CN102792742B - 直放站输出信号的自适应控制方法及其装置和系统 - Google Patents

Abstract

一种通信技术领域的直放站输出信号的自适应控制方法及其装置和系统，该自适应控制方法通过检测直放站输出信号的质量，经过信号质量计算后将信号质量表征值与信号质量门限比对，并根据比对结果进行动态功率控制得以实现。本发明结合回波消除技术和信号质量监控及自适应功率调整，在有效避免直放站自激的同时，保证在高于预设信号质量门限的情况下最大的输出功率，有利于扩展直放站的覆盖范围，改善直放站的覆盖效果，以及最终形成补点网络中各直放站之间的自洽工作。

Description

直放站输出信号的自适应控制方法及其装置和系统

技术领域

本发明涉及的是一种通信技术领域的方法和装置，具体是一种直放站输出信号的自适应控制方法及其装置和系统。

背景技术

随着现代信息技术的飞速发展，新一代移动通信技术，以及数字电视、移动电视地面广播技术，都对着无线信号覆盖有着更高的要求。移动通信网络和广播网络要完成良好的信号覆盖，常常会遇到很多难点。大中型城市中的高层建筑、地理环境、山体遮挡、湖海反射等等原因，往往使得存在一些覆盖弱信号区和盲区。直放站由于投资少，结构简单、安装方便等特点，被广泛应用于一些弱信号区域或信号盲区，已成为无线网络优化的一个重要选择。

直放站作为一种无线通信传输过程中起到信号增强作用的无线电发射中继设备，其基本功能是一种射频功率增强器。传统的直放站，按照发射功率控制类型进行分类的话，可以分为两类：第一类是固定增益直放站，常用于电信行业。其主要特征是输入信号的自动电平控制(AGC)范围比较小(如15dB左右)，输出信号和输入信号的功率增益相对固定。例如对于一款最大输出功率为10dBm、最大增益为60dB、AGC范围是15dB的直放站来说，如果输入信号是-75dBm时，假设经过AGC后信号功率为-60dBm，那么经过放大后最大输出信号功率约为0dBm相当于1W；如果输入信号是-50dBm，那么经过放大后最大输出信号功率约为10dBm相当于10W，如此类推。可见该类直放站标称指标并非固定的输出功率，而是最大增益值，其实际输出功率会随着输入功率的大小变化而变化。另一类直放站可以称之为固定功率直放站，常用于广电行业。在一定的输入功率范围内，无论输入功率大小多少，输出功率都能保持恒定一致。例如一款标称功率为100W的直放站，只要输入功率还在AGC的范围内，输出功率都将恒定为100W。

采用固定增益直放站，由于直放站的输入射频信号的功率常常因为各种因素产生波动，因此当输入信号微弱的时候，输出功率相应会变得很小，可能达不到安设直放站时所预定的覆盖补点的需求；但是当输入信号瞬间很强，输出信号也因此被等增益放大的话，又可能导致直放站内放大模块工作在非线性区域，影响发射信号质量，因此当输入信号波动大时，使用固定增益直放站的覆盖效果的稳定性可能得不到保障。

而固定功率直放站也有其不足的地方。由于其输出功率无法根据输入功率变化而变化，因此在主塔信号微弱的情况下仍保持会额定功率输出，因此如果发射天线发出的部分射频信号的泄露到接收天线并被再次接收，就会对直放站构成回波。回波信号与主塔发射的有用信号共同进入直放站进行循环放大，将导致直放站自激振荡。

因此可以看到，对功率控制和避免自激，成了直放站需要解决的问题。传统以来直放站产品或者技术都围绕如何避免这些问题做了大量的工作。常见的做法有两种。第一种是通过提高收发天线之间的隔离度实现，如果隔离度得不到保障，就不得不将直放站的功率实现回退，以避免产生自激。但是这种方式需要在施工现场反复测试，根据使用经验估算调整，由于受到各种环境条件的制约，改善的局限性很大，工程施工的难度和成本偏高。更严重的是测试的数据只能反应施工安装当时的状态，无法针对日后各种情况如环境因素的变化、或者邻近新增主塔或直放站等因素进行实时调整。另一种是在直放站中加入回波消除功能(ICS)。回波消除的核心在于回波信道的估计，目前有着各种成熟的信道估计法，例如LMS算法，NLMS算法，RLS算法等等。其作用都是在物理隔离的基础上，降低了需要保留的裕量，扩大了直放站的增益范围。但是在强回波的情况下，会出现即使回波被有效消除，但是输出信号质量严重受损，从而尽管待补点的区域内终端接收到的信号强度得到了加强，但是终端接收效果依然没有改善。例如电信行业中对信号盲区为增加补点后，手机信号是满格然而电话依然无法接通或者通信质量不稳定等情况。

这是因为，人们过多的关心直放站的隔离和自激问题，忽略了加设直放站以改善覆盖的最终目的，是为了提高终端的接收信号质量，因而保证直放站本身的发射信号质量是最为关键的。直放站的信号质量本身，并不是一个单一因素影响下的结果，其受多个因素综合影响和制约而成，包括接收到的主塔的信号强度和信号质量，直放站的回波强度，甚至直放站的前端的输入增益控制的动态范围等等。例如直放站输入前端的AGC的动态范围都比较有限(一般只有50dB)，当混合信号在直放站前端处理时，由于强回波的存在，主信号的有效范围被极大的挤压，导致了信号质量严重受损，此时即使经过了回波消除、后级放大甚至滤波等处理后，损失掉的信号质量不可能得到恢复，因此输出的发射信号比起输入信号的信号质量还是严重变差。这就相当于直放站最终放大输出了是具有相当功率的噪声信号，而这些功率较强的噪声无疑是使得本来主信号就比较弱的信号盲区的接收和覆盖效果进一步恶化。这就是为什么在工程中对一主塔覆盖范围内的布设直放站的功率、数量有经验值上的约束的原因。因为通常认为直放站的引入往往会对主塔，以及已有的直放站引入干扰，导致整体信号质量恶化。而这种干扰还会随着直放站输出功率的增大，以及直放站数量的增多而加大。当多个直放站相邻存在时，彼此之间的相互干扰将因此使得覆盖严重变差。因此直放站设计和运营时完全有必要对实际信号质量加以重点考虑。

针对回波消除技术，经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN102045098A，公开日2011-5-4，记载了“ICS直放站中基于功率控制的快速收敛自适应方法”，其主要特点是在直放站功率放大器后安装了一可调节的衰减器控制输出功率，目的是在回波消除的初始阶段，通过衰减器最大衰减值使得将直放站的输出功率在设置范围内的最低值，从而直放站不自激，保证LMS信道估计过程能够正常进行；直到信道估计逐渐收敛，回波消除开始正常工作，再将衰减值以固定时间间隔和固定调整值逐渐调小，最后直放站输出功率恢复到额定功率。

然而该技术存在一定的局限性：它只作为一种加速信道估计器收敛的方式，因此属于一种对回波消除技术的一种优化。然而它只是应用于直放站的初始化，并未提及能对直放站后续的环境条件和工作状态进行动态的、实时的跟踪和调整。此外，衰减值的最大衰减值、稳定后的调整间隔和调整步长，都跟具体的直放站以及环境条件有关，设置不当的话将可能会导致信道估计器工作不稳定。最后也是最重要的，如上所述，该技术并没有关注发射信号质量问题，即使回波消除后，输出的信号质量并不一定得到保证。

针对直放站隔离度的问题，进一步检索发现，中国专利文献号CN1777074B，公开日2006-5-24，记载了“利用导频多路径信号检测无线直放站隔离度的方法”，其通过内置监控模块读取主路径导频信号的载干比和多径信号的载干比，随时检测隔离度余量，保护直放站不处于隔离度余量不足的状态。

但是该技术并没有在系统中引入回波消除技术(ICS)，当检测到容易发生自激时，建议采取措施只是“降低增益”等，使直放站的覆盖范围直接受到隔离度的约束。另外，该技术受限于通过导频计算载/干比E_c/I_o，对于不具备导频信号的通信系统具有不适用性。再有文中提到“当隔离度余量信号和施主接收路径上的多径信号混合时，本测试方法的准确度受影响”，且实际中遇到主接收路径上和回波路径上都存在多径时将无法正常区分多径的来源，因此其准确度、可靠性和实用性都是得不到保障的，并不适合在工程应用中广泛推广。

另有中国专利文献号CN1627661A，公开日2005-6-15，记载了应用于移动通信信号的“一种自适应无线直放站”，该技术包括：一工作通路、一检测通路以及一控制通路，其工作过程为：产生一个参考信号，利用带内空闲通道将参考信号经过工作通路的所述天线发射及接收后，通过检测通道的混频器和频率合成器原始产生的参考信号混频后，进入控制通道的监控处理单元，最后监控处理单元发出控制信号，调节工作通道的所述放大器的增益，从而实现自适应无线直放站的自适应功能。该技术通过发送参考信号计算收发天线之间的隔离度，从而调整上下行工作通道放大器的增益以实现隔离度的自动控制。

尽管该技术考虑到了天线隔离度自动检测和因此的直放站增益自适应调整的问题，但其同样未引入回波消除技术，因此只能被看成是一种融合于直放站中的隔离度自动测量方式，相当于用根据定时测量结果进行自适应增益，调整代替了传统意义上的人工调整，并不能消除隔离度对直放站的约束；其次，该技术的工作需要额外设备(标准信号源)，以及在需要占用带内空闲信道发送参考信号，同时其参考电平生成的预适应阶段还需要关闭正常工作通道以获得电平测量结果，因此测量的精度和跟踪的实时性都比较有限；最后，跟所有其余技术一样，该发明也并不关注直放站发射信号的质量问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种直放站输出信号的自适应控制方法及其装置和系统，结合回波消除技术和信号质量监控及自适应功率调整，在有效避免直放站自激的同时，保证在高于预设信号质量门限的情况下最大的输出功率，有利于扩展直放站的覆盖范围，改善直放站的覆盖效果，以及最终形成补点网络中各直放站之间的自洽工作。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种直放站输出信号的自适应控制方法，通过检测直放站输出信号的质量，经过信号质量计算后将信号质量表征值与预设的信号质量门限比对，并根据比对结果进行动态功率控制得以实现。

所述的信号质量计算可以是计算不同类型的信号质量表征，如信噪比(S/N)，载噪比(C/N)，调制误差率(MER)等等。信噪比指的是基带信号中有用信号功率和噪声功率的比值。调制误差率是以数学模型表征信噪比的一种模式，指的是理想信号和信号损伤后产生的误差矢量之间的功率比，而载噪比指的是射频信号频谱中有用信号功率和噪声功率的比值。如文章“射频载噪比和视频信噪比的关系”所述，“解调过程中将有某些增益，但是该增益系数将平等的适用于信号和噪声，每个通道得到的SNR将近似的与上面计算的(C/N)_REC是一样的。”以及“当损伤是噪声时，在理论上，SNR和MER是相等的，数值上等于(C/N)_REC”。因此可以认为，信噪比、载噪比、调制误差率虽然概念不同，定位于不同领域(基带或射频)，其具体数值的精确互换需要根据具体情况深入研究，但是在实际应用中趋向于认为其数值相近。因此本发明仅以最常见的信噪比计算过程为例完成信号质量计算说明。

所述的信噪比计算，是指以直放站输出信号作为接收信号，通过下变频处理然后经过包括：滤波器、时钟同步处理和频率同步处理的解调处理得到恢复后的数据D′(n)，最终采用(但不仅限于)辅助数据估计、基于已知数据，即训练序列的辅助数据估计、基于盲估计的M₂M₄算法从而得到信噪比数值。还可以通过将直放站输出的射频信号(或下变频操作后信号)与通用解调芯片连接得到信噪比数值。

所述的辅助数据估计是指：将解调后恢复的数据D′(n)按照调制方式进行硬判决得到数据D₀′(n)相减得到信号噪声E(n)，即E(n)＝D′(n)-D₀′(n)；

然后将E(n)投射到I、Q两轴分别得到噪声信号的I路分量和Q路分量E_I(n)和E_Q(n)，则总的噪声功率其中：n表示抽样值的序号，N表示总抽样值的个数；

同样地通过判决后的数据计算出接收信号的功率其中：D′_0I和D′_0Q是判决后数据的I路分量和Q路分量，则得到相应的信号信噪比为S/N＝10×log(P_signal/P_noise)，单位为dB。

所述的基于已知数据的辅助数据估计是指：当发送的数据内含有周期性重复的已知伪随机序列时，可以将解调后恢复的数据D′(n)与的理想数据D₀(n)进行异步相关，依据PN序列的相关特性实现PN段数据收发同步；

然后记PN段信号噪声为E_PN(n)，则有E_PN(n)＝D_PN′(n)-D_PN0(n)，其中：D_PN′(n)、D_PN0(n)指的是PN段的收、发数据；

类似的有PN端噪声功率为 $P_{\mathrm{PNnoise}}={\mathrm{\Σ}}_{n=1}^{n=N}(E_{\mathrm{PNI}}{\left(n\right)}^2+E_{\mathrm{PNQ}}{\left(n\right)}^2),$ PN端信号功率为 $P_{\mathrm{PNsignal}}={\mathrm{\Σ}}_{n=1}^{n=N}(D_{\mathrm{PNI}0}{\left(n\right)}^2+D_{\mathrm{PNQ}0}{\left(n\right)}^2),$ 则得到信号信噪比

S/N＝10×log(P_signal/P_noise)，单位为dB。

所述的基于盲估计的M₂M₄算法是指：将解调后恢复的数据D′(n)，则可得到其对应的二阶矩阵和四阶矩阵的估计值表示为 $M_2=\frac{1}{N}{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^{n=N}{\left|D^{\′}\left(n\right)\right|}^2,$ $M_4=\frac{1}{N}{\mathrm{\Σ}}_{n=1}^{n=N}{\left|D^{\′}\left(n\right)\right|}^4,$ 则根据M₂M₄算法，有 $P_{\mathrm{signal}}=\sqrt{|{{2M}_2}^2-M_4|},$ $P_{\mathrm{noise}}=M_2-\sqrt{|{{2M}_2}^2-M_4|},$ 则得到信号信噪比为S/N＝10×log(P_signal/P_noise)，单位为dB。

所述的通用解调芯片计算信噪比实现，具体为：通过将直放站输出的射频信号(或下变频操作后信号)与解调芯片的调谐器(或信号输入端)连接作为解调芯片信号输入，通过控制解调芯片工作使解调芯片完成解调和信噪比计算，并通过解调芯片特定管脚或者协议，直接读出当前信号的信噪比数值。所述的动态功率控制是指：以平均信号质量V_Q作为输入，经V_P＝V_P′+α×(V_Q-Q_threshold)计算得到功率控制变量V_P，其中：Q_threshold为预设的信号质量门限；V_P′是上一时刻的功率控制变量，其初始值可以为零；α是乘法因子，其符号位跟直放站中功率放大模块特性以及功率控制方式有关，其中：

当V_P′为零时，V_P＝α×(V_Q-Q_threshold)，功率控制变量与信号质量变量直接成线性比例关系；

当V_Q-Q_threshold差值为正数的时候，代表当前平均信号质量高于信号质量门限，因此输出信号功率有进一步放大的余量；

当V_Q-Q_threshold差值为负数的时候，代表当前平均信号质量已经低于信号质量门限，因此输出信号功率需要自适应的调整，以保证输出信号质量满足要求；

当α为设定为正值时，直放站输出功率大小与V_P成正向关系；否则α设为负值。

所述的信号质量门限通过以下任一方式确定：

a)通过读信号检测模块的质量控制单元中的存储器调出预先存入的经验值，例如在64QAM调制下，白噪声门限为24dB左右，因此为了避免出现数字信号的峭壁效应，可将信号质量门限设为28dB(比门限高4-6dB的安全裕量)并存入存储器；

b)通过交互模块实现手动调整该门限并更新存储器中预存值，例如在现场测试出接收情况不理想，可以通过如面板控制、串行通信接口控制，或者网络控制等方式，对信号质量门限进行修改并更新存储器内的预存值。

本发明涉及上述方法的实现装置，包括：含有发射天线的输出模块和与之相连的信号质量检测模块，其中：输出模块接收回波消除系统输出的经过回波检测和回波消除后的信号，经过功率放大和带通滤波后输出射频信号至发射天线完成发射，输出模块同时接收信号质量检测模块输出的功率控制变量作为控制变量，发射天线输出的信号同时引回到信号质量检测模块的输入端。

所述的信号质量检测模块包括：质量检测单元和质量控制单元，其中：质量检测单元的输入端与发射天线相连并接收射频信号，质量检测单元的输出端与质量控制单元相连并输出信号质量表征变量，质量控制单元的输出端与输出模块相连并输出功率控制变量。

所述的质量检测单元包括：下变频模块、解调模块和信噪比检测模块，其中：下变频模块的输入端接收来自发射天线的射频信号，下变频模块的输出端与解调模块相连并输出变频后信号，解调模块将变频后信号进行解调处理后输出恢复后的数据至信噪比检测模块，信噪比检测模块计算信号质量表征并输出至质量控制单元。

所述的质量检测单元也可以用通用解调芯片实现，此时，解调芯片输入端接收来自发射天线的射频信号(或下变频操作后信号)，同时完成解调处理和信号质量表征计算，最后输出信号质量表征变量至质量控制单元。

所述的质量控制单元包括：平均模块、存储器模块和质量计算模块，其中：平均模块接收质量检测单元输出的信号质量表征变量并加以平均，质量计算模块分别接收来自平均模块的平均信号质量和来自存储器模块的信号质量门限值并输出的功率控制变量至输出模块，完成输出信号质量对输出功率的自适应控制。

所述的输出模块包括：功率放大模块、带通滤波器以及发射天线，其中：功率放大模块接收信号质量检测模块输出的功率控制变量，以及接收来自回波消除系统输出的经过回波检测和回波消除后的信号并对其进行带有环路控制的功率放大处理，带通滤波器接收功率放大处理后的信号并进行整形滤波后输出至发射天线进行射频信号输出，发射天线输出信号同时引回到信号质量检测模块的输入端。

本发明涉及一种具有自适应信号调整的直放站，包括：依次连接的接收天线、低噪声放大器、自动增益控制、回波消除系统以及上述的自适应控制模块。

所述的接收天线接收包含主塔信号和回波信号的混合信号，该混合信号经过前端的低噪声放大器和自动增益控制后，通过回波消除系统完成回波检测和回波消除等操作，再送到自适应控制模块的输出模块的功率放大模块完成功率放大，然后通过带通滤波器整形滤波，最后从输出模块的发射天线输出射频信号，从而实现射频功率增强的功能。

所述的回波消除系统包括：回波检测模块和回波抵消模块，其中：回波抵消模块的输入端分别与自动增益控制和回波检测模块的输出端相连并分别接收放大后的混合信号以及当前信道下的回波信号进行减法处理并分别输出至输出模块以及回波检测模块，回波检测模块的输入端分别与输出模块的发射天线和回波抵消模块的输出端相连并分别接收射频信号以及回波抵消模块的减法处理后信号，采用数字信号处理技术检测估计出当前信道下的回波信号。

所述的数字信号处理技术是指：LMS算法的最小误差逼近、NLMS算法、RLS算法或异步相关器或其组合，用以估计出当前回波信道模型从而得到当前信道下的回波信号。

所述的回波消除系统在本发明所述的直放站中起了回波抵消的作用，使得在不使用物理隔离也能起到使用原先物理隔离的效果，或者当前物理隔离简单的前提下，达到超出当前物理隔离限制的效果，因此降低了直放站自激振荡的可能性，同时降低了工程施工难度。

所述的输出模块包括：功率放大模块、带通滤波器以及发射天线，其中：功率放大模块接收信号质量检测模块输出的功率控制变量，以及接收来自回波消除系统输出的经过回波检测和回波消除后的信号并对其进行带有环路控制的功率放大处理，带通滤波器接收功率放大处理后的信号并进行整形滤波后输出至发射天线进行射频信号输出，发射天线输出信号同时引回到信号质量检测模块的输入端。

所述的功率放大模块可以采用功率可调放大器并以信号质量检测模块输出的功率控制变量直接作为控制信号得以实现；或者采用功率控制变量控制可变衰减器，然后通过可变衰减器控制固定功率放大模块输出从而实现的功率控制变化。

本发明内置信号质量检测模块，因此无需额外测试设备即可完成对输出信号质量的测量，快速、直观得到输出信号质量表征，从而施工中无需携带额外专业设备到现场进行测试，方便了工程安装与调试，更可通过远程遥控等多种方式实现监测和报警，具有实时性，极大提高了直放站的安全系数。

其次，本发明结合了回波消除技术，通过现有的、成熟的回波消除技术，可以使得在不使用物理隔离也能起到使用原先物理隔离的效果，或者当前物理隔离简单的前提下，达到超出当前物理隔离限制的效果，因此大大降低了直放站自激振荡的可能性，同时降低了工程施工难度。

再有本发明射频输出功率是自适应可变的，既不像固定增益直放站中只能根据输入功率大小而恒定增益的线性变化，又不像固定功率直放站中只能以恒定功率发射，而是根据发射信号质量的环路控制而自适应调整，因此可以在预设的范围内尽可能的提高输出功率。

最重要的也是最核心的一点，是本直放站能自适应调整确保输出信号质量高于预设门限。不同于传统方法只关心直放站的输出功率，或者天线隔离度的余量，本发明确切的检测到输出信号质量的量化指标并与门限对比。因此不会出现像输入的有效信号完全淹没在强回波或者噪声底下，导致输出功率即使再大、带肩比再高，或者回波成功消除，其最终放大输出的也只是大部分噪声信号，从而对主塔和已有正常工作的直放站反而造成干扰。

再有，本发明所述直放站的实时检测、自适应调整机制，有助于整个补点网络的自洽。因为本发明所述直放站无需人工干预，又不仅限于工程安装时期，而是完全能够实时的、持续的根据工作中现场的状况进行自适应调节。这对大范围区域内布设多个直放站实现盲区覆盖的组网系统显得尤其有帮助。因为过去添加直放站时，新加的直放站的功率、信号质量，往往可能对已有直放站产生干扰，传统经验上需要反复调节各个直放站输出功率以达到均衡，同时直放站与主塔的数目比例也不能太高，给补点网络的设计增添了很多局限。如果整个补点网络中直放站都具有根据信号质量自适应调整输出功率的功能，那么不但各自的输出信号质量有保证，不会造成人为噪声，而且各个直放站与主塔之间也会形成自洽的系统，使得设点选址大为简化，极其有利于大量工程铺设。

最后，本发明中直放站的结构具有通用性，其能广泛适用于各种广播电视标准(如ATSC/MH、DVB-T/H、ISDB-T、CTTB/DTMB、CMMB等等)，以及通过简单的双工改造适用于各种电信标准(WCDMA、GSM、CDMA2000等等)，从而有着广泛的应用前景。

附图说明

图1为通信系统结构示意图。

图2为质量检测单元和质量控制单元结构示意图。

图3为回波消除机构示意图。

图4为实施例应用示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，本实施例涉及一种具有自适应信号调整的直放站，包括：依次连接的接收天线、低噪声放大器、自动增益控制、回波消除系统以及自适应控制模块。

所述的自适应控制模块，包括：含有发射天线的输出模块和与之相连的信号质量检测模块，其中：输出模块分别接收回波消除系统输出的经过回波检测和回波消除后的有用信号以及信号质量检测模块输出功率控制变量，经过功率放大和带通滤波后分别输出信号至发射天线完成射频信号输出，同时引回到信号质量检测模块的输入端。

所述的信号质量检测模块包括：质量检测单元和质量控制单元，其中：质量检测单元的输入端与发射天线相连并接收射频信号，质量检测单元的输出端与质量控制单元相连并输出信号信噪比，质量控制单元的输出端与输出模块相连并输出信号信噪比与信号质量门限的比对结果。

如图2所示，所述的质量检测单元包括：下变频模块、解调模块和信噪比检测模块，其中：下变频模块的输入端接收来自发射天线的射频信号，下变频模块的输出端与解调模块相连并输出变频后信号，解调模块将变频后信号进行解调处理后输出恢复后的数据至信噪比检测模块，信噪比检测模块输出信号信噪比至质量控制单元。

所述的下变频模块包括：变频器、固定滤波器和模数转换器，其中：变频器接收来自发射天线的射频信号，变频器的输出端输出经下变频后的信号至固定滤波器，固定滤波器进行滤波处理后输出滤波后模拟信号至模数转换器进行模数转换，模数转换器的输出端连接解调模块并输出变频及滤波后的数字信号。

所述的解调模块包括：依次连接的滤波器、内插器和相位反旋器，其中：滤波器与下变频模块的输出端相连接并接收下变频后的数字信号，滤波器的输出端连接内插器的输入端并输出滤波成形后的数字信号，由内插器进行内插处理后输出至相位反旋器进行相位反旋。

所述的滤波器滤除模数转换后的高次频谱谐波，以及完成匹配滤波功能，输出滤波后的基带数字信号；内插器用于恢复采样时钟相位，输出采样时钟相位纠正后的数据；相位反旋器用于恢复载波频率和相位，输出频相皆被纠正后的解调后的信号，送到信噪比检测模块的输入端。

所述的信噪比检测模块根据不同的信噪比计算方式采用以下任一结构：

a)所述的信噪比检测模块包括：噪声信号生成模块和信噪比计算模块，其中：噪声信号生成模块接收解调模块输出的信号并通过：

a.1)解调判决的方式得到解调模块输出信号和判决后信号的差值；或

a.2)训练序列的异步相关实现收发信号彼此同步的方式得到差值

计算出噪声信号并输出至信噪比计算模块，信噪比计算模块结合解调模块的输出信号并分别算出信号和噪声的功率的值并得到信号信噪比；

b)在无需具体求出噪声信号的信噪比估算方式下，信噪比检测模块根据具体采用技术，可以直接计算出或者读出当前输出信号的信噪比数值，送到质量控制单元。

所述的质量控制单元包括：平均模块、存储器模块和质量计算模块，其中：平均模块接收质量检测单元的信噪比检测模块输出的信号信噪比，质量计算模块分别接收来自平均模块的平均信噪比和来自存储器模块的信号质量门限值并输出的功率控制变量至输出模块，完成输出信号质量对输出功率的自适应控制。

所述的平均模块采用长度为T的时间窗口内所得到的输出信号信噪比的算数平均值作为平均信噪比；通过改变T的数值，可以平衡跟踪速度和功率稳定度。

所述的时间窗口的长度T为来自存储器模块的预存值或为通过交互模块实现手动调整并更新存储器中预存值。

所述的存储器模块采用数字信号处理器的片内存储资源或采用片外存储资源。

所述的质量计算模块根据平均信噪比V_Q以及存储器模块输出的信号质量门限Q_threshold作为输入信号，通过V_P＝V_P′+α×(V_Q-Q_threshold)计算得到功率控制变量V_P并输出至输出模块完成功率自适应控制，其中：V_P′是上一时刻的功率控制变量，其初始值可以为零；α是乘法因子；

当V_P′为零时，V_P＝α×(V_Q-Q_threshold)，功率控制变量与信号质量变量直接成线性比例关系；

当V_Q-Q_threshold差值为正数的时候，代表当前信号质量高于信号质量门限，因此输出信号功率有进一步放大的余量；

当V_Q-Q_threshold差值为负数的时候，代表当前信号质量已经低于信号质量门限，因此输出信号功率需要自适应的调整，以保证输出信号质量满足要求；

当α为设定为正值时，直放站输出功率大小与V_P成正向关系；否则α设为负值。

所述的信号质量检测模块用于对发射信号进行信号质量实时检测。其输入是从发射天线引回的输出射频信号，计算出信号质量变量V_Q，再送到质量控制模块从而生成功率控制变量V_P。衡量信号质量有多种不同的标准，常见的指标有信噪比(S/N)，载噪比(C/N)，调制误差率(MER)等等，其中：信噪比指的是基带信号中接收信号功率和噪声功率的比值。

例如发射一个调制信号，经过解调后，测量接收信号的输出功率为P_signal(dBm)，然后去掉解调信号，记录噪声输出功率为P_noise(dBm)，于是S/N＝10×log(P_signal/P_noise)，单位为dB。而载噪比指的是解调前的射频信号频谱中接收信号功率和噪声功率的比值。

信噪比和载噪比、调制误差率之间都存在一定的对应关系，本发明仅以信噪比为例进行说明，通过其余指标达到信号质量检测的目的也同样在本发明的保护范围之内。

功率控制变量送到输出模块实现功率控制的方式，可以是使用一功率可调放大器作为功率放大模块，功率控制变量直接作为其控制信号输入，如图4(a)所示，也可以是功率控制变量控制一可变衰减器，通过可变衰减器实现功率放大模块输出的功率变化，如图4(b)表示。

所述的输出模块包括：功率放大模块、带通滤波器以及发射天线，其中：功率放大模块接收来自回波消除系统输出的回波消除后的有用信号以及信号质量检测模块输出的功率控制变量并进行带有环路控制的功率放大处理，带通滤波器接收功率放大处理后的信号并进行整形滤波后输出至发射天线进行射频信号输出；

所述的信号质量检测模块接收发射天线引回的放大后输出的射频信号并进行实时的信号质量检测，用检测得到的信号质量生成功率控制变量，送到输出模块的功率放大模块，最终从而形成通过输出信号质量完成功率反馈控制的环路。

所述的功率放大模块采用功率可调放大器并以信号质量检测模块输出的功率控制变量直接作为控制信号得以实现；或者采用功率控制变量控制一可变衰减器，然后通过可变衰减器控制固定功率放大模块输出从而实现的功率变化。

所述的接收天线接收包含主塔信号和回波信号的混合信号，该混合信号经过前端的低噪声放大器和自动增益控制后，通过回波消除系统完成回波消除操作，再送到自适应控制模块的输出模块的功率放大模块完成功率放大，然后通过带通滤波器整形滤波，最后从输出模块的发射天线输出射频信号，从而实现射频功率增强的功能。

如图3所示，所述的回波消除系统包括：回波检测模块和回波抵消模块，其中：回波抵消模块的输入端分别与自动增益控制和回波检测模块的输出端相连并分别接收放大后的混合信号以及当前信道下的回波信号进行减法处理并分别输出至输出模块以及回波检测模块，回波检测模块的输入端分别与发射天线和回波抵消模块相连并分别接收射频信号以及回波抵消模块的减法处理后信号，采用数字信号处理技术检测估计出当前信道下的回波信号。

所述的数字信号处理技术是指：LMS算法的最小误差逼近、NLMS算法、RLS算法或异步相关器或其组合，用以估计出当前回波信道模型。

例如文章“一种移动电视直放站回波抵消的实现方式”，就提出了一种利用重发信号实现的基于LMS算法的回波抵消实现方式，如图2所示。其实现过程如下所述：d(n)是接收天线接收到的信号，包括了主塔发射的有用信号和回波信号。从发射天线引回的信号x(n)分成2路，一路进行信道估计，求出当前回波信道冲击响应c(n)，另一路通过估计到的信道冲击响应模拟出从回波信道来的干扰信号y(n)，再将接收信号d(n)和y(n)相减得到差值e(n)，其作用是不断调整信道冲击响应的抽头系数，使得c(n)更加接近真实信道。同时e(n)也是经过滤除噪声的较纯净的信号，最终再由发射天线发射出去。该文章所述的技术是在数字域进行，n为任意整数。

所述的回波抵消模块，可以是任何一种回波抵消技术，例如可以是在数字域，通过数字加/减法器，完成接收信号和回波信号的分离，也可以是在模拟域，通过模拟器件完成操作。回波抵消操作的实现，可以在基带、低中频，甚至是射频领域完成。如图2所示的回波消除模块，就是在基带数字域进行。否则也可以将y(n)值先经过数字模拟转换到模拟域，如果不做任何变频操作，那么相当于在基带模拟域进行回波抵消，否则根据变频后的频段，分别是在低中频或者射频进行回波抵消。

如图4所示，本装置实现过程如下：

1.直放站启动后，接收天线接收包含主塔信号和回波信号的混合信号。该混合信号经过前端的低噪声放大器(LNA)，再经过自动增益控制(AGC)，将混合信号的功率调整到直放站后续处理模块的最佳接收范围(如-50dBm)。

2.功率调整后的混合信号送到回波消除系统。在系统刚启动的时候，回波检测模块有一个逐渐收敛的过程，如采用LMS算法，实际值与估计值的差值驱动回波信道估计，直到回波信道估计无限接近于真实信道，此时回波抵消模块将估计出的回波从混合信号中减去，实现回波消除。

3.回波消除后的信号经过功率放大器后，输出到发射天线。于此同时，从发射天线中引回所发射的信号，送到信号质量检测模块。

4.信号质量检测模块采用所选定的信号质量衡量指标，对发射信号进行信号质量检测。记所预设的信号质量门限为Q_threshold，Q_threshold的具体取值与选定的信号质量衡量指标有关。

a)当V_Q≤Q_threshold时，代表当前信号质量已经低于门限，不管是因为回波消除系统还未到达收敛状态，导致未完全消除的回波影响了信号质量，还是因为强回波导致前端AGC饱和从而在回波消除之前就影响了信号质量，都需要对输出信号功率自适应的调低。此时功率降低，同样的隔离下，回波比降低，AGC饱和的状况也会得到改善。信号质量仍然保持实时的计算，得到新的变量值V_Q。再度计算V_Q和Q_threshold的差值。

b)如果V_Q和Q_threshold差值开始变为正数的时候，代表当前的功率调整策略有效，信号质量得到了回升，此时可以保持当前功率继续输出，同时持续检测信号质量。如果V_Q和Q_threshold差值仍为负数，但是差值进一步变小，代表当前功率调整方向正确，但是调整幅度不够，此时可以进一步降低输出信号功率，并实时检测信号质量，直到V_Q与Q_threshold差值开始变为正数。

c)V_Q与Q_threshold差值为正数的时候，代表当前信号质量已经高于门限，此时系统属于稳定状态，输出信号质量理想。此时可以设定一定的偏置值门限(Q_offset)。例如当V_Q-Q_threshold-Q_offset得到的值为正数，代表当前信号质量仍有一定余量，此时如果追求更大的覆盖效果，可以将输出信号功率进一步放大，同时实时检测信号质量，确保始终高于门限值。

5.信号质量模块在整个直放站工作过程中始终对信号质量保持实时检测，并通过功率控制变量对直放站输出增益进行自适应调整，从而保证在一定输出信号质量下尽可能大的功率覆盖范围。

在实际应用环境中，当直放站接收天线所收到的主塔信号强度为-70dBm，此时主塔信号调制误差率(MER)约为18dB时，而到达接收天线的回波为-45dBm，也就是回波强度为25dB的话，那么接收天线接收的混合信号仍约等于当前的回波信号强度-45dBm。如果当前直放站的最佳输入范围正为-45dBm(底噪为-80dBm)的话，那么前端的AGC将不对混合信号进行任何放大处理，因此接收信号仍为-70dBm，那么相对于-80dBm的底噪，接收信号仅剩下10dB的有用带肩，因此MER也会低于10dB以下。即使经过回波消除以及后端功率放大器后，输出的接收信号带肩也不会得到补偿，因此信号MER将远远低于原来主塔信号的18dB。此时若直放站仍以额定输出功率发射的话(假设额定输出功率为20dBm(100W))，那么直接发射相当近200W的大功率的噪声信号，对于该地区的微弱主塔信号是很强的同频干扰，会最终影响到接收终端接收到的信号质量。

同样的情况下，本实施例的直放站(假设预先将输出信号的MER门限设定为15dB)。当检测到输出信号的MER低于该门限，那么直放站将自动的把发射功率降低，例如降低到10dBm(10W)，这样在其余条件不变的情况下，回波信号到达接收天线约为-55dBm，混合信号功率也为-55dBm。此时AGC为了得到最佳的范围将混合信号放大了10dB，因此接收信号功率为-60dBm，高于底噪20dB。此时经过回波消除以及后级功率放大器后，直放站的输出信号仍有可能保持较高的MER(例如17dB)，高于预定门限。此时如果需要进一步扩大覆盖范围，还可以增加输出信号增益，最终达到一个信号功率和信号质量之间的平衡。

Claims (19)

1.一种直放站输出信号的自适应控制方法，其特征在于，通过检测直放站输出信号的质量，经过信号质量计算后将信号质量表征值与信号质量门限比对，并根据比对结果进行动态功率控制得以实现；所述的信号质量计算包括：信噪比计算和/或载噪比计算和/或调制误差率计算，其中的信噪比计算是指：以直放站输出信号作为接收信号，通过下变频处理然后经解调处理得到恢复后的数据D'(n)，最终采用辅助数据估计、基于已知数据，即训练序列的辅助数据估计或基于盲估计的M₂M₄算法的信噪比检测计算，得到信号信噪比；

所述的信噪比检测计算通过专用解调芯片实现，具体为：通过将直放站输出的射频信号或下变频操作后信号与解调芯片的调谐器或信号输入端连接作为解调芯片信号输入，通过控制解调芯片工作使解调芯片完成解调和信噪比计算，并通过解调芯片特定管脚或者协议，直接读出当前信号的信噪比数值；

所述的辅助数据估计是指：将解调后恢复的数据D'(n)按照调制方式进行硬判决得到数据D₀'(n)，并将D'(n)与D₀'(n)相减得到信号噪声E(n)，即E(n)＝D'(n)-D₀'(n)；

然后将E(n)投射到I、Q两轴分别得到噪声信号的I路分量和Q路分量E_I(n)和E_Q(n)，则总的噪声功率其中：n表示抽样值的序号，N表示总抽样值的个数；

同样地通过判决后的数据计算出接收信号的功率其中：D′_0I和D′_0Q是判决后数据的I路分量和Q路分量，则得到相应的信号信噪比为S/N＝10×log(P_signal/P_noise)，单位为dB；

所述的基于已知数据的辅助数据估计是指：当发送的数据内含有周期性重复的已知伪随机序列时，可以将解调后恢复的数据D'(n)与的理想数据D₀(n)进行异步相关，依据PN序列的相关特性实现PN段数据收发同步；

然后记PN段信号噪声为E_PN(n)，则有E_PN(n)＝D_PN'(n)-D_PN0(n)，其中：D_PN'(n)、D_0PN(n)指的是PN段的收、发数据；

类似的有PN端噪声功率为PN端信号功率为则得到信号信噪比S/N＝10×log(P_signal/P_noise)，单位为dB；

所述的基于盲估计的M₂M₄算法是指：将解调后恢复的数据D'(n)，则可得到其对应的二阶矩阵和四阶矩阵的估计值表示为则根据M₂M₄算法，有则得到信号信噪比为S/N＝10×log(P_signal/P_noise)，单位为dB。

2.根据权利要求1所述的自适应控制方法，其特征是，所述的解调处理包括：滤波、时钟同步处理和频率同步处理。

3.根据权利要求1所述的自适应控制方法，其特征是，所述的动态功率控制是指：以平均信号质量V_Q作为输入，经V_P＝V_P'+α×(V_Q-Q_threshold)计算得到功率控制变量V_P，其中：Q_threshold为预设的信号质量门限，V_P'是上一时刻的功率控制变量，其初始值可以为零，α是乘法因子，其符号位跟直放站中功率放大模块特性以及功率控制方式有关，其中：

当V_P'为零时，V_P＝α×(V_Q-Q_threshold)，功率控制变量与信号质量变量直接成线性比例关系；

当V_Q-Q_threshold差值为正数的时候，代表当前平均信号质量高于信号质量门限，因此输出信号功率有进一步放大的余量；

当V_Q-Q_threshold差值为负数的时候，代表当前平均信号质量已经低于信号质量门限，因此输出信号功率需要自适应的调整，以保证输出信号质量满足要求；

当α设定为正值时，直放站输出功率大小与V_P成正向关系；否则α设为负值。

4.根据权利要求1或3所述的自适应控制方法，其特征是，所述的信号质量门限通过以下任一方式确定：

a)通过读信号检测模块的质量控制单元中的存储器调出预先存入的经验值；

b)通过交互模块实现手动调整该门限并更新存储器中预存值。

5.根据权利要求4所述的自适应控制方法，其特征是，所述的方式a)是指：在64QAM调制下，白噪声门限为24dB左右，因此为了避免出现数字信号的峭壁效应，可将信号质量门限设为28dB并存入存储器。

6.根据权利要求5所述的自适应控制方法，其特征是，所述的方式b)是指：在现场测试出接收情况不理想，可以通过如面板控制、串行通信接口控制，或者网络控制方式，对信号质量门限进行修改并更新存储器内的预存值。

7.一种直放站输出信号的自适应控制装置，其特征在于，包括：含有发射天线的输出模块和与之相连的信号质量检测模块，其中：输出模块分别接收回波消除系统输出的经过回波检测和回波消除后的接收信号以及信号质量检测模块输出的功率控制变量，经过功率放大和带通滤波后分别输出信号至发射天线完成射频信号输出，同时引回到信号质量检测模块的输入端；

所述的信号质量检测模块包括：质量检测单元和质量控制单元，其中：质量检测单元的输入端与发射天线相连并接收射频信号，质量检测单元的输出端与质量控制单元相连并输出信号质量表征，质量控制单元的输出端与输出模块相连并输出功率控制变量；

所述的质量检测单元包括：下变频模块、解调模块和信噪比检测模块，其中：下变频模块的输入端接收来自发射天线的射频信号，下变频模块的输出端与解调模块相连并输出变频后信号，解调模块将变频后信号进行解调处理后输出恢复后的数据至信噪比检测模块，信噪比检测模块计算信号质量表征并输出至质量控制单元；

所述的下变频模块包括：变频器、固定滤波器和模数转换器，其中：变频器接收来自发射天线的射频信号，变频器的输出端输出经下变频后的信号至固定滤波器，固定滤波器进行滤波处理后输出滤波后模拟信号至模数转换器进行模数转换，模数转换器的输出端连接解调模块并输出变频及滤波后的数字信号；

所述的解调模块包括：依次连接的滤波器、内插器和相位反旋器，其中：滤波器与下变频模块的输出端相连接并接收下变频后的数字信号，滤波器的输出端连接内插器的输入端并输出滤波成形后的数字信号，由内插器进行内插处理后输出至相位反旋器进行相位反旋；

所述的滤波器滤除模数转换后的高次频谱谐波，以及完成匹配滤波功能，输出滤波后的基带数字信号；内插器用于恢复采样时钟相位，输出采样时钟相位纠正后的数据；相位反旋器用于恢复载波频率和相位，输出频相皆被纠正后的解调后的信号，送到信噪比检测模块的输入端。

8.根据权利要求7所述的自适应控制装置，其特征是，所述的信噪比检测模块根据不同的信噪比计算方式采用以下任一结构：

a)所述的信噪比检测模块包括：噪声信号生成模块和信噪比计算模块，其中：噪声信号生成模块接收解调模块输出的信号并通过：

a.1)解调判决的方式得到解调模块输出信号和判决后信号的差值；或

a.2)训练序列的异步相关实现收发信号彼此同步的方式得到差值；

计算出噪声信号并输出至信噪比计算模块，信噪比计算模块结合解调模块的输出信号并分别算出信号和噪声的功率的值并得到信号信噪比；

b)在无需具体求出噪声信号的信噪比估算方式下，信噪比检测模块根据具体采用技术，可以直接计算出或者读出当前输出信号的信噪比数值，送到质量控制单元。

9.根据权利要求7或8所述的自适应控制装置，其特征是，所述的质量控制单元包括：平均模块、存储器模块和质量计算模块，其中：平均模块接收质量检测单元的信噪比检测模块输出的信号信噪比，质量计算模块分别接收来自平均模块的平均信噪比和来自存储器模块的信号质量门限值并输出的功率控制变量至输出模块，完成输出信号质量对输出功率的自适应控制。

10.根据权利要求9所述的自适应控制装置，其特征是，所述的平均模块采用长度为T的时间窗口内所得到的输出信号信噪比的算数平均值作为平均信噪比；通过改变T的数值，可以平衡跟踪速度和功率稳定度。

11.根据权利要求10所述的自适应控制装置，其特征是，所述的时间窗口的长度T为来自存储器模块的预存值或为通过交互模块实现手动调整并更新存储器中预存值。

12.根据权利要求10所述的自适应控制装置，其特征是，所述的存储器模块采用数字信号处理器的片内存储资源或采用片外存储资源。

13.根据权利要求10所述的自适应控制装置，其特征是，所述的质量计算模块根据平均信噪比V_Q以及存储器模块输出的信号质量门限Q_threshold作为输入信号，通过V_P＝V_P'+α×(V_Q-Q_threshold)计算得到功率控制变量V_P并输出至输出模块完成功率自适应控制，其中：V_P'是上一时刻的功率控制变量，其初始值可以为零；α是乘法因子；

当V_P'为零时，V_P＝α×(V_Q-Q_threshold)，功率控制变量与信号质量变量直接成线性比例关系；

当V_Q-Q_threshold差值为正数的时候，代表当前信号质量高于信号质量门限，因此输出信号功率有进一步放大的余量；

当V_Q-Q_threshold差值为负数的时候，代表当前信号质量已经低于信号质量门限，因此输出信号功率需要自适应的调整，以保证输出信号质量满足要求；

当α设定为正值时，直放站输出功率大小与V_P成正向关系；否则α设为负值。

14.根据权利要求8所述的自适应控制装置，其特征是，所述的输出模块包括：功率放大模块、带通滤波器以及发射天线，其中：功率放大模块接收来自回波消除系统输出的回波消除后的接收信号以及信号质量检测模块输出的功率控制变量并进行带有环路控制的功率放大处理，带通滤波器接收功率放大处理后的信号并进行整形滤波后输出至发射天线进行射频信号输出；

所述的信号质量检测模块接收发射天线引回的放大后输出的射频信号并进行实时的信号质量检测，用检测得到的信号质量变量生成功率控制变量，送到输出模块的功率放大模块，最终从而形成通过输出信号质量完成功率反馈控制的环路。

15.根据权利要求14所述的自适应控制装置，其特征是，所述的功率放大模块采用功率可调放大器并以信号质量检测模块输出的功率控制变量直接作为控制信号得以实现；或者采用功率控制变量控制一可变衰减器，然后通过可变衰减器控制固定功率放大模块输出从而实现的功率变化。

16.一种具有自适应信号调整的直放站，其特征在于，包括：依次连接的接收天线、低噪声放大器、自动增益控制、回波消除系统以及权利要求7-15中任一所述的自适应控制装置。

17.根据权利要求16所述的直放站，其特征是，所述的接收天线接收包含主塔信号和回波信号的混合信号，该混合信号经过前端的低噪声放大器和自动增益控制后，通过回波消除系统完成回波消除操作，再送到自适应控制装置的输出模块的功率放大模块完成功率放大，然后通过带通滤波器整形滤波，最后从输出模块的发射天线输出射频信号，从而实现射频功率增强的功能。

18.根据权利要求17所述的直放站，其特征是，所述的回波消除系统包括：回波检测模块和回波抵消模块，其中：回波抵消模块的输入端分别与自动增益控制和回波检测模块的输出端相连并分别接收放大后的混合信号以及当前信道下的回波信号进行减法处理并分别输出至输出模块以及回波检测模块，回波检测模块的输入端分别与发射天线和回波抵消模块相连并分别接收射频信号以及回波抵消模块的减法处理后信号，采用数字信号处理技术检测估计出当前信道下的回波信号。

19.根据权利要求18所述的直放站，其特征是，所述的数字信号处理技术是指：LMS算法的最小误差逼近、NLMS算法、RLS算法或异步相关器或其组合，用以估计出当前回波信道模型。