CN101692661A - 一种高效的差分干扰消除电路以及干扰消除方法 - Google Patents

Abstract

一种涉及通信系统的信息技术领域，尤指一种在无线通信领域里在干扰环境下的干扰消除电路以及干扰消除方法，主要应用于多天线系统在干扰环境下的信号接收性能的一种高效的差分干扰消除电路以及干扰消除方法。该差分干扰消除电路至少包括：信道估计与同步、I+N估计、差分干扰消除、最大比合并和均衡模块等；干扰消除方法通过对来自不同天线的同一个信号的不同版本进行差分合并，有效的改善多天线系统在干扰环境下信号接收性能；主要解决如何设计差分干扰消除电路以及干扰消除方法等有关技术问题；本发明的有益效果是：能够有效的提高系统的抗干扰性能，具有对场景的复杂度可以进行自动调整的功能。

Description

一种高效的差分干扰消除电路以及干扰消除方法

技术领域

本发明涉及一种通信系统的信息技术领域，尤指一种在无线通信领域里在干扰环境下的干扰消除电路以及干扰消除方法，主要应用于多天线系统在干扰环境下的信号接收性能的一种高效的差分干扰消除(DIRC)电路以及干扰消除方法。

背景技术

现代通信系统一般都配备有多根接收天线，通过对来自不同天线的信号进行合并处理后，系统能够获得最多20log(N)dB的功率增益，此处N为接收天线个数。目前较常用的合并算法有两种，第一种为最大比合并算法，第二种为传统的基于最小序列差错MSE(Mean-Square Error)的干扰消除合并算法。最大比合并算法在没有干扰，只有噪声的场景下能够获得最佳的信噪比，但对于噪声场景无能为力；基于最小序列差错MSE的传统干扰消除算法性能很好，但复杂度随着信道状态个数的增加而呈指数级增加；对于如何根据场景的复杂度进行自动调整的方法，目前尚无有进一步的开发技术。

发明内容

为了克服上述不足之处，本发明的主要目的旨在提供一种差分干扰消除电路以及干扰消除(Interference Rejection)方法，通过对来自不同天线的同一个信号的不同版本进行差分合并，能够在引入很小的复杂度的前提下，有效的改善多天线系统在干扰环境下信号接收性能的一种高效的差分干扰消除电路以及干扰消除方法。

本发明要解决的技术问题是：主要解决如何设计差分干扰消除电路以及干扰消除方法问题；要解决如何与传统的基于最小序列差错MSE的算法相比，能够有效的提高系统的抗干扰性能问题；要解决如何通过设置最大迭代次数限制系统花在干扰消除上的开销，从而保证最坏情况下系统仍能正常运转等有关技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在无线通信领域里在干扰环境下的两路接收天线，包括天线、混频器、复正弦信号产生器、滤波器、模数转换器、变频器和IQ两个正交通道信号，所述的差分干扰消除电路至少还包括：

一来自IQ两个正交通道的第一路变量y1信号的一路传递到信道估计与同步模块的输入端，另一路传递到差分干扰消除模块的输入端，信道估计与同步模块的输出端与I+N估计模块的输入端相互电连接，I+N估计模块的输出端与差分干扰消除模块的输入端相互电连接，差分干扰消除模块的输出端与最大比合并模块的输入端相互电连接，差分干扰消除模块处理后的输出信号y1’被反馈，传递到信道估计与同步模块的输入端，最大比合并模块的输出端与均衡模块的输入端相互电连接，均衡模块输出接收信号r；

一来自IQ正交通道的第二路变量y2信号的一路传递到信道估计与同步模块的输入端，另一路传递到差分干扰消除模块的输入端，信道估计与同步模块的输出端与I+N估计模块的输入端相互电连接，I+N估计模块的输出端与差分干扰消除模块的输入端相互电连接，差分干扰消除模块的输出端与最大比合并模块的输入端相互电连接，差分干扰消除模块处理后的输出信号y2’被反馈，传递到信道估计与同步模块的输入端，I+N估计模块的输出端分别于最大比合并模块的输入端与均衡模块的输入端相互并行电连接。

一种高效的差分干扰消除方法，包括最小序列差错MSE的干扰消除合并算法，通过对来自不同天线的同一个信号的不同版本进行差分合并，并通过高效的差分干扰消除电路，将两路天线接收的第一路变量y1信号和第二路变量y2信号，分别依次经由信道估计与同步模块、I+N估计模块、差分干扰消除模块、最大比合并模块和均衡模块后，输出接收信号r；所述差分干扰消除方法，是经过数字下变频DDC(Digital Down-Conversion)和模数转换ADC(Analog-to-DigitalConversion)后的数字IQ两个正交通道的信号，系统通过检测该信号中的导频信息完成信道估计及时间同步，之后，系统分离出导频中的噪声加干扰分量I+N，经差分处理和信号被反馈回信道估计与同步模块后，得到同步后的信号，再经最大比合并及维特比均衡的后续操作，最终得到接收信号r，该差分干扰消除方法的具体算法流程的工作步骤是：

步骤1.构建一相关系数矩阵的行列式

令： $\hat{q}\left(n\right)=\left[\begin{array}{c}{\hat{q}}_1\left(n\right)\\ {\hat{q}}_2\left(n\right)\end{array}\right]$

步骤2.利用步骤1估计构造出一个协方差矩阵：

$Q=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{var}({\hat{q}}_1,{\hat{q}}_1)& \mathrm{cov}({\hat{q}}_1,{\hat{q}}_2)\\ \mathrm{cov}({\hat{q}}_2,{\hat{q}}_1)& \mathrm{var}({\hat{q}}_2,{\hat{q}}_2)\end{array}\right]$

式中：var代表单向量的方差操作

cov代表两个向量的协方差操作；

步骤3.检查该矩阵Q的秩

a).若其秩小于2，则略过以下b)各步，直接将信号送至最大比合并模块；

b).若其秩不小于2，则基于I+N的估计，系统完成以下差分处理：

$y^{\′}=\left[\begin{array}{c}{y}_1^{\′}\\ y_2^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}a& 1\\ a& -1\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中：y’为处理后的信号，由y₁’和y₂’两路信号组成，a为复数因子，由下式确定：

$a=\sqrt{\frac{\mathrm{var}\left({\hat{q}}_2\right)\mathrm{cov}({\hat{q}}_2,{\hat{q}}_1)}{\mathrm{var}\left({\hat{q}}_1\right)\mathrm{cov}({\hat{q}}_1,{\hat{q}}_2)}},a\≠0---\left(2\right)$

其中，var代表单向量的方差操作，而cov代表两个向量的协方差操作；

经过差分处理后的信号y₁’，y₂’被反馈回信道估计与同步模块，并被重复执行以上b)操作，直至重复计数器超过预先设定的数值，或矩阵Q的秩小于2；

步骤4.得到同步后的信号

经处理步骤1、2、3完成后，得到同步后的信号r₁’，r₂’；

步骤5.再经最大比合并及维特比均衡的后续操作，最终得到接收信号r。

本发明的有益效果是：本发明能有效改善多天线系统在干扰环境下信号接收性能，在性能上：与传统的基于最小序列差错MSE的算法相比，本发明能够有效的提高系统的抗干扰性能；以GSM系统为例，最好情况下，本发明能提供比传统最小序列差错MSE高19dB的增益，一般情况下，本发明能提供比传统最小序列差错MSE高9dB的增益；在复杂度上：本发明的复杂度会根据场景自动调整，当干扰较轻时，本发明的复杂度与最大比合并MRC(Maximum RatioCombining)算法相当。用户可以通过设置最大迭代次数限制系统花在干扰消除上的开销，从而保证最坏情况下系统仍能正常运转，具有对场景的复杂度可以进行自动调整的功能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图1是本发明迭代式差分干扰消除的原理示意图；

附图2是本发明最好情况下的增益性能曲线示意图；

附图3是本发明一般情况下的增益性能曲线示意图；

附图4是本发明的一个应用场景示意图；

附图5是本发明的一个接收机实施例之一示意图；

附图中标号说明：

1-信道估计与同步；

2-I+N估计；

3-差分干扰消除；

4-最大比合并；

5-均衡；

11-射频解调器A；    21-射频解调器B；

12-中频滤波器A；    22-中频滤波器B；

13-数字下变频A；    23-数字下变频B；

14-模数转换器A；    24-模数转换器B；

15-下采样A；        25-下采样B；

16-信道估计器A；    26-信道估计器B；

20-干扰和噪声估计器；

30-差分干扰消除器；

50-均衡器；

60-计算软判决；

70-送译码器；

具体实施方式

请参阅附图1、2、3、4、5所示，本发明为无线通信领域里的天线阵(Antenna Array)，在干扰环境下的以两路接收天线为例，包括天线、混频器、复正弦信号产生器、滤波器、模数转换器、变频器和IQ两个正交通道信号，所述的差分干扰消除电路至少还包括：

一来自IQ两个正交通道的第一路变量y1信号的一路传递到信道估计与同步1模块的输入端，另一路传递到差分干扰消除3模块的输入端，信道估计与同步1模块的输出端与I+N估计2模块的输入端相互电连接，I+N估计2模块的输出端与差分干扰消除3模块的输入端相互电连接，差分干扰消除3模块的输出端与最大比合并4模块的输入端相互电连接，差分干扰消除3模块处理后的输出信号y1’被反馈，传递到信道估计与同步1模块的输入端，最大比合并4模块的输出端与均衡5模块的输入端相互电连接，均衡5模块输出接收信号r；

一来自IQ正交通道的第二路变量y2信号的一路传递到信道估计与同步1模块的输入端，另一路传递到差分干扰消除3模块的输入端，信道估计与同步1模块的输出端与I+N估计2模块的输入端相互电连接，I+N估计2模块的输出端与差分干扰消除3模块的输入端相互电连接，差分干扰消除3模块的输出端与最大比合并4模块的输入端相互电连接，差分干扰消除3模块处理后的输出信号y2’被反馈，传递到信道估计与同步1模块的输入端，I+N估计2模块的输出端分别于最大比合并4模块的输入端与均衡5模块的输入端相互并行电连接。

一种高效的差分干扰消除方法，包括最小序列差错MSE的干扰消除合并算法，通过对来自不同天线的同一个信号的不同版本进行差分合并，并通过高效的差分干扰消除电路，将两路天线接收的第一路变量y1信号和第二路变量y2信号，分别依次经由信道估计与同步1模块、I+N估计2模块、差分干扰消除3模块、最大比合并4模块和均衡5模块后，输出接收信号r；所述差分干扰消除方法，是经过数字下变频DDC和模数转换ADC后的数字IQ两个正交通道的信号，系统通过检测该信号中的导频信息完成信道估计及时间同步，之后，系统分离出导频中的噪声加干扰分量I+N，经差分处理和信号被反馈回信道估计与同步模块后，得到同步后的信号，再经最大比合并及维特比均衡的后续操作，最终得到接收信号r，该差分干扰消除方法的具体算法流程的工作步骤是：

步骤1.构建一相关系数矩阵的行列式

令： $\hat{q}\left(n\right)=\left[\begin{array}{c}{\hat{q}}_1\left(n\right)\\ {\hat{q}}_2\left(n\right)\end{array}\right]$

步骤2.利用步骤1估计构造出一个协方差矩阵：

$Q=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{var}({\hat{q}}_1,{\hat{q}}_1)& \mathrm{cov}({\hat{q}}_1,{\hat{q}}_2)\\ \mathrm{cov}({\hat{q}}_2,{\hat{q}}_1)& \mathrm{var}({\hat{q}}_2,{\hat{q}}_2)\end{array}\right]$

式中：var代表单向量的方差操作

cov代表两个向量的协方差操作；

步骤3.检查该矩阵Q的秩

a).若其秩小于2，则略过以下b)各步，直接将信号送至最大比合并4模块；

b).若其秩不小于2，则基于I+N的估计，系统完成以下差分处理：

$y^{\′}=\left[\begin{array}{c}{y}_1^{\′}\\ y_2^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}a& 1\\ a& -1\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中：y’为处理后的信号，由y₁’和y₂’两路信号组成，a为复数因子，由下式确定：

$a=\sqrt{\frac{\mathrm{var}\left({\hat{q}}_2\right)\mathrm{cov}({\hat{q}}_2,{\hat{q}}_1)}{\mathrm{var}\left({\hat{q}}_1\right)\mathrm{cov}({\hat{q}}_1,{\hat{q}}_2)}},a\≠0---\left(2\right)$

其中，var代表单向量的方差操作，而cov代表两个向量的协方差操作；

经过差分处理后的信号y₁’，y₂’被反馈回信道估计与同步模块，并被重复执行以上b)操作，直至重复计数器超过预先设定的数值，或矩阵Q的秩小于2；

步骤4.得到同步后的信号

经处理步骤1、2、3完成后，得到同步后的信号r₁’，r₂’；

步骤5.再经最大比合并及维特比均衡的后续操作，最终得到接收信号r。

请参阅附图1所示，图中变量y₁，y₂代表来自两路接收、天线的并经过数字下变频(DDC)和模数转换(ADC)后的数字IQ信号。系统通过检测该信号中的导频信息完成信道估计及时间(及频率)同步；之后，系统分离出导频中的噪声加干扰分量(I+N)。

请参阅附图2所示，图中左起第一条DIRC1为本发明的性能曲线，第二条DIRC2为传统MSE算法的曲线，第三条MRC为没有干扰消除算法时的性能曲线。

请参阅附图3所示，图中左起第一条DIRC1为本发明的性能曲线，第二条DIRC2为传统MSE算法的曲线，第三条MRC为没有干扰消除算法时的性能曲线。

本发明实施例之一：

请参阅附图5所示，使用本发明的一个接收机实现如下：该系统将来自不同天线的信号，第一路信号依次经由射频解调器A11模块、中频滤波器A12模块、数字下变频A13模块和模数转换器A14模块后的输出信号，分别传递到干扰和噪声估计器20模块、差分干扰消除器30模块和信道估计器A16模块的输入端；信道估计器A16模块的输出端分别与下采样A15模块和差分干扰消除器30模块的输入端相互电连接；下采样A15模块的输出端与均衡器50模块的输入端相互电连接；

第二路信号依次经由射频解调器B21模块、中频滤波器B22模块、数字下变频B23模块和模数转换器B24模块后的输出信号，分别传递到干扰和噪声估计器20模块、差分干扰消除器30模块和信道估计器B26模块的输入端；信道估计器B26模块的输出端分别与下采样B25模块和差分干扰消除器30模块的输入端相互电连接；下采样B25模块的输出端与均衡器50模块的输入端相互电连接；

一干扰和噪声估计器20模块的输出端与差分干扰消除器30模块的输入端相互电连接；

一差分干扰消除器30模块的输出信号，分别传递到下采样A15模块、下采样B25模块和均衡器50模块的输入端；

一均衡器50模块的输出信号经由计算软判决60模块处理后，传递送译码器70模块的输入端。

本发明的优点综述：

请参阅附图2、3所示，本发明的优点表现在两个方面：

1).性能上：与传统的基于MSE的算法相比，本发明能够有效的提高系统的抗干扰性能。以GSM系统为例，最好情况下，本发明能提供比传统MSE高19dB的增益。一般情况下，本发明能提供比传统MSE高9dB的增益。

2).复杂度上：本发明的复杂度会根据场景自动调整，当干扰较轻时，本发明的复杂度与最小序列差错MRC算法相当。用户可以通过设置最大迭代次数限制系统花在干扰消除上的开销，即迭代处理(Iterative Processing)，从而保证最坏情况下系统仍能正常运转。

本发明能被运用的产品范围：

本发明可以被广泛的应用于各种多天线系统中，包括GSM，WiMAX，UMTS，LTE等。图4显示了当本发明应用于一个手机接收机时的设备应用场景。

下表为仿真参数设置：

信道类型	参见图2、3所示
		终端速度	参见图2、3所示
频带	1800MHz
		干扰类型	参见图2、3所示
干涉信号调制方式	GMSK
		方向	上行
分集天线个数	2个分集天线
		载波与干扰时间同步	理想
符号率	1x
		TSC	爱立信TSC
调制旋转	0
		MCS	TCHFS
调制检测算法	Burst by burst 2
		发射机模式	理想
发射脉冲	窄脉冲
		接收机模式	理想
接收机滤波器	奈奎斯特

信道类型	参见图2、3所示
		接收机过采样率	4x
均衡器	GMSK

Claims (2)

1.一种高效的差分干扰消除电路，包括天线、混频器、复正弦信号产生器、滤波器、模数转换器、变频器和IQ两个正交通道信号，其特征在于：所述的差分干扰消除电路至少还包括：

一来自IQ两个正交通道的第一路变量y1信号的一路传递到信道估计与同步(1)模块的输入端，另一路传递到差分干扰消除(3)模块的输入端，信道估计与同步(1)模块的输出端与I+N估计(2)模块的输入端相互电连接，I+N估计(2)模块的输出端与差分干扰消除(3)模块的输入端相互电连接，差分干扰消除(3)模块的输出端与最大比合并(4)模块的输入端相互电连接，差分干扰消除(3)模块处理后的输出信号y1’被反馈，传递到信道估计与同步(1)模块的输入端，最大比合并(4)模块的输出端与均衡(5)模块的输入端相互电连接，均衡(5)模块输出接收信号r；

一来自IQ正交通道的第二路变量y2信号的一路传递到信道估计与同步(1)模块的输入端，另一路传递到差分干扰消除(3)模块的输入端，信道估计与同步(1)模块的输出端与I+N估计(2)模块的输入端相互电连接，I+N估计(2)模块的输出端与差分干扰消除(3)模块的输入端相互电连接，差分干扰消除(3)模块的输出端与最大比合并(4)模块的输入端相互电连接，差分干扰消除(3)模块处理后的输出信号y2’被反馈，传递到信道估计与同步(1)模块的输入端，I+N估计(2)模块的输出端分别于最大比合并(4)模块的输入端与均衡(5)模块的输入端相互并行电连接。

2.一种高效的差分干扰消除方法，包括最小序列差错MSE的干扰消除合并算法，其特征在于：通过对来自不同天线的同一个信号的不同版本进行差分合并，并通过高效的差分干扰消除电路，将两路天线接收的第一路变量y1信号和第二路变量y2信号，分别依次经由信道估计与同步(1)模块、I+N估计(2)模块、差分干扰消除(3)模块、最大比合并(4)模块和均衡(5)模块后，输出接收信号r；所述差分干扰消除方法，是经过数字下变频DDC和模数转换ADC后的数字IQ两个正交通道的信号，系统通过检测该信号中的导频信息完成信道估计及时间同步，之后，系统分离出导频中的噪声加干扰分量I+N，经差分处理和信号被反馈回信道估计与同步模块后，得到同步后的信号，再经最大比合并及维特比均衡的后续操作，最终得到接收信号r，该差分干扰消除方法的具体算法流程的工作步骤是：

步骤1.构建一相关系数矩阵的行列式

令： $\hat{q}\left(n\right)=\left[\begin{array}{c}{\hat{q}}_1\left(n\right)\\ {\hat{q}}_2\left(n\right)\end{array}\right]$

步骤2.利用步骤1估计构造出一个协方差矩阵：

$Q=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{var}({\hat{q}}_1,{\hat{q}}_1)& \mathrm{cov}({\hat{q}}_1,{\hat{q}}_2)\\ \mathrm{cov}({\hat{q}}_2,{\hat{q}}_1)& \mathrm{var}({\hat{q}}_2,{\hat{q}}_2)\end{array}\right]$

式中：var代表单向量的方差操作

cov代表两个向量的协方差操作；

步骤3.检查该矩阵Q的秩

a).若其秩小于2，则略过以下b)各步，直接将信号送至最大比合并(4)模块；

b).若其秩不小于2，则基于I+N的估计，系统完成以下差分处理：

$y^{\′}=\left[\begin{array}{c}{y}_1^{\′}\\ y_2^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}a& 1\\ a& -1\end{array}\right]\×\left[\begin{array}{c}{y}_1\\ y_2\end{array}\right]---\left(1\right)$

式中：y’为处理后的信号，由y₁’和y₂’两路信号组成，a为复数因子，由下式确定：

$a=\sqrt{\frac{\mathrm{var}\left({\hat{q}}_2\right)\mathrm{cov}({\hat{q}}_2,{\hat{q}}_1)}{\mathrm{var}\left({\hat{q}}_1\right)\mathrm{cov}({\hat{q}}_1,{\hat{q}}_2)}},a\≠0---\left(2\right)$

其中，var代表单向量的方差操作，而cov代表两个向量的协方差操作；

经过差分处理后的信号y₁’，y₂’被反馈回信道估计与同步模块，并被重复执行以上b)操作，直至重复计数器超过预先设定的数值，或矩阵Q的秩小于2；

步骤4.得到同步后的信号

经处理步骤1、2、3完成后，得到同步后的信号r₁’，r₂’；

步骤5.再经最大比合并及维特比均衡的后续操作，最终得到接收信号r。

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