CN103580720B - 一种同频全双工自干扰抵消装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种同频全双工自干扰抵消装置，包括：发射通道向空中发射射频信号，将发射信号耦合到抵消模块；抵消模块在控制模块控制下对发射通道耦合到抵消模块的发射信号进行调整，并得到与接收通道生成的自干扰信号幅度相等、相位相反的抵消信号；接收通道从空中接收射频信号后，将接收信号与抵消模块输出的抵消信号进行合成实现自干扰抵消，将自干扰抵消后的接收信号发送至射频信号接收端，耦合到功率检测模块；功率检测模块检测自干扰抵消后的接收信号的功率强度，并生成功率检测信号发送给控制模块；控制模块根据功率检测信号生成抵消模块控制信号。本发明有效解决了在无线同频全双工通信时同时同频收发信号造成的自干扰问题。
Description
技术领域
本发明涉及无线同频全双工通信技术，尤其涉及一种无线同时同频全双工自干扰抵消装置。
背景技术
无线通信在过去的十几年里发展十分迅速，目前第三代移动通信系统已经普及，整个无线通信产业趋于成熟，满足人们无线通信需求的同时，创造了巨大的经济效益。但第三代移动通信系统依然不能满足人们越来越高的移动业务数据传输速率需求。一般的可以采用增加信道带宽和提高频谱资源利用率的方法来提高无线数据传输速率。
现今的无线通信系统普遍采用频分双工或者时分双工来实现无线双工通信。同时间同频段上进行无线收发的全双工通信方式，虽然能够进一步挖掘无线频谱资源，使得无线频谱利用率提升将近一倍，但由于同时同频收发造成的自干扰问题使得该通信方式在无线通信领域被认为是难以实现。因此，实现无线同频全双工的关键问题在于自干扰消除。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种同频全双工自干扰抵消装置，以解决在无线同频全双工通信时同时同频收发信号造成的自干扰问题。
为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种同频全双工自干扰抵消装置，包括发射通道、抵消模块、接收通道、功率检测模块和控制模块；发射通道，用于向空中发射射频信号，并将所发射的射频信号作为本地信号耦合至抵消模块；抵消模块，用于在控制模块控制下对发射通道耦合至抵消模块的本地信号进行调制获得抵消信号，并将该抵消信号输出至接收通道；接收通道，用于从空中接收射频信号，并将所接收的射频信号与抵消模块输出的抵消信号进行合成实现自干扰抵消，得到自干扰抵消后的接收信号，然后将自干扰抵消后的接收信号发送至射频信号接收端，并将自干扰抵消后的接收信号耦合到功率检测模块；功率检测模块，用于检测自干扰抵消后的接收信号的功率强度，并生成功率检测信号发送至控制模块；控制模块，用于根据功率检测信号生成抵消模块控制信号，并将抵消模块控制信号发送至抵消模块。
更进一步的，抵消模块由矢量调制器、至少一个一号射频放大器、延迟传输线级联而成，抵消模块用于得到与自干扰信号的幅度相等相位相反的抵消信号，本地信号由矢量调制器调制成抵消信号，并经一号射频放大器信号放大、延迟传输线调整抵消模块的延时使之与射频自干扰信道延迟一致后输出至接收通道。其中本发明优选矢量调制器工作频段为1.5GHz到2.4GHz，工作带宽达到230MHz，增益调整范围-4.5dB到-34.5dB，相位调整范围0°到360°；一号射频放大器增益为20dB，工作带宽为50M到4GHz，延迟传输线为半柔性同轴线，长度为1m。
更进一步的，发射通道包括发射天线和一号定向耦合器，发射通道所发射的射频信号输入一号定向耦合器后，经一号定向耦合器的直通端输入发射天线，并由发射天线发射至空中，一号定向耦合器的耦合端耦合所发射的射频信号至矢量调制器输入端。
更进一步的，功率检测模块由二号带通滤波器、至少一个二号射频放大器、对数检波器、仪表放大器、低通滤波器级联而成，自干扰抵消后的接收信号经二号带通滤波器滤波、二号射频放大器信号放大、对数检波器功率检测、仪表放大器直流偏置和幅度调制、低通滤波器去除高频干扰后转换为功率检测信号，并输出至控制模块。其中，本发明优选对数检波器工作频带为0.1GHz-2.5GHz，在2.3GHz到2.4GHz检测动态范围为0dBm到-60dBm，二号射频放大器增益为20dB，工作带宽为50M到4GHz，二号带通滤波器中心频率为2.35GHz，带宽200MHz，仪表放大器为输入带射频干扰抑制滤波器的单电源、轨到轨输出的仪表放大器INA333，低通滤波器带宽为20kHz。
更进一步的，接收通道包括接收天线、一号带通滤波器、二号定向耦合器和三号定向耦合器；接收天线所接收的射频信号经一号带通滤波器滤波后输入二号定向耦合器输入端；抵消信号由二号定向耦合器的耦合端输入，并对所接收的射频信号进行自干扰抵消获得自干扰抵消后的接收信号；自干扰抵消后的接收信号由二号定向耦合器直通端输出至三号定向耦合器输入端后，由三号定向耦合器耦合端耦合至带通滤波器输入端，并由三号定向耦合器直通端输出至射频信号接收端。接收信号通过接收天线后经过接收通道到射频信号接收端，带通滤波器用于去除工作频带外杂波干扰，抑制噪声，提高信噪比，同时也确保接收信号功率检测的质量；二号定向耦合器用于自干扰抵消，三号定向耦合器用于功率检测，三号定向耦合器耦合端输出到功率检测模块。其中，本发明优选一号带通滤波器中心频率为2.35GHz、带宽为200MHz；一号定向耦合器、二号定向耦合器和三号定向耦合器均为15dB带状线定向耦合器。
更进一步的，控制模块包括模数转换器、至少两通道数模转换器和微控制器，模数转换器采集功率检测模块输出的功率检测信号，并发送给微控制器，微控制器执行算法处理并自动调整整个抵消电路生成控制信号，并通过双通道数模转换器输出两路控制信号到矢量调制器的基带输入端口I和Q。
更进一步的，本发明优选工作频带为2.3GHz-2.4GHz，信号带宽为50MHz。
有益效果：(1)本发明工作频带为2.3GHz-2.4GHz，信号带宽50MHz，在同频全双工工作模式下，发射通道与接收通道的自干扰抑制度带宽上达到50dB，自干扰抵消效果显著。(2)本发明通过控制模块的微处理器能够自适应地调整自干扰抵消电路的相关参数，使自干扰抵消效果保持最佳。(3)本发明解决了同时同频收发信号造成的自干扰问题，使同时间同频段上进行无线收发的全双工通信方式成为可能，进一步挖掘无线频谱资源，使得无线频谱利用率提升将近一倍。
附图说明
图1为本发明提供的无线同频全双工抵消装置功能模块图。
图2为本发明提供的无线同频全双工抵消装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，本发明提供的一种无线同频全双工抵消装置包含发射通道、接收通道、抵消模块、功率检测模块和控制模块。发射通道，用于向空中发射射频信号，并将所发射的射频信号作为本地信号耦合至抵消模块；抵消模块，用于在控制模块控制下对发射通道耦合至抵消模块的本地信号进行调制获得抵消信号，并将该抵消信号输出至接收通道；接收通道，用于从空中接收射频信号，并将所接收的射频信号与抵消模块输出的抵消信号进行合成实现自干扰抵消，得到自干扰抵消后的接收信号，然后将自干扰抵消后的接收信号发送至射频信号接收端，并将自干扰抵消后的接收信号耦合到功率检测模块；功率检测模块，用于检测自干扰抵消后的接收信号的功率强度，并生成功率检测信号发送至控制模块；控制模块，用于根据功率检测信号生成抵消模块控制信号，并将抵消模块控制信号发送至抵消模块。
发射通道包括一个一号定向耦合器4和发射天线1，用于向空中发射射频信号，其中一号定向耦合器4耦合发射信号到抵消模块矢量调制器5输入端。一号定向耦合器4优选15dB带状线定向耦合器，实际应用不限于此，可采用其他耦合度的其他形式的定向耦合器，定向耦合器为本领域惯用的功率合成和分配器件。
接收通道包括接收天线2、一号带通滤波器3、二号定向耦合器8和三号定向耦合器9。带通滤波器3用于去除工作频带外杂波干扰，抑制噪声，提高信噪比，同时也确保接收信号功率检测的质量；二号定向耦合器8用于自干扰抵消，与抵消模块输出信号进行合成实现自干扰抵消；三号定向耦合器9用于功率检测，且带状线三号定向耦合器9耦合端输出到功率检测模块。本发明优选一号带通滤波器3中心频率为2.35GHz、带宽为200MHz；二号定向耦合器8和三号定向耦合器9为15dB带状线定向耦合器，实际应用不限于此，可采用其他耦合度的其他形式的定向耦合器，定向耦合器为本领域惯用的功率合成和分配器件。
抵消模块由矢量调制器5、至少一个一号射频放大器6、延迟传输线7级联而成，用于得到与接收天线生成的自干扰信号幅度相等相位相反的抵消信号。从发射通道经一号定向耦合器4输入到抵消模块的发射信号由矢量调制器5在控制模块的控制下进行幅度和相位调整，从而转换为抵消信号；矢量调制器5输出的抵消信号由一号射频放大器6进行放大，输出经过延迟传输线7到达二号定向耦合器8对自干扰信号进行抵消。矢量调制器5调整的目的在于使得抵消信号与自干扰信号在接收通道上幅度相等相位相反，从而合成后相互抵消；延迟传输线7用以调整抵消路径的延迟与天线间的自干扰路径的延迟一致，从而实现带宽的自干扰抵消。本发明优选矢量调制器5工作频段为1.5GHz到2.4GHz，工作带宽达到230MHz，增益调整范围-4.5dB到-34.5dB，相位调整范围0°到360°，可以满足对宽带信号的调整。一号射频放大器6增益为20dB，工作带宽为50M到4GHz，与矢量调制器5结合，整个抵消模块增益调整范围为15.5dB到-14.5dB，延迟传输线7采用半柔性同轴线，本实例中长度约为1m。另外本实例中，抵消模块包含一个射频放大器，但实际应用中射频放大器数目不限于此，可以包含一个或者更多数目的射频放大器。
功率检测模块由二号带通滤波器10、至少一个二号射频放大器11、对数检波器12、仪表放大器13、低通滤波器14级联组成，用以检测自干扰抵消后的信号功率强度。自干扰抵消后接收信号由三号定向耦合器9耦合一部分到功率检测模块输入端，经过二号带通滤波器10滤波后由射频放大器12放大，然后由对数检波器12进行功率检测，检波输出的功率检测信号由一个仪表放大器13进行直流偏置和幅度调整，进行偏置调整和幅度调整是为了能够更好的利用模数转换器15的动态范围，得到更高的测量精度；仪表放大器13输出至一个低通滤波器14，该滤波器用以去除所检测功率检测信号中的高频干扰；低通滤波器14输出至控制模块的模数转换器15接口进行采样和转换；本发明优选对数检波器12工作频带为0.1GHz-2.5GHz，在2.3GHz到2.4GHz检测动态范围为0dBm到-60dBm。二号带通滤波器10中心频率为2.35GHz，带宽200MHz。仪表放大器13为输入带射频干扰抑制滤波器的单电源、轨到轨仪表放大器INA333。低通滤波器14带宽为20kHz。二号射频放大器11增益为20dB，工作带宽为50M到4GHz，可将抵消后接收信号放大合适的范围用于功率检测。本实例中，抵消模块包含一个射频放大器，实际应用中射频放大器数目不限于此，可以包含一个或者更多数目的射频放大器。
控制模块由模数转换器15、至少双通道数模转换器16和一个微控制器17组成，用于生成矢量调制器5的控制信号。模数转换器15用以采集功率检测模块输出的功率检测信号，然后发送给控制模块的微控制器17。微控制器17执行自动调整算法处理并生成控制信号，并通过控制双通道数模转换器16以自动调整整个抵消电路；数模转换器16输出两路控制信号到抵消模块中矢量调制器5的基带输入端口I和Q。
控制模块用于最大限度的去除接收通道中的自干扰信号，使得接收信号的功率达到一极小值点，因此微控制器17自动调整算法可等效为独立双变量函数求极值问题，即独立双变量最优化问题。在I和Q控制电压Vi和Vq所构成的二维平面上，搜索抵消残留功率极小值点，其中Vi与Vq电压范围均为0V～1V。本设计中通过控制矢量调制器5端口I和Q的电压这两个变量，根据实际情况搜索抵消结果最佳的点，使得抵消达到最优。该最优化算法可以采用梯度下降法等优化算法，本实施例中采用单纯形算法来搜索极小值点。对于双变量模型，其单纯形为三角形，在算法初始时，分别取三组不同的控制电压(Vi,Vq)，每组控制电压(Vi,Vq)为一个点，这三个点构成三角形，检测每组控制电压(Vi,Vq)反馈的功率检测信号并判断三个点上的抵消情况，然后根据三个顶点抵消优劣情况，按照单纯形算法的模式搜索过程，判断搜索方向并确定一个较优的新的三角形顶点，用该点代替原先三角形中最差的点，重复上述过程，使得三角形收敛到最佳的抵消点，对于本设计单纯形算法是快速而有效的。
在无发生信号情况下，由于不存在自干扰信号，抵消模块不执行消除，此时接收通道工作为一般接收通道。在有发射信号情况下，发射通道与接收通道工作于同时同频全双工模式，此时发射信号在接收天线上形成自干扰，抵消模块执行自干扰消除功能。
此时，如图2所示，发射信号由发射通道经发射天线1发射，同时发射信号经过一个带状线一号定向耦合器4耦合到抵消模块矢量调制器5输入端。矢量调制器5在控制模块的控制下对发射信号进行幅度和相位调整，生成抵消信号，抵消信号由一号射频放大器6进行放大，输出经过延迟传输线7到达二号定向耦合器8对接收信号包含的自干扰信号进行抵消。接收天线从空中接收信号，接收信号经过带通滤波器3去除工作频带外杂波干扰后，经过二号定向耦合器8与抵消模块输出的抵消信号进行合成实现自干扰抵消，然后通过三号定向耦合器9到达无线通信接收端，同时自干扰抵消后的接收信号在经过三号定向耦合器9时，由三号定向耦合器9耦合端耦合到功率检测模块输入端。
功率检测模块中自干扰抵消后的接收信号经过二号带通滤波器10滤波后由射频放大器12放大，然后由对数检波器12进行功率检测，检波输出的功率检测信号由一个仪表放大器13进行直流偏置和幅度调制，然后输出至一个低通滤波器14；低通滤波器14去除所检测功率检测信号中的高频干扰后生成功率检测信号，然后输出至控制模块的模数转换器15接口进行采样和转换。模数转换器15采集功率检测模块输出的功率检测信号，然后发送给微控制器17；微控制器17执行自动调整算法计算生成所需控制信号，并通过双通道数模转换器16输出两路控制信号到抵消模块中矢量调制器5的基带输入端口I和Q，实现对矢量调制器5的控制从而得到最优的抵消信号，保证最大限度的去除接收通道中的自干扰信号。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种同频全双工自干扰抵消装置，其特征在于：该装置包括发射通道、抵消模块、接收通道、功率检测模块和控制模块；
所述发射通道，用于向空中发射射频信号，并将所发射的射频信号作为本地信号耦合至抵消模块；
所述抵消模块，用于在控制模块控制下对发射通道耦合至抵消模块的本地信号进行调制获得抵消信号，并将该抵消信号输出至接收通道；
所述接收通道，用于从空中接收射频信号，并将所接收的射频信号与抵消模块输出的抵消信号进行合成实现自干扰抵消，得到自干扰抵消后的接收信号，然后将自干扰抵消后的接收信号发送至射频信号接收端，并将自干扰抵消后的接收信号耦合至功率检测模块；
所述功率检测模块，用于检测自干扰抵消后的接收信号的功率强度，并生成功率检测信号发送至控制模块；
所述控制模块，用于根据功率检测信号生成抵消模块控制信号，并将抵消模块控制信号发送至抵消模块；
所述抵消模块由矢量调制器(5)、至少一个一号射频放大器(6)、延迟传输线(7)级联而成，所述本地信号由矢量调制器(5)调制成抵消信号，并经一号射频放大器(6)信号放大、延迟传输线(7)调整抵消路径延迟后输出至接收通道；
所述发射通道包括发射天线(1)和一号定向耦合器(4)，发射通道所发射的射频信号输入一号定向耦合器(4)后，经一号定向耦合器(4)的直通端输入发射天线(1)，并由发射天线(1)发射至空中，所述一号定向耦合器(4)的耦合端耦合所发射的射频信号至矢量调制器(5)输入端。
2.根据权利要求1所述的同频全双工自干扰抵消装置，其特征在于：所述功率检测模块由二号带通滤波器(10)、至少一个二号射频放大器(11)、对数检波器(12)、仪表放大器(13)、低通滤波器(14)级联而成，所述自干扰抵消后的接收信号经二号带通滤波器(10)滤波、二号射频放大器(11)信号放大、对数检波器(12)功率检测、仪表放大器(13)直流偏置和幅度调整、低通滤波器(14)去除高频干扰后转换为功率检测信号，并输出至控制模块。
3.根据权利要求1所述的同频全双工自干扰抵消装置，其特征在于：所述接收通道包括接收天线(2)、一号带通滤波器(3)、二号定向耦合器(8)和三号定向耦合器(9)；接收天线(2)所接收的射频信号经一号带通滤波器(3)滤波后输入二号定向耦合器(8)输入端；所述抵消信号由二号定向耦合器(8)的耦合端输入，并对所接收的射频信号进行自干扰抵消得到自干扰抵消后的接收信号；所述自干扰抵消后的接收信号由二号定 向耦合器(8)直通端输出至三号定向耦合器(9)输入端后，由三号定向耦合器(9)耦合端耦合至带通滤波器(10)输入端，并由三号定向耦合器(9)直通端输出至射频信号接收端。
4.根据权利要求1所述的同频全双工自干扰抵消装置，其特征在于：所述控制模块包括模数转换器(15)、至少两通道数模转换器(16)和微控制器(17)，所述模数转换器(15)采集功率检测模块输出的功率检测信号，并发送给微控制器(17)，所述微控制器(17)生成控制信号，并通过双通道数模转换器(16)输出两路控制信号到矢量调制器(5)的基带输入端口I和Q。
5.根据权利要求1所述的同频全双工自干扰抵消装置，其特征在于：所述矢量调制器(5)工作频段为1.5GHz到2.4GHz，工作带宽达到230MHz，增益调整范围-4.5dB到-34.5dB，相位调整范围0°到360°；所述一号射频放大器(6)增益为20dB，工作带宽为50M到4GHz，所述延迟传输线(7)为半柔性同轴线，长度为1m。
6.根据权利要求2所述的同频全双工自干扰抵消装置，其特征在于：所述对数检波器(12)工作频带为0.1GHz-2.5GHz，在2.3GHz到2.4GHz检测动态范围为0dBm到-60dBm，所述二号射频放大器(11)增益为20dB，工作带宽为50M到4GHz，所述二号带通滤波器(10)中心频率为2.35GHz，带宽200MHz，所述仪表放大器(13)为输入带射频干扰抑制滤波器的单电源、轨到轨输出的仪表放大器INA333，所述低通滤波器(14)带宽为20kHz。
7.根据权利要求3所述的同频全双工自干扰抵消装置，其特征在于：所述一号带通滤波器(3)中心频率为2.35GHz、带宽为200MHz；所述一号定向耦合器(4)、二号定向耦合器(8)和三号定向耦合器(9)均为15dB带状线定向耦合器。
8.根据权利要求5、6或7所述的同频全双工自干扰抵消装置，其特征在于：该装置工作频带为2.3GHz-2.4GHz，信号带宽为50MHz。
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