CN102694562B - 利用改进的变步长nlms算法的自适应干扰消除的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及移动通信领域，旨在提供一种利用改进的变步长NLMS算法的自适应干扰消除的方法。相对于传统的数字无线中继放大设备应用技术，本发明是在将数字基带GSM传输信号送至回波抵消模块，根据NLMS参数对其进行回波抵消处理，将处理后的数字基带GSM传输信号送至后级的过程中，以滤波器乘累加方式对数字基带GSM传输信号进行回波消除处理。本发明通过改进的变步长NLMS算法，能够有效的收发天线间耦合信号的干扰处理，具有跟踪速度快，对消稳态精确，信号失真小的特点，很好的提升了产品性能，提高了网络应用效果。

Description

利用改进的变步长NLMS算法的自适应干扰消除的方法

技术领域

本发明属于移动通信领域，涉及移动通信无线中继放大技术，尤其涉及一种利用改进的变步长NLMS算法的自适应干扰消除的方法。

背景技术

随着移动通信网络建设的不断推进与发展，无线中继放大设备在网应用越来越多，在网传统设备的问题也越来越明显，如系统内干扰、自激干扰、建设不方便等问题日益突出。

无线直放站由于发射天线和接收天线之间的信号耦合(包括多径耦合和物理耦合)，发射端会接收到自己转发出去的信号，若工程应用时隔离不够，将形成严重的自激干扰问题，干扰基站，严重影响网络质量。

传统模拟无线直放站领域，由于只是简单的射频接收、变频、滤波及放大处理，缺少对收发天线间耦合信号的干扰消除处理，造成设备应用过程中隔离度安装要求高，系统内自激干扰风险大，网络质量差等问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在的问题，提供一种以信号特性估计理论为基础，利用改进的变步长NLMS算法的自适应干扰消除方法。

为解决其技术问题，本发明通过以下技术方案实现其目的：

本发明提供了一种利用改进的变步长NLMS算法的自适应干扰消除的方法，包括以下步骤：

(1)以模拟超外差混频结构为基础，将天线接收信号进行模拟下变频，得到模拟中频信号；以一采样频率为f_sam的时钟控制的模数转换器ADC将接收的模拟中频信号进行数字化处理得到数字中频信号；以数字下变频对数字中频信号进行数字下变频和数字降采样处理，得到数字基带GSM传输信号；

(2)将数字基带GSM传输信号送至自激干扰消除模块，根据NLMS参数对其进行自激干扰消除，将处理后的数字基带GSM传输信号送至后级；

(3)根据自激干扰消除后的数字基带GSM传输信号，计算其统计特性，根据此特性生成NLMS调整参数，对NLMS参数进行自适应调整；

(4)将步骤(2)中自激干扰消除处理后的数字基带GSM传输信号送至数字上变频进行上变频，数模转换、模拟上变频，放大至射频，输送到发射天线；

在所述步骤(2)中，是以滤波器乘累加方式对数字基带GSM传输信号进行自激干扰消除处理：

S_cancel(i)＝S_in(i)-S_echo(i)

$S_{\mathrm{echo}}\left(i\right)=\underset{j=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{c}^{*}\left(j\right)S_{\mathrm{cancel}}(i-\mathrm{chan}\_\mathrm{delay}+j)$

i为采样时间序号，S_cancel(i)是指自激干扰消除后的数字基带GSM传输信号，S_in(i)为数字下变频输出数字基带GSM传输信号，S_echo(i)为根据NLMS算法确定的自激估算信号，c为NLMS参数，chan_delay为系统时延参数；

在所述步骤(3)中，以功率统计、幅度统计、功率谱统计方法对自激干扰消除后的数字基带GSM传输信号统计特性进行计算：

(A)根据自激干扰消除后的数字基带GSM传输信号，计算其幅度值，abs_s(i)＝|S_cancel(i)|，计算统计幅度平均值N1为幅度统计时间长度参数，||表示求幅值操作；

(B)根据自激干扰消除后的数字基带GSM传输信号，计算其功率值，power_s(i)＝|S_cancel(i)|²，计算功率平均值N2为功率统计时间长度参数；

(C)根据自激干扰消除后的数字基带GSM传输信号，计算其互相关统计值

$\mathrm{Rcross}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{j=i-N3}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{cancel}}\left(i\right){S_{\mathrm{cancel}}}^{*}(j-\mathrm{\τ}),\mathrm{\τ}=\mathrm{0,1},.......N_{\mathrm{cross}}-1,$ N3为功率统计时间长度参数，N_cross为互相关统计长度参数，通常设置为偶数；计算功率谱统计值

$P_{\mathrm{ff}}\left(k\right)=\underset{\mathrm{\τ}=0}{\overset{N_{\mathrm{cross}}-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Rcross}\left(\mathrm{\τ}\right)e^{\frac{-j2\mathrm{\π\τk}}{N_{\mathrm{cross}}}},k=\frac{-N_{\mathrm{cross}}}{2},\frac{-N_{\mathrm{cross}}}{2}+1,.......,\frac{N_{\mathrm{cross}}}{2};$

然后，根据计算得到的自激干扰消除后的数字基带GSM传输信号统计特性，在统计间隔[i1，i2]中相加得到NLMS调整参数，并根据NLMS调整参数对NLMS参数进行修正：

(a)根据自激干扰消除后的数字基带GSM传输信号统计幅度平均值average_abs(i)，计算幅度修正参数

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{abs}}=\underset{i=i1}{\overset{i2}{\mathrm{\Σ}}}|\mathrm{average}\_\mathrm{abs}\left(i\right)|/{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{abs}},$ φ_abs为幅度归一化参数；

(b)根据自激干扰消除后的数字基带GSM传输信号功率统计平均值average_power(i)，计算功率修正参数

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{power}}=\underset{i=i1}{\overset{i2}{\mathrm{\Σ}}}|\mathrm{average}\_\mathrm{power}\left(i\right)|/{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{power}},$ φ_power为功率归一化参数；

(c)根据自激干扰消除后的数字基带GSM传输信号功率谱统计值P_ff(k)，计算功率谱修正参数

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Pff}}=\underset{k=\frac{{-N}_{\mathrm{cross}}}{2}}{\overset{\frac{N_{\mathrm{cross}}}{2}}{\mathrm{\Σ}}}\left|\right|P_{\mathrm{ff}}\left(k\right)|/|P_{\mathrm{ff}}\left(0\right)+\mathrm{\δ}\left|\right|/{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{Pff}}\left(k\right),$ φ_Pff(k)为功率谱归一化参数，δ为一小正整数；

(d)根据Φ_abs，Φ_power，Φ_Pff计算得到NLMS调整参数u；

(e)对NMLS参数进行修正： $c=c+u\frac{\stackrel{\→}{S_{\mathrm{cancel}}}}{P_{\mathrm{cancel}}}\×S_{\mathrm{cancel}}{\left(i\right)}^{*}$

表示已发送数据向量，

$\stackrel{\→}{S_{\mathrm{cancel}}}=[S_{\mathrm{cancel}}(i-\mathrm{chan}\_\mathrm{delay}),S_{\mathrm{cancel}}(i-\mathrm{chan}\_\mathrm{delay})+1,...,S_{\mathrm{cancel}}(i-\mathrm{chan}\_\mathrm{delay}+N-1)]$ ，P_cancel表示发送数据向量的功率值，*表示取共轭操作。

所述步骤(4)中，是以数字上变频对经过自激干扰消除处理后的数字基带GSM传输信号进行升采样和上变频操作，输出数字中频信号；然后以一采样频率为f_sam的时钟控制的数模转换器DAC将滤波后的数字中频信号进行模拟化处理得到模拟中频信号；再以模拟超外差混频结构为基础，将DAC输出的模拟中频信号进行模拟上变频，得到模拟射频信号，输送到发射天线。

相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

现有无线中继放大系统大多不具备自激干扰消除技术，在应用中频繁出现自激和不稳定现象，而市场上已有的少量带自激干扰消除功能的模块也存在自激干扰消除速度慢，消除过程中增益发生震荡，信号质量变差等不稳定现象。相对现有产品，本发明利用NLMS技术自适应速度快，算法稳定的特点，使用NLMS作为自适应干扰消除参数更新算法，提高了系统自适应速度和稳定性，同时为了防止出现同类产品中增益震荡，信号质量变差等不稳定现象，使用了多种统计方法对自激信号特性进行计算，对各种统计结果综合计算，得出最终修正值。从而在某几个统计结果由于信号的不稳定而发生震荡时，避免了最终修正值随之发生震荡的现象，提高了系统稳定性。

本发明通过改进的变步长NLMS算法，能够有效的收发天线间耦合信号的干扰处理，具有跟踪速度快，对消稳态精确，信号失真小的特点，很好的提升了产品性能，提高了网络应用效果。

附图说明

图1为自激干扰消除模块结构示意图。

图2为应用举例数字部分连接。

图3为应用举例系统框图。

具体实施方式

首先需要说明的是，本发明涉及计算机技术在移动通信领域的应用。在本发明的实现过程中，会涉及到多个软件功能模块的应用。申请人认为，如在仔细阅读申请文件、准确理解本发明的实现原理和发明目的以后，在结合现有公知技术的情况下，本领域技术人员完全可以运用其掌握的软件编程技能实现本发明。前述软件功能模块包括但不限于：回波抵消模块、自激干扰消除模块等，凡本发明申请文件提及的均属此范畴，申请人不再一一列举。

以下结合附图详细描述本发明的一种应用举例：

根据GSM指标，设计GSM数字12选频，带自适应干扰消除装置的直放站。

工作频段：

■下行：934MHz～954MHz；

■上行：889MHz～909MHz；

系统群时延7us，400KHz压制70db。

系统连接框图如图2所示。系统通过天线接收空口GSM信号，通过模拟混频，ADC，数字处理(自激干扰消除)，DAC，模拟混频步骤，完成对空中GSM信号的干扰消除处理，处理后信号送至发射天线，完成信号中继流程。

数字部分连接如图3所示。系统连接和说明书部分描述一致，上下行数据流程一致，均为：AD、DDC、自激干扰消除模块、DUC、DA。

自激干扰消除模块设置如图1，DT端的输入信号S_in，不仅包含有用信号，还包含自激信号，它是MT端输出的下行信号由于隔离度有限经延迟和衰减后进入DT端接收机的，如图1的虚线所示。自适应滤波器的作用在于检测自激信号，得到自激信号的估计值S_echo。由于传输路径不同，S_cancel与DT端接收到自激信号不同，但它们均来自同一干扰源，所以两者是相关的。将检测到的信号S_cancel通过自适应滤波器进行加权调整，使信号S_echo最接近自激信号，然后经过求和器使两个通道的信号相减，将主通道自激信号对消掉。

自激干扰消除功能具体工作方式如下，设置N＝20，等效于5us的反馈自激信道长度，i表示输入的采样点序列：

S_cancel(i)＝S_in(i)-S_echo(i)

$S_{\mathrm{echo}}\left(i\right)=\underset{j=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{c}^{*}\left(j\right)S_{\mathrm{cancel}}(i-\mathrm{chan}\_\mathrm{delay}+j)$

自激消除参数更新功能设置如下，i表示输入的采样点序列：

(A)根据数字GSM信号，计算其幅度值，abs_s(i)＝|S_cancel(i)|，计算统计幅度平均值 $\mathrm{average}\_\mathrm{abs}\left(i\right)=\underset{j=i-100}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{abs}\_s\left(j\right);$

(B)根据数字GSM信号，计算其功率值，power_s(i)＝|S_cancel(i)|²，计算功率平均值 $\mathrm{average}\_\mathrm{power}\left(i\right)=\underset{j=i-100}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{power}\_s\left(j\right);$

(C)根据数字GSM信号，计算其互相关统计值

$\mathrm{Rcross}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{j=i-100}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{cancel}}\left(i\right){S_{\mathrm{cancel}}}^{*}(j-\mathrm{\τ}),\mathrm{\τ}=\mathrm{0,1},.......99$

$P_{\mathrm{ff}}\left(k\right)=\underset{\mathrm{\τ}=0}{\overset{99}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Rcross}\left(\mathrm{\τ}\right)e^{\frac{-j2\mathrm{\π\τk}}{N_{\mathrm{cross}}}},k=-50,-49,.......,50;$

然后，根据计算得到的数字基带GSM传输信号统计特性，在统计间隔[i-19，i]中相加得到NLMS调整参数，并根据NLMS调整参数对NLMS参数进行修正：

(a)根据接收数字基带GSM传输信号统计幅度平均值average_abs(i)，计算幅度修正参数

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{abs}}=\underset{j=i-19}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}|\mathrm{average}\_\mathrm{abs}\left(j\right)|/500;$

(b)根据接收数字基带GSM传输信号功率统计平均值average_power(i)，计算功率修正参数

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{power}}=\underset{j=i-19}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}|\mathrm{average}\_\mathrm{power}\left(j\right)|/20000;$

(c)根据接收数字基带GSM传输信号功率谱统计值P_ff(k)，计算功率谱修正参数

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Pff}}=\underset{k=-50}{\overset{50}{\mathrm{\Σ}}}\left|\right|P_{\mathrm{ff}}\left(k\right)|/|P_{\mathrm{ff}}\left(0\right)+0.01\left|\right|/{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{Pff}}\left(k\right),$

φ_Pff(k)＝[2360328，2204094，952151，141866，18867，5156，3488，2495，1921，1530，1258，1055，904，784，690，612，549，496，452，414，381，352，328，306，287，269，254，240，228，216，206，197，188，180，173，166，160，154，149，144，140，135，131，127，124，120，117，114，111，108，106，103，101，99，96，94，92，90，88，86，84，82，80，78，76，73，71，69，66，63，61，57，54，50，46，41，36，29，22，14，5，7，20，36，54，78，106，142，187，245，321，424，565，769，1073，1623，2483，13947，157574，780040，1852796]；

(d)根据Φ_abs，Φ_power，Φ_Pff计算得到NLMS调整参数u；

(e)对NMLS参数进行修正： $c=c+u\frac{\stackrel{\→}{S_{\mathrm{cancel}}}}{P_{\mathrm{cancel}}}\×S_{\mathrm{cancel}}{\left(i\right)}^{*}$

$\stackrel{\→}{S_{\mathrm{cancel}}}=[S_{\mathrm{cancel}}(i-20),S_{\mathrm{cancel}}(i-19),...,S_{\mathrm{cancel}}(i-1)],P_{\mathrm{cancel}}={\left|\stackrel{\→}{S_{\mathrm{cancel}}}\right|}^2.$

最终整机经实际测试结果显示，系统可以在干扰大于GSM输入信号15db的情况下正常工作，对自激干扰改善30db，且具有跟踪速度快(对干扰40db突变反应时间小于1秒)，消除干扰后信号质量好(EVM小于3％)的特点。

Claims (2)

1.一种利用改进的变步长NLMS算法的自适应干扰消除的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)以模拟超外差混频结构为基础，将天线接收信号进行模拟下变频，得到模拟中频信号；以一采样频率为f_sam的时钟控制的模数转换器ADC将接收的模拟中频信号进行数字化处理得到数字中频信号；以数字下变频对数字中频信号进行数字下变频和数字降采样处理，得到数字基带GSM传输信号；

(2)将数字基带GSM传输信号送至自激干扰消除模块，根据NLMS参数对其进行自激干扰消除，将处理后的数字基带GSM传输信号送至后级；

(3)根据自激干扰消除后的数字基带GSM传输信号，计算其统计特性，根据此特性生成NLMS调整参数，对NLMS参数进行自适应调整；

(4)将步骤(2)中自激干扰消除处理后的数字基带GSM传输信号送至数字上变频进行上变频，数模转换、模拟上变频，放大至射频，输送到发射天线；

在所述步骤(2)中，是以滤波器乘累加方式对数字基带GSM传输信号进行自激干扰消除处理：

S_cancel(i)＝S_in(i)-S_echo(i)

$S_{\mathrm{echo}}\left(i\right)=\underset{j=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{c}^{*}\left(j\right)S_{\mathrm{cancel}}(i-\mathrm{chan}\_\mathrm{delay}+j)$

i为采样时间序号，S_cancel(i)是指自激干扰消除后的数字基带GSM传输信号，S_in(i)为数字下变频输出数字基带GSM传输信号，S_echo(i)为根据NLMS算法确定的自激估算信号，c为NLMS参数，chan_delay为系统时延参数；

在所述步骤(3)中，以功率统计、幅度统计、功率谱统计方法对自激干扰消除后的数字基带GSM传输信号统计特性进行计算：

(A)根据自激干扰消除后的数字基带GSM传输信号，计算其幅度值，abs_s(i)＝|S_cancel(i)|，计算统计幅度平均值N1为幅度统计时间长度参数，||表示求幅值操作；

(B)根据自激干扰消除后的数字基带GSM传输信号，计算其功率值，power_s(i)＝|S_cancel(i)|²，计算功率平均值N2为功率统计时间长度参数；

(C)根据自激干扰消除后的数字基带GSM传输信号，计算其互相关统计值

$\mathrm{Rcross}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{j=i-N3}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{cancel}}\left(i\right){S_{\mathrm{cancel}}}^{*}(j-\mathrm{\τ}),\mathrm{\τ}=\mathrm{0,1},.......N_{\mathrm{cross}}-1,$ N3为功率统计时间长度参数，N_cross为互相关统计长度参数，通常设置为偶数；计算功率谱统计值

$P_{\mathrm{ff}}\left(k\right)=\underset{\mathrm{\τ}=0}{\overset{N_{\mathrm{cross}}-1}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Rcross}\left(\mathrm{\τ}\right)e^{\frac{-j2\mathrm{\π\τk}}{N_{\mathrm{cross}}}},k=\frac{-N_{\mathrm{cross}}}{2},\frac{-N_{\mathrm{cross}}}{2}+1,.......,\frac{N_{\mathrm{cross}}}{2};$

然后，根据计算得到的自激干扰消除后的数字基带GSM传输信号统计特性，在统计间隔[i1，i2]中相加得到NLMS调整参数，并根据NLMS调整参数对NLMS参数进行修正：

(a)根据自激干扰消除后的数字基带GSM传输信号统计幅度平均值average_abs(i)，计算幅度修正参数

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{abs}}=\underset{i=i1}{\overset{i2}{\mathrm{\Σ}}}|\mathrm{average}\_\mathrm{abs}\left(i\right)|/{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{abs}},$ φ_abs为幅度归一化参数；

(b)根据自激干扰消除后的数字基带GSM传输信号功率统计平均值average_power(i)，计算功率修正参数

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{power}}=\underset{i=i1}{\overset{i2}{\mathrm{\Σ}}}|\mathrm{average}\_\mathrm{power}\left(i\right)|/{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{power}},$ φ_power为功率归一化参数；

(c)根据自激干扰消除后的数字基带GSM传输信号功率谱统计值P_ff(k)，计算功率谱修正参数

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{Pff}}=\underset{k=\frac{{-N}_{\mathrm{cross}}}{2}}{\overset{\frac{N_{\mathrm{cross}}}{2}}{\mathrm{\Σ}}}\left|\right|P_{\mathrm{ff}}\left(k\right)|/|P_{\mathrm{ff}}\left(0\right)+\mathrm{\δ}\left|\right|/{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{Pff}}\left(k\right),$ φ_Pff(k)为功率谱归一化参数，δ为一小正整数；

(d)根据Φ_abs，Φ_power，Φ_Pff计算得到NLMS调整参数u；

(e)对NMLS参数进行修正： $c=c+u\frac{\stackrel{\→}{S_{\mathrm{cancel}}}}{P_{\mathrm{cancel}}}\×S_{\mathrm{cancel}}{\left(i\right)}^{*}$

表示已发送数据向量，

$\stackrel{\→}{S_{\mathrm{cancel}}}=[S_{\mathrm{cancel}}(i-\mathrm{chan}\_\mathrm{delay}),S_{\mathrm{cancel}}(i-\mathrm{chan}\_\mathrm{delay})+1,...,S_{\mathrm{cancel}}(i-\mathrm{chan}\_\mathrm{delay}+N-1)]$ ，P_cancel表示发送数据向量的功率值，*表示取共轭操作。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，是以数字上变频对经过自激干扰消除处理后的数字基带GSM传输信号进行升采样和上变频操作，输出数字中频信号；然后以一采样频率为f_sam的时钟控制的数模转换器DAC将滤波后的数字中频信号进行模拟化处理得到模拟中频信号；再以模拟超外差混频结构为基础，将DAC输出的模拟中频信号进行模拟上变频，得到模拟射频信号，输送到发射天线。