CN104852752B - 用于高效全双工通信中的自干扰消除的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于高效全双工(如在相同频率上同时发送和接收)通信的消除自干扰的系统和方法。本发明实施例提供一种干扰消除结构，其具有多抽头矢量调制器干扰消除电路，用于消除模拟RF域中的时变多径干扰。实施例的多抽头矢量调制器干扰消除电路可以包括多级干扰消除电路，例如多级干扰消除电路包括一个多抽头矢量调制器干扰消除电路和一个数字残余干扰消除电路。数字残留干扰消除电路提供残余干扰消除。多级干扰消除电路用于提供强多径信号消除以及残余多径信号消除，包括与环形器泄漏、天线反射和多径有关的接收信号干扰。

Description

用于高效全双工通信中的自干扰消除的系统和方法
【技术领域】
本发明涉及通信技术。更具体地，本发明涉及高效全双工通信中的自干扰消除。
【背景技术】
在个人和企业的日常工作中，通信系统的使用已经无处不在。有线通信网络和无线通信网络，包括公共交换电话网(PSTN)、因特网、蜂窝网络、有线电视传输系统、本地局域网(LAN)、城域网(MAN)和广域网(WAN)，都普遍进入现代社会中，使得语音、数据、多媒体等通信更为便利。
由于这些通信系统的使用持续增长，通信信道则变得越来越拥挤。例如，用于无线通信的频谱已经被大量使用，导致只有有限的带宽可用于个人设备、干扰、通信质量差等等。
已经有各种技术被用于消除或避免干扰。例如，一些设备已经使用了频分多址(FDMA)和时分多址(TDMA)技术，同时消除或避免干扰，以使通信顺畅。然而，这些技术通常不是高频谱效率，因为不同的频谱块(在频率和/或时间上)被保留用于某个设备的个人通信，那么这些频谱块就不可用于其它设备。典型的进一步调配频谱效率的通信实施是使用频分双工(FDD)和/或时分双工(TDD)，频谱被进一步划分，使得一些频谱块(在频率和/或时间上)被保留用于上行链路通信，其他频谱块被保留用于下行链路通信。
用于消除或避免干扰的其它技术已经实施在接收装置的电路里，用于衰减或消除干扰信号。例如，一些现有尝试通过使用矢量调制器、射频(RF)多抽头结构、或非线性干扰信号消除的设置，已经采用了有源器件的消除方法。
使用矢量调制器用于干扰消除，是由M.E.Knox在“Single antenna full duplexcommunications using a common carrier”2012IEEE第13届无线和微波技术会议(WAMICON)(Florida，2012：1-6)上首次提出的，其公开内容在此引入作为参考。矢量调制器技术通过测量接收信号的功率，并使用一个预定的延迟假设，实现增益控制以抵消干扰。使用这样的矢量调制器已经有了各种后续发展，如中国专利申请CN103580720A，其中使用矢量调制器和放大器，用于消除干扰，以及美国专利申请US2012/0201153A1，其中通过控制信号的同相(I)和正交(Q)分量的衰减，在一个矢量调制器上模拟一段干扰的可变延迟。但是，这种现有的矢量调制器尝试消除干扰，只提供消除单一路径的干扰。而且，通过这样的实施方式提供的自适应控制仅仅基于一个接收信号强度指示器(RSSI)。
在美国专利US5691978中的RF多抽头结构使用了多抽头RF延迟和衰减器，提供模拟消除，和数字自适应滤波以消除干扰。但是，由这种结构所提供的模拟消除，没有提供自适应控制，因为延迟是预定的(即，依赖于一个预先假定的信道响应)。此外，数字消除没有解决系统中的非线性，如可能由有源器件引入(如功率放大器(PA))的非线性。与上述结构类似，在美国专利申请US2013/0301488A1和US2014/0219139A1中所示的RF多抽头结构使用一对延迟和衰减器来消除I和Q信号分量的多路径干扰。也像上述RF多抽头结构，该I/Q RF多抽头结构使用预定的延迟和衰减，也不提供自适应控制。
已经有结构被提出用于实现非线性干扰信号消除，该结构参考有源器件(如PA)的信号(其引入了非线性)，并依赖于该有源器件的一个非线性模型。例如，Lauri Anttila，Dani Korpi，Ville Syrjala，Mikko Valkama在“Cancellation of power amplifierinduced nonlinear self-interference in full-duplex transceivers”2013IEEE 47thAsilomar Conference on Signals，Systems，and Computers(ACSSC)，2013，1193-1198中提出了建模非线性信道(其由一个非线性功率放大器组成)、线性多径信道、和RF的自干扰信道。同样，M.Omer，R.Rimini，P.Heidmann，J.S.Kenney在“A compensation scheme toallow full duplex operation in the presence of highly nonlinear microwavecomponents for 4G systems”2011IEEE MTT-S International in Microwave SymposiumDigest(MTT)，2011，1-4中提出了一种数字自适应非线性滤波器，以忠实地重建和消除PA非线性。但是，很难对每个有源器件建立一个精确的非线性模型。其中，相对于期望接收的信号，干扰信号的强度是很大的(例如干扰信号的强度与期望接收信号的强度一样大或比之更大)，一个很小的建模误差就会导致在使用干扰消除后有一个很大的残余干扰。
【发明内容】
本发明公开了一种消除自干扰的高效频谱全双工通信系统及方法。高效频谱全双工通信系统使用相同的频率同时进行发射和接收，从而提高频谱效率。例如，与频分双工或时分双工相比，在高效频谱全双工通信系统中，在相同频率上运行的上行链路和下行链路在时间上完全重叠(如信号发射和信号接收连续重叠)，该高效频谱全双工通信能提供加倍的频谱效率。但是，由于同时的信号发送和接收，在接收电路上的自干扰信号的强度可能相当大，与期望接收信号的强度(如由远端站发送的)相比。例如，高效频谱全双工通信系统的自干扰信号可以大到足以超过在解调信号中使用的模数转换器(ADC)的动态范围。
本发明实施例提供一种干扰消除结构，其具有一个多抽头矢量调制器干扰消除电路，用于消除模拟RF域中的时变多径干扰。多抽头矢量调制器干扰消除电路包括一个多抽头矢量调制器、一个用于从非线性发射电路的输出获取参考信号的发送信号采样模块、一个用于从接收器前端模块的输出获得参考信号的接收信号采样模块、和一个信道估计模块，信道估计模块根据所述发送信号采样模块和接收信号采样模块的输出来控制多抽头矢量调制器。多抽头矢量调制器干扰消除电路提供一个模拟消除模块，其自适应地控制产生一个消除信号，用于时变多径干扰信号的消除。此外，多抽头矢量调制器干扰消除电路结构适于解决系统中的非线性，如在发射链(如PA)引入的非线性。
多抽头矢量调制器干扰消除电路属于多级干扰消除电路的一部分。例如，多级干扰消除电路包括一个多抽头矢量调制器干扰消除电路和一个数字残余干扰消除电路。本发明的数字残余干扰消除电路包括一个残余信道估计模块和一个有限脉冲响应(FIR)模块，残余信道估计模块对一个被多抽头矢量调制器干扰消除电路已经消除干扰的信号进行采样，有限脉冲响应(FIR)模块根据所述残余信道估计模块的输出而提供残余干扰消除。这样的一个多级干扰消除电路结构可以提供强多径信号消除，也能消除残余的多径信号，包括环形器的泄漏、天线反射和多径相关的接收信号中的干扰。
采用多抽头矢量调制器干扰消除电路的干扰消除电路解决了关于大自干扰超过接收链器件动态范围的问题，解决了关于多路径自干扰的问题，解决了关于时变延迟和的干扰路径的功率电平的问题，以及解决了关于自干扰信号具有与有源元件相关的非线性的问题。因此，这种干扰消除电路有利于高效频谱全双工通信的实施。此外，采用干扰消除电路的消除全双工通信自干扰的系统在频谱使用上具有更大的灵活性。
前述已经相当广泛地概括了本发明的特征和技术优势，以便可以更好地理解以下本发明的详细描述。本发明的其它特征和优势将在随后进行描述，其构成本发明权利要求的主题。本领域技术人员应该注意到，可以轻松地利用披露的概念和具体实施例作为一个基础，用来修改或设计能够执行本发明相同目的的其它结构。本领域技术人员也应该认识到，这种等同构造没有偏移在附加权利要求内阐述的本发明精神和范围。被看作本发明特性的新颖性特征，有关其组织和运作方法，与其它目的和优势一起，从以下结合附图的描述可以更好地加以理解。但是，应该深刻地认识到，在此提供的每个附图仅是用作描述和说明用途，并不是意在作为限制本发明的定义。
【附图说明】
为了更完整地理解本发明，请参考以下描述并结合附图，其中：
图1显示本发明实施例的一个高效全双工通信系统。
图2A显示其中发射电路和接收电路使用单独天线结构的一个高效全双工通信站。
图2B显示在图2A的高效全双工通信站的接收电路上的自干扰信号。
图2C显示其中发射电路和接收电路使用一个公共天线结构的一个高效全双工通信站。
图2D显示在图2C的高效频谱全双工通信站的接收电路上的自干扰信号。
图3A显示本发明实施例的一个多级干扰消除电路。
图3B显示图3A的多级干扰消除电路的信道估计模块。
图3C显示图3A的多级干扰消除电路的多抽头矢量调制器模块中一个抽头的细节。
图3D显示图3A的多级干扰消除电路的残余干扰消除模块。
图4显示本发明实施例的多级干扰消除电路运行的一个高级别流程图。
图5A显示本发明实施例的多级干扰消除电路的模拟自干扰消除阶段的仿真结果。
图5B显示本发明实施例的多级干扰消除电路的数字自干扰消除阶段的仿真结果。
图6显示一个可用于本发明的自干扰消除的基于处理器的系统结构。
【具体实施方式】
图1显示高效全双工通信系统的运行。图1的高效全双工通信系统100包括通过无线链路101进行数据通信的站110A和110B(仅显示其中一部分)。例如，站110A和110B包括各种形式的基于处理器的设备，如用户设备(例如个人计算机(PC)、笔记本计算机、个人数字助理(PDA)、蜂窝电话、智能电话、平板设备、工作站终端设备、售货亭终端等)，服务提供商设备(例如服务器、前端系统、后端系统、运行、管理、维护和配置系统(OAM&P)等)，和/或基础设施设备(例如接入点(AP)、基站(BS)、交换机、路由器等)。无线链路101可通过无线通信网络来提供，例如可包括一部分PSTN、因特网、蜂窝网络、电缆传输系统、局域网、城域网、广域网等。
高效全双工通信系统100使用相同频率进行发送和接收。例如，上行链路传输102和下行链路传输103都在相同频率下运行(如频率A)，在时间上可以完全重叠，使得在每个站110A和110B上的信号发送和接收持续重叠。但是应当注意，根据实施例提供的这样的传输，可能并不完全重叠(例如在频率上部分重叠，通过在上行链路和下行链路中使用部分重叠的频带，和/或在时间上部分地重叠，通过使用部分重叠的上行链路和下行链路传输突发周期)，仍可提供一些程度的频谱效率。
上述高效全双工通信通常导致一个站的接收电路上有可观的自干扰信号存在。例如，如图2A-2D，由于同时的信号发送和接收，与感兴趣的接收信号(如由一个远程站发送的)强度相比，在接收电路上的自干扰信号的强度可能非常强大。
例如，图2A显示站110的一个结构(可以是图1的站110A或110B)，其中发射电路(表示为发射链211)和接收电路(表示为接收链212)利用单独的天线结构(如天线元件221和222)，因此提供某种程度的隔离(如空间分离和/或极化分集)给发送信号和接收信号。但是，由于天线元件221和222之间的直接路径251和/或与环境特征201(如墙壁、天花板、建筑物、山脉等)相关联的反射路径252，会有明显的自干扰。如图2B所示，在接收电路上的自干扰信号的强度可能是相当大的，特别是和发射信号的强度以及感兴趣的接收信号的强度相比。例如，来自直接路径251的自干扰信号的强度(由矢量261表示)，可能超过最大期望接收功率(例如超出接收电路的一个或多个部分的运行范围，如超过了接收链ADC的动态范围)。同样，来自反射路径252的自干扰信号的强度(由矢量262表示的多路径)，可能超过最大期望接收功率。
作为另一例子，图2C显示站110的一个结构，其中发射电路和接收电路使用了一个公共天线结构(天线元件223)，环形器电路(显示为环形器231)提供某种程度的隔离(如端口隔离)给发送信号和接收信号。如前面的例子，由于与环境特征201相关联的反射路径252、天线反射路径253(如传输电路和天线系统的阻抗失配、天线空中接口的阻抗失配等)、和/或泄漏通道254(如环形器端口之间的泄漏)，会有明显的自干扰存在。如图2D所示，出现在接收电路上的自干扰信号的强度仍然是相当大的。例如，来自泄漏路径254的自干扰信号的强度(由矢量264表示)可能会超过最大期望接收功率。同样地，来自天线反射路径253的自干扰信号(表示为矢量263)的强度可能会超过最大期望接收功率。同样地，来自反射路径252的自干扰信号(由矢量262表示的多径)的强度可能会超过最大期望接收功率。
从上述可以很容易地理解，由于高效全双工通信系统100的同时发送和接收信号，存在于接收电路上的自干扰信号的强度会很大。此外，这些自干扰信号是随时间变化的，例如由于多径环境的改变。
本发明实施例提供一种具有多抽头矢量调制器干扰消除电路的干扰消除结构，用于消除模拟RF域的时变多径干扰。例如，图3A显示站110中的多抽头矢量调制器干扰消除电路310。应当知道，图3A中的站110可包括各种结构，例如其中一种结构是发送电路和接收电路使用独立的天线结构(如图2A)，另外一种结构是发射电路与接收电路通过一环形器使用一个公共天线结构(如图2C)，等等。
图3A所示的多抽头矢量调制器干扰消除电路310的实施例包括多抽头矢量调制部311、发送信号采样模块314、接收信号采样模块315、和信道估计模块316，它们相互合作运行，以提供有源模拟消除，如消除强大的多径自干扰信号。关于信道估计模块316和多抽头矢量调制器311中的一个抽头的其他细节分别显示于图3B和3C。
如图3A，发送信号取样模块314从发射链211的非线性传输电路(如PA)的输出获得一个参考信号，从而对由该传输电路引入到发射信号中的任何非线性进行采样。接收信号采样模块315从前端电路的天线馈电结构的输出获得一个参考信号。运行时，信道估计模块316根据发送信号取样模块314和接收信号采样模块315的输出，提供一个控制信号给多抽头矢量调制器311。
接收链中的接收信号采样模块连接在某些非线性接收组件(如LNA和/或其他非线性接收电路)之前，如图示实施例中的接收信号采样模块315，提供了多级干扰消除，以消除前述接收电路引入的非线性。例如，图3A所示实施例的模拟消除点位于LNA之前，因此模拟消除的参考信号就相应地在LNA之前提取。虽然LNA非线性不会影响模拟消除，但是所示的多级干扰消除结构提供了进一步的干扰消除级(显示为数字残余干扰消除电路320)，其中所述消除点是在包含LNA的接收链之后。在数字取消点接收到的信号受到LNA非线性的影响，因此数字残余信道估计使用LNA之后的信号作为参考信号，从而使数字消除算法能用于LNA非线性(通过下面详细讨论图3A的多级干扰结构，将会更好理解此段)。然而，在一些实施例中，接收信号采样模块315可以从一个接收器前端模块(例如可以包括接收链212的一部分)的输出获得一个参考信号，从而对由该接收电路引入到接收信号中的任何非线性进行采样。
实施例的信道估计模块316根据基带信号提供一个RF强信道估计，并将基带信道估计转换为RF信道参数，由多抽头矢量调制器311使用。运行时，信道估计模块316计算由发送信号取样模块314和接收信号采样模块315采样的信号之间的相关性，使用sinc函数内插，并计算多个延迟的关系(如对应于矢量调制器模块311中矢量调制器的路径数的多个延迟的关系)。
如图3B，信道估计模块316包括基带信道估计模块317和RF信道转换模块318。基带接收信号可表示为y＝MhBB+x+n，其中y是基带接收信号(y＝[y0 y1…yF-1]r)，M是循环的基带传输序列矩阵
hBB是复数基带信道脉冲响应(hBB＝[h0 h1…hL]r，x是期望的接收信号，n是接收信号噪声分量。基带信道估计模块317通过最小化平方误差量可以找到最小二乘信道估计，提供其还可以简化为根据以下k∈[0，L]，其中Fc是载波频率，Fs是采样频率，RF信道转换模块318可以将估计的基带信道转换为RF信道参数。由信道估计模块316提供的估计自干扰RF信道，被提供给多抽头矢量调制器311，用于自适应地产生一个干扰消除信号。例如，RF信道转换模块318使用所估计的信道响应，产生多个路径的同相和正交系数(如在矢量调制器模块311所提供的等于矢量调制器路径的多个路径I和Q系数)，将这多个路径同相和正交系数从数字域转换到模拟域，并对同相和正交系数的变化进行滤波。
对于接收信号内多种情况的强的自干扰，多抽头矢量调制器311使用由信道估计模块316提供的估计的自干扰RF信道参数，提供RF强自干扰重建。运行时，提供发射信号的多个样本给多抽头矢量调制器311，用于重建多种情况的自干扰，例如与各种干扰路径(如直接路径、反射路径、泄漏路径等)相关的、和/或多路径环境的结果。因此，多种情况的采样发射信号可以由多抽头矢量调制器311进行处理，以产生一个自干扰消除信号，因此实施例中的多抽头矢量调制器包括多个信号处理路径(表示为信号处理路径312A和312B)，每个都最好响应于一个估计的自干扰RF信道信号输入。例如，一个发射信号S，被分离采样并提供给多抽头矢量调制器311，其中发射信号矢量S可表示为S＝[S0 S1…Sn-1]T。通过一个信号延迟器的阵列(例如使用固定的延迟线，如印刷电路板延迟线，提供一个增加的延迟给每种情况的采样发射信号)，各种情况的采样的发射信号被提供给多抽头矢量调制器311，如图3A所示。根据本发明的实施例，一个特定多抽头矢量调制器的抽头数目可以根据采样频率和反射路径的最大距离来确定。多抽头矢量调制器采用的延迟范围可以根据反射路径的最大距离来确定，延迟增量可以根据采样间隔来确定。举个具体的例子，假设采样频率是122.88MHz，反射路径的最大距离是大约20米，那么一个实施例的多抽头矢量调制器的抽头数量由以下确定：抽头数量＝20*122.88e6/3e8＝8(3e8米/秒是光速)。
现在参照图3C，详细显示了多抽头矢量调制器311的一个信号处理路径。信号处理路径312(其可以对应于图3A的信号处理路径312A和/或312B)包括转换电路331和矢量调制器332。由多抽头矢量调制器311提供的RF消除信号可表示为其中是RF消除信号，S是发射信号矢量(S＝[S0 S1…Sn-1]T)，是估计自干扰RF信道，n是接收信号噪声分量。在使用转换电路321后，发射信号矢量S就变成了一个复合矢量。因此，转换电路321提供一个0度和90度的相移，以提供同相和正交信号分量。矢量调制器332提供混合器以混合发射信号的同相和正交分量与RF信道参数的同相和正交控制输入。矢量调制器332的组合器将混合的同相和正交分量组合起来，以提供RF抵消信号。因此，估计的自干扰RF信道最好是估计的复合RF信道脉冲响应，可以表示为其中G是增益，θ是相位。因此，估计的自干扰RF信道被转换为一个模拟信号，然后输入到矢量调制器332。估计的自干扰RF信道的模拟信号可以表示为：其中Vmi和Vmq是I和Q的电压设置。
从上述可以理解，运行时，多抽头矢量调制器的干扰消除电路310提供一个模拟取消模块，其可以产生一个RF抵消信号以及一个自适应控制信号，用于时变多径干扰信号消除。此外，多抽头矢量调制器的干扰消除电路310的结构适于解决系统中的非线性，如在发射链(如PA)被引入的。
再次参照图3A，在发送信号路径中有一个可选的功能块：数字预失真(DPD)模块317。所示实施例的DPD模块317与发送信号采样模块314连接以接收采样的发射信号。如上所讨论的，发送信号采样模块314从发射链211的非线性发射电路(如PA)的输出获得发射信号的样本，因此包括非线性失真的影响。DPD模块317可以产生使用发送信号采样模块314的输出，产生预失真信号，从而消除非线性发射电路在最终发送信号中的影响。例如，使用预失真可以抑制发射信号的非线性失真，并间接降低非线性器件在自干扰信号中的影响。应当知道的是，对于DPD模块317，由发送信号采样模块314提供的采样信号可以是一个很好的参考，以适应PA输出的非线性，从而进一步利用采样电路。
图3A所示的多抽头矢量调制器干扰消除电路310包括一个多级干扰消除电路的一部分。具体地，图3A的多级干扰消除器电路300包括多抽头矢量调制器干扰消除电路310和数字残余干扰消除电路320。
实施例的数字残余干扰消除电路320根据基带信号提供残余信道估计和自干扰消除。因此，如图3A，数字残余干扰消除电路320包括残余信道估计模块321和消除信号发生器模块322。残余信道估计模块321对由多抽头矢量调制器干扰消除电路310消除干扰的一个信号进行采样，并提供一个关于残余信道(包括在多抽头矢量调制器干扰消除电路310消除干扰后的残余自干扰的信道，包括残余的或引入的误差、非线性等)的表示复合基带信道脉冲响应的信号。消除信号发生器模块322可包括如图3D所示的有限脉冲响应(FIR)模块，用于根据残余信道估计模块的输出而提供残余干扰消除。该多级干扰消除电路结构可以提供强多径信号的消除以及残余多径信号的消除，包括与环形器泄漏、天线反射和多径相关联的接收信号中的干扰。
残余信道估计模块321根据基带信号提供残余信道估计。残余信道估计模块321可以根据所有已知的发射信号提供相关信道估计，根据一个或多个已知的训练序列提供相关信道估计，根据一个或多个导频提供频域信道估计，和/或根据最小均方(LMS)或递归最小二乘(RLS)提供自适应滤波。
残余基带接收信号可以表示为y＝MhBB+x+n，其中y是基带接收信号(y＝[y0 y1…yF-1]r)，M是循环的基带传输序列矩阵
hBB是复合基带信道脉冲响应(hBB＝[h0 h1…hL]r，x是期望的接收信号，n是接收信号噪声分量。残余信道估计模块321通过最小化平方误差量可以找到最小二乘信道估计，提供根据图3D所示的实施例，数字基带消除信号是根据一个有限脉冲响应模型而重建的。这个数字消除信号可以表示使用数字消除信号提供的数字消除可以表示为
图4显示提供干扰消除的一个高级别流程图，根据图3A所示实施例，使用一个多级干扰消除电路，包括一个多抽头矢量调制器干扰消除电路和一个数字残余干扰消除电路，以消除时变多径干扰。特别是，图4的流程400提供在模拟域和数字域的协作来取消时变多路径自干扰。
在步骤401，在非线性(如有源)发射电路处理发送信号之后，发射信号被采样。例如，发射信号可以在被一个发射PA(如发射链211的PA)放大后进行采样，如上所述。因此，被采样的发射信号最好包括发射链中引入的非线性。
在步骤402，流程400在接收前端电路之后对接收信号进行采样。例如，接收信号可以在前端电路的天线馈电结构的输出处进行采样。根据实施例，接收信号可以在非线性电路后(如接收链212的LNA和/或其它有源接收电路之后)，在接收链上的一点处进行采样，从而由该接收电路引入的任何非线性都被采样了。
在步骤403，使用所采样的发送和接收信号，确定信道估计(如通过基带信道估计模块317)。在步骤404，该信道估计最好转换为RF信道参数(如通过RF信道转换模块318)，用于多抽头矢量调制。因此，在图4流程400中的步骤405，使用RF信道参数，应用多抽头矢量调制(如通过多抽头矢量调制器311)，以产生RF消除信号。在步骤406，RF消除信号被应用到接收信号上(如通过从接收信号中减去RF消除信号)，以提供一个残余RF信号。
图5A显示根据示例性多级干扰消除电路的模拟阶段的上述运行，模拟强多径自干扰消除的仿真结果。在图5A，假设该站使用单个天线和环形器结构，其中发射功率为20dBm(如具有20MHz带宽的一个LTE信号)，在多抽头矢量调制器中使用10抽头RF消除。在图5A中，线510表示发射信号，线520表示接收信号，线530表示残余RF信号。从线520可以看出，接收信号包括强自干扰(由干扰521表示)，这可能来自于泄漏路径、天线反射、多径等。但是，在应用模拟强多径自干扰消除后，由线530表示的残余RF信号，大约有43dB已经抵消，从而残余RF信号的残余干扰(由干扰531表示)被示例性多级干扰消除电路的数字阶段进一步处理。
在图4流程400的步骤407，使用所采样的发射信号和残余RF信号，确定残余信道估计(如通过残余信道估计模块321)。在运行时，应用残余信道估计到一个消除信号发生器(如消除信号发生器模块322)，例如可以包括一个FIR模块，以产生一个残余抵消信号，如步骤408。将残余抵消信号施加到残余RF信号上(如在数字域中从残余RF信号中减去残余RF抵消信号)，以提供一个期望的信号(如从多路径抵消或以其他方式消除强自干扰的接收信号)。
图5B显示根据示例性多级干扰消除电路的数字阶段的上述运行，数字多径自干扰消除的仿真结果。在图5B，假设期望的接收信号是-40dBm，其中所述期望的接收信号与残余干扰混合在一起(如线530中看到的残余基带信号具有由干扰551表示的残余干扰)。应当知道，所述残余干扰会影响非线性模型的估计系数。因此，本示例性实施例实施如上所述的残余信道估计。在仿真中实施数字多路径自干扰消除，其中对该非线性发射链输出进行采样，以提供非线性消除和简化的线性消除，一起作为线性干扰消除，结果有49dB的干扰消除(如期望的接收信号是一个消除或减轻干扰的基带信号，由干扰561表示49dB)。
为了比较，线570表示传统的非线性消除技术的运行。在传统技术中，数字消除会需要分别消除线性分量和非线性分量，由此这些分量的消除会互相影响。因为不精确的非线性模型(有源器件如PA和/或LNA的非线性一般都不能完全准确地建模的)，传统的非线性消除不能完全消除非线性干扰。如果干扰信号的强度大到可以和期望接收信号强度相比时(如本文描述的从一个高频谱效率全双工通信系统中产生的自干扰)，非线性模型的不准确会导致提供的消除不足以精确地令人满意地消除干扰。仿真结果表示，传统的干扰消除仅实现19dB的消除。因此，残余的非线性分量比噪声本底(假设在前述仿真中为-98dBm)还更高。
应当知道，各种上述功能、模块和/或过程或其部分，可以是在基于处理器的系统上运行的一个或多个指令集。例如，上述信道估计模块和/或数字残余干扰消除电路可以包括在一个通信站(如一个用户设备、网络基础设施等)的处理器上的可执行的指令。当以软件实现时，本发明的元件可以包括代码段以执行本文所描述的任务。程序或代码段可以存储在处理器可读(如计算机可读)介质中。“处理器可读介质”包括可存储信息的任何非临时性介质。所述处理器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器装置、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存、可擦除ROM(EROM)、磁盘存储器、光盘存储器等。
图6显示一部分基于处理器的系统600，例如可以对应于一个实施例的上述站110，适于提供自干扰消除。在所述实施例的基于处理器的系统600中，中央处理单元(CPU)601连接到系统总线602。CPU 601可以是任何通用CPU，如Intel公司的奔腾或核心处理器。本发明不限制CPU 601的体系结构，只要CPU 601支持本发明的运行。总线602连接到RAM 603，其可以是SRAM、DRAM或SDRAM。ROM 604也连接到总线602，其可以是PROM、EPROM、或EEPROM。RAM603和ROM 604保持用户和系统数据及程序(如上述指令集)，如本领域中所知的。
图6中的总线602也连接到输入/输出(I/O)控制器605、通信适配器611、用户接口适配器608以及显示适配器609。I/O适配器605将存储设备606(如一个或多个硬盘驱动器、光盘驱动器、存储区网络(SAN)等)连接到所述基于处理器的系统。I/O适配器605也连接到打印机614，其可用于打印信息的物理复制品，如文档、图形等。注意打印机可以是打印机(如点阵、激光等)、传真机、或复印机。通信适配器611将基于处理器的系统600连接到网络612，其可以是一个或多个电话网络、局域网、广域网、因特网等。图6的用户接口适配器608将用户输入设备如键盘613、指示设备607、和麦克风616连接到基于处理器的系统600。用户界面适配器608通过扬声器615提供声音输出给用户。显示适配器609由CPU 601驱动以控制显示装置610上的显示。
应当知道，基于处理器的系统600的前述功能块可以被用于图3A中的各个功能块。例如，基于处理器的系统600的功能块可以被用于提供数字残余干扰消除电路320和信道估计模块316的数字基带信号处理。因此，基于处理器的系统600的功能块可以结合图3A的模拟发射和接收电路(如包括发射链211、接收链212、多抽头矢量调制器311、发送信号采样模块314、和接收信号采样模块315)一起使用。
从上述应该知道，实施多抽头矢量调制器干扰消除的干扰消除电路可以适应强自干扰信号，而残余干扰可以进一步通过数字消除而抵消。多级干扰消除技术解决了关于超过接收链器件动态范围的大的自干扰问题，解决了关于多路径自干扰的问题，解决了关于时变延迟和干扰路径功率电平的问题，以及解决了关于自干扰信号具有有源元件非线性的问题。此外，本发明年提供了非线性消除和线性消除简化为线性干扰消除的实施。由本发明的实施例所提供的干扰消除有利于高效频谱全双工通信。此外，实施干扰消除电路以消除全双工通信自干扰的系统，允许频谱使用具有更大的灵活性。
虽然已经详细说明了本发明及其优越性，但应理解，在不脱离所附权利要求定义的本发明的条件下可以做出各种改变，替换和变化。此外，本申请的范围不限定到此处说明书中描述的处理过程，机器，制造，物质构成，手段，方法和步骤等的特定实施例。本领域的普通专业人员从说明书可以容易理解，根据本发明可以利用实质上执行了与这里说明的相应实施例相同功能或实现了相同结果的目前已有的或者将来会开发出的处理过程，机器，制造，物质构成，手段，方法和步骤。因此，所附的权利要求书旨在包括这些处理过程，机器，制造，物质构成，手段，方法或步骤。

Claims (21)

1.一种多级自干扰消除的系统，包括：
发送信号采样模块，其连接到一个通信站的发射信号路径，在被所述发射信号路径上的一个非线性器件改变发射信号后，所述发送信号采样模块对所述发射信号进行采样，其中所述通信站使用相同频率同时发射和接收信号；
接收信号采样模块，其连接到所述通信站的接收信号路径，对所述通信站接收到的射频RF接收信号进行采样，所述RF接收信号包括因为使用相同频率同时发射和接收而导致的自干扰；
信道估计模块，其连接到所述发送信号采样模块和所述接收信号采样模块，以接收它们的采样信号，所述信道估计模块根据来自所述发送信号采样模块的发射采样信号和来自所述接收信号采样模块的接收采样信号，确定一个信道估计，根据所述确定的信道估计，提供RF信道参数；
模拟消除模块，其连接到所述接收信号路径并使用多抽头矢量调制，产生一个模拟RF消除信号，其中所述多抽头矢量调制是使用所述RF信道参数而自适应地控制时变信道响应，所述RF接收信号和所述RF消除信号合并，消除强自干扰，得到一个残余信号；
数字消除模块，其连接到所述接收信号路径并提供一个残余消除信号，所述残余信号和所述残余消除信号合并，得到一个消除自干扰的期望的接收信号；
其中所述信道估计模块包括：
基带信道估计模块；和
RF信道转换模块，其中所述RF信道转换模块使用由所述基带信道估计模块提供的一个信道估计，而提供所述RF信道参数；
其中所述基带信道估计模块包括一个信道估计算法模块和一个输出块，所述信道估计算法模块计算RF信道响应，所述输出块将所述RF信道响应输出为多径同相和正交系数，其中所述RF信道转换模块包括一个数模转换器DAC和一个滤波器，所述DAC将所述多径同相和正交系数转换成一个模拟信号，而所述滤波器用于将所述模拟信号中的同相和正交系数的变化平滑化；
其中所述信道估计算法模块计算来自所述发送信号采样模块的和来自所述接收信号采样模块的采样信号之间的相关性，并使用一个sinc函数内插所述相关性结果，计算出多个延迟关系。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述发射信号路径上的非线性器件包括一个功率放大器。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述发送信号采样模块包括：
耦合器，其连接到所述非线性器件的输出上，获得所述发射信号的采样；
下变频器，其将所述发射信号的采样下变频处理；
滤波器，其拒绝一部分不想要的所述发射信号，然后模数转换；
模数转换器ADC，其提供至少一部分数字形式的所述采样的发射信号到所述信道估计模块。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述接收信号采样模块包括：
耦合器，其连接到所述通信站接收前端的输出上，获得所述接收信号的采样；
下变频器，其将所述接收信号的采样下变频处理；
滤波器，其拒绝一部分不想要的所述接收信号，然后模数转换；
模数转换器ADC，其提供至少一部分数字形式的所述采样的接收信号到所述信道估计模块。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述模拟消除模块包括：
多抽头矢量调制模块，其自适应地响应由所述信道估计模块提供的RF信道参数。
6.如权利要求5所述的系统，还包括：
功分器，其连接到所述发射信号路径，将所述发射信号的采样分离成多个发射信号段；
多个延迟路径，其连接到所述功分器，关于所述多个发射信号段提供不同的延迟，其中所述多抽头矢量调制模块包括多个矢量调制器，所述多个矢量调制器连接到所述多个延迟路径，并根据所述RF信道参数调制所述延迟的发射信号段；
合路器，其连接到所述多个矢量调制器，将所述调制的发射信号段合并为一个调制消除信号；
低噪声放大器，其连接到所述合路器，并提供放大的所述调制消除信号；
耦合器，其连接到所述接收信号路径，提供所述调制消除信号到所述接收路径，用于与所述接收信号合并。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述数字消除模块包括：
残余信道估计模块，其连接到所述发送信号采样模块和部分承载有所述残余信号的接收信号路径并从其接收采样信号，所述残余信道估计模块根据来自所述发送信号采样模块的发射采样信号和所述残余信号，提供残余信道估计参数；
消除信号产生器模块，其连接到所述残余信道估计模块，其中所述消除信号产生器模块使用所述残余信道估计参数提供所述残余消除信号。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述消除信号产生器模块包括一个有限脉冲响应FIR模块。
9.如权利要求7所述的系统，其中所述残余信道估计模块根据至少一个相关信道估计而提供所述残余信道估计参数，根据已知的发射信号提供相关信道估计，根据已知的训练序列提供相关信道估计，根据导频提供频域信道估计，或根据最小均方LMS或递归最小二乘RLS提供自适应滤波。
10.如权利要求1所述的系统，还包括：
数字预失真DPD模块，其位于所述发射信号路径上，连接到所述接收信号采样模块并从其接收采样信号，其中所述DPD模块使用所述采样信号将所述发射信号路径上的发射信号进行预失真处理。
11.一种多级自干扰消除方法，包括步骤：
通信站的发射信号路径上的发射信号在被所述通信站上的一个非线性器件改变后，对所述发射信号进行采样，其中所述通信站使用相同频率同时发射和接收信号；
对所述通信站的接收信号路径上的射频RF接收信号进行采样，其中所述采样的RF接收信号包括因为使用相同频率同时发射和接收而导致的自干扰；
使用所述采样的发射信号和所述采样的RF接收信号，确定一个信道估计；
根据所述确定的信道估计，提供RF信道参数；
使用多抽头矢量调制，产生一个模拟RF消除信号，其中所述多抽头矢量调制是使用所述RF信道参数而自适应地控制时变信道响应；
合并所述RF接收信号和所述RF消除信号，以提供强自干扰的消除，得到一个残余信号；
使用所述采样的发射信号和所述残余信号的一个采样，确定一个残余信道估计；
使用所述残余信道估计，产生一个数字残余消除信号；
合并所述残余信号和所述数字残余消除信号，以提供一个消除自干扰的期望的接收信号；
所述“确定一个信道估计”和所述“提供RF信道参数”的过程中使用：
基带信道估计模块；和
RF信道转换模块，其中所述RF信道转换模块使用由所述基带信道估计模块提供的一个信道估计，而提供所述RF信道参数；
其中所述基带信道估计模块包括一个信道估计算法模块和一个输出块，所述信道估计算法模块计算RF信道响应，所述输出块将所述RF信道响应输出为多径同相和正交系数，其中所述RF信道转换模块包括一个数模转换器DAC和一个滤波器，所述DAC将所述多径同相和正交系数转换成一个模拟信号，而所述滤波器用于将所述模拟信号中的同相和正交系数的变化平滑化；
所述“确定一个信道估计”包括：
计算所述采样发射信号和所述采样RF接收信号之间的相关性；
使用一个sinc函数内插所述相关性结果；
计算多个延迟关系，用于自适应地控制所述多抽头矢量调制。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述发射信号路径的非线性器件包括一个功率放大器。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述步骤“使用多抽头矢量调制，
产生一个模拟RF消除信号”包括：
将所述发射信号的采样分离成多个发射信号段；
对所述多个发射信号段中的每个发射信号段，提供与所述发射信号段有关的不同延迟；
对所述多个发射信号段中的每个发射信号段，提供所述发射信号段的同相和正交信号分量；
对所述多个发射信号段中的每个发射信号段，将所述发射信号段的同相和正交信号分量与所述RF信道参数的同相和正交控制输入混合；
在混合之后，合并所述多个发射信号段，因此提供一个调制的消除信号。
14.如权利要求11所述的方法，其中所述步骤“确定一个残余信道估计”包括：
根据至少一个相关信道估计而提供残余信道估计参数，根据已知的发射信号提供相关信道估计，根据已知的训练序列提供相关信道估计，根据导频提供频域信道估计，或根据最小均方LMS或递归最小二乘RLS提供自适应滤波。
15.一种提供干扰消除的系统，包括：
信道估计模块，其从连接通信站的发射信号路径的发送信号采样模块接收采样信号，并从连接所述通信站的接收信号路径的接收信号采样模块接收采样信号，所述信道估计模块根据来自所述发射信号路径的发射采样信号和来自所述接收信号路径的接收采样信号，确定一个信道估计，根据所述确定的信道估计，提供RF信道参数，其中所述RF信道参数是用于提供接收RF信号的干扰消除的，结果得到一个残余信号；
模拟消除模块，其连接到所述接收信号路径，使用多抽头矢量调制，使用所述RF信道参数产生一个模拟RF消除信号，其中所述多抽头矢量调制是使用所述RF信道参数而自适应地控制时变信道响应，其中合并接收RF信号和所述RF消除信号能提供强自干扰消除，得到所述残余信号；
残余信道估计模块，其从所述发射信号路径接收采样信号，并从承载有所述残余信号的部分所述接收信号路径接收采样信号，所述残余信道估计模块根据来自所述发射信号路径的所述发射采样信号和所述残余信号，而提供残余信道估计参数；
其中所述信道估计模块包括：
基带信道估计模块；
RF信道转换模块，其中所述RF信道转换模块使用由所述基带信道估计模块提供的一个信道估计而提供所述RF信道参数；
其中所述基带信道估计模块包括一个信道估计算法模块和一个输出块，所述信道估计算法模块计算RF信道响应，所述输出块将所述RF信道响应输出为多径同相和正交系数，其中所述RF信道转换模块包括一个数模转换器DAC和一个滤波器，所述DAC将所述多径同相和正交系数转换成一个模拟信号，而所述滤波器用于将所述模拟信号中的同相和正交系数的变化平滑化；
其中所述信道估计算法模块计算来自所述发送信号采样模块的和来自所述接收信号采样模块的采样信号之间的相关性，并使用一个sinc函数内插所述相关性结果，计算出多个延迟关系。
16.如权利要求15所述的系统，其中所述通信站使用相同频率同时发射和接收信号，其中来自所述发射信号路径的采样信号和来自所述接收信号路径的采样信号都是在相同频率上。
17.如权利要求15所述的系统，其中来自所述发射信号路径的采样信号是在被所述通信站上的一个非线性器件改变之后才被采样的。
18.如权利要求15所述的系统，其中所述模拟消除模块包括：
多抽头矢量调制模块，其自适应地响应由所述信道估计模块提供的RF信道参数。
19.如权利要求15所述的系统，其中所述残余信道估计模块根据至少一个相关信道估计而提供所述残余信道估计参数，根据已知的发射信号提供相关信道估计，根据已知的训练序列提供相关信道估计，根据导频提供频域信道估计，或根据最小均方LMS或递归最小二乘RLS提供自适应滤波。
20.如权利要求15所述的系统，还包括：
消除信号产生器模块，其连接到所述残余信道估计模块，其中所述消除信号产生器模块使用所述残余信道估计参数提供一个残余消除信号。
21.如权利要求20所述的系统，其中所述消除信号产生器模块包括一个有限脉冲响应FIR模块。
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