CN101662849A - 一种用于td-scdma直放站系统的基带干扰抵消的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于TD－SCDMA直放站系统的基带干扰抵消方法，所述应用于TD－SCDMA直放站系统的基带干扰抵消方法基于最小均方误差LMS计算方法，利用自适应滤波器抵消干扰信号，通过直接利用干扰抵消单元的输出信号作为参考信号，节省了由功放引反馈，可以直接在基带模块完成干扰抵消，大大减小了系统的复杂性。同时，当接收信号是宽带射频信号或多信道射频信号时，此干扰抵消通过把一个接收信号展开在整个接收信号的频带或者信道上，灵活的执行自适应滤波器，增强干扰抵消性能。本发明在TD－SCDMA系统具有多载波和宽带宽的特点的背景下，不仅能够有效提取出有用信号，可以方便地应用于实际通信系统中，具有较好的应用前景。

Description

一种用于TD-SCDMA直放站系统的基带干扰抵消的装置及方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及无线通信的自适应滤波技术，确切的说涉及一种用于TD-SCDMA(时分同步的码分多址)直放站系统的基带干扰抵消的装置及方法。

背景技术

直放站是一种用于弥补移动网络中基站覆盖不足，扩大基站覆盖范围，填充覆盖盲区的一种极其有效的设备。直放站一般主要用于解决基站覆盖范围内或基站覆盖边缘移动信号盲区的信号覆盖。

典型的直放站使用相同的发送/接收频率，包括一个接收来自基站的无线信号的前向链路，放大无线信号，发送放大的无线信号到服务区域，和一个接收来自服务区域的无线信号的反向链路，前向链路和反向链路有相同的结构，因此这里只描述前向链路。

到达直放站的射频信号首先被施主天线接收，并进入接收单元中，经过一个带通滤波器的接收滤波器，滤出输入信号，然后放大单元放大经过滤波后的信号，并发送放大信号到服务区域。

但是，直放站只有放大和发送接收信号，而隔离重发天线和施主天线的能力很弱。因此存在的问题是重发天线的发送信号被反馈到施主天线，直放站可能发生振荡，这种振荡在具有较强发送信号的大尺度直放站中会带来更多问题。

因此，为了有效抵消反馈到施主天线的信号以及振荡现象，直放站需要设计成重发天线和施主天线分开安装，以便增加隔离度，也可以使用有精确方向的方向性天线。但是此方法存在的缺点是增加了花费，而且为了减小发送端信号，需要同时减小直放站的增益。

为了解决上述问题，一种方法是在发送和施主天线中安装屏避物，或者利用空间隔离法，频域转换直放站，智能天线技术等。缺点是安装屏避物存在的问题复杂，而且信号处理设备花费高。

另一种方法是利用数字信号处理技术来抵消干扰信号。多数方法是通过预测发送端的反馈信号或者直接从发送端天线引反馈信号，并在接收端抵消此反馈信号。问题是在实际中预测反馈信号比较困难，预测需要时间长，而直接从天线引反馈信号需要经过功放模块，设计复杂，同时又引入了附加干扰，因此实时的抵消干扰几乎不可能。而且当干扰延时很大时，自适应滤波器的抽头个数必须相当多，才足以抵消该干扰。尤其在多载波和宽带宽的TD-SCDMA系统中，由于每个信号数据比特扩频为128个码片，在数字通信系统中每个码片又被采样为多个样值，因此，在几微秒内干扰的记忆长度就可能跨越数百个样值，如此长的记忆长度必须使用抽头数量非常多的滤波器才能够抵消干扰。因此这些方法并不适用于实际情况。

发明内容

为解决以上问题，本发明的目的是提供一种TD-SCDMA直放站系统的基带干扰抵消的装置及方法，也就是提供一种采用自适应滤波器而抵消输入信号中的干扰、并获取有用信号的基带干扰抵消的实现方法。

为了实现本发明的目的之一，采用如下技术方案：一种用于TD-SCDMA直放站系统的基带干扰抵消的装置，所述装置包括直放系统，所述直放系统包含接收单元，用来控制来自施主天线接收的信号的增益，传输一个增益可控的接收信号；所述接收单元连接下变频单元，把接收端接收信号转换为中频信号；下变频单元连接干扰抵消单元，干扰抵消方法具体应用在此单元中，展开中频信号到一个或者多个带宽或一个或者多个信道中，使用自适应滤波器消除各个信道信号中的干扰信号；所述干扰抵消单元连接上变频单元，把干扰抵消单元输出信号转换为原频带信号；所述上变频单元连接一个功放单元，放大上变频后的信号；所述功放单元连接重发天线，发送放大单元输出的信号。

同时，干扰抵消单元还连接一个增益控制单元，增益控制单元的输入和输出都和干扰抵消单元相连接。

其中，所述干扰抵消单元包含一个A/D转换单元；A/D转换单元连接至少一个数字下变频，把信号转换为基带信号，展开基带信号到各个信道中，并转换信号到当前采样速率，输出转换后的信号；数字下变频连接至少一个干扰控制单元输出相应信道信号，此信号由干扰抵消单元得到，由下变频使用预先确定的参考信号转换为相应信道的信号；所述干扰控制单元连接至少一个数字上变频，增加相应信道采样速率，转换信号为中频信号，并输出此中频信号；所述数字上变频连接组合器，组合器混合所有信道的中频信号为一个信号，并将信号传输给D/A转换单元。

其中，所述干扰控制单元可能包含一个自适应滤波单元，接收一个参考信号，并消除一个干扰信号，根据参考信号使用自适应滤波算法预测干扰信号，输出预测的干扰信号；所述自适应滤波单元连接一个加法器，输入信号包含干扰信号的接收信号和自适应滤波单元输出的预测干扰信号，消除接收信号中的预测干扰信号，并输出误差信号；所述自适应滤波单元还包括包含一个滤波系数自适应单元，输入为参考信号和误差信号，误差信号由加法器输出，利用自适应滤波算法得到一个适用于实时信号采样的滤波系数，从滤波系数单元输出，同时输出预测的干扰信号。

以上描述的一种应用于TD-SCDMA直放站系统的干扰抵消的装置应用干扰抵消的直放站中，各干扰控制单元输出的信号可以作为参考信号输入到干扰抵消单元的干扰控制单元。

一种应用于TD-SCDMA直放站系统的干扰抵消方法，通过以下步骤实现：

1)应用TD-SCDMA直放站系统的基带干扰抵消的装置，由一个接收单元控制施主天线接收信号的增益，发送一个增益可控的接收信号给转换信号的下变频，由此输出一个中频接收信号给干扰抵消单元；

2)放大单元的输出信号被作为参考信号输入到干扰抵消单元，干扰抵消射频放大器包含一个下变频，处在放大单元和干扰抵消单元之间，下变频把放大单元的输出信号转换为一个中频信号，并把此中频信号传送到干扰抵消单元；

3)干扰抵消单元接收一个预先确定的参考信号和一个中频接收信号，展开此中频接收信号，到一个或多个信道，产生预测的干扰信号，使用自适应滤波器，消除各相应信道预测的干扰信号，合并各信道信号为单一信号，发送信号；

其中，步骤2)采用干扰抵消方法的直放站至少由一个参考信号数字下变频组成，参考信号数字下变频接收到相应信道数字上变频的输出信号，转换此接收信号为基带信号，转换采样速率为当前采样速率，输出基带信号，参考信号数字下变频的输出信号可以作为参考信号输入到干扰控制单元。

附图说明

图1是一种用于TD-SCDMA直放站系统的基带干扰抵消装置的整体系统框图；

图2是一种用于TD-SCDMA直放站系统的基带干扰抵消装置的干扰抵消单元框图；

图3是一种用于TD-SCDMA直放站系统的基带干扰抵消装置的干扰控制单元原理图；

图4是一种用于TD-SCDMA直放站系统的单载波信号在信干比为-10dB条件下，干扰抵消改善输出功率谱密度(PSD)的性能比较示意图；

图5是用于TD-SCDMA直放站系统的单载波信号在信干比为0dB条件下，干扰抵消改善输出功率谱密度性能(PSD)的性能比较示意图；

图6是用于TD-SCDMA直放站系统的单载波信号在信干比为5dB条件下，干扰抵消改善输出功率谱密度性能(PSD)的性能比较示意图；

图7(A)、(B)分别是没有采用本发明方法和采用本发明方法对于TD-SCDMA直放站系统的单载波信号在信干比为-10dB条件下，输出的两个星座图性能比较示意图；

图8(A)、(B)分别是没有采用本发明方法和采用本发明方法对于TD-SCDMA直放站系统的单载波信号在信干比为0dB条件下，输出的两个星座图性能比较示意图；

图9(A)、(B)分别是没有采用本发明方法和采用本发明方法对于TD-SCDMA直放站系统的单载波信号在信干比为5dB条件下，输出的两个星座图性能比较示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

参见图1为一种用于TD-SCDMA直放站系统的基带干扰抵消的装置的整体结构框图，由施主天线1，接收单元2，下变频3，干扰抵消单元4，增益控制单元5，上变频6，功放7和重发天线8组成。接收单元2接收从施主天线1接收到的射频信号，控制射频信号的增益到一个确定的值，传输这个增益可控的射频信号到下变频单元3。下变频3把此射频信号转换为中频信号，并传输中频信号到干扰抵消单元4，此中频信号中包含了发送端反馈回来的干扰信号。另外，由干扰抵消单元4的输出信号反馈回增益控制单元5转换为中频信号，并把此中频信号作为参考信号再传输给干扰抵消单元4。干扰抵消单元4根据输入的接收信号和参考信号，利用自适应滤波算法消除干扰信号，输出原信号并传输到上变频6，经功放7放大后通过重发天线8发送到服务区域。

参见图2为干扰抵消单元框图，所述干扰抵消单元4包含至少一个A/D转换单元41、至少一个DDC(数字下变频)42、至少一个干扰控制单元43、至少一个DUC(数字上变频)44、组合器45和D/A转换单元46，所述A/D转换单元41接收信号和接收参考信号，并与DDC42相连，DDC42连接干扰控制单元43，干扰控制单元43连接DUC44，所述DUC44信号经组合器45混合，传给D/A转换单46。

参见图3为干扰控制单元原理图，干扰控制单元43主要由数字滤波431，滤波系数自适应单元432和加法器433组成。滤波系数自适应单元432的输入为参考信号和误差信号e，输出为一个自适应系数，利用自适应算法能够实时的输出给数字滤波431单元。

自适应滤波系数被实时的用来最小化误差。自适应滤波算法的收敛速度随着抽头的减少而增加。滤波抽头数由可忽略的信号延迟时间和信号采样速度决定。可忽略的信号延迟时间越短，信号采样速度越慢，所需干扰控制时间越短。对于每个信号采样自适应滤波算法都需要合适的滤波系数，困此，存在一个问题是，当采样间隔短，自适应滤波算法的时间是有限的，此时使用自适应滤波算法很困难，为了解决此问题，本发明使用的方法是展开信号到各个信道上，从而减小信号采样速率，然后在各个信道上分别使用自适应滤波算法。

为了实现干扰抵消的效果，滤波器的输入参考信号应该与被干扰信号x(n)中的干扰信号相关，而与有用信号不相关。由于干扰为信号经功放输出到信道传播的信号，因此，本发明为了能够直接在基带解决问题，选取干扰抵消单元的输出作为滤波器的参考信号x(n)。图3中所示的滤波器的输入是参考信号X(n)＝{x(n)，x(n-1)，...x(n-N+1)}^T，滤波器的权系数是h(n)＝{h₁(n)，h₂(n)，...h_N(n)}^T，d(n)为接收信号，

为滤波器的实际输出，为预测的干扰信号， $\hat{d}\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}x(n-i+1)h_i\left(n\right).$ e(n)是误差， $e\left(n\right)=d\left(n\right)-\widehat{d\left(n\right)}.$ 由误差经过自适应滤波算法来调整滤波系数，使得滤波器的实际输出接近期望输出信号。

自适应滤波算法通常使用最小均方误差算法(LMS)，它是一种用瞬时值估计梯度矢量的方法，即

$\▿\left(n\right)=\frac{\∂\left[e^2\left(n\right)\right]}{\∂h}=-2e\left(n\right)X\left(n\right)---\left(1\right)$

按照自适应滤波器滤波系数矢量的变化与梯度矢量估计的方向之间的关系，可以写出LMS算法调整滤波器系数的公式如下所示：

$h(n+1)=h\left(n\right)+\frac{1}{2}\mathrm{\μ}[-\▿\left(n\right)]$

$=h\left(n\right)+\mathrm{\μe}\left(n\right)X\left(n\right)---\left(2\right)$

本发明采用归一化的LMS算法，即NLMS算法，NLMS算法调整滤波器系数的公式的系数更新公式为：

$h(n+1)=h\left(n\right)+\frac{\mathrm{\μ}}{{\left|\right|X\left(n\right)\left|\right|}^2}e\left(n\right)X\left(n\right)---\left(3\right)$

比较式(2)和式(3)可知，两种算法滤波器系数更新时的步长因子不同。LMS算法的步长因子是一个常量，而NLMS算法的步长因子不是一个常量，它随着滤波器参考通道的输入信号功率的变化而变化，更精确。

上式中μ的为步长因子。μ值越大，算法收敛越快，但稳态误差也越大；μ值越小，算法收敛越慢，但稳态误差也越小。为保证算法稳态收敛，应使μ在以下范围取值：

$0<\mathrm{\&mu;}<\frac{2}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}x{\left(i\right)}^2}$

作为本发明的又一种优选方式，把接收信号展开在整个带宽或信道中，因此减少了干扰抵消处理时间。这里“干扰抵消处理时间”意味着系统抵消干扰和获得稳定质量信号所需要的时间。而且更方便执行干扰抵消单元中的自适应滤波器。

作为本发明的再一种优选方式，可以处理多信道接收信号，把接收信号展开在各个信道上，因此可能存在各信道信号的开关控制，增益控制。

一种应用于TD-SCDMA直放站系统的干扰抵消方法，通过以下步骤实现：

1)应用TD-SCDMA直放站系统的基带干扰抵消的装置，接收单元控制施主天线接收信号的增益，发送一个增益可控的接收信号给转换信号的下变频，由此输出一个中频接收信号给干扰抵消单元；

2)放大单元的输出信号被作为参考信号输入到干扰抵消单元，干扰抵消射频放大器包含一个下变频，处在放大单元和干扰抵消单元之间，下变频把放大单元的输出信号转换为一个中频信号，并把此中频信号传送到干扰抵消单元；

3)干扰抵消单元接收一个预先确定的参考信号和一个中频接收信号，展开此中频接收信号，到一个或多个信道，产生预测的干扰信号，使用自适应滤波器，消除各相应信道预测的干扰信号，合并各信道信号为单一信号，发送信号；

其中，步骤2)采用干扰抵消方法的直放站至少由一个参考信号数字下变频组成，参考信号数字下变频接收到相应信道数字上变频的输出信号，转换此接收信号为基带信号，转换采样速率为当前采样速率，输出基带信号，参考信号数字下变频的输出信号可以作为参考信号输入到干扰控制单元。

参见图4，是采用本方法的一个试验实施例，并将采用本发明方法在基带实现干扰抵消的系统与没有干扰抵消的系统性能进行比较。假设一个1.6MHz带宽的单载波TD-SCDMA系统中，两个天线间信号传播时延为6微秒，且假设该两个天线之间的信道为两径衰落信道，迭代步长μ＝0.01。单载波信号采样率为16，自适应滤波器抽头长度为64，信干比定义为接收天线端码片信号功率与干扰功率的比值。以功率谱密度PSD(power spectral density)的阻带下降dB值和星座图的误差向量幅度EVM(error vector magnitude)作为性能指标进行对比。

表1是本发明用于TD-SCDMA直放站系统，单载波信号在不同信噪比条件下使用干扰抵消的功率谱密度性能比较列表1：

参见图4～图6和表1，可以得到这样的结论：采用本发明干扰抵消方法可以在低信干比情况下，改善PSD性能。

表2是本发明用于TD-SCDMA直放站系统，单载波信号在不同信噪比条件下使用干扰抵消的星座图性能比较列表2：

参见图7～图9和表2，可以得到这样的结论：采用本发明的干扰抵消方法可以在低信干比情况下，改善EVM性能，且如果不采用此方法，直接输出时，由于干扰信号太强而把接收到的微弱的有用信号淹没，根本无法正确解调出信号。可见此方法是一种解决直放站中干扰信号的有效方法。

Claims (4)

1.一种用于TD-SCDMA直放站系统的基带干扰抵消的装置，其特征在于：所述装置由施主天线、接收单元、下变频、干扰抵消单元、增益控制单元、上变频、功放和重发天线组成，所述接收单元、下变频、干扰抵消单元、增益控制单元、上变频和功放依次相连，其中，增益控制单元与干扰抵消单元相连接形成回路；经功放放大后的信号通过重发天线发送到服务区域，接收单元接收由施主天线发送的信号。

2.根据权利要求1所述的一种用于TD-SCDMA直放站系统的基带干扰抵消的装置，其特征在于：所述干扰抵消单元包含至少一个A/D转换单元、至少一个DDC、至少一个干扰控制单元、至少一个DUC、组合器和D/A转换单元，所述A/D转换单元接收信号和接收参考信号，并与DDC相连，DDC连接干扰控制单元，干扰控制单元连接DUC，所述DUC信号经组合器混合，传给D/A转换单。

3.根据权利要求1和2任一所述的一种用于TD-SCDMA直放站系统的基带干扰抵消的装置，其特征在于：所述干扰控制单元由数字滤波，滤波系数自适应单元和加法器组成，滤波系数自适应单元的输入为参考信号和误差信号e，输出为一个自适应系数，利用自适应算法能够实时的输出给数字滤波单元。

4.一种用于TD-SCDMA直放站系统的基带干扰抵消的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

1)应用TD-SCDMA直放站系统的基带干扰抵消的装置，由接收单元控制施主天线接收信号的增益，发送一个增益可控的接收信号给转换信号的下变频，由此输出一个中频接收信号给干扰抵消单元；

2)放大单元的输出信号被作为参考信号输入到干扰抵消单元，干扰抵消射频放大器包含一个下变频，处在放大单元和干扰抵消单元之间，下变频把放大单元的输出信号转换为一个中频信号，并把此中频信号传送到干扰抵消单元；

3)干扰抵消单元接收一个预先确定的参考信号和一个中频接收信号，展开此中频接收信号，到一个或多个信道，产生预测的干扰信号，使用自适应滤波器，消除各相应信道预测的干扰信号，合并各信道信号为单一信号，发送信号；

其中，步骤2)采用干扰抵消方法的直放站至少由一个参考信号数字下变频组成，参考信号数字下变频接收到相应信道数字上变频的输出信号，转换此接收信号为基带信号，转换采样速率为当前采样速率，输出基带信号，参考信号数字下变频的输出信号可以作为参考信号输入到干扰控制单元。

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