CN104617981B - 一种基于谱估计的全双工自干扰消除方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于谱估计的全双工自干扰消除方法和装置，通过对自干扰信号进行消极自干扰消除和射频自干扰消除后，在数字域建立自干扰信号的谱估计模型，并对自干扰信号和数字发送信号进行谱分析，得到信号的谱相关密度和功率谱密度等二阶统计量信息，利用该二阶统计量信息对自干扰信号进行重构和消除，最后通过自适应调整减小估计误差。本发明还提供了本发明专利通过谱估计和自适应调整，能有效的消除数字自干扰，提升数字自干扰消除的性能，并且具有更好的收敛性和更小的计算复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体而言是涉及一种同时同频全双工通信系统中数字自干扰消除的方法及装置。
背景技术
在无线通信系统中，一个基本的假设就是无线设备不能在相同的频带同时发送与接收数据，即工作于全双工模式。目前无线通信系统中的半双工系统有TDD(Time DivisionDuplex)系统和FDD(Frequency Division Duplex)系统，这两种技术将时域或频域资源划分为不重叠的正交资源来阻止发射与接收信号之间的相互干扰。然而，正交资源会造成频谱资源利用率和用户数据吞吐量的下降，面对无线频谱资源日益紧张的局面，如何有效利用有限频谱资源是一个尤为重要的问题。
同时同频全双工无线通信(Co-time Co-frequency Full Duplex，CCFD)是指无线节点可以使用相同的时间、相同的频率，同时接收和发射信号。全双工通信相比较半双工通信在数据吞吐量、无线接入冲突避免和降低拥塞等方面都具有显著的性能优势。由于全双工系统在同时、同频发送和接收信号，全双工系统面临的最大挑战是设备本身的发射天线引起的近端自干扰信号与来自远端发射天线的有用信号相比功率差值太大，不仅会造成接收机的饱和，并且由于模数转化器(Analog-to-Digital Converter，ADC)分辨率的限制，在模数转换时，干扰信号比有用信号强而导致了有用信号无法准确的转换。
因此，为实现全双工无线通信，提高无线通信的频谱效率，必须在射频接收信号ADC采样之前通过有效的干扰消除技术降低或消除自干扰信号。
中国专利《一种同时同频全双工多抽头射频自干扰抵消系统及方法》(公开号CN103427872A)公开了一种同时同频全双工多抽头射频自干扰抵消系统及方法。该方法对信号进行模式识别后经由多抽头射频干扰重建滤波器对发射端射频信号进行重建并抵消，通过调整算法有效消除自干扰，提高频谱利用率，提升射频自干扰抵消性能。该专利所述方法，仅在射频端对自干扰信号进行消除并未考虑对数字自干扰信号进行消除,可能造成残余自干扰信号过大而影响有用信号的接收。
中国专利《基于功率检测及环路延迟计算的自干扰消除方法》(公开号CN103458424A)公开了一种基于功率检测及环路延迟计算的自干扰消除方法。该方法通过训练序列信号按照环路延迟算法测算接收自干扰信号相对于发射参考信号的时延和功率值的变化，重构干扰信号，然后在数字信号处理电路中消除自干扰信号。该专利所述方法仅参考接收自干扰信号相对于发射参考信号的功率值的变化对信号进行幅度的调整，误差较大，准确度不够高，且没有对信号进行相位的调整而降低自干扰抵消性能。
综上，现有的自干扰消除技术方案，在射频滤波部分有较有效的消除效果，但是仅对干扰信号进行射频对消是远远不够的，在数字域对自干扰信号的消除可以进一步消除残余自干扰信号，更有效地提高自干扰消除系统的整体性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种同时同频全双工通信系统中基于谱估计的数字自干扰消除方法及装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种基于谱估计的全双工自干扰消除方法，它包括如下步骤：
1)对待发送信号进行处理后得到数字发送信号s(n)，将数字发送信号s(n)分成至少三个支路信号，其中数字发送信号s(n)第一支路进行数模转换生成射频发送信号s(t)，处理后输出射频接收信号r(t)；
2)将射频接收信号r(t)分成两支路，对射频接收信号r(t)第一支路与数字发送信号s(n)第二支路进行谱估计分析产生权值向量H，射频接收信号r(t)第二支路进行模数转换得到数字接收信号r(n)；
3)对数字发送信号s(n)的第三支路进行该权值向量H控制和调整的滤波重构得到数字干扰重构信号
4)将数字接收信号r(n)与数字干扰重构信号进行数字自干扰消除，得到数字自干扰消除后的有用信号x(n)；
5)对有用信号x(n)进行数字自干扰消除性能评估，实时的调整和修改权值向量H，达到系统所需的最佳输出信号要求。
优选的，步骤1)中，将所述射频发送信号s(t)分为两路，其中射频发送信号s(t)第一支路进行消极自干扰消除并输出信号r1(t)；射频发送信号s(t)第二支路进行调幅、调相及反相处理得到信号s1(t)，将信号r1(t)和信号s1(t)合路输出所述射频接收信号r(t)；其中所述信号s1(t)和信号r1(t)的载波相差波长一半的奇数倍，相位相差其中λ为所述待发送信号的无线电波波长。
优选的，步骤2)中，所述谱估计分析过程为：建立信号谱估计模型，对所述射频接收信号r(t)进行超采样使采样后的信号具有离散时间循环平稳特性，估计所述射频接收信号r(t)和所述数字发送信号s(n)的二阶统计量信息，根据所述二阶统计量信息计算所述权值向量H；其中所述权值向量H包括幅度系数值A、时延系数值τ和相位系数值θ。
优选的，所述二阶统计量信息包括所述射频接收信号r(t)的谱相关密度所述数字发送信号s(n)的功率谱密度Ss(jw)以及噪声的功率谱密度Sw(jw)。
优选的，所述消极自干扰消除是通过天线分离、方向分离或偏振去耦实现。
优选的，步骤5)中，所述数字自干扰消除性能评估采用自适应算法，所述自适应算法可以是最小均方(Least Mean Square，LMS)算法或递归最小二乘(Recursive LeastSquares，RLS)算法。
本发明还提供了一种基于谱估计的全双工自干扰消除装置，包括基带发送处理单元、射频自干扰消除单元、信号谱分析单元、自适应自干扰重构单元、加法器及基带接收处理单元；基带发送处理单元的输出分别连接射频自干扰消除单元、信号谱分析单元及自适应自干扰重构单元；信号谱分析单元的输入连接射频自干扰消除单元，输出连接自适应自干扰重构单元；加法器的输入连接射频自干扰消除单元及自适应自干扰重构单元，输出连接自适应自干扰重构单元及基带接收处理单元；
所述射频自干扰消除单元用于消极自干扰消除及射频自干扰消除；所述信号谱分析单元用于建立谱估计模型、提取和分析信号的二阶统计量信息；所述自适应自干扰重构单元用于对信号进行重构、并自适应调整重构结构；所述加法器用于进行数字自干扰消除运算。
优选的，所述射频自干扰消除单元包括数模转换器(DAC)、分路器、天线模块、相位调节模块、合路器及模数转换器(ADC)；数模转换器的输入连接所述基带发送处理单元，输出连接分路器，天线模块及相位调节模块并联于分路器和合路器之间，模数转换器连接于合路器和所述加法器之间。
优选的，所述信号谱分析单元包括谱估计模型建立模块和谱分析模块，其中谱估计模型建立模块的输入连接所述合路器及所述基带发送处理单元，输出连接谱分析模块。
优选的，所述自适应自干扰重构单元包括干扰重构滤波器和自适应调整模块；其中干扰重构滤波器的输入连接所述信号谱分析单元及所述基带发送处理单元，输出连接所述加法器，加法器输出连接所述自适应调整模块。
本发明的有益效果是，利用信号的二阶循环统计量信息对自干扰信号进行重构和抵消，并通过自适应调整来减小估计误差。相比现有自干扰消除方法，本发明专利提出的方法提升了数字自干扰消除的整体性能，且具有更好的收敛性和更小的计算复杂度。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种基于谱估计的全双工自干扰消除方法及装置不局限于实施例。
附图说明
图1为本发明基于谱估计的全双工自干扰消除装置的结构示意图。
具体实施方式
一种基于谱估计的全双工自干扰消除装置，如图1所示，包括基带发送处理单元1、射频自干扰消除单元2、信号谱分析单元3、自适应自干扰重构单元4、加法器5及基带接收处理单元6。基带发送处理单元1的输出分别与射频自干扰消除单元2、信号谱分析单元及3自适应自干扰重构单元4相连。信号谱分析单元3的输入与射频自干扰消除单元2相连，输出与自适应自干扰重构单元4相连。加法器5的输入与射频自干扰消除单元2及自适应自干扰重构单元4相连，输出与自适应自干扰重构单元4及基带接收处理单元6相连。
射频自干扰消除单元2包括DAC21、射频发射通道22、分路器23、天线模块24、相位调节模块25、合路器26、射频接收通道27及ADC28。DAC21的输入连接基带发送处理单元1，输出通过射频发射通道22连接分路器23，天线模块24及相位调节模块25连接于分路器23和合路器26之间，ADC28经由射频接收通道27连接合路器26并和加法器5相连。相位调节模块25可以包括调幅调相模块及反相模块以对信号进行调节。基带发送处理单元1发送的信号经DAC21进行数模转换后传送至射频发射通道22，再由分路器23分成两路完全相同的信号，分别进入天线模块24和相位调节模块25进行处理后于合路器26进行合路，用于对自干扰信号进行射频自干扰消除。天线模块24可以包括发射端天线和接收端天线，对自干扰信号进行消极自干扰消除。射频发射通道22包括射频发射通道包括低通滤波器、IQ混频器、电压增益放大器以及功率放大器等，射频接收通道27包括有带通滤波器、低噪声放大器、IQ混频器、低通滤波器以及电压增益放大器等。
信号谱分析单元3包括谱估计模型建立模块31和谱分析模块32，其中谱估计模型建立模块31的输入与合路器26相连，输出与谱分析模块31的输入相连，用于建立谱估计模型、提取和分析信号的二阶统计量信息。
自适应自干扰重构单元4包括干扰重构滤波器41和自适应调整模块42。干扰重构滤波器41的输入和谱分析模块32及基带发送处理单元1相连，输出与加法器5和自适应调整模块42相连。自适应自干扰重构单元4用于对信号进行重构、并自适应调整重构结构。加法器5用于进行数字自干扰消除运算。
应用上述装置的一种基于谱估计的全双工自干扰消除方法一种基于谱估计的全双工自干扰消除方法，它包括如下步骤：
1、基带发送信号处理单元1对待发送的信号进行信道编码、信源编码，数字调制，数字上变频等流程的处理后，得到数字发送信号s(n)。数字发送信号s(n)分别送往射频自干扰消除单元2、信号谱分析单元3和自适应自干扰重构单元4。数字发送信号s(n)经过射频自干扰消除单元2的数模转换器DAC21进行模数转换后再传送至射频发射通道22，变成射频发送信号s(t)，并经由分路器23分成两路分别送入天线模块24和相位调节模块25。
2、天线模块24和相位调节模块25对射频发送信号s(t)进行处理后，通过合路器26输出射频接收信号r(t)。
天线模块24对射频发送信号s(t)的处理，是为避免自干扰信号功率过大造成接收机饱和，而采取的消极自干扰消除。消极自干扰消除的目标是通过使用天线设计减少全双工节点上发射与接收天线间的电磁耦合，从而降低自干扰信号功率。具体的，可以采用天线分离、方向分离或偏振去耦等方法等进行消极自干扰消除。
相位调节模块25对射频发送信号s(t)的处理，是指考虑到ADC28分辨率的限制，避免自干扰信号功率过大造成有用信号无法准确转换，而采取的射频自干扰消除手段。
进一步，射频自干扰消除，其典型结构为，将射频发送信号s(t)经过分路器23后，产生两路完全相同的射频发送信号s(t)，一路输入至天线模块24后，从天线模块24输出射频接收信号r1(t)；一路经过相位调节模块25进行调幅和调相，再对信号s(t)进行反相处理，使得处理后的信号s1(t)和射频接收信号r1(t)的载波相差波长一半的奇数倍，这时两信号的相位相差其中λ为发射信号的无线电波波长。最后将s1(t)通过合路器26，和来自天线模块24的接收信号r1(t)进行合路，输出射频接收信号r(t)，即实现射频自干扰消除。
目前射频接收机中使用的噪声消除芯片QHx220可用于实现射频自干扰消除。
3、将射频接收信号r(t)传送至射频接收通道27后，一路输入至ADC28进行模数转换，得到数字接收信号r(n)；一路输入至信号谱分析单元3，信号谱分析单元3根据射频接收信号r(t)和数字发送信号s(n)，产生权值向量H。
信号谱分析单元3对射频接收信号r(t)和数字发送信号s(n)进行处理，具体方法为：
(1)谱估计模型建立模块31首先建立合适的信号谱估计模型。
对自干扰信号进行重构的过程，不仅需要幅频重构，还需要一个相位恢复的过程，以补偿整个系统引起的相位误差，克服载波频率偏移带来的相位抖动。信号的二阶统计量信息，如相关函数和功率谱中，并不包含对自干扰信号进行重构所需的相位信息，可以对射频接收信号r(t)以一定的采样率进行超采样，使得采样后的信号为离散时间循环平稳过程，具有循环平稳特性：
其中r(nTs)为采样后的循环平稳信号，n为整数，表示离散的采样时刻，Ts为采样率。
循环平稳信号r(nTs)的二阶循环统计量(如循环自相关函数、谱相关密度)中保留了平稳信号二阶统计量中所没有的相位特性，从而可以用于对自干扰信号进行相位恢复。
r(nTs)的循环自相关函数可估计为：
其中N为用于估计的r(nTs)的序列长度，m为整数，表示离散的采样时刻，β表示r(nTs)的周期。r(nTs)的谱相关密度SCD可估计为：
其中M为用于估计的的序列长度，w表示频率。其中，为保证循环自相关函数估计的偏差足够小，必须满足N＞＞T/Ts，N＞＞M，T为符号间隔；为保证谱相关密度SCD的估计偏差足够小，M的取值必须足够大。
对于数字发送信号s(n)，其功率谱密度PSD为：
其中Rs(k)为数字发送信号s(n)的自相关函数，k为离散时刻。
对于噪声w(n)，假设其为平稳白噪声，则其功率谱密度PSD为：
Sw(jw)＝N0，其中N0为白噪声的方差。
本发明专利采用自回归(Auto Regressive，AR)模型为例对以上谱相关密度功率谱密度Ss(jw)进行估计，只要模型的阶数足够高，就可以比较好的估计出相应参数。且采用AR模型的参数计算是线性方程，比较简便，实时性高。
(2)谱分析模块32根据上述二阶统计量信息，计算权值向量H。
谱估计模型建立模块31得到射频接收信号r(t)的谱相关密度数字发送信号s(n)的功率谱密度Ss(jw)以及噪声的功率谱密度Sw(jw)后，根据式子：
进行分析和计算，得出控制干扰重构滤波器的权值向量H。其中，H(jw)为干扰重构滤波器的系统函数。
进一步，所述权值向量H，包括幅度系数值A、时延系数值τ和相位系数值θ。
4、干扰重构滤波器4对自干扰信号进行重构。
权值向量H输入至自适应自干扰重构单元4中的干扰重构滤波器41，对该干扰重构滤波器41进行控制和调整，干扰重构滤波器可采用有限长单位冲激响应(Finite ImpulseResponse，FIR)滤波器。数字发送信号s(n)经过干扰重构滤波器滤波后得到数字接收信号r(n)的重构信号：
其中符号表示信号卷积，为自干扰重构信号，h(n)为干扰重构滤波器的冲击响应，w(n)为噪声。
5、对数字接收信号r(n)进行数字自干扰消除。
将数字接收信号r(n)和数字干扰重构信号输入至加法器5，并在加法器5中进行数字自干扰消除，得到数字自干扰消除后的有用信号：
6、将有用信号x(n)输入至自适应自干扰重构单元4中的自适应调整模块42，利用自适应算法，对数字自干扰消除性能进行评估，实时的调整和修改滤波器的权值向量H，达到最佳的输出系统所需信号的要求，并由基带接收处理单元6对经过数字自干扰消除后的基带接收数据进行处理。
自适应算法，可采用频域的方法，也可采用时域的方法，如最小均方(Least MeanSquare，LMS)算法，或递归最小二乘(Recursive Least Squares，RLS)算法。
进一步，本发明专利以LMS算法为例，LMS自适应算法基于梯度下降算法思想，将有用信号x(n)作为误差信号，算法的代价函数J为：
考虑到实际应用，采用瞬时梯度：
其中表示有用信号x(n)的共轭。
得到自适应LMS算法的权值更新表达式：
其中，μ表示收敛步长因子，H(n)和H(n+1)分别表示n时刻和n+1时刻滤波器的权值向量。
LMS算法的收敛速度取决于步长因子，步长因子越大，算法收敛速度越快。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种基于谱估计的全双工自干扰消除方法及装置，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于谱估计的全双工自干扰消除方法，其特征在于包括以下步骤：
1)对待发送信号进行处理后得到数字发送信号s(n)，将数字发送信号s(n)分成至少三个支路信号，其中数字发送信号s(n)的第一支路进行数模转换生成射频发送信号s(t)，处理后输出射频接收信号r(t)；
2)将射频接收信号r(t)分成两支路，对射频接收信号r(t)第一支路与数字发送信号s(n)的第二支路进行谱估计分析产生权值向量H，射频接收信号r(t)第二支路进行模数转换得到数字接收信号r(n)；
3)对数字发送信号s(n)的第三支路进行该权值向量H控制和调整的滤波重构得到数字干扰重构信号
4)将数字接收信号r(n)与数字干扰重构信号进行数字自干扰消除，得到数字自干扰消除后的有用信号x(n)；
5)对有用信号x(n)进行数字自干扰消除性能评估，实时的调整和修改权值向量H，达到系统所需的最佳输出信号要求。
2.根据权利要求1所述的基于谱估计的全双工自干扰消除方法，其特征在于：步骤1)中，将所述射频发送信号s(t)分为两路，其中射频发送信号s(t)第一支路进行消极自干扰消除并输出信号r1(t)；射频发送信号s(t)第二支路进行调幅、调相及反相处理得到信号s1(t)，将信号r1(t)和信号s1(t)合路输出所述射频接收信号r(t)；其中所述信号s1(t)和信号r1(t)的载波相差波长一半的奇数倍，相位相差其中λ为所述待发送信号的无线电波波长。
3.根据权利要求1所述的基于谱估计的全双工自干扰消除方法，其特征在于：步骤2)中，所述谱估计分析过程为：建立信号谱估计模型，对所述射频接收信号r(t)进行超采样使采样后的信号具有离散时间循环平稳特性，估计所述射频接收信号r(t)和所述数字发送信号s(n)的二阶统计量信息，根据所述二阶统计量信息计算所述权值向量H；其中所述权值向量H包括幅度系数值A、时延系数值τ和相位系数值θ。
4.根据权利要求3所述的基于谱估计的全双工自干扰消除方法，其特征在于：所述二阶统计量信息包括所述射频接收信号r(t)的谱相关密度所述数字发送信号s(n)的功率谱密度Ss(jw)以及噪声的功率谱密度Sw(jw)。
5.一种基于谱估计的全双工自干扰消除装置，其特征在于包括：基带发送处理单元、射频自干扰消除单元、信号谱分析单元、自适应自干扰重构单元、加法器及基带接收处理单元；基带发送处理单元的输出分别连接射频自干扰消除单元、信号谱分析单元及自适应自干扰重构单元；信号谱分析单元的输入连接射频自干扰消除单元，输出连接自适应自干扰重构单元；加法器的输入连接射频自干扰消除单元及自适应自干扰重构单元，输出连接自适应自干扰重构单元及基带接收处理单元；
所述射频自干扰消除单元用于消极自干扰消除及射频自干扰消除；所述信号谱分析单元用于建立谱估计模型、提取和分析信号的二阶统计量信息；所述自适应自干扰重构单元用于对信号进行重构、并自适应调整重构结构；所述加法器用于进行数字自干扰消除运算。
6.根据权利要求5所述的基于谱估计的全双工自干扰消除装置，其特征在于：所述射频自干扰消除单元包括数模转换器(DAC)、分路器、天线模块、相位调节模块、合路器及模数转换器(ADC)；数模转换器的输入连接所述基带发送处理单元，输出连接分路器，天线模块及相位调节模块并联于分路器和合路器之间，模数转换器连接于合路器和所述加法器之间。
7.根据权利要求6所述的基于谱估计的全双工自干扰消除装置，其特征在于：所述信号谱分析单元包括谱估计模型建立模块和谱分析模块，其中谱估计模型建立模块的输入连接所述合路器及所述基带发送处理单元，输出连接谱分析模块。
8.根据权利要求5所述的基于谱估计的全双工自干扰消除装置，其特征在于：所述自适应自干扰重构单元包括干扰重构滤波器和自适应调整模块；其中干扰重构滤波器的输入连接所述信号谱分析单元及所述基带发送处理单元，输出连接所述加法器，加法器输出连接所述自适应调整模块。
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