CN105049067B - 一种基于导频信号的无源互调干扰对消方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于导频信号的无源互调干扰对消方法，属于无线通信、卫星通信及地面通信系统的抗干扰技术领域。本发明采用导频时隙和数据传输时隙的双时隙机制对PIM干扰信号进行实时估计和抑制：在导频时隙，快速估计PIM模型参数，并将结果存储下来；在数据传输时隙，利用已知发射导频信号及PIM模型参数，重建PIM干扰信号，并从接收信号中除去，完成PIM干扰对消。本发明基于数字信号处理的方法实现快速的无源互调干扰抑制，该方法简单、计算复杂度低、资源代价小且易于硬件实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种射频模块的无源互调干扰抑制方法，尤其涉及一种基于导频信号的无源互调干扰对消方法，属于无线通信、卫星通信及地面通信系统的抗干扰技术领域。
背景技术
无源互调指，包含两个或两个以上频率成分的信号通过无源器件(如双工器、隔离器、同轴电缆、连接器、天线、负载等)时产生除谐波外新频率成分的一种现象。尽管线性是无源器件所表现出的基本特性，但研究和实验表明无源器件也具有微弱的非线性，尤其是在大功率情况下。
随着输入功率的增大，产生的无源互调干扰就越来越严重。在发射系统中，因为无源互调产物的幅度远低于发射信号幅度，不会影响发射信号的质量，但这些微弱的互调产物如果通过收发共用天线系统进入高灵敏度的接收机，极可能超过接收机的热噪声底带，影响卫星系统或基站正常工作，严重时甚至处于瘫痪状态。
为减小无源互调的影响，目前研究主要着眼于从产生机理角度出发，对系统整体及其各个部件进行优化设计，包括合理选择收发频段，尽量避免低阶次PIM落入上行频段；避免选用具有强非线性特性的铁氧体或铁磁材料；在金属表面或金属板内制作无氧化层或污染薄膜的整体硬件；修整“金属-非金属-金属”接触面，增强接触面导电性，降低其非线性效应。
而通过对材料和加工工艺的高要求控制，不能完全满足目前对PIM指标的需求，也增大了研制难度。同时，系统使用期间仍有可能因为温度变化、机械连接件老化松动、接触面污损或腐蚀等因素加重PIM问题，影响系统正常工作。因而难以适应后续的发展要求。
2008年Henrie博士采用了点-源模型对微波网络中的无源互调失真进行研究，提出了对消算法并通过实验进行了验证，但其结果具有一定的局限性。针对窄带通信系统，通过频带规划和跳频图样设计即可减小无源互调干扰；而对于宽带系统，简单的频带规划已经无法解决PIM问题。因此，2011年2月，3GPP TSG-RAN WG4工作组专门对PIM进行讨论，征集提案。同年，Edward A.Keehr和Ali Hajimiri提出了一种模拟重建与数字信号结合的处理办法进行PIM对消，但该方法需要额外的硬件支持，可移植性不强，并且其非线性特性与系数估计都存在较大不确定度，并不适合实际应用。
2011年5月，爱立信公司申请发明专利，提出一种采用数字信号处理的方法对PIM干扰对消的解决方案。该方案详细描述了两种工作模式，参数估计模式与PIM对消模式。在参数估计模式下，暂停接收上行信号，发送测试信号，此时落入接收频带的信号仅包含PIM干扰信号，从而估计出无源器件的非线性模型参数。在PIM对消模式下，利用由参数估计模式中得到的PIM模型参数，结合下行发射信号，恢复出PIM干扰信号，并从接收到的上行信号中除去，得到没有PIM干扰的上行信号，以做进一步处理。该方法需破坏原有通信体制，周期性或者突发地中断通信。
2013年爱立信公司继续申请专利，提出无需测试模式的自适应PIM干扰对消方法，该方法消耗资源大，参数估计收敛速度无法保证，同时，需要测试信号确定参数个数。2014年，北京理工大学、爱立信公司和华为公司均申请专利提出基于数字信号处理的自适应PIM干扰对消方法，同样没有解决参数估计收敛困难的问题。
本专利同样采用数字信号处理的方法对PIM干扰信号进行对消，不同的是，利用现有通信体制中的导频信号，可以快速估计导频时隙PIM干扰信号，进而估计PIM干扰模型参数，以实现数据传输时隙的PIM干扰对消。该方法无需对现有通信体制的导频信号进行修改，利用已有导频信号，可显著提高收敛性能，实现实时对消宽带信号引起的PIM干扰。该方法能够对PIM进行实时监测与快速抑制，同时不需要额外的硬件支持，具有很好的移植性。
综上所述，目前的无源互调干扰对消方法比较复杂，收敛速度及实时对消效果不是很好。本发明拟提出一种基于已有导频，无需修改现有通信体制、快速估计PIM的干扰对消算法，目前还未见类似的研究成果。
发明内容
本发明的目的在于进一步提升对消无源互调干扰的收敛性能，提出了一种基于导频信号的无源互调干扰对消方法。
本发明采用导频时隙和数据传输时隙的双时隙机制对PIM干扰信号进行实时估计和抑制：在导频时隙，快速估计PIM模型参数，并将结果存储下来；在数据传输时隙，利用已知的发射导频信号及PIM模型参数，重建PIM干扰信号，并从接收信号中除去，完成PIM干扰对消。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种基于导频信号的无源互调干扰对消方法，具体步骤如下：
步骤一、利用存储的导频信号检测导频和估计空间链路信道的冲激响应：
用sP(t)表示导频信号，用h0(t)为空间链路信道的冲激响应，h0(t)估计值用表示，则可采用最小均方误差准则(MMSE准则)、最小平方准则(LS准则)或最大似然估计准则(MLE准则)得到；
导频时隙的接收信号sR,P(t)可表示为：
sR,P(t)＝sP(t)*h0(t)+sPIM,P(t)+n(t) (1)
其中，sPIM,P(t)为导频时隙的PIM干扰信号，n(t)为噪声，且PIM干扰信号sPIM,P(t)和噪声n(t)均与导频信号sP(t)不相关；
步骤二、去除导频时隙接收信号中的导频成分，得到含估计误差的PIM干扰信号；
具体方法为，将导频时隙的接收信号减去步骤一检测的导频卷积估计的空间链路冲激响应：
其中，s1(t)为含估计误差的PIM干扰信号，n′(t)为包含噪声和估计误差的噪声项；
将公式(2)中的sPIM,P(t)等效为：
其中，an表示PIM非线性模型各项系数，sD,P(t)为导频时隙的发射信号，N为考虑的最大PIM阶次，hPIM(t)表示PIM信号耦合信道冲激响应。利用已知发射信号sD,P(t)和s1(t)，同样可以采用不同准则估计hPIM(t)，由于涉及二维参数估计，可采用坐标下降法，并结合已知的发射信号，自适应联合估计PIM非线性模型参数和PIM信号耦合信道的冲激响应；
步骤三、在数据传输时隙，利用步骤二估计出来的PIM非线性模型参数和PIM信号耦合的信道冲激响应，估计PIM干扰信号：
数据传输时隙接收信号sR,D(t)可表示为：
sR,D(t)＝sU(t)*h0(t)+sPIM,D(t)+n(t) (4)
其中，sU(t)表示传输的数据信号，sPIM,D(t)为数据传输时隙的PIM干扰信号；
利用步骤二估计出来的PIM非线性模型参数和信道参数，可得数据传输时隙的PIM干扰信号的估计值：
其中，和分别为PIM非线性模型各项系数和PIM信号耦合信道冲激响应的估计值，sD,D(t)为数据传输时隙的发射信号；
步骤四、在数据传输时隙，从接收信号中去除步骤三估计出来的PIM干扰信号：
其中，n″(t)包含噪声和PIM干扰信号估计误差的噪声项；
步骤五、利用步骤一中空间链路信道的冲激响应的估计结果对去除了PIM干扰的接收信号s2(t)进行信道均衡；
步骤六、将数据传输时隙处理的输出信号进行同步解调信号处理；当下一个导频时隙到来时返回步骤一，重复步骤一至步骤六。
有益效果
1.可以实现在不增加额外硬件设备与修改导频设计的前提下，快速高效地实现无源互调干扰信号的实时估计与抑制；
2.该方法简单，计算复杂度低，资源代价小，易于硬件实现；
3.数字实现，架构灵活，集成度高；
4.该方法性能稳定，系统适应性强，实时性好；
5.仿真结果表明，该发明能有效抑制无源互调干扰，降低误码率。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明在导频时隙的工作流程图；
图3是本发明在数据传输时隙的工作流程图；
图4是本发明实施例中的在上行信号功率与PIM干扰信号功率比(信干比)为10dB条件下对PIM干扰信号进行抑制，得到误码率随Eb/N0变化的仿真曲线图，横坐标为Eb/N0，纵坐标为误码率。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明提出的一种基于导频信号的无源互调干扰对消方法进行更深入细致的阐述和说明。
实施例
本实施例提出一种基于导频信号的无源互调干扰对消系统。
图1是本实施例一种基于导频信号的无源互调干扰对消方法在移动通信基站中用于消除无源互调干扰的流程图。参数设置基于GSM1800系统，假设基站两频道发射中心频率分别为1806MHz和1879MHz，则其三阶互调产物中心频率为1733MHz，刚好落入中心频率为1733MHz的频道接收频带内。各频道发射信号均有特定的训练序列，是发送端与接收端所共知的一段序列，即为导频。
对于中心频率为1733MHz的频道的接收系统，经过相关运算，即可找到导频时隙，利用导频估计空间链路信道参数，并存储下来。图2即为本发明实施例中的一种基于导频信号的无源互调干扰对消系统在导频时隙的工作原理框图。去除导频时隙接收信号中的导频成分，即可得到导频时隙的PIM干扰信号，此时可联合基站内中心频率1806MHz和1879MHz两频道的发射信号，自适应估计出PIM非线性模型参数和PIM信号耦合信道的冲激响应，并将与PIM有关的参数信息存储下来，即完成了导频时隙内的计算任务。
在数据传输时隙，需要利用导频时隙的计算结果完成PIM干扰对消及信道均衡。图3即为本发明实施例中的一种基于导频信号的无源互调干扰对消系统在数据传输时隙的工作原理框图。在数据传输时隙，利用基站内中心频率1806MHz和1879MHz两频道的发射信号，结合已存储的PIM非线性模型参数和PIM信号耦合信道的冲激响应，重建PIM干扰信号。将接收信号减去重建的PIM干扰信号，即实现PIM对消。对PIM对消后的信号进行信道均衡，即可送至解调器进行进一步处理。
本实施例在以上频率参数条件下，对BPSK调制信号进行PIM干扰抑制的仿真。由于实际情况中，上行信号功率一般高于PIM干扰信号功率，因此在在上行信号功率与PIM干扰信号功率比(信干比)为10dB条件下进行仿真。得到图4所示的误码率随Eb/N0变化的仿真曲线，其中Eb/N0是衡量信噪比的参数。从图4中的误码率曲线可以看出，PIM干扰对消后的误码率曲线与无干扰条件下的理论曲线逼近度高，可见该算法能有效抑制无源互调干扰，大幅度提高抗PIM干扰能力，降低误码率。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
Claims (1)
1.一种基于导频信号的无源互调干扰对消方法，其特征在于：采用导频时隙和数据传输时隙的双时隙机制对PIM干扰信号进行实时估计和抑制：在导频时隙，快速估计PIM模型参数，并将结果存储下来；在数据传输时隙，利用已知的发射导频信号及PIM模型参数，重建PIM干扰信号，并从接收信号中除去，完成PIM干扰对消，本发明的具体步骤如下：
步骤一、利用存储的导频信号sP(t)检测导频和估计空间链路信道的冲激响应；
导频时隙的接收信号sR,P(t)可表示为：
sR,P(t)＝sP(t)*h0(t)+sPIM,P(t)+n(t) (1)
其中，sPIM,P(t)为导频时隙的PIM干扰信号，n(t)为噪声，且PIM干扰信号sPIM,P(t)和噪声n(t)均与导频信号sP(t)不相关；
其中，h0(t)为空间链路信道的冲激响应，h0(t)估计值用表示，用sP(t)表示导频信号，且可采用最小均方误差准则(MMSE准则)、最小平方准则(LS准则)及最大似然估计准则(MLE准则)得到；
步骤二、去除导频时隙接收信号sR,P(t)中的导频成分，得到含估计误差的PIM干扰信号s1(t)；
其中，步骤二中得到PIM干扰信号的具体方法为，将导频时隙的接收信号减去步骤一检测的导频卷积估计的空间链路冲激响应：
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其中，s1(t)为含估计误差的PIM干扰信号，n′(t)为包含噪声和估计误差的噪声项；
将公式(2)中的sPIM,P(t)等效为：
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其中，an表示PIM非线性模型各项系数，sD,P(t)为导频时隙的发射信号，N为考虑的最大PIM阶次，hPIM(t)表示PIM信号耦合信道冲激响应。利用已知发射信号sD,P(t)和s1(t)，同样可以采用不同准则估计hPIM(t)，由于涉及二维参数估计，可采用坐标下降法，并结合已知的发射信号，自适应联合估计PIM非线性模型参数和PIM信号耦合信道的冲激响应；
步骤三、在数据传输时隙，利用步骤二估计出来的PIM非线性模型参数和PIM信号耦合的信道冲激响应，估计PIM干扰信号
其中，步骤三中数据传输时隙接收信号sR,D(t)可表示为：
sR,D(t)＝sU(t)*h0(t)+sPIM,D(t)+n(t) (4)
其中，sU(t)表示传输的数据信号，sPIM,D(t)为数据传输时隙的PIM干扰信号；
利用步骤二估计出来的PIM非线性模型参数和信道参数，可得数据传输时隙的PIM干扰信号的估计值
其中，和分别为PIM非线性模型各项系数和PIM信号耦合信道冲激响应的估计值，sD,D(t)为数据传输时隙的发射信号；
步骤四、在数据传输时隙，从接收信号中去除步骤三估计出来的PIM干扰信号，得到s2(t)；
其中，s2(t)可以表达为：
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其中，n″(t)包含噪声和PIM干扰信号估计误差的噪声项；
步骤五、利用步骤一中空间链路信道的冲激响应的估计结果进行对去除了PIM干扰的接收信号s2(t)进行信道均衡；
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