳播。而就衛(wèi)星平臺而言，干擾信號是存在多徑情況且信號功率是“時變”的。因此，上述兩種方法不適用于有效載荷星載接收機(jī)抗衛(wèi)星平臺的帶內(nèi)電磁干擾。

針對衛(wèi)星平臺對有效載荷星載接收機(jī)的帶內(nèi)電磁干擾問題，本文結(jié)合星載接收機(jī)在衛(wèi)星上的電磁環(huán)境，設(shè)計了自適應(yīng)濾波器及其算法，分析了噪聲的多徑效應(yīng)對自適應(yīng)濾波的影響，提出自適應(yīng)濾波對星載接收機(jī)天線、信道增益設(shè)計要求，并進(jìn)行了仿真驗證。

2 星載接收機(jī)的電磁環(huán)境

為便于分析，本文僅考慮來自地球的無線電信號和衛(wèi)星平臺對星載接收機(jī)造成干擾的帶內(nèi)電磁信號，分別稱為“目標(biāo)信號”和“噪聲信號”。由于衛(wèi)星內(nèi)部狹小，且電纜密布，多個干擾源相互耦合，使得衛(wèi)星中多個噪聲源經(jīng)“混合”后向星體外泄露。噪聲信號以傳導(dǎo)和輻射的方式經(jīng)星體上的孔洞、縫隙以及出艙電纜到達(dá)星體外，再輻射到接收機(jī)天線并形成干擾。太陽翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動縫隙、衛(wèi)星的供電電纜、出艙電纜都是星體內(nèi)部的電磁干擾信號泄露可能的路徑。電磁干擾信號對星載接收機(jī)的影響主要與星體上泄漏電磁信號的孔洞、縫隙和出艙電纜與接收機(jī)天線的相對位置有關(guān)，接收天線距離干擾孔縫越近，所受干擾越大。

衛(wèi)星的太陽翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)和供電電纜都在衛(wèi)星的側(cè)板上，很難采取屏蔽包裹等措施。以太陽翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)的縫隙和供電電纜作為噪聲信號的主要泄露處，來分析星載接收機(jī)的電磁干擾環(huán)境。由電磁場的散射特性[15]可知，噪聲信號到達(dá)接收機(jī)天線主要靠爬行波散射的方式。衛(wèi)星平臺的噪聲信號傳播示意如圖1所示，圖中的箭頭代表噪聲信號的傳播方向，A為對地面(面向地球方向)的星載接收機(jī)的接收天線，B、C為衛(wèi)星太陽翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)，D為背地面(背向地球的方向)。

圖1 噪聲信號在星體上的傳播示意圖Fig.1 Transmission of the noise around the satellite

由圖1可知，噪聲信號從B處和C處泄露到星體外，再傳播到A處和D處。噪聲信號傳播到A處和D處的傳播路徑之差引起的功率變化很小。因此，A處和D處的噪聲信號強(qiáng)度基本相當(dāng)。

目標(biāo)信號照射到衛(wèi)星星體上的傳播路徑如圖2所示。圖中的箭頭代表目標(biāo)信號的傳播方向，目標(biāo)信號照射到星體上，在星體A處信號強(qiáng)度最強(qiáng)。由于有星體的遮擋作用使得目標(biāo)信號在D處信號強(qiáng)度很弱、甚至很難檢測到。

圖2 目標(biāo)信號在星體上的傳播示意圖Fig.2 Transmission of the target signal around the satellite

從以上分析可知，衛(wèi)星對地面的接收天線不僅接收到來自地球的目標(biāo)信號外，還接收到了來自衛(wèi)星的噪聲信號。同時，在衛(wèi)星背地面存在較弱的目標(biāo)信號和較強(qiáng)的噪聲信號。這為自適應(yīng)濾波器在星載接收機(jī)上的降噪應(yīng)用提供了實現(xiàn)的條件。

衛(wèi)星平臺上往往存在多個噪聲源。噪聲對星載接收機(jī)的影響取決噪聲源的位置以及噪聲傳播的路徑。衛(wèi)星平臺的各設(shè)備與電纜均進(jìn)行了固定，所以噪聲源的位置與傳播的路徑均不會發(fā)生變化。當(dāng)衛(wèi)星平臺的多個噪聲源信號從衛(wèi)星表面的一個孔縫或出艙電纜輻射出來時，可視為單噪聲源。當(dāng)衛(wèi)星平臺的多個噪聲源通過不同路徑干擾接收機(jī)時，則需要按照多噪聲源的情況進(jìn)行處理。

3 自適應(yīng)濾波

普通濾波器是根據(jù)已知處理信號特征設(shè)計的濾波參數(shù)，而對于信號特征隨時間變化或未知則無法達(dá)到最優(yōu)濾波。而自適應(yīng)濾波具有在未知環(huán)境下良好運行并跟蹤時變輸入統(tǒng)計量的能力，較好的解決了以上問題。自適應(yīng)濾波器是一種濾波參數(shù)可調(diào)的數(shù)字濾波器，比普通濾波器多了一路期望信號和迭代反饋算法。自適應(yīng)濾波器根據(jù)期望信號與自適應(yīng)濾波器的輸出信號在某一時刻之差，通過迭代反饋算法更新濾波器系數(shù)，再經(jīng)過一段時間的多次迭代更新，使得期望信號與自適應(yīng)濾波器的輸出信號達(dá)到某種意義上的匹配(如瞬時均方差最小、最小二乘)，從而輸入的信號中與預(yù)期信號相關(guān)的信號能夠通過自適應(yīng)濾波器并輸出，達(dá)到最優(yōu)濾波效果。

自適應(yīng)濾波的核心是自適應(yīng)濾波器，不同的自適應(yīng)濾波效果需要不同的信號輸入方式[16]15-17。衛(wèi)星的電磁噪聲環(huán)境和自適應(yīng)濾波器的約束條件將決定自適應(yīng)濾波器的設(shè)計及其算法。

3.1 自適應(yīng)濾波的約束與布局設(shè)計

針對衛(wèi)星平臺上存在一個噪聲源的情況，為實現(xiàn)星載接收機(jī)的噪聲對消，自適應(yīng)濾波器需要有兩路信號輸入。一路為基本信號，包含噪聲信號和目標(biāo)信號；一路為參考信號，僅包含噪聲信號[16]15-17。自適應(yīng)濾波器是通過跟蹤參考信道中的噪聲信號來濾除基本信道中的噪聲信號。并且自適應(yīng)濾波器實現(xiàn)噪聲對消應(yīng)滿足4個約束條件：①參考信號與基本信號中的噪聲是相關(guān)的(同源)；②基本信號中的噪聲和信號不相關(guān)(異源)；③基本信號比參考信號同時或先進(jìn)入自適應(yīng)濾波器；④參考信號只含噪聲信號。否則，自適應(yīng)濾波很難達(dá)到降噪效果。但要完全達(dá)到這幾個理想條件是相當(dāng)難的，尤其是一個參考信道只收一個干擾源信號、不收基本信號與其它干擾，這點是工程實現(xiàn)中的關(guān)鍵。

根據(jù)自適應(yīng)濾波的應(yīng)用要求，星載接收機(jī)新增一路接收信道，將其用于接收衛(wèi)星平臺的干擾信號，稱為“參考信道”。而原有星載接收機(jī)的接收信道仍用于接收地面目標(biāo)信號，稱為“基本信道”。為確保目標(biāo)信號不被參考信道的接收天線接收到，利用接收天線的方向圖和布局位置使得參考信道的接收天線接收的目標(biāo)信號功率遠(yuǎn)小于其接收的噪聲功率。同時，通過增加參考信道的射頻衰減使接收到的目標(biāo)信號功率低于星載接收機(jī)的接收靈敏度，且噪聲功率高于星載接收機(jī)的接收靈敏度。參考信道的接收天線在衛(wèi)星上的布局位置如圖3所示，且其天線方向圖的要求也有所不同。

圖3分別表示了星載接收機(jī)參考信道的接收天線的三種布局位置，根據(jù)衛(wèi)星上的不同情況選擇其中一種布局。天線1為基本信道的接收天線，天線2為參考信道的接收天線。在圖3(a)中，參考信道的接收天線放置于基本信道的接收天線附近，天線方向圖要求對地方向低增益且其他方向高增益。在圖3(b)中，參考信道的接收天線放置于衛(wèi)星的背地面，主要是針對無法實現(xiàn)對地方向低增益且其他方向高增益的天線。在圖3(c)中，將EMC試驗用的探頭或天線放置于衛(wèi)星噪聲信號泄露的縫隙和孔縫的星內(nèi)一側(cè)，主要是針對確定輻射源位置的情況。

圖3 星載接收機(jī)接收天線或探頭的布局示意圖Fig.3 Location of the antennas or probe of the satellite receiver

圖3(a)的方式是通過天線增益來保證噪聲信號功率強(qiáng)于目標(biāo)信號。該方式對天線的設(shè)計要求較高，但簡化了衛(wèi)星平臺的噪聲源模型，可將衛(wèi)星的噪聲信號視為一個噪聲源，降低了對自適應(yīng)濾波器的設(shè)計要求。圖3(b)和圖3(c)的方式是利用了衛(wèi)星對目標(biāo)信號的遮擋或屏蔽作用，減弱了或避免目標(biāo)信號進(jìn)入?yún)⒖夹诺?。后兩種方式降低了對參考信道的接收天線或探頭的設(shè)計要求。

自適應(yīng)濾波器在星載接收機(jī)上的噪聲對消應(yīng)用如圖4所示。射頻前端除完成信號功率的放大外，還可以根據(jù)需要對信號進(jìn)行下變頻，以降低對AD采樣的要求。AD采樣將信號轉(zhuǎn)換為可數(shù)字處理的形式。與典型的自適應(yīng)濾波器不同，考慮到噪聲信號傳播路徑的差異，在參考信道上增加了一個延遲器。

圖4 自適應(yīng)濾波器在星載接收機(jī)噪聲對消上的應(yīng)用Fig.4 Application of the adaptive filter for noise-cancelling in radio frequency receiver

在圖4中，S為目標(biāo)信號，V為衛(wèi)星平臺噪聲信號，H1和H2分別為衛(wèi)星平臺噪聲源到天線1和天線2的空間傳遞函數(shù)。G1和G2分別為基本信道和參考信道中的射頻前端增益。V1和V2是衛(wèi)星平臺噪聲信號經(jīng)過空間傳遞函數(shù)后分別在基本信道和參考信道的噪聲信號。d和x分別表示基本信道和參考信道的信號。ΔT為參考信道中的延遲期的延遲時間。

當(dāng)噪聲源為多個時，需要自適應(yīng)濾波器增加與噪聲源個數(shù)相等的參考信道個數(shù)，并在一個參考信道僅接收一個噪聲源信號的情況下，對多個噪聲源依次逐個進(jìn)行對消。以兩個噪聲源的自適應(yīng)濾波器對消為例，如圖5所示。

在圖5中，S為目標(biāo)信號，V1和V2為衛(wèi)星平臺噪聲信號，H1和H2為衛(wèi)星平臺噪聲源1到天線1和天線2的空間傳遞函數(shù)，H3和H4為衛(wèi)星平臺噪聲源2到天線1和天線3的空間傳遞函數(shù)。G1、G2和G3依次為基本信道、參考信道1和參考信道2的射頻前端增益。ΔT1和ΔT2分別為參考信道1和參考信道2的延遲時間，且ΔT2的延遲要大于ΔT1與自適應(yīng)濾波器1的延遲時間之和。e1為自適應(yīng)濾波器消除衛(wèi)星平臺噪聲1的輸出結(jié)果，e2為自適應(yīng)濾波器消除衛(wèi)星平臺噪聲的最終輸出結(jié)果。

上述無論是采用一個或多個參考信道的方案當(dāng)然會在實現(xiàn)上增加不小困難，但隨著電子集成技術(shù)的發(fā)展也并非完全不可能。

3.2 自適應(yīng)濾波算法

歸一化最小方差(NLMS)算法收斂速度快，穩(wěn)定性高，算法簡單、運算量小、易于實現(xiàn)，第n時刻的迭代步長為

(1)

NLMS算法的自適應(yīng)濾波器的濾波系數(shù)更新為

W(n+1)=W(n)+2μ(n)e(n)x(n)

(2)

式中：W(n)為第n時刻的濾波系數(shù)；e(n)為第n時刻的誤差信號，e(n)=y(n)-x(n)；y(n)為第n時刻濾波器的輸出值，x(n)為第n時刻的參考信號輸入值。

當(dāng)?shù)介L較大時，自適應(yīng)濾波器具有較快的收斂速度，且在收斂后對目標(biāo)信號的時變系統(tǒng)有較強(qiáng)的跟蹤能力，但是穩(wěn)態(tài)誤差會變差并導(dǎo)致降噪效果變差。當(dāng)?shù)介L較小時，在目標(biāo)信號的時變系統(tǒng)變化較小的情況下，穩(wěn)態(tài)誤差較小，自適應(yīng)濾波器收斂后的消噪效果好，但是其收斂速度緩慢。當(dāng)目標(biāo)信號的時變系統(tǒng)變化較大時，在迭代步長較小不能完成跟蹤的情況下，降噪效果將變差[16]183-188,251-254,[17]24-30,33-35。因此，迭代步長的選取決定于自適應(yīng)濾波系統(tǒng)對時變跟蹤性能和穩(wěn)態(tài)誤差的要求。

一旦衛(wèi)星總裝布局確定，衛(wèi)星平臺噪聲信號的輻射源位置與干擾星載接收機(jī)的耦合路徑即確定。衛(wèi)星平臺噪聲源對星載接收機(jī)干擾的噪聲系統(tǒng)幾乎不變，即使有變化也是很小的、緩慢的變化(如太陽翼帆板的轉(zhuǎn)動)，較小的迭代步長就能滿足跟蹤要求，使得自適應(yīng)濾波器始終處于最優(yōu)濾波狀態(tài)。另外，由于衛(wèi)星與地面目標(biāo)的相對位置有著較大范圍的變化，要求星載接收機(jī)對目標(biāo)信號的接收能夠適應(yīng)較大的動態(tài)范圍。誤差信號e(n)和迭代步長μ(n)均會影響自適應(yīng)濾波器的穩(wěn)態(tài)誤差，進(jìn)而影響降噪效果。當(dāng)目標(biāo)信號增大時，誤差信號e(n)也會隨之增大，較小的μ(n)能夠在目標(biāo)信號較強(qiáng)時抑制穩(wěn)態(tài)誤差惡化，從而改善自適應(yīng)濾波器在目標(biāo)信號動態(tài)范圍內(nèi)的降噪效果。在初始階段采用大迭代步長并在收斂后采用小迭代步長的自適應(yīng)濾波算法適用于星載接收機(jī)上的自適應(yīng)濾波器。

按照迭代次數(shù)增加而減小迭代步長[18]的思路，并結(jié)合衛(wèi)星電磁環(huán)境特點，本文在NLMS算法上進(jìn)行了改進(jìn)，其迭代步長更新公式為

(3)

式中：α為迭代步長衰減因子，且0<α<1。β為自適應(yīng)濾波器初始迭代步長。δ為自適應(yīng)濾波器收斂時的迭代步長。并且迭代步長參數(shù)的選取還需要考慮衛(wèi)星平臺噪聲的特性。當(dāng)自適應(yīng)濾波器收斂后，自適應(yīng)濾波器的步長需要滿足

(4)

式中：λmax為相關(guān)矩陣R的最大特征值。R為向量X(n)的相關(guān)矩陣[16]162-165。

3.3 噪聲多徑干擾對自適應(yīng)濾波的影響

由于衛(wèi)星星體構(gòu)型復(fù)雜，存在噪聲信號到星載接收機(jī)接收天線的多徑干擾。為便于分析，本文不考慮基本信道和參考信道自身的信道噪聲。衛(wèi)星平臺除從太陽翼驅(qū)動機(jī)構(gòu)輻射干擾信號外，還會從其他位置輻射干擾信號。即衛(wèi)星平臺對星載接收機(jī)的干擾是多徑干擾的，其傳遞函數(shù)為

(5)

式中：Mi表示星載接收機(jī)天線i接收到的輻射路徑個數(shù)，i=1,2分別表示天線1(基本信道)、天線2(參考信道)，Aij表示信號衰減幅度，mij表示延遲時間，j=1,2,…,Mi表示噪聲信號輻射位置序號。因為Hi為線性時不變系統(tǒng)，故無論Mi如何變化，噪聲信號分別經(jīng)H1和H2傳遞后仍相關(guān)，滿足自適應(yīng)濾波器的參考信道和基本信道中的噪聲信號是相關(guān)的要求。

將自適應(yīng)濾波器看做一個二端口網(wǎng)絡(luò)，自適應(yīng)濾波器的輸出信號是目標(biāo)信號的估計值，在自適應(yīng)濾波器收斂后，目標(biāo)信號的估值應(yīng)為s。誤差信號是基本信道中噪聲信號的估計值，即v·G1·H1。G1和G2分別表示自適應(yīng)濾波的基本信道和參考信道的射頻增益。m0為參考信道中的延遲周期。W為自適應(yīng)濾波器收斂后的濾波系數(shù)。自適應(yīng)濾波器濾波模型表示為

(6)

則自適應(yīng)濾波器的二端口網(wǎng)絡(luò)可以表示為

(7)

從式(7)可以看出，星載接收機(jī)的自適應(yīng)濾波器是自適應(yīng)算法迭代并收斂于濾波系數(shù)為W的濾波器，從而實現(xiàn)在消除噪聲信號并提取目標(biāo)信號的功能。因此，噪聲信號的多徑并不影響自適應(yīng)濾波器收斂和降噪功能。另外，當(dāng)噪聲傳播路徑發(fā)生微小變化后，自適應(yīng)濾波器的跟蹤能力會使濾波器的參數(shù)收斂于噪聲傳播路徑變化后的狀態(tài)。

4 星載接收機(jī)及天線的設(shè)計要求

自適應(yīng)濾波器的應(yīng)用不應(yīng)影響到星載接收機(jī)的性能，而星載接收機(jī)的性能主要取決于天線與信道增益。為實現(xiàn)降噪效果，自適應(yīng)濾波器對星載接收機(jī)的天線與信道增益提出了設(shè)計要求。

4.1 天線的設(shè)計要求

作為基本信道的接收天線是接收目標(biāo)信號，應(yīng)保持原設(shè)計并符合設(shè)計要求，滿足航天器的任務(wù)需求。作為參考信道的接收天線主要是接收噪聲信號，為自適應(yīng)濾波器提供參考信號，并避免接收到目標(biāo)信號。因此，參考信道的接收天線盡量采用對地面增益低且其它方向增益高的天線，若不能滿足天線方向圖要求則一般安裝于衛(wèi)星的背地面，以利用星體遮擋來減少對目標(biāo)信號的接收，并且盡可能接收噪聲信號。天線選取采取賦形天線、偶極子天線、微帶天線以及與接收天線相同的設(shè)計等。

4.2 信道增益的設(shè)計要求

星載接收機(jī)的基本信道增益主要是提高對目標(biāo)信號的接收能力，應(yīng)保持原設(shè)計并符合設(shè)計要求，滿足航天器的任務(wù)需求。星載接收機(jī)的參考信道接收天線除接收到噪聲信號外，還可能接收到信號強(qiáng)度較小的目標(biāo)信號。自適應(yīng)濾波器要求參考信道中的噪聲信號具有完整性，且不含目標(biāo)信號。從式(7)中可以看出，射頻增益G2變化不影響自適應(yīng)濾波器W的收斂。因此，在保證對參考信道中噪聲信號的接收情況下，降低射頻增益G2使目標(biāo)信號功率低于參考信道噪底，確保參考信號中無目標(biāo)信號。在多噪聲源對消時，降低射頻增益G2還有助于接收單個噪聲源，避免其他噪聲源的干擾。

5 應(yīng)用仿真與分析

5.1 噪聲對消效果

鑒于自適應(yīng)濾波處理是對數(shù)字化的信號進(jìn)行濾波處理，因此，信號的采樣率只要滿足采樣定理即可，而對信號頻率的帶寬沒有要求。星載接收機(jī)對于寬帶信號多采用超外差的處理方式，窄帶信號多采用窄帶采樣的處理方式。因此，不失一般性的假設(shè)信號在基帶上進(jìn)行處理。假設(shè)衛(wèi)星平臺干擾星載接收機(jī)有兩處端口分別在C和D處如圖1所示。假設(shè)衛(wèi)星平臺有唯一噪聲源，參考信道和基本信道的通道噪聲和解調(diào)損耗忽略不計。以天線1接收到的目標(biāo)信號和噪聲信號的功率之比作為輸入信噪比。設(shè)置兩種目標(biāo)信號的基帶信號：①16 kHz和19 kHz的正弦加性信號，②16 kHz正弦的調(diào)相信號。噪聲信號包括白噪聲、14 kHz連續(xù)波信號和21 kHz正弦調(diào)相信號。參考信道和基本信道的信道帶寬為30 kHz，采樣率fs=96 kHz，ΔT為1個采樣周期延遲。為確保參考信道中無目標(biāo)信號功率，對參考信道的信號功率進(jìn)行10dB衰減。當(dāng)目標(biāo)信號分別為正弦加性信號和正弦調(diào)相信號時，目標(biāo)信號、噪聲信號及受擾信號的時域頻域特征分別如圖6、圖7所示。

圖6 仿真輸入信號(正弦加性信號)Fig.6 Input signals of simulation for the sin plus wave signals

圖7 仿真輸入信號(正弦調(diào)相信號)Fig.7 Input signals of simulation for the sin phase modulation signal

自適應(yīng)濾波器的參數(shù)設(shè)置為α=0.999 9，ε=2.22×10-16，β=0.001，δ=0.000 1，L11=0.93·z-1，L12=0.72·z-3，L21=0.75·z-3，L22=0.85·z-5。將NLMS算法和改進(jìn)的NLMS算法的初始步長均設(shè)為μ1=μ2=0.015。在輸入信噪比為0dB的條件下仿真自適應(yīng)濾波器的降噪效果如圖8、圖9所示。

圖8 自適應(yīng)濾波器濾波結(jié)果(正弦加性信號)Fig.8 Results of the output of the adaptive filter for the sin plus wave signals

圖9 自適應(yīng)濾波器濾波結(jié)果(正弦調(diào)相信號)Fig.9 Results of the output of the adaptive filter for the sin phase modulation signal

由圖8、圖9可知，自適應(yīng)濾波器采用NLMS算法或者改進(jìn)的NLMS算法均能在一定條件下起到降低噪聲的作用。

5.2 NLMS與NLMS改進(jìn)型的算法比較

為比較NLMS算法和改進(jìn)的NLMS算法，按照正弦加性信號為目標(biāo)信號且輸入噪聲為白噪聲的情況下，在不同輸入信噪比下的輸出信號與目標(biāo)信號的誤差曲線，誤差曲線是由自適應(yīng)濾波器獨立多次濾波消噪后的誤差信號與目標(biāo)信號之差的均方根表示。

如圖10所示，在基本信道輸入信噪比分別為0 dB和20 dB且輸入的噪聲信號功率恒定的情況下，自適應(yīng)濾波器分別獨立進(jìn)行100次濾波的誤差曲線，其中目標(biāo)信號功率根據(jù)輸入信噪比而變化。

圖10 自適應(yīng)濾波器的誤差曲線Fig.10 Error curves of the adaptive filter

由圖10可知，當(dāng)輸入信噪比較低時，改進(jìn)的NLMS算法與NLMS算法在自適應(yīng)濾波的收斂速度上基本相同，但隨著迭代次數(shù)的增加改進(jìn)的NLMS算法的穩(wěn)態(tài)誤差還將進(jìn)一步減小。當(dāng)輸入信噪比較高時，NLMS算法已失去降噪功能，而改進(jìn)的NLMS算法還具有一定的降噪功能。

在輸入信噪比不同的情況下，對改進(jìn)的NLMS算法和NLMS算法的輸出信噪比進(jìn)行仿真比較。在不同信噪比下輸入的噪聲功率不變，仿真結(jié)果見表1所示。

表1 不同輸入信噪比下的輸出信噪比

從表1的結(jié)果可知，在輸入信噪比較低時，NLMS算法和改進(jìn)的NLMS算法均能將信噪比提高18 dB。在輸入信噪比較高時，NLMS算法的降噪效果不如改進(jìn)的NLMS算法效果好，并且隨著輸入信噪比不斷提高NLMS算法開始失去降噪功能，而改進(jìn)的NLMS算法還能夠保持一定的降噪功能。即當(dāng)噪聲信號功率一定且自適應(yīng)濾波器的初始步長相同時，改進(jìn)的NLMS算法比NLMS算法能夠適應(yīng)的目標(biāo)信號的動態(tài)范圍更大。

6 結(jié)束語

為解決在一些需要主動適應(yīng)現(xiàn)有平臺環(huán)境的應(yīng)用場合, 抑制衛(wèi)星平臺對有效載荷星載接收機(jī)的帶內(nèi)電磁干擾，本文提出了在接收機(jī)端上采用自適應(yīng)濾波方法抗干擾的新思路，并對影響濾波效果的多徑干擾進(jìn)行了分析。仿真結(jié)果表明改進(jìn)的NLMS算法自適應(yīng)濾波在較大的動態(tài)范圍內(nèi)具有良好的降噪效果。自適應(yīng)濾波降低了星載接收機(jī)對衛(wèi)星平臺電磁干擾輻射的要求，為星載接收機(jī)的電磁兼容設(shè)計提供了參考。自適應(yīng)濾波器是通過“訓(xùn)練”來剔除噪聲信號的。因此，自適應(yīng)濾波器對連續(xù)的干擾信號降噪效果好，而對猝發(fā)的干擾信號降噪效果差。另外，自適應(yīng)濾波的降噪效果還取決于衛(wèi)星平臺的噪聲源的個數(shù)、位置?？紤]到衛(wèi)星平臺噪聲源的復(fù)雜性和不確定性，需要充分重視工程實現(xiàn)中存在的風(fēng)險。目前，本文僅限于自適應(yīng)濾波的仿真驗證，尤其是增加參考信道在工程實現(xiàn)上一定會帶來難點，后續(xù)將開展自適應(yīng)濾波器對衛(wèi)星平臺噪聲降噪工程化的研究和衛(wèi)星構(gòu)型對自適應(yīng)濾波的可行性研究。

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(編輯：李多)

Adaptive Filter Application for In-band Interference Suppression in Satellite Receiver

ZENG Wei LIU Hang HAN Dong

(DFH Satellite Co.,Ltd., Beijing 100094,China)

To suppress in-band electromagnetic interference from satellite platform with the satellite receiver，the paper analyzes the electromagnetic environment of the satellite receiver, and proposes that an adaptive filter is applied in the satellite receiver for noise suppression，and an adaptive filter and its algorithm are designed. Meanwhile, the noise multipath effect an adaptive filtering is analysed, the demand of the design of the antenna and the channel gain in the satellite receiver is given. The suppressing effect for the in-band electromagnetic interference with the satellite receiver which is using an adaptive filter is simulated and analyzed. The simulation results prove that the adaptive filter has a fine performance for the suppression of the satellite platform interference.The adaptive filtering can be as a new method for electromagnetic compatibility (EMC) design of the satellite receiver，which makes the receiver adopted to the electromagnetic environment of the satellite platform actively.

satellite receiver; adaptive filtering; in-band interference; electromagnetic compati-bility

2015-08-21；

2017-05-26

曾巍，男，工程師，從事小衛(wèi)星有效載荷總體設(shè)計工作。Email：zengwei_1982@sina.com。

TN713

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.03.014