CN105429915B - 一种基于信道估计的巷道回波抵消方法 - Google Patents

Abstract

一种基于信道估计的巷道回波抵消方法，属于巷道无线通信领域。根据多波模信道模型，在模拟域进行巷道回波信道的估计，通过信道估计，利用衰减、延时等方法对巷道回波信号进行第一级回波消除；利用估计到的信道增益h等信道信息对回波信号y进行重构，即y＝hx，其中x为发射的信号；利用重构的回波信号y对回波干扰信号进行第二级消除，最后通过自适应调整减小估计误差。优点：该方法基于信道估计的巷道回波抵消方法，针对巷道这个特殊环境，利用多波模理论，有效地进行巷道信道估计，通过第一级回波消除和回波干扰重构抵消，能够有效地消除回波干扰，提升巷道的通信效率，解决巷道这个特殊环境中通信回波干扰问题。

Description

一种基于信道估计的巷道回波抵消方法

技术领域

本发明涉及巷道无线通信领域，尤其是涉及巷道无线通信中关于回波信号的消除方法。

背景技术

本发明提供了一种基于信道估计的巷道回波抵消方法，主要解决巷道这个特殊环境中通信回波干扰问题。在同频直放站中，施主天线从空中接收的信号时，将不可避免的同时接收一些同频的干扰信号。这些干扰信号主要来自于重发天线的覆盖信号，在天线隔离度不够的情况下，这些覆盖信号反馈到施主天线端而造成干扰乃至形成自激。发生自激后，信号波形质量变差，严重影响通话质量，并产生掉话现象。此外，受到巷道矿井壁等的反射作用，对信号形成多径干扰，这些与基站信号同频率的干扰是无法通过常规的无源射频滤波器在频域上进行解决。如果仅通过物理隔离来防止自激，很难使隔离度达到要求，被迫以牺牲直放站的增益和发射功率为代价来避免自激的出现，会增加工程难度和成本。

传统的回波干扰消除技术主要是通过自适应滤波器解决这一问题。现有回波干扰消除方案中，权值参数更新模块根据误差信号e_n(误差信号e_n是由接收信号减去估计回波信号得到的)和经过一定延时的转发信号实时的更新内部的滤波器参数，直至内部滤波器的权值参数ω_n逼近于回波信道的参数，算法则收敛。然而根据误差信号和一定时延的转发信号来估计信道参数误差较大，尤其是在巷道这个特殊的信道环境中。而多波模理论则能够解决此问题，由于多波模在传播中所起的作用近似于多径传播，所以根据多波模理论所建立的信道模型能够更加准确的表述巷道信道特性，相应的回波抵消也更为准确。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种方法简便、能提高信号波形质量、避免信号受干扰的基于信道估计的巷道回波抵消方法。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于信道估计的巷道回波抵消方法，包括以下步骤：

1)对待发送信号进行处理得到数字发送信号s(n)，将数字发送信号s(n)分成两个支路信号；

2)对数字发送信号s(n)的一个支路进行数模转换生成射频发送信号s(t)，射频发送信号s(t)经过分路器分成两路，一路经发送模块送入巷道无线传输回波信道，经过接收模块得到回波信号r₁(t)，另一路根据回波信道估计法进行反相、衰落、延时后，得到第一级回波估计信号s₁(t)；

3)回波信号r₁(t)与第一级回波估计信号s₁(t)经过合路器合并为一路信号r(t)，即经过第一级回波消除后的信号；

4)射频接收通路将接收到的信号r(t)分成两路，一路与射频发送信号s(t)进行回波信道的估计得到回波信道增益h，另一路经模数转换成数字接收信号r(n)；

5)数字发送信号s(n)的另一个支路进行回波信道增益h的控制和调整滤波参数，自适应的得到重构信号，回波干扰重构后的信号为

6)将数字接收信号r(n)与数字回波干扰重构信号进行数字回波干扰消除，得到数字回波消除后的残余信号x(n)；

7)对残余信号x(n)进行性能评估，信号越小说明回波消除的越彻底，并实时调整和修改信道参数h，达到所需的最佳输出信号要求。

2.根据权利要求1所述的基于信道估计的巷道回波抵消方法，其特征在于：所述步骤4)中回波信道的估计过程为：根据对多波模型理论和电磁波传播的研究，在隧道中发射天线T_x和接收天线R_x之间的信道增益为：

其中粗糙系数为：

其中G_Tx和G_Rx是发射天线Tx和接收天线Rx的增益；m和n表示波模式的顺序；是接收天线中波模式(m,n)的场分布；C_mn,Tx是发射天线中(m,n)波模式的强度；α_mn是(m,n)波模式的衰减系数而β_mn是相位系数，由频率f，相对介电常数(ε_h,ε_v,ε_a)和电导率(σ_h,σ_v,σ_a)决定；Z_TxRx是发射天线Tx到接收天线Rx的距离；是沿Z的衰减；根据估计出的巷道信道增益信息，得到重构后的信号：

y＝h_TxRxs(t)

将重构后的信号进行模数转换，即得到重构后的数字信号经过第一级回波消除后的信号r(t)经模数转换得到数字接收信号r(n)，则经过相减抵消后的残余信号x(n)为：

根据残余信号x(n)进行回波信道增益h的控制和调整滤波参数，当残余信号x(n)趋于0时，则说明信道估计准确，回波抵消效果最好。

有益效果：由地采用了上述技术方案，本发明用多波模型理论和电磁波传播的特点对巷道回波信道进行信道增益估计，对回波信号进行重构和抵消，并通过滤波器的参数自适应调整来减小估计误差，从而达到最佳的回波干扰抵消效果。相比现有的巷道回波信号消除方法，本发明具有方法简便、提高信号波形质量、避免信号受干扰的优点，大大提升了回波消除的整体性能，且具有更好的收敛性和更小的计算复杂度。在本技术领域内具有广泛的实性。

附图说明

图1为本发明的基于信道估计的巷道回波抵消方法的结构示意图。

具体实施方式

一种基于信道估计的巷道回波抵消方法，包括以下步骤：

1)对待发送信号进行处理得到数字发送信号s(n)，将数字发送信号s(n)分成两个支路信号；

2)对数字发送信号s(n)的一个支路进行数模转换生成射频发送信号s(t)，射频发送信号s(t)经过分路器分成两路，一路经发送模块送入巷道无线传输回波信道，经过接收模块得到回波信号r₁(t)，另一路根据回波信道估计法进行反相、衰落、延时后，得到第一级回波估计信号s₁(t)；

3)回波信号r₁(t)与第一级回波估计信号s₁(t)经过合路器合并为一路信号r(t)，即经过第一级回波消除后的信号；

4)射频接收通路将接收到的信号r(t)分成两路，一路与射频发送信号s(t)进行回波信道的估计得到回波信道增益h，另一路经模数转换成数字接收信号r(n)；

5)数字发送信号s(n)的另一个支路进行回波信道增益h的控制和调整滤波参数，自适应的得到重构信号，回波干扰重构后的信号为

6)将数字接收信号r(n)与数字回波干扰重构信号进行数字回波干扰消除，得到数字回波消除后的残余信号x(n)；

7)对残余信号x(n)进行性能评估，信号越小说明回波消除的越彻底，并实时调整和修改信道参数h，达到所需的最佳输出信号要求。

2.根据权利要求1所述的基于信道估计的巷道回波抵消方法，其特征在于：所述步骤4)中回波信道的估计过程为：根据对多波模型理论和电磁波传播的研究，在隧道中发射天线T_x和接收天线R_x之间的信道增益为：

其中粗糙系数为：

其中G_Tx和G_Rx是发射天线Tx和接收天线Rx的增益；m和n表示波模式的顺序；是接收天线中波模式(m,n)的场分布；C_mn,Tx是发射天线中(m,n)波模式的强度；α_mn是(m,n)波模式的衰减系数而β_mn是相位系数，由频率f，相对介电常数(ε_h,ε_v,ε_a)和电导率(σ_h,σ_v,σ_a)决定；Z_TxRx是发射天线Tx到接收天线Rx的距离；是沿Z的衰减；根据估计出的巷道信道增益信息，得到重构后的信号：

y＝h_TxRxs(t)

将重构后的信号进行模数转换，即得到重构后的数字信号经过第一级回波消除后的信号r(t)经模数转换得到数字接收信号r(n)，则经过相减抵消后的残余信号x(n)为：

根据残余信号x(n)进行回波信道增益h的控制和调整滤波参数，当残余信号x(n)趋于0时，则说明信道估计准确，回波抵消效果最好。

以下结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

如图1所示，本发明的基于回波信道估计的巷道回波抵消方法，包括采用基带发送处理单元1、第一级回波消除单元2、回波信道估计单元3、自适应回波干扰重构单元4、加法器5和基带接收单元6。所述基带发送处理单元1的输出分别与第一级回波消除单元2、自适应回波干扰重构单元4相连；回波信道估计单元3的输入与第一级回波消除单元2相连，回波信道估计单元3的输出与自适应回波干扰重构单元4相连；加法器5的输入与第一级回波消除单元2及自适应回波干扰重构单元4相连，输出与自适应回波干扰重构单元4及基带接收处理单元6相连。

所述第一级回波消除单元2包括DA转换模块20、射频发送模块21、分路器22、发送模块23、巷道无线传输回波信道24、幅度相位调节模块25、接收模块26、合路器27、射频接收通路28以及AD转换模块29；所述DA转换模块20的输入连接基带发送处理单元1，输出通过射频发射通道21连接分路器22，巷道无线传输回波信道24及幅度相位调节模块25连接于分路器22和合路器27之间，AD转换模块29经由射频接收通道28连接合路器27并和加法器5相连。所述幅度相位调节模块25包括反相、衰落、延时以对信号进行调节；所述基带发送处理单元1发送的信号经DA转换模块20进行数模转换后传送至射频发射通道21，再由分路器22分成两路完全相同的信号，分别进入巷道无线传输回波信道24和幅度相位调节模块25进行处理后于合路器27进行合路，用于对回波信号进行第一级回波消除。所述巷道无线传输回波信道24是回波所经历的信道，输出的信号就是回波信号。

所述回波信道估计单元3是对巷道回波信道增益h进行估计，回波信道估计模块3的输入与第一级回波消除单元2相连，输出与回波干扰重构31的输入相连，用于进行巷道信道增益的估计和回波信号的重构。

所述自适应回波干扰重构单元4包括干扰重构滤波器31和自适应调整模块32。干扰重构滤波器31的输入和回波信道估计模块3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32相连；自适应回波干扰重构单元4用于对回波干扰信号进行重构、并自适应调整重构结构，以获得更加准确的结果。所述加法器5的作用是将重构后的信号与接收到的信号相加，进行回波干扰信号的消除。

实施例的具体步骤如下：

1)对待发送信号经过基带发送处理单元1进行处理后得到数字信号s(n)，将数字信号s(n)经过分路器22分成两个支路信号，一个支路经过DA转换模块20进行数模转换生成射频信号s(t)，射频信号s(t)经过分路器22分成两路，一路经发送模块送入巷道无线传输回波信道24，之后经过接收模块26得到回波信号r₁(t)，另一路经反相、衰落、延时25后，得到第一级回波估计信号s₁(t)，回波信号r₁(t)与第一级回波估计信号s₁(t)经过合路器27合成一路信号r(t)，即经过第一级回波消除后的信号；射频接收通路28将经过第一级回波消除后的信号r(t)分成两路，一路与射频信号s(t)进入回波信道估计模块3中进行回波信道的估计，得到回波信道增益h，另一路经模数转换成数字接收信号r(n)；

2)对步骤一中的信号s(n)的另一路经回波干扰重构模块31，回波干扰重构模块31对回波信道增益h进行控制并调整滤波器参数，再进行回波干扰重构得到数字回波干扰重构信号将步骤一中得到的信号r(n)与数字回波干扰重构信号进行数字回波干扰消除，得到数字回波消除后的残余信号x(n)；对残余信号x(n)进行性能评估，信号越小说明回波消除的越彻底，并实时的调整和修改信道参数h，达到所需最佳输出信号要求。

而在回波信道估计中，根据对多波模型理论和电磁波传播的研究，多波模信道模型有利于巷道中UHF频段中电磁波的传播，即传播衰减最小。因此巷道被视为有损介质波导，而信道增益可通过矩形信道的多波模信道模型计算。如巷道的横截面为矩形，宽度和高度分别为2a和2b；沿x、y、z三个方向分别为巷道的宽度、高度和长度，ε_v、ε_h、ε_a分别为巷道的侧壁、地板和天花板、空气的相对介电常数；σ_v、σ_h、σ_a分别为巷道的侧壁、地板和天花板、巷道内空气的导热。基于多波模理论，在巷道中发射天线T_x和接收天线的R_x之间的信道增益为：

其中粗糙系数为：

而G_Tx和G_Rx是发射天线Tx和接收天线Rx的增益；m和n表示波模式的顺序；是接收天线中(m,n)波模式的场分布；C_mn,Tx是发射天线中(m,n)波模式的强度；α_mn是(m,n)波模式的衰减系数而β_mn是相位系数，这是由频率f，相对介电常数(ε_h,ε_v,ε_a)和电导率(σ_h,σ_v,σ_a)决定的；Z_TxRx是发射天线Tx到接收天线Rx的距离；是沿Z的衰减。

重构后的信号为y＝h_TxRxs(t)，将重构后的信号进行模数转换，就得到重构后的数 字信号

x(n)被称为残余信号，即接收到的回波信号与估计出的回波信号之差，故x(n)越小，说明估计的越准确。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种基于信道估计的巷道回波抵消方法，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 (2)

1.一种基于信道估计的巷道回波抵消方法，其特征在于包括以下步骤：

1)对待发送信号进行处理得到数字发送信号s(n)，将数字发送信号s(n)分成两个支路信号；

2)对数字发送信号s(n)的一个支路进行数模转换生成射频发送信号s(t)，射频发送信号s(t)经过分路器分成两路，一路经发送模块送入巷道无线传输回波信道，经过接收模块得到回波信号r₁(t)，另一路根据回波信道估计法进行反相、衰落、延时后，得到第一级回波估计信号s₁(t)；

3)回波信号r₁(t)与第一级回波估计信号s₁(t)经过合路器合并为一路信号r(t)，即经过第一级回波消除后的信号；

4)射频接收通路将接收到的信号r(t)分成两路，一路与射频发送信号s(t)进行回波信道的估计得到回波信道增益h，另一路经模数转换成数字接收信号r(n)；

5)数字发送信号s(n)的另一个支路进行回波信道增益h的控制和调整滤波参数，自适应的得到重构信号，回波干扰重构后的信号为

6)将数字接收信号r(n)与数字回波干扰重构信号进行数字回波干扰消除，得到数字回波消除后的残余信号x(n)；

7)对残余信号x(n)进行性能评估，信号越小说明回波消除的越彻底，并实时调整和修改信道参数h，达到所需的最佳输出信号要求。

2.根据权利要求1所述的基于信道估计的巷道回波抵消方法，其特征在于：所述步骤4)中回波信道的估计过程为：根据对多波模型理论和电磁波传播的研究，在隧道中发射天线T_x和接收天线R_x之间的信道增益为：

其中粗糙系数为：

其中G_Tx和G_Rx是发射天线Tx和接收天线Rx的增益；m和n表示波模式的顺序；是接收天线中波模式(m,n)的场分布；C_mn,Tx是发射天线中(m,n)波模式的强度；α_mn是(m,n)波模式的衰减系数而β_mn是相位系数，由频率f，相对介电常数(ε_h,ε_v,ε_a)和电导率(σ_h,σ_v,σ_a)决定；Z_TxRx是发射天线Tx到接收天线Rx的距离；是沿Z的衰减；根据估计出的巷道信道增益信息，得到重构后的信号：

y＝h_TxRxs(t)

将重构后的信号进行模数转换，即得到重构后的数字信号经过第一级回波消除后的信号r(t)经模数转换得到数字接收信号r(n)，则经过相减抵消后的残余信号x(n)为：

根据残余信号x(n)进行回波信道增益h的控制和调整滤波参数，当残余信号x(n)趋于0时，则说明信道估计准确，回波抵消效果最好。