一种自适应宽带射频对消装置及方法

技术领域

本申请涉及机载传感器技术领域，具体而言，涉及一种自适应宽带射频对消装置及方法。

背景技术

机载综合射频传感器系统需要各射频传感器协同工作，由于在有限的飞机平台上装配了大量的射频传感器，综合射频传感器系统的射频接收设备通常会受到来自本平台上其他电子设备通过天线耦合产生的干扰。为解决该类问题，通常采用干扰对消的方式，通过对发射信号进行取样，得到一个参考信号，再对该参考信号进行延时校准、延时补偿以及幅相调整形成一个与接收端接收到的干扰信号幅度相同、存在180°相位差的对消信号，在接收端用对消信号和包含了干扰信号的有用信号进行抵消，根据实现域的不同，干扰对消技术分为射频对消技术和数字对消技术。

射频干扰对消在射频域通过矢量调制器或者其他具有相位和幅度调整功能的器件产生对消信号，射频对消可以解决接收链路射频前端饱和的问题。射频对消的劣势在于：(1)矢量调制器等射频器件非线性成分多，尤其是干扰信号大的场合，这些非线性成分会影响最终的对消效果；(2)单抽头的射频对消只能实现窄带对消，射频对消常用到的矢量调制器、正交混频器等器件的宽带特性较差，无法实现宽带对消，如果要实现宽带对消，需要增加对消器和延时线的数量，大大增加了系统开销和控制的复杂度；(3)射频对消的通用性差，矢量调制器、正交混频等器件只能工作在对应的频段，扩展性差。

数字干扰对消在数字域利用数字模型构建干扰信号的逆模型，采用相关性算法实现对消信号和干扰信号的延时估计，自适应算法可以实时更新模型参数，从而适应干扰信号和环境的改变，与射频干扰对消方法相比，灵活性大大提高。但是，数字干扰对消也存在以下问题：(1)数字干扰对消方法的前提是接收机ADC不饱和，当干扰信号过大导致ADC饱和时，ADC采样到的信号不真实，无法实现建模和参数的正确更新；(2)传统的数字模型为线性模型，这种模型优势是简单，但是无法对空间中的多径效应，宽带激励下大功率放大器产生的非线性成分以及功率放大器的记忆效应进行有效的对消，影响对消效果。基于上述原因，为了保证接收机能够对有用信号进行正确接收，实现对宽带干扰信号的有效对消，必须先在射频域对干扰信号进行对消。

而在现有技术中的对消装置会出现无法克服对消效果差、通用性差、扩展性差等缺陷，或者存在对消链路利用独立的采样、变频链路，与发射链路不共本振，存在相位差，影响对消效果等问题，如何解决这些问题成为本领域技术人员研究的众多方向之一。

发明内容

本申请的目的在于，为了克服现有的技术缺陷，提供了一种自适应宽带射频对消装置及方法，通过接收链路、采样变频链路发送至自适应数字处理算法模块。本申请通过构建非线性模型形成的对消信号可以实现对宽带干扰信号的有效对消，避免ADC的饱和。

本申请目的通过下述技术方案来实现：

第一方面，本申请提出了一种自适应宽带射频对消装置，所述装置包括依次相连的自适应数字处理算法模块、采样变频链路、辅助发射链路以及耦合器；

所述自适应数字处理算法模块，用于根据干扰发射数字信号和接收到的有用接收数字信号进行延时调整，构建非线性模型来对延时调整后的干扰发射数字信号进行多项式运算，得到数字对消信号并将数字对消信号发送至采样变频链路；

所述采样变频链路，用于对接收到的数字对消信号转化为射频对消信号或对接收到的射频信号转化为数字信号；

所述辅助发射链路，用于将射频对消信号发送至耦合器进行耦合；

所述耦合器，用于对射频对消信号、接收天线接收到的干扰信号和有用信号进行耦合得到有用接收数字信号，通过接收链路、采样变频链路发送至自适应数字处理算法模块。

在一种可能的实施方式中，所述自适应数字处理算法模块包括延时估计模块、延时调整模块、非线性模型模块以及自适应算法模块；

所述延时估计模块，用于计算干扰发射数字信号和有用接收数字信号之间的延时差；

所述延时调整模块，用于根据延时差对干扰发射数字信号进行延时调整；

所述自适应算法模块，用于根据延时调整后的干扰发射数字信号与有用接收数字信号计算滤波器参数，并将滤波器参数实时更新至非线性模型模块；

所述非线性模型模块，用于根据滤波器参数构建非线性模型，对延时调整后的干扰发射数字信号进行多项式运算得到数字对消信号并发送至采样变频链路。

在一种可能的实施方式中，采样变频链路包括干扰发射采样变频链路、辅助发射采样变频链路以及接收采样变频链路；

干扰发射采样变频链路，用于将接收到的干扰发射数字信号转化为射频信号，并通过放大器对射频信号进行放大之后通过发射天线输出；

辅助发射采样变频链路，用于将接收到的数字对消信号转化为射频对消信号；

接收采样变频链路，用于将接收的射频信号转换为数字信号发送至自适应数字处理算法模块。

在一种可能的实施方式中，所述延时估计模块，用于利用CORDIC算法求取有用接收信号幅度和干扰发射信号幅度，以采样变频链路中ADC/DAC的采样时钟为周期求出相关函数，计算出延时差。

在一种可能的实施方式中，所述延时调整模块，用于根据延时差并利用两个FIFO分别对干扰发射数字信号进行缓存，使得干扰发射数字信号与有用接收信号对齐。

第二方面，本申请提出了一种自适应宽带射频对消方法，所述方法应用于自适应宽带射频对消装置中，所述方法包括：

构建并初始化非线性模型，根据记忆深度和模型阶数计算出非线性模型的处理延时；

计算出干扰发射数字信号和有用接收数字信号幅度，根据相关算法估算出延时差；

将延时差减去处理延时得到应补偿延时，根据应补偿延时和FIFO IP核对干扰发射数字信号和有用接收数字信号进行延时补偿；

利用递归最小二乘算法对延时补偿后的干扰发射数字信号和有用接收数字信号计算出非线性模型的滤波器参数；

当环境温度、发射波形或者干扰发射功率发生变化导致模型误差不满足预设阈值时，利用自适应算法动态更新滤波器参数。

在一种可能的实施方式中，延时差

在一种可能的实施方式中，自适应算法为基于QR分解的RLS算法，直接对输入数据矩阵进行递推，在FPGA中采用Systolic脉动架构实现。

上述本申请主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本申请可采用并要求保护的方案；且本申请，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本申请方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本申请所要保护的技术方案，在此不做穷举。

本申请公开了一种自适应宽带射频对消装置及方法，自适应数字处理算法模块根据接收到的干扰发射数字信号和有用接收数字信号进行延时调整，构建非线性模型进行多项式运算得到数字对消信号并发送至采样变频链路，采样变频链路对接收到的数字对消信号转化为射频对消信号或对接收到的射频信号转化为数字信号，辅助发射链路将射频对消信号发送至耦合器进行耦合，耦合器对射频对消信号、接收天线接收到的干扰信号和有用信号进行耦合得到有用接收数字信号，通过接收链路、采样变频链路发送至自适应数字处理算法模块。本申请通过构建非线性模型形成的对消信号可以实现对宽带干扰信号的有效对消，避免ADC的饱和。

附图说明

图1示出了本申请实施例所提出的一种自适应宽带射频对消装置的结构示意图。

图2示出了本申请实施例提出的延时估计模块的结构示意图。

图3示出了本申请实施例所提供的非线性模型示意图。

图4示出了本申请实施例提供的信号频谱示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在现有技术中，由于对消装置会出现无法克服对消效果差、通用性差、扩展性差等缺陷，或者存在对消链路利用独立的采样、变频链路，与发射链路不共本振，存在相位差，影响对消效果等问题，如何解决这些问题成为本领域技术人员研究的众多方向之一。

为了解决上述的问题，本申请实施例提出了一种自适应宽带射频对消装置及方法，通过构建非线性模型形成的对消信号可以实现对宽带干扰信号的有效对消，避免ADC的饱和，接下里对其进行详细说明。

请参照图1，图1示出了本申请实施例所提出的一种自适应宽带射频对消装置的结构示意图，该装置包括依次相连的自适应数字处理算法模块、采样变频链路、辅助发射链路以及耦合器；

自适应数字处理算法模块，用于根据干扰发射数字信号和接收到的有用接收数字信号进行延时调整，构建的非线性模型是来对延时调整后的干扰发射数字信号进行多项式运算，得到数字对消信号并将数字对消信号发送至采样变频链路。

具体地，自适应数字处理算法模块包括延时估计模块、延时调整模块、非线性模型模块以及自适应算法模块；

延时估计模块，用于计算干扰发射数字信号和有用接收数字信号之间的延时差；

延时调整模块，用于根据延时差对干扰发射数字信号进行延时调整；

自适应算法模块，用于根据延时调整后的干扰发射数字信号与有用接收数字信号计算滤波器参数，并将滤波器参数实时更新至非线性模型模块；

非线性模型模块，用于根据滤波器参数构建非线性模型，对延时调整后的干扰发射数字信号进行多项式运算得到数字对消信号并发送至采样变频链路。

其中，延时估计模块、延时调整模块、自适应算法以及非线性模型模块在数字域完成，为基于FPGA的软件算法，辅助发射采样变频链路、辅助发射链路以及耦合器为硬件电路。

延时估计模块，用于利用CORDIC算法求取有用接收信号幅度和干扰发射信号幅度，以采样变频链路中ADC/DAC的采样时钟为周期求出相关函数，计算出延时差。

基于图1请参照图2，图2示出了本申请实施例提出的延时估计模块的结构示意图，延时估计模块的第一输入端为干扰发射数字信号x(n)_I和x(n)_Q,第二输入端为有用接收数字信号y(n)_I和y(n)_Q，输出端连接延时调整模块的第一输入端，延时估计模块利用CORDIC算法分别求取有用接收数字信号幅度和干扰发射数字信号幅度，以采样变频链路中ADC/DAC的采样时钟为周期求出相关算法，通过相关算法搜索出最大值为两者的延时差。

延时调整模块，用于根据延时差并利用两个FIFO分别对干扰发射数字信号进行缓存，使得干扰发射数字信号与有用接收信号对齐。

延时调整模块第二输入端为干扰发射数字IQ信号，该模块对干扰发射数字信号进行延时调整，使之与有用接收数字信号延时对齐，其输出端与非线性模型模块的第一输入端和自适应算法模块的第一输入端相连；利用FIFO对发射IQ信号进行延时，实现和接收信号的时延对齐。

非线性模型模块的第一输入端连接延时调整模块01的输出x(n-τ)_I和x(n-τ)_Q，第二输入端连接自适应算法的输出，输出端c(n)_I和c(n)_Q分别连接辅助发射采样变频链路的两个数字接口，非线性模型为记忆多项式模型，用于产生数字干扰对消信号。该模型可以对干扰发射链路中大功率放大器在宽带激励下产生的非线性以及记忆特性、无线传输链路的衰落以及多径效应、辅助发射链路的非线性进行表征。

非线性模型为记忆多项式模型，该模型可以对干扰发射链路中大功率放大器在宽带激励下产生的非线性以及记忆特性、无线传输链路的衰落以及多径效应、辅助发射链路的非线性进行表征。非线性模型包含了对输入信号的延时处理和对不同延时下信号的幅度运算，延时处理单元的个数决定了模型的记忆深度，幅度的最高阶数决定了模型的阶数，自适应算法得到的参数与模型相乘，最后将所有的乘法结果相加得到模型的最终输出，即对消数字信号。请参照图3，图3示出了本申请实施例所提供的非线性模型示意图。非线性模型由延时模块020、求模模块021、乘法模块022、求和模块023构成。延时模块确定了非线性模型的记忆深度，求模模块确定了非线性模型的非线性阶数，乘法模块的输入为自适应算法模块03的滤波器参数，求和模块的最终结果为对消数字信号c(n)_I和c(n)_Q。

自适应算法模块的第一输入端连接延时调整模块01的输出x(n-τ)_I和x(n-τ)_Q,第二输入端连接有用数字信号y(n)_I和y(n)_Q，自适应算法模块的输出端连接到非线性模型模块，用于更新非线性模型的滤波器参数，

采样变频链路包括干扰发射采样变频链路、辅助发射采样变频链路以及接收采样变频链路；

采样变频链路，用于对接收到的数字对消信号转化为射频对消信号或对接收到的射频信号转化为数字信号；

辅助发射链路，用于将射频对消信号发送至耦合器进行耦合；

耦合器，用于对射频对消信号、接收天线接收到的干扰信号和有用信号进行耦合得到有用接收数字信号，通过接收链路、采样变频链路发送至自适应数字处理算法模块。

干扰发射采样变频链路为零中频架构，包含数字上变频、DAC、滤波以及正交调制，对干扰发射数字信号进行数字到射频的转换，然后经过驱动放大器和大功率放大器完成射频信号的放大输出至发射天线发射。

辅助发射采样变频链路基于零中频架构，进行数字上变频、两路DAC、两路低通滤波、正交调制器，变频的本振源与发射采样变频链路共用，该部分链路在2收2发的零中频芯片内部完成。进行数字对消信号的数字到射频的转换，该模块的输入端连接非线性模型02的输出端c(n)_I和c(n)_Q，输出端c(t)连接辅助发射链路的输入端。辅助发射链路输入端连接辅助发射采样变频链路的输出端c(t)，输出端连接到耦合器的第一输入端(耦合端)，其中c2(t)为射频对消信号。辅助发射链路将输入信号放大生成射频对消信号，该对消信号传递至耦合器的耦合端；耦合器对接收天线接收到的干扰信号、有用信号以及对消信号进行合成，其输出端经过接收采样变频链路生成接收数字信号。

接收采样变频链路包含数字下变频、ADC、滤波以及正交解调，接收天线收到的射频信号经过耦合器、接收链路以及零中频架构的接收采样变频链路转换为有用接收数字信号。

辅助发射链路包含了一个低噪声放大器，辅助发射支路的增益调节在零中频芯片内部完成，干扰发射链路、接收链路和辅助发射链路均为零中频架构。

耦合器第二输入端连接到接收天线接收到的信号xD(t)+xTL(t)，其中，xD(t)为有用接收信号，xTL(t)为经过无线信道衰落的发射干扰信号，耦合器的第一输入端连接到辅助发射链路的输出端c2(t)，输出端y(t)连接接收链路的输入端，经过接收链路低噪声放大器和接收采样变频链路后形成接收数字信号y(n)_I和y(n)_Q。

因此，本申请实施例先构建一个与干扰发射链路同频的辅助发射链路，该链路的数字激励来源于对干扰发射数字信号进行延时调整和经过非线性模型滤波形成的数字对消信号，辅助发射链路的输出信号在接收链路的射频前端与有用信号进行合成，对干扰信号进行对消干扰。

下面给出一种自适应宽带射频对消方法可能的实现方式，该方法应用于自适应宽带射频对消装置中，包括以下步骤：

构建并初始化非线性模型，根据记忆深度和模型阶数计算出非线性模型的处理延时；

计算出干扰发射数字信号和有用接收数字信号幅度，根据相关算法估算出延时差；

将延时差减去处理延时得到应补偿延时，根据应补偿延时和FIFO IP核对干扰发射数字信号和有用接收数字信号进行延时补偿；

利用递归最小二乘算法对延时补偿后的干扰发射数字信号和有用接收数字信号计算出非线性模型的滤波器参数；

当环境温度、发射波形或者干扰发射功率发生变化导致模型误差不满足预设阈值时，利用自适应算法动态更新滤波器参数。

在构建并初始化非线性模型之前，还有根据收发天线隔离度、零中频芯片发射通道输出功率选择辅助发射链路的低噪声放大器以及接收链路的耦合器。

发射机模型x

考虑到无线信道的衰落特性，发射链路信号的基带等效信号为：

延时差

利用CORDIC算法计算出接收数字信号和发射数字信号的幅度，利用相关算法求出不同时延补偿周期下的相关函数，最后搜索出最大值(延时差)：

在利用自适应算法动态更新模型参数时，首先接收链路低噪声放大器输入的基带等效信号为：

自适应算法为基于QR分解的RLS算法，直接对输入数据矩阵进行递推，在FPGA中采用Systolic脉动架构实现。自适应算法输入为经过延时调整的干扰发射数字IQ信号以及接收数字IQ信号，算法收敛后将更新的滤波器参数传递给非线性模型。

请参照图4，图4示出了本申请实施例提供的信号频谱示意图，图中通过搭建一个实际的测试系统获得接收机收到的干扰信号频谱以及采用本申请自适应宽带射频对消方法接收到的信号频谱。该系统的工作频率为960MHz，信号带宽为40MHz。其中P为功率值。从图中可以看出，宽带激励经过功率放大器的激励，频谱产生了扩展，采用本发明的自适应宽带射频对消方法后，可以实现干扰信号主频以及扩展带宽的干扰信号的对消。

与现有技术相比，本申请实施例具有以下有益效果：

第一、干扰对消信号的数字激励来源于对发射数字信号的非线性滤波，该滤波器为记忆多项式模型，数字对消信号经过基于零中频架构的辅助发射采样变频链路，能够实现数字信号和射频信号的转换。

第二、辅助发射采样变频链路和发射采样变频链路共本振，可以消除两者的频差，实现自适应算法的快速收敛。

第三、辅助发射采样变频链路、发射采样变频链路以及接收采样变频链路利用一个2收2发的零中频芯片实现，系统的集成度大幅度提高。

第四、无需对发射功率进行耦合，降低了对发射功率的损耗。

第五、对消器件选用耦合器而非合成器，可以降低接收电路带来的插入损耗，提高系统噪声系数。

第六、辅助发射支路放大器选用的是低噪声放大器，可以降低引入接收支路的辅助发射支路的发射宽带噪声，提高系统灵敏度。

第七、基于记忆多项式的滤波器模型可以实现对宽带干扰信号的有效对消，避免ADC的饱和，自适应算法可以实现对滤波器参数的实时更新，对消系统的扩展性和通用性大大提高。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。