CN106058464A - 自适应天线干扰消除装置、方法及其天线阵列、通信设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种天线自适应干扰消除装置、方法及其天线阵列、通信设备。天线自适应干扰消除装置应用于多天线通信系统，包括：多个通信端口，分别与多个天线通信；天线自适应干扰消除模块，设置于所述多个通信端口与所述多个天线之间，用于自适应地消除所述多个天线中任意天线之间的互相干扰。适用于含有两个及两个以上的任意形式的天线阵；并能够自适应由于环境等内在和/或外在因素造成的天线干扰的动态变化，能够有效地降低天线互相干扰，降低接收机噪声，并且提高信噪比，进而提高数据的吞吐率和传输的可靠性。

Description

自适应天线干扰消除装置、方法及其天线阵列、通信设备

技术领域

本发明涉及无线通信技术，尤其涉及自适应天线干扰消除原理、装置、方法及其天线阵列、通信设备。

背景技术

现今正处在第四代移动通信系统向下一代无线通信系统的演进过程中。提高数据速率，降低通信延迟，保障数据传输的稳定性以及提高服务质量是现今无线行业的发展方向。为了提高数据速率，更多复杂的通讯方法正在不断地被引入到当今的无线终端和网络设备中。在这其中，相对重要的技术主要有：多路输入输出(MIMO)技术，载波聚合技术(carrier aggregation)，全双工技术(full duplex)。

多路输入输出技术利用在收发系统之间的多个天线之间存在的多个空间信道上，传输多流相互正交的数据，能够提高数据吞吐率，以及提高通信的稳定性。

载波聚合技术的核心是将多个带宽较窄的载波聚合成一个带宽较宽的载波，直接提高了通信的频带宽度，同时提高了一些不连续的频谱碎片的利用率，能够在现有技术水平下，最大限度的利用已有的LTE设备和频谱资源。得益于较宽的频谱，根据香农公式，通信带宽与速率成正比关系，通过载波聚合技术增加带宽后，通信速率能进一步的提升。另外，载波聚合技术还可以使得网络的使用更加均衡，使得用户可以均衡的占用一定范围内的可用频谱。

全双工技术是近期学术界和工业界关注的热点技术，与载波聚合技术完全不同。全双工技术中，无线通信设备采用完全相同的频率，在相同的时间，同一信道中同时发射和接收无线信号。在最优情况下，可以使得无线通信链路的频谱效率提高一倍。

现今的数据终端，在小型化的趋势下，依然需要越来越多的天线来支持MIMO和载波聚合技术；同时也兼容了越来越多的通讯协议，包括：LTE，LTE-Advanced，Wi-Fi,GPS,Bluetooth,NFC等。由于频谱资源极度有限，再考虑到类似全双工这类技术，不同天线之间在相近甚至相同的频率之间产生的互相干扰越发复杂和强烈。特别是最近一段时间，对于多天线干扰问题的研究和关注，主要集中在：

(1)天线之间的干扰从原来的两个天线慢慢发展到多个天线之间的干扰。比较典型的就是Wi-Fi MIMO的两根天线和主、分集天线Band40，Band41之间的互相干扰问题，涉及到了三个甚至四根天线。

(2)对降低干扰的要求越来越高。特别是对于靠近的频段，全双工系统，对消除干扰的要求从原来的20dB，提高到100dB以上。

考虑若干天线工作在较为靠近的频段上，如图1所示，发射机发射的信号通常功率较高，最高可达30dBm或者更高。由于天线之间的隔离度通常只有15至20dB，而在相邻频段工作的滤波器最多可以提供40至50dB的衰减，而接收机的灵敏度在-90dBm附近，因此，现有技术所能提供的隔离度对干扰信号的衰减远远达不到要求。

下面通过一个简单的链路预算来说明同频或靠近频率间收发机的干扰：

对于一个Wi-Fi系统来说，发射功率PT通常为20dBm，滤波器在靠近频段的衰减可以达到40至50dB,而由于不同的天线或者同一天线连接的环形器可以提供的收发隔离一般只有15-20dB，而接收机B的灵敏度(假设接收机B为LTE Band40接收机)一般为-90dBm，如下式：

$P_r=P_T-|S_{21}^F{|}_{dB}-|S_{21}^A{|}_{dB}=20dBm-50dB-20dB=-30dBm>>-90dBm$

由于泄漏到接收机的干扰信号的功率Pr远大于接收机B的灵敏度，如果不采取任何干扰消除手段，则接收机B将收不到任何有用信号。进一步地讲，在接收机B动态范围有限的情况下，如此大的功率还会造成接收机饱和，使得接收信号严重失真，没办法在信号处理环节用算法复原。

同样地，对于图2所示的，发射机A和接收机B拥有完全相同的频率，则发射机对接收机的干扰就更为的强烈。特别是在全双工通信系统中，这种现象将在未来通信系统中非常普遍。

现有技术中对多天线之间的干扰消除效果很差，且不能动态自适应的消除天线之间的干扰。

发明内容

本发明针对上述现有技术中的缺陷，提出了如下技术方案。

一种天线自适应干扰消除装置，应用于多天线通信系统，包括：多个通信端口，分别与多个天线相连接；天线自适应干扰消除模块，设置于所述多个通信端口与所述多个天线之间，用于自适应地感应干扰信号的幅度和相位特征，并根据所述幅度和相位特征自适应地产生消扰信号，来消除所述多个天线中任意天线之间的互相干扰。

根据本发明的天线自适应干扰消除装置，能够实时地检测干扰信号的幅度和相位，并根据检测到的干扰信号自适应地产生消扰信号，比如产生的消扰信号与干扰信号幅度相同相位相反，这样就能够动态自适应地消除天线之间的干扰。

更进一步地，所述多个通信端口分别与多个收发机相连接，使得所述多个收发机通过所述多个天线收发信号。

更进一步地，所述天线自适应干扰消除模块包括：多个功率分配模块，用于分配从所述多个通信端口传输到所述多个天线和从当前通信端口传输到所述天线自适应干扰消除模块的功率；多个消扰信号传输电路，用来以可控的延迟在所述多个天线之间传输消扰信号；多个控制和反馈电路，用于产生控制和反馈信号，用于控制所述多个功率分配模块和所述消扰信号的幅度和相位，并反馈经过干扰消除后所述多个天线之间的干扰状态；幅相均衡模块，接收所述多个控制和反馈电路的反馈信号，经过计算确定各个功率分配模块上的功率配比和消扰信号传输电路上的信号时延和/或相位，之后将通过所述多个控制和反馈电路控制所述消扰信号的传输路径、传输幅度、时延和/或相位，动态的消除所述多个天线中的任意天线之间的干扰。

更进一步地，所述天线自适应干扰消除模块还包括：多个天线调谐电路，用于调整所述多个天线的谐振频率和匹配状态；多个可调匹配电路，用于调整所述多个通信端口的匹配状态。

更进一步地，所述的多个消扰信号传输电路跨接在不同的天线之间。

更进一步地，所述天线自适应干扰消除模块还包括：可调增益/衰减模块，串接在所述消扰信号传输电路上，用于调整所述消扰信号的幅度大小；可调移相器，串接在所述消扰信号传输电路上，用于调整所述消扰信号的相位大小。

更进一步地，所述多个天线构成线形阵列、方形阵列、圆形阵列或其他形状的阵列形式。

更进一步地，所述多个天线中的各天线工作在相同的频段。

更进一步地，所述多个天线中的各天线工作在不同的频段，所述频段是相邻的频段，或者是部分重叠的频段。

更进一步地，所述消扰信号传输电路是微波传输线、相位器、谐振器、滤波器或集成电路元件。

本发明还提出了一种天线阵列，其使用上述的天线自适应干扰消除装置，用于消除天线阵列中的各个天线之间的干扰。

更进一步地，所述天线阵列包括线形阵列、方形阵列、圆形阵列，多边形阵列或者不规则阵列。

本发明还提出了一种通信设备，应用上述的天线阵列。

更进一步地，所述通信设备是移动便携终端,至少包括智能手机、数据卡、移动Wi-Fi、基站、路由器或可穿戴设备。

本发明还提出了一种天线自适应干扰消除的方法，其特征在于：断开所有消扰信号传输路径，通过功率检测信号，检测各接收机接收到干扰的大小；根据检测到的干扰信号的幅度，计算出功率分配模块需要分配到各个消扰信号传输路径上的功率大小；根据检测到的干扰信号的相位和群时延，计算出在消扰信号传输路径上的相位器的传递函数；配置功率分配模块和消扰信号传输模块，消除干扰信号；以及检测经过自适应干扰消除模组后的干扰信号残留，利用优化算法动态调整消扰信号的幅度和相位或群时延。

本发明提出的自适应天线干扰消除装置和方法可以适用于含有两个及两个以上的任意形式的天线阵；并能够自适应由于环境等因素造成的天线干扰的动态变化，有效的降低了天线互相干扰，降低了接收机噪声，提高了信噪比。非常适合下一代无线通信系统对高速率和低延迟的要求。

附图说明

图1示出了本发明中一种相邻频段天线之间收发机互相干扰的机理示意图。

图2示出了本发明中一种完全相同频段的天线之间收发机互相干扰的机理示意图。

图3示出了本发明的天线自适应干扰消除装置原理图。

图4示出了本发明的天线自适应干扰消除装置的一种实施方式。

图5示出了本发明的天线自适应干扰消除装置的一种实施方式。

图6示出了本发明的天线自适应干扰消除装置的一种实施方式。

图7示出了本发明的天线自适应干扰消除装置的一种实施方式。

图8本发明的天线自适应干扰消除装置的一种实施方式。

图9示出了采用本发明实例提出的干扰消除模组前后的散射参数(S参数)性能对比。

图10示出了本发明的天线自适应干扰消除的方法流程图。

具体实施方式

下面，结合附图3-10，来详细地说明本发明的具体实施方式。

图3示出了一种天线自适应干扰消除装置，应用于多天线通信系统，包括：多个通信端口3，分别与多个天线1相连接；和天线自适应干扰消除模块2，设置于所述多个通信端口3与所述多个天线1之间，用于自适应地感应干扰信号的幅度和相位的特征，并根据幅度和相位的特征自适应地产生消扰信号，来消除所述多个天线中任意天线1之间的互相干扰。其中，消扰信号例如可以是与干扰信号幅度相同而相位相差180度的信号，只要是能够消除干扰的信号即可，在本发明中没有特别限定。

此外，自适应算法主要是在感知干扰信号幅度和相位的前提下，调整干扰消除信号的幅度和相位，使得干扰消除信号与干扰信号幅度相同而相位相差180度。由于干扰信号是时变的，因此，需要以一定的间隔，对干扰信号进行采集，提取幅相信息，实时更新所述干扰消除信号的幅度和相位，动态的抵消干扰信号。

在具体实现中，所述多个通信端口3分别与多个收发机相连接，使得所述多个收发机通过所述多个天线1收发信号，所述天线自适应干扰消除模块2用于消除所述多个天线1频域之间的干扰，天线1通过收发机收发信号是指天线1将接收的信号发送给收发机，收发机将发出的信号通过天线1发射出去，信号为电磁波信号，具有一定的功率，每一个天线1对应一个收发机(图3中，未示出)。

多个天线1的各天线之间存在着任意的或强或弱的互相干扰，通过所述天线自适应干扰消除模块2将这些干扰减小或消除，达到消除多天线间干扰的目的。该干扰的消除是在射频信号转换为数字信号之前进行消除，即在频域实现天线1之间干扰的消除，提高了信号质量，可以有效的节约收发机的收发功率，降低能耗。

图4示出了本发明的另一种具体实施方式，天线自适应干扰消除模块206还设置于所述多个通信端口3与所述多个天线201之间，用于自适应地消除所述多个天线201中任意天线之间的互相干扰。

在图4中示出了天线自适应干扰消除模块206包括：多个功率分配模块202，用于分配从所述多个通信端口传输到所述多个天线和从当前通信端口传输到所述天线自适应干扰消除模块的功率；多个消扰信号传输电路203，用来以可控的延迟在所述多个天线201之间传输消扰信号；多个控制和反馈电路204，用于产生控制和反馈信号，用于控制所述多个功率分配模块202和所述消扰信号的幅度和相位，并反馈经过干扰消除后所述多个天线201之间的干扰状态；幅相均衡模块205，接收所述多个控制和反馈电路204的反馈信号，经过计算确定各个功率分配模块202上的功率配比和消扰信号传输电路203上的信号时延和/或相位，之后将通过所述多个控制和反馈电路204控制所述消扰信号的传输路径、传输幅度、时延和/或相位，动态的消除所述多个天线201中的任意天线之间的干扰。

优选地，多个天线201中的一个天线有可能与其他多个天线存在干扰，因此，根据仿真设计，将消扰信号传输电路203设置在容易发生干扰的其他天线之间，如第1根天线容易与第2-4跟天线发生干扰，因此，在第1根天线与第2-4根天线之间都设置消扰信号传输电路203，也就是说消扰信号传输电路203并不仅仅设置在相邻的两根天线之间。

功率分配模块202从通信端口3馈入天线的能量中选取一部分能量，使其通过消扰信号传输电路203传输到需要消除干扰的天线，从而消除天线之间的干扰。

幅相均衡模块205通过控制和反馈电路204的反馈信号得到各天线当前的互相干扰状态，计算得到需要消除干扰的天线之间的消扰信号大小和传输路径，再通过控制和反馈电路204控制功率分配模块202和消扰信号传输电路203，来控制所述消扰信号的传输路径、传输幅度、时延和/或相位，动态的消除所述多个天线201中的任意天线之间的干扰。

多个功率分配模块202可以采用功分器，耦合器，或更为简单的直接连接方式实现，耦合器可以采用定向耦合器或互耦合器实现。

消扰信号传输电路203可以采用的形式包括，但不限于微波传输线、相位器、谐振器、滤波器、光纤、声波器件或集成电路元件等实现。

图5示出了本发明的另一种具体实施方式，它是在图4示出的实施例的基础上做了进一步的改进，是为图4所示实施例的天线自适应干扰消除模块206中增加了天线调谐电路207和匹配电路208，即在多个天线201的每一天线下串接一个天线调谐电路207，以及在每一通信端口3上串接匹配电路208，匹配电路208是可调电路，来保证多个天线201在若干个不同的工作频段或工作状态下，天线的匹配状态能够维持不变的时候，天线之间的干扰能够被最优的消除。

此时，幅相均衡模块205通过控制和反馈电路204的反馈信号得到各天线当前的互相干扰状态，计算得到需要消除干扰的天线之间的消扰信号大小和传输路径，再通过控制和反馈电路204控制功率分配模块202、消扰信号传输电路203、天线调谐电路207和匹配电路208，来控制所述消扰信号的传输路径、传输幅度、时延和/或相位，动态的消除所述多个天线201中的任意天线之间的干扰。即在本实施例中，幅相均衡模块205还需要对进行调谐控制，及天线的匹配控制，即完成福相均衡控制与天线调谐控制。

图6示出了本发明的另一种实施方式，其属于一种在特定情况下的实施方式，通过使多个天线301满足一定的前提条件，即在幅相均衡模块306中设置多个可调移相器307，串接在多个天线下部，使得天线的信号的相位满足一定条件，消扰信号传输电路303结构能够大大的简化，只需要在两个相邻天线之间设置消扰信号传输电路303即可，既可以达到动态消除所有天线的互相干扰的目的，其余部分与图4示出的实施例相同。

图7示出了功率分配模块202的一种特殊实现形式，称为功率分配(馈电)网络404，它同时连接到各天线和各端口进行功率分配(馈电)的网络，通过幅相均衡模块405的控制分配到不同天线和端口的功率/信号，将有用信号馈送到多个天线401去，同时降低了各端口之间的互相干扰。该功率分配(馈电)网络404可以用移相器，延迟线和衰减器实现，也可以用可调滤波器实现。

图8示出了本发明的另一种实施例，天线自适应干扰消除模块506还包括：可调增益/衰减模块508，串接在所述消扰信号传输电路上，用于调整所述消扰信号的幅度大小；可调移相器507，串接在所述消扰信号传输电路上，用于调整所述消扰信号的相位大小。具体连接方式为：在消扰信号传输电路503上串接可调增益/衰减模块508和可调移相器507。

此时，幅相均衡模块505通过控制和反馈电路504的反馈信号得到各天线当前的互相干扰状态，计算得到需要消除干扰的天线之间的消扰信号大小和传输路径，再通过控制和反馈电路504控制功率分配模块502、消扰信号传输电路503、可调增益/衰减模块508和可调移相器507，来控制所述消扰信号的传输路径、传输幅度、时延和/或相位，动态的消除所述多个天线501中的任意天线之间的干扰。能够更加灵活和高效的降低天线之间的干扰。可调增益/衰减模块508的实现形式可以是放大器、衰减器等。

上述多个实施例中的多个天线可构成线形阵列、方形阵列、圆形阵列或其他不规则形状的阵列，多个天线中的各天线工作在相同的频段，多个天线中的各天线工作在不同的频段，所述频段是相邻的频段，或者是部分重叠的频段。

例如，一个天线阵列中天线的个数为3，即针对一个三单元天线阵进行干扰消除，消扰信号分别跨接在每一对天线之间，由于三单元天线阵最多存在三对互相干扰，因此需要有六条消扰信号传输的路径。对于每一条消扰信号传输路径，连接在天线和收发机之间的功率分配模块是用十字接头的形式实现的，通过控制接头各支路的特性阻抗，来控制分配到不同的消扰信号传输路径上的功率大小，通过相位器控制了消扰信号在一定频段内的群群时延特性，通过衰减器进一步的控制消扰信号的幅度，这样就可以消除此三单元天线阵的所有天线互相干扰。消除干扰之后的信号可以直接送入对应的收发机。

图9示出了消除干扰之后的信号，其天线之间的隔离度，相比消除干扰之前的天线隔离度，有明显的提高，达到了天线间干扰消除的良好效果。

上述各实施例中的功率分配模块还可以采用以下几种形式实现：

1.采用接头(junction)的实现形式，不同的消扰信号传输路径都跨接在从端口i到天线i的主要通路上，通过控制不同路径之间的特性阻抗，来分配传输到各个消扰信号路径上的信号/功率大小。

2.采用定向耦合器(Directional Coupler)的实现形式，通过控制定向耦合器的耦合大小，控制传输到各个传输路径上的信号/功率大小。

3.采用互耦合的实现形式。通过控制耦合系数M01、M02和M03的大小，控制传输到各个传输路径上的信号/功率大小。

上述各实施例中幅相均衡模块，可以用FPGA、DSP、微处理器及微控制器，甚至专用集成电路(ASIC)来实现。

上述各实施例中的多个天线，可以用完全相同的实现形式，也可以有完全不同的实现方式，例如：单极子，偶极子，倒F形天线，环形天线，宽带套筒天线，微带天线，陶瓷天线等。

本发明还提出了一种天线阵列，其使用上述各实施例中的天线自适应干扰消除装置，用于消除天线阵列中的各个天线之间的干扰。所述天线阵列是线形阵列、方形阵列或圆形阵列。

本发明还提出了一种设备，应用上述的天线阵列。所述设备是智能手机、数据卡、移动Wi-Fi、小基站、路由器或可穿戴设备。

图10示出了本发明的一种天线自适应干扰消除的方法，其包括：断开所有消扰信号传输路径，通过功率检测信号，检测各接收机接收到干扰的大小；根据检测到的干扰信号的幅度，计算出功率分配模块需要分配到各个消扰信号传输路径上的功率大小；根据检测到的干扰信号的相位和群时延，计算出在消扰信号传输路径上的相位器的传递函数；配置功率分配模块和消扰信号传输模块，消除干扰信号；检测经过自适应干扰消除模组后的干扰信号残留，利用优化算法动态调整消扰信号的幅度和相位或群时延。

该方法可以集成在上述各实施例中的幅相均衡模块实现，也可以采用其他具有处理功能的芯片实现，如处理器等。

最后所应说明的是：以上实施例仅以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (13)

1.一种用于多天线通信系统的天线自适应干扰消除装置，其特征在于，包括：

多个通信端口，所述多个通信端口分别与多个收发机相连接，使得所述多个收发机通过所述多个天线来收发信号；和

天线自适应干扰消除模块，设置于所述多个通信端口与所述多个天线之间，用于自适应地感应干扰信号的幅度和相位的特征，并根据所述幅度和相位的特征自适应地产生消扰信号，来消除所述多个天线中任意天线之间的互相干扰。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

所述天线自适应干扰消除模块包括：

多个功率分配模块，用于分配从所述多个通信端口传输到所述多个天线和从当前通信端口传输到所述天线自适应干扰消除模块的功率；

多个消扰信号传输电路，用来以可控的延迟在所述多个天线之间传输消扰信号；

多个控制和反馈电路，用于产生控制和反馈信号，控制所述多个功率分配模块和所述消扰信号的幅度和相位，并检测经过干扰消除后残余的信号的幅度与相位；以及

幅相均衡模块，接收所述多个控制和反馈电路的反馈信号，经过计算确定所述多个功率分配模块中的各个功率分配模块上的功率的配比和所述多个消扰信号传输电路上的信号时延和/或相位，之后将通过所述多个控制和反馈电路控制所述消扰信号的传输路径、传输幅度、时延和/或相位，动态地消除所述多个天线中的任意天线之间的干扰。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：

所述天线自适应干扰消除模块还包括：

多个天线调谐电路，用于调整所述多个天线的谐振频率和匹配状态；和

多个可调匹配电路，用于调整所述多个通信端口的匹配状态。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：

所述多个消扰信号传输电路跨接在所述多个天线中的任意天线之间。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于：

所述天线自适应干扰消除模块还包括：

可调增益/衰减模块，串接在所述多个消扰信号传输电路上，用于调整所述消扰信号的幅度的大小；和

可调移相器，串接在所述多个消扰信号传输电路上，用于调整所述消扰信号的相位的大小。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的装置，其特征在于：

所述多个天线的阵列包括线形阵列、方形阵列、圆形阵列、多边形阵列或者不规则排列的阵列。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：

所述多个天线中的各个天线工作在频率相同的频段；或者，所述多个天线中的各个天线工作在不同的频段，所述不同的频段是频率相邻的频段或者是频率部分重叠的频段。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：

所述多个消扰信号传输电路包括微波传输线、相位器、谐振器、滤波器或集成电路元件。

9.一种天线阵列，其特征在于：

包括权利要求1-8中任一项所述的天线自适应干扰消除装置，用于消除所述天线阵列中的各个天线之间的干扰。

10.根据权利要求9所述的天线阵列，其特征在于：

所述天线阵列包括线形阵列、方形阵列、圆形阵列或多边形阵列。

11.一种通信设备，其特征在于：包括权利要求9或者10所述的天线阵列。

12.根据权利要求11所述的通信设备，其特征在于：

所述通信设备是移动便携终端，至少包括智能手机、数据卡、移动Wi-Fi终端、基站、路由器或可穿戴设备。

13.一种利用权利要求1所述的天线自适应干扰消除装置进行天线自适应干扰消除的方法，其特征在于：

断开所有消扰信号传输路径，通过功率检测信号，来检测各个接收机接收到干扰的大小；

根据检测到的干扰信号的幅度，计算出功率分配模块需要分配到各个消扰信号传输路径上的功率大小；

根据检测到的干扰信号的相位和群时延，计算出在消扰信号传输路径上的相位器的传递函数；

配置功率分配模块和消扰信号传输模块，以便消除干扰信号；以及

检测经过自适应干扰消除模组后的干扰信号残留，利用优化算法动态调整消扰信号的幅度、相位和/或群时延。