CN102045098A - Ics直放站中基于功率控制的快速收敛自适应方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种ICS直放站中基于功率控制的快速收敛自适应方法，在直放站功率放大器后安装一可调节的衰减器控制输出功率，所述的功率调节过程包括如下步骤：(1)、在回波抵消初始阶段，将衰减器的衰减值保持在最大值β_max；(2)、当衰减值保持在最大值β_max时间T₁后，将衰减值逐渐调小，每隔时间T，衰减器调整一次；(3)、当衰减器的衰减值调整到最小值β_min时，直放站的功率输出达到最大值，系统进入稳定工作状态。本发明ICS直放站中基于功率控制的快速收敛自适应方法可以在地面数字电视直放站中引入发射功率控制技术、并与自适应回波干扰抑制技术相结合、提高回波干扰自适应算法的收敛速度、有效降低直放站的自激风险。

Description

ICS直放站中基于功率控制的快速收敛自适应方法 

技术领域

本发明涉及地面数字电视广播系统直放站，具体是指一种ICS直放站中基于功率控制的快速收敛自适应方法。 

背景技术

随着我国数字地面电视广播(Digital Terrestrial TelevisionBroadcasting，DTTB)标准的颁布，其组网模式和信号覆盖问题逐渐成为关注的话题。为了提高电视网络覆盖范围，一般采用数字电视单频网(Signal Frequency Network，SFN)作为组网模式。SFN具有覆盖范围广、少干扰、低功耗、高可靠性和频谱利用率高等优势。 

由于多种原因的影响，SFN通常不可能达到无缝覆盖。对于弱信号区和一些偏远地区或用户数不多的盲区，架设模拟或数字基站成本太高，基础设施也较复杂，基于成本和传输条件等的考虑，提供一种性能稳定可靠、低成本、架设简单、并具有小型基站功能的同频直放站是十分有必要的。同频直放站接收基站来的电视信号，通过信号滤波、功率放大等步骤，将信号重新发出，有效的提高了网络覆盖范围和减小了信号盲区。 

对于同频直放站最主要的问题就是回波干扰。由于直放站收发天线间的隔离度不够，输出天线的部分信号会泄漏到输入天线形成回波干扰。此时如果直放站增益大于收发天线间的隔离度，将导致系统的自激；即使直放站增益小于收发天线间的隔离度，系统不产生自激，回波干扰也将影响通信质量。 

对现有技术文献的检索，发现现有的文献大多采用回波抑制的方法来解决回波干扰和自激问题，即采用一回波抵消器，在时域估计回波信道和回波干扰，然后将回波估计值从接收信号中减去。其中回波信道估计是回波消除的关键，已有的文献一般采用自适应算法和发送训练序列的方法来估计回波信道，然后通过参考信号和回波信道估计值得到回波干扰估计。对于自适应算法估计回波信道，由于LMS算法的计算量小，实现简便，所以此算法以及此算法的一些简单变型被大量运用。对于训练序列估计回波 信道的方法，其生成训练序列的过程较为复杂，并且需要占用大量的硬件资源；另外，由于滤波器权值更新依靠训练序列的发送，如果训练序列发送间隔过长，其权值更新速度有可能不能跟踪外部信道的变化。尽管如此，在回波抵消初始阶段，由于直放站信道估计的误差较大，回波信号仍然很大，收发天线间的隔离度较小，这就会给系统带来自激的风险，而传统的直放站未有这种防止直放站初始自激的措施。 

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足提供一种可以在地面数字电视直放站中引入发射功率控制技术的基于功率控制、并与自适应回波干扰抑制技术相结合、提高回波干扰自适应算法的收敛速度、有效降低直放站的自激风险的ICS直放站中基于功率控制的快速收敛自适应方法。 

为了实现上述目的，本发明设计出一种ICS直放站中基于功率控制的快速收敛自适应方法，在直放站功率放大器后安装一可调节的衰减器控制输出功率，所述的功率调节过程包括如下步骤： 

(1)、在回波抵消初始阶段，由于信道估计值w与外部实际回波信道h相差较大，收发天线间隔离度较小，回波抵消器并未提高隔离度，此时将衰减器的衰减值保持在最大值β_max，保证直放站不产生自激效应，回波抵消器的LMS信道估计过程仍能正常的进行； 

(2)、当衰减值保持在最大值β_max时间T₁后，信道估计值w逐渐收敛于h，即通过回波抵消器的作用，隔离度有明显的提高，此时将衰减值按下列公式逐渐调小，每隔时间T，衰减器调整一次，调整值为Δ，随着功率衰减值的减小，直放站输出功率逐渐提高；在离散时刻n时，衰减值b(n)可用下式表示 

其中，β_min代表衰减器最小衰减值、β_max代表衰减器最大衰减值、T₁表示衰减器初始过程时间、T表示衰减器每调整一次的时间周期、Δ表示衰减器每调整一次的调整值、mod表示求余符号。 

(3)、当衰减器的衰减值调整到最小值β_min时，直放站的功率输出达到最大值，系统进入稳定工作状态； 

在整个功率调节过程中，同时采用最小均方(LMS，Least MeanSquare)算法实现信道估计和回波抵消，信道估计器一直对自适应滤波器进行更新，且此过程持续不中断，其具体工作步骤如下： 

(1)、接收天线接收到的电视信号经由射频滤波器、低噪放大器LNA和模拟下变频器等变换为模拟中频(IF)信号。 

(2)、利用A/D将模拟中频信号通过采样量化后转换为数字中频信号，通过DDC将数字中频信号转换为数字基带信号r(n)。 

(3)、利用自适应有限长冲激响应FIR滤波器来模拟地面数字广播电视发射天线到接收天线之间的耦合信道，该自适应有限长滤波器的抽头系数采用自适应LMS算法进行更新，可跟踪收发天线间耦合信道的变化，而滤波器的输出能有效跟踪接收到的回波干扰信号，从而可以从接收信号中减去滤波器输出的回波干扰信号估计，抑制回波干扰。 

信道估计器一直对自适应滤波器进行更新，且此过程持续不中断的具体步骤如下：

(1)、从数字基带耦合参考信号x(n)送入自适应滤波器中，可得到回波估计信号w^H(n)x(n)，其中w(n)是FIR滤波器的权向量； 

(2)、从接收到的数字基带信号r(n)中减去回波估计信号w^H(n)x(n)，得到误差信号e(n)，即e(n)＝r(n)-w^H(n)x(n)； 

(3)、将误差信号e(n)和数字参考信号x(n)送入信道估计器中，采用LMS算法对信道估计权向量进行更新，即w(n+1)＝w(n)+μx(n)e^*(n)； 

(4)、DUC(中文含义)将经过回波干扰抑制的信号上变频为中频数字信号，并通过带通滤波器抑制上变频产生的噪声干扰，利用D/A将数字中频信号转换为模拟中频信号。 

(5)、射频发射子系统由射频上变频器、射频滤波器和功率放大器PA等组成，其主要功能时把中频信号上变频为射频信号，经功率放大后重新发射。 

公式e(n)＝r(n)-w^H(n)x(n)中x(n)＝[x(n)，x(n-1)，L x(n-L+1)]^T，L为自适应滤波器的长度，其和基带采样率有关，同频直放站回波有效路径的最大延时不超 过1.5ms，因此，对于10M的基带采样率，L设置为16就能满足要求，m是步长因子。将误差信号e(n)通过延迟模块后作为参考信号，延迟的时间为t微秒，延迟t表示回波信道第一条有效路径的延迟，可将误差信号e(n)和接收信号r(n)作滑动相关运算获得该延迟。 

本发明具有以下优点： 

1、本发明采用在直放站功率放大器后安装一可调节的衰减器控制输出功率。在回波抵消初始阶段，由于信道估计的不准确导致回波干扰较大，此时衰减器的衰减值保持在最大值，保证系统不自激。当衰减值保持最大值一段时间后，可逐渐将衰减值慢慢调小，即使输出功率渐渐增大，直到衰减最小，输出功率输出最大。通过功放调节过程可有效的防止在回波抵消初始阶段系统因回波干扰过大而带来的自激风险。 

2、实现自适应跟踪并抑制回波干扰，在功率控制的基础上，本发明还采用自适应算法估计回波信道，并获得回波干扰的估计，从而实现干扰消除。地面数字电视和移动多媒体广播信号是在极其复杂的无线信道环境中的传播的，必须考虑选择性衰落、多径干扰和多普勒频移。本发明采用自适应滤波技术实现信道估计，可实时跟踪信道的缓慢变化，并实现回波干扰的自适应抑制。算法引入的时延小。自适应回波干扰抑制技术与发射功率调节技术结合，可以进一步提高回波干扰自适应算法的收敛速度，有效降低直放站的自激风险。 

3、核心部件使用基带数字信号处理技术，基站和终端之间架设直放站，将接收到的微弱信号放大再重发出去。当波束不能到达或者太微弱，比如室内或者郊区时，直放站就能提供很好的信号质量。传统上可以直接在射频上处理，但是限于器件非线性因素，性能并不理想；同时，信号的传播伴随着邻道干扰、回波干扰和噪声干扰。在发明中，包括回波干扰抑制等在内的核心功能完全采用数字基带处理，性能可靠稳定、抗干扰能力强，可保证高质量的数据传输；设计灵活、集成度和性价比高，成本低廉。 

附图说明：

图1是本发明ICS直放站中基于功率控制的快速收敛自适应方法中参考信号基带反馈原理方框图； 

图2是本发明ICS直放站中基于功率控制的快速收敛自适应方法中参考信号射频端反馈原理方框图； 

图3是本发明ICS直放站中基于功率控制的快速收敛自适应方法中衰减器调节示意图。 

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面将结合具体实施例及附图对本发明的结构原理作进一步的详细描述： 

一种ICS直放站中基于功率控制的快速收敛自适应方法，在直放站功率放大器后安装一可调节的衰减器控制输出功率，所述的功率调节过程包括如下步骤： 

(1)、在回波抵消初始阶段，由于信道估计值w与外部实际回波信道h相差较大，收发天线间隔离度较小，回波抵消器并未提高隔离度，此时将衰减器的衰减值保持在最大值β_max，保证直放站不产生自激效应，回波抵消器的LMS信道估计过程仍能正常的进行； 

(2)、当衰减值保持在最大值β_max时间T₁后，信道估计值w逐渐收敛于h，即通过回波抵消器的作用，隔离度有明显的提高，此时将衰减值按下列公式逐渐调小，每隔时间T，衰减器调整一次，调整值为Δ，随着功率衰减值的减小，直放站输出功率逐渐提高；在离散时刻n时，衰减值b(n)可用下式表示 

其中，β_min代表衰减器最小衰减值、β_max代表衰减器最大衰减值、T₁表示衰减器初始过程时间、T表示衰减器每调整一次的时间周期、Δ表示衰减器每调整一次的调整值、mod表示求余符号。 

(3)、当衰减器的衰减值调整到最小值β_min时，直放站的功率输出达到最大值，系统进入稳定工作状态； 

在整个功率调节过程中，同时采用最小均方(LMS，Least MeanSquare)算法实现信道估计和回波抵消，信道估计器一直对自适应滤波器进行更新，且此过程持续不中断，其具体工作步骤如下： 

(1)、接收天线接收到的电视信号经由射频滤波器、低噪放大器LNA和模拟下变频器等变换为模拟中频(IF)信号。 

(2)、利用A/D将模拟中频信号通过采样量化后转换为数字中频信号，通过DDC将数字中频信号转换为数字基带信号r(n)。 

(3)、利用自适应有限长冲激响应FIR滤波器来模拟地面数字广播电视发射天线到接收天线之间的耦合信道，该自适应有限长滤波器的抽头系数采用自适应LMS算法进行更新，可跟踪收发天线间耦合信道的变化，而滤波器的输出能有效跟踪接收到的回波干扰信号，从而可以从接收信号中减去滤波器输出的回波干扰信号估计，抑制回波干扰。 

信道估计器一直对自适应滤波器进行更新，且此过程持续不中断的具体步骤如下：

(1)、从数字基带耦合参考信号x(n)送入自适应滤波器中，可得到回波估计信号w^H(n)x(n)，其中w(n)是FIR滤波器的权向量； 

(2)、从接收到的数字基带信号r(n)中减去回波估计信号w^H(n)x(n)，得到误差信号e(n)，即e(n)＝r(n)-w^H(n)x(n)； 

(3)、将误差信号e(n)和数字参考信号x(n)送入信道估计器中，采用LMS算法对信道估计权向量进行更新，即w(n+1)＝w(n)+μx(n)e^*(n)； 

(4)、DUC(中文含义)将经过回波干扰抑制的信号上变频为中频数字信号，并通过带通滤波器抑制上变频产生的噪声干扰，利用D/A将数字中频信号转换为模拟中频信号。 

(5)、射频发射子系统由射频上变频器、射频滤波器和功率放大器PA等组成，其主要功能时把中频信号上变频为射频信号，经功率放大后重新发射。 

公式e(n)＝r(n)-w^H(n)x(n)中x(n)＝[x(n)，x(n-1)，L x(n-L+1)]^T，L为自适应滤波器的长度，其和基带采样率有关，同频直放站回波有效路径的最大延时不超过1.5ms，因此，对于10M的基带采样率，L设置为16就能满足要求，m是步长因子。将误差信号e(n)通过延迟模块后作为参考信号，延迟的时间为t微秒，延迟t表示回波信道第一条有效路径的延迟，可将误差信号e(n)和接收信号r(n)作滑动相关运算获得该延迟。 

如图3所示，在地面数字电视DTTB系统中，直放站正常工作时，其收发天线间的隔离度应比功放功率放大倍数大15dB左右，以保证回波信号较小，不足以影响基站接收信号的波形。在本实例中，对于功放后安装的衰减器，其最大衰减为β_max＝30dB，收发天线物理隔离度G_I为25dB，那么功放正常工作允许的最大放大增益G_R应为40dB，即应满足式： 

G_I+β_max-G_R≥γ，其中γ为直放站正常工作时隔离度应该满足的裕量(功放、衰减器和反馈信道环路总隔离度)，γ一般取15dB左右。 

直放站开机时，衰减器保持最大衰减值β_max＝30dB，此时反馈回发射天线的回波干扰信号比接收到的电视信号小15dB，因此不会导致自激，且不会影响接收到的电视信号的波形质量，衰减器保持最大衰减值10帧信号(T₁＝5.556ms)。 

当衰减器工作在调节过程时，此时回波抵消器得到了较为准确的信道估计值，从而提高了收发天线物理隔离度G_I，所以可以慢慢调小衰减值，在本实例中，每隔一帧电视信号(T＝0.5556ms)，衰减器衰减值调小D＝1dB，即30帧信号(16.668ms)后，衰减值到达最小值β_min＝0dB，即衰减器未对功放起衰减作用，重发信号功率达到最大，而回波干扰由于回波抵消器的作用，其大部分已被抑制。 

另外，在衰减器调节的同时，直放站接收天线接收射频电视信号，通过低噪放大，模拟下变频到60MHz模拟中频。采用14位的A/D将60MHz的模拟中频信号采样量化为60MHz的数字中频信号，然后通过数字下变频转换为10MHz或30MHz的数字基带信号。 

将回波抑制后的误差信号通过延迟t微秒的延迟模块形成参考信号，参考信号送入长度为L＝16(针对10MHz的数字基带信号)或长度为L＝48(针对30MHz的数字基带信号)的自适应滤波器形成回波干扰估计，将回波干扰估计送入直放站接收端进行回波干扰采用抑制，同时信道估计器采用LMS算法对估计权向量进行更新。 

将经回波干扰抑制后的信号通过数字上变频处理，恢复成数据率为60MHz的数字中频信号，利用D/A将60MHz的数字中频信号转换为模拟中 频信号。最后将该模拟中频信号进行模拟上变频和功率放大器处理，并通过衰减器功率衰减后通过发射天线发出。 

可能存在的技术方案： 

(1)参考信号的选取 

如图1，从数字基带耦合一个数字参考信号，经过延迟模块，同时送入信号估计器和自适应滤波器。信号估计器利用自适应算法估计回波信道的权值向量(此时回波信道包括直放站数字上变频至发射天线间的所有模块，以及发射天线至接收天线间的空间耦合回波信道)，自适应滤波器产生回波估计信号，送入接收端进行回波抵消。信道估计器定时对自适应滤波器进行权值更新。从数字基带耦合参考信号无需采用多余的器件对参考信号进行处理，直接方便；缺点是信道和回波估计易受发射端各模块的影响。 

如图2，从发射天线端耦合一模拟参考信号，并经下变频和模数转换后得到基带数字参考信号。此数字参考信号经过延迟模块，同时送入信号估计器和自适应滤波器，通过信道(此时估计信道之包含发射天线至接收天线间的空间耦合回波信道)和回波估计实现回波干扰抑制。从发射天线耦合参考信号需要对参考信号下变频和模数转换，但可避免信道和回波估计受发射端各模块的影响。 

(2)回波干扰抑制实现方式 

信道估计器与自适应滤波器可同时采用一片FPGA(或DSP)芯片实现；也可以将信道估计器在一片DSP芯片中实现而自适应滤波器在另一片FPGA芯片中实现。 

(3)数字上/下变频实现方式 

数字下变频可采用一片有模数转换和数字下变频的专用芯片实现，数字上变频可采用一片有数模转换和数字上变频的专用芯片实现。 

数字上/下变频也可在FPGA或DSP芯片中实现。 

(4)算法 

信道估计器可采用LMS算法、NLMS算法、变步长NLMS算法及符号NLMS算法，还可以采用RLS算法和Kalman滤波等算法对信道进行估计。 

(5)延迟模块实现方式 

延迟模块可在FPGA或DSP中单独实现，也可以和信道估计器以及自适应滤波器集成实现，但是会提高滤波器阶数。 

(6)功放调节方式 

对功放调节可在功放后安装衰减器调整系统输出功率的大小，也可以直接采用可变增益的功放，直接调整功放的放大增益。 

Claims (4)

1.一种ICS直放站中基于功率控制的快速收敛自适应方法，在直放站功率放大器后安装一可调节的衰减器控制输出功率，其特征在于，所述的功率调节过程包括如下步骤：

(1)、在回波抵消初始阶段，由于信道估计值w与外部实际回波信道h相差较大，收发天线间隔离度较小，回波抵消器并未提高隔离度，此时将衰减器的衰减值保持在最大值β_max，保证直放站不产生自激效应，回波抵消器的LMS信道估计过程仍能正常的进行；

(2)、当衰减值保持在最大值β_max时间T₁后，信道估计值w逐渐收敛于h，即通过回波抵消器的作用，隔离度有明显的提高，此时将衰减值按下列公式逐渐调小，每隔时间T，衰减器调整一次，调整值为Δ，随着功率衰减值的减小，直放站输出功率逐渐提高；在离散时刻n时，衰减值b(n)可用下式表示

其中，β_min代表衰减器最小衰减值、β_max代表衰减器最大衰减值、T₁表示衰减器初始过程时间、T表示衰减器每调整一次的时间周期、Δ表示衰减器每调整一次的调整值、mod表示求余符号。

(3)、当衰减器的衰减值调整到最小值β_min时，直放站的功率输出达到最大值，系统进入稳定工作状态。

2.根据权利要求1所述的ICS直放站中基于功率控制的快速收敛自适应方法，其特征在于：在整个功率调节过程中，同时采用最小均方LMS算法实现信道估计和回波抵消，信道估计器一直对自适应滤波器进行更新，且此过程持续不中断，其具体工作步骤如下：

(1)、接收天线接收到的电视信号经由射频滤波器、低噪放大器LNA和模拟下变频器等变换为模拟中频(IF)信号； 

(2)、利用A/D将模拟中频信号通过采样量化后转换为数字中频信号，通过DDC将数字中频信号转换为数字基带信号r(n)；

(3)、利用自适应有限长冲激响应FIR滤波器来模拟地面数字广播电视发射天线到接收天线之间的耦合信道，该自适应有限长滤波器的抽头系数采用自适应LMS算法进行更新，可跟踪收发天线间耦合信道的变化，而滤波器的输出能有效跟踪接收到的回波干扰信号，从而可以从接收信号中减去滤波器输出的回波干扰信号估计，抑制回波干扰。

3.根据权利要求2所述的ICS直放站中基于功率控制的快速收敛自适应方法，其特征在于：信道估计器一直对自适应滤波器进行更新，且此过程持续不中断，具体步骤如下：

(1)、从数字基带耦合参考信号x(n)送入自适应滤波器中，可得到回波估计信号w^H(n)x(n)，其中w(n)是FIR滤波器的权向量；

(2)、从接收到的数字基带信号r(n)中减去回波估计信号w^H(n)x(n)，得到误差信号e(n)，即e(n)＝r(n)-w^H(n)x(n)；

(3)、将误差信号e(n)和数字参考信号x(n)送入信道估计器中，采用LMS算法对信道估计权向量进行更新，即w(n+1)＝w(n)+μx(n)e^*(n)；

(4)、DUC将经过回波干扰抑制的信号上变频为中频数字信号，并通过带通滤波器抑制上变频产生的噪声干扰，利用D/A将数字中频信号转换为模拟中频信号。

(5)、射频发射子系统由射频上变频器、射频滤波器和功率放大器PA等组成，其主要功能时把中频信号上变频为射频信号，经功率放大后重新发射。

4.根据权利要求3所述的ICS直放站中基于功率控制的快速收敛自适应方法，其特征在于：第二步的公式中x(n)＝[x(n)，x(n-1)，L x(n-L+1)]^T，L为自适应滤波器的长度，同频直放站回波有效路径的最大延时不超过1.5ms。 

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