CN106330801A - 一种ics同频直放站中自适应凸组合干扰抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种ICS同频直放站中自适应凸组合干扰抑制方法，属于地面数字电视广播系统技术领域。本方法采用双FIR滤波器结构，两滤波器可采用各种自适应算法，其中一个滤波器的收敛系数较大，导致在收敛初期其收敛速率快，能很快的降低系统隔离度的要求，防止自激；随着算法的进一步收敛，进入另一个收敛系数较小的工作模式，此时收敛速率逐渐降低，但保证了算法的稳态性能，即系统中的残留干扰以及反馈信道的跟踪精确度。本方法用于在数字地面电视广播网络中，同频直放站有效降低输出信号反馈回输入端对输入产生的回波干扰。

Description

一种ICS同频直放站中自适应凸组合干扰抑制方法
技术领域
本发明具体涉及一种ICS同频直放站中自适应凸组合干扰抑制方法，属于地面数字电视广播系统技术领域。
背景技术
在数字地面电视广播(Digital Terrestrial Television Broadcasting，DTTB)网络中，同频直放站通常用来减少传输信号的盲区和提高网络的覆盖范围。同频直放站将接收的广播信号通过功率放大器放大后再转发出去，但是对于直放站，其收发天线间耦合度较大，一部分输出信号会反馈回输入端对输入产生回波干扰，当收发天线间的隔离度较小时，干扰被循环放大，形成自激效应，严重影响同频直放站的正常工作。
为消除同频直放站收发天线间的反馈干扰，目前大多在同频直放站中加入数字干扰抵消器，即干扰抑制系统(Interference Cancellation System，ICS)，使得同直放站在接收端能实时的跟踪并抑制反馈干扰。数字干扰抵消器采用自适应滤波技术，跟踪估计收发天线间反馈信道的数字冲激响应，通过有限冲激响应滤波器((Finite ImpulseResponse,FIR)合成反馈干扰的估计值，并从接收信号中减去反馈干扰的估计值，完成干扰抑制的功能。其中，反馈信道的冲激响应跟踪和估计是干扰抑制器的关键，其估值的准确度直接决定了干扰抑制的效果。
在中国发明专利申请号200610147225.5，名称为“移动多媒体广播系统直放站的回波消除器和回波消除方法”中，其针对直放站干扰抑制自适应方法采用单FIR滤波器结构和最小均方(least mean square,LMS)算法，易于硬件设计，但是其收敛速率容易受到输入信号相关矩阵的本征值分布的影响，本征值分布越扩散，收敛速率越慢，较慢的会影响经系统抑制后的残留干扰(经抑制后干扰的剩余部分)，尤其是在干扰抑制的初始阶段，如果步长因子选取不合理，导致初始阶段抑制不充分从而残留干扰过大，干扰就会在反馈系统中循环放大，增加了系统自激的风险。
在中国发明专利申请号200810071509.X，名称为“基于组合滤波器的直放站回波抵消器设计方法”中，干扰抵消其采用了组合滤波器的结构，即一个前向滤波器和一个后向滤波器，都为FIR横式滤波器；输出为前向滤波器与后向滤波器之差，其效果等价于一无限冲激响应(Infinite Impulse Response,IIR)滤波器，考虑了输出的记忆效应，提高了干扰的抑制深度，但是IIR滤波器的引入会产生系统的稳定性问题，特别是参数设置不合理的情况下，算法在运行过程中容易发散，需重新初始化各项参数，对各项参数的设置要求较高，限制了其使用范围。
中国发明专利申请号201410077034.0，名称为“一种直放站回波干扰消除方法和装置”申请了一种改进的LMS自适应方法，结合DLMS(Delay LMS延时最小均方误差)和NLMS(Normalized LMS归一化最小均方误差)算法，考虑了基带环路延迟和步长因子的归一化问题，同时适用于选频信号和超宽带信号的处理，但由于其是LMS算法的改进，仍然存在输入特征矩阵条件数分布较广，收敛不充分的问题。
发明内容
本发明针对ICS同频直放站反馈干扰抑制问题，提供了一种自适应凸组合结构和计算方法。此方法采用双FIR滤波器结构，两滤波器可采用各种自适应算法，如LMS算法、递推最小二乘(Recursive least square,RLS)和仿射投影算法(Affine projection,AP)等,其中一个滤波器的收敛系数较大，导致在收敛初期其收敛速率快，能很快的降低系统隔离度的要求，防止自激；随着算法的进一步收敛，进入另一个收敛系数较小的工作模式，此时收敛速率逐渐降低，但保证了算法的稳态性能，即系统中的残留干扰以及反馈信道的跟踪精确度。
本发明的具体步骤如下：
步骤一
接收天线接收到的电视广播信号经由射频滤波器、模拟下变频、A/D采样滤波，数字下变频后，获得数字基带接收信号z(n)，其可表示为：
其中r(n)为接收到的有用信号，y(n)为反馈干扰，由反馈回波信道向量h＝[h0,h1,…,hL-1]T和数字域反馈信号x(n)＝[x(n),x(n-1),…,x(n-L+1)]T合成，v(n)代表高斯白噪声，H表示共轭转置运算。
步骤二
将数字基带接收信号z(n)和基带数字域输入信号x(n)通过白化滤波器，得到预白化接收信号zw(n)和预白化输入信号xw(n)；由于数字电视信号一般采用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)带限信号，信号的带限性质使得回波抵消器难以准确地估计出信号的边缘和带外的频谱情况，故干扰抵消后的信号带外出现失真现象。信号通过预白化滤波器可以解相关，即得到白噪声性质的信号，此时信号的频谱被展平了，故可以解决直放站中OFDM信号带外失真的问题。同时由于信号的相关性变小了，即条件数变小了，故自适应算法的跟踪性能也会得到相应的提高。另外，预白化滤波器其实就是一个线性预测器，它的系数可以通过LMS、RLS等自适应滤波算法求得。在系统设实现中为了节省硬件的复杂度，可采用的方法是预先把白化滤波器的系数求出，再将其应用到直放站中，而不进行实时更新。
步骤三
第一FIR滤波器进行回波干扰抑制，将滤波器1的回波估计信号送入信号接收端，从接收到的数字基带信号z(n)中减去第一FIR滤波器的回波估计信号完成第一FIR滤波器的回波干扰抑制作用，可得到误差信号e1(n)，可表示为：
同时采用LMS算法对滤波器权系数按照公式三进行更新，
其中μ1是针对第一FIR滤波器LMS算法的步长因子，一般为了保证算法的初始收敛速率，其设置相对偏大。
步骤四
第二FIR滤波器进行回波干扰抑制，第二FIR滤波器的回波估计信号送入信号接收端，从经白化后的接收数字基带信号zw(n)中减去滤波器2的回波估计信号完成第二FIR滤波器的回波干扰抑制作用，可得到误差信号e2(n)，可表示为：
同时采用LMS算法对滤波器权系数按照公式五进行更新，
其中μ2是针对第二FIR滤波器LMS算法的步长因子，为了保证算法的较小最终稳态误差，其设置相对偏小，即μ2的设置值小于μ1。
步骤五：
针对第一FIR滤波器和第二FIR滤波器进行凸组合，从而得到凸组合滤波器权系数，
h(n)＝λ(n)w1(n)+[1-λ(n)]w2(n) 公式六
组合滤波器的输出为，
组合滤波器最终输出的误差为，
e(n)＝λ(n)e1(n)+[1-λ(n)]e2(n) 公式八
其中λ(n)是凸组合混合参数，其主要作用是保证算法在收敛初期步长较大的第一FIR滤波器w1(n)起主导作用，而随着算法的收敛，调整混合参数使得步长较小的第二FIR滤波器起主导作用，保证较小的稳态误差。
根据Sigmoidal函数，更新凸组合混合参数λ(n)，可表示为：
参数a(n)根据最小均方误差随机梯度算法来调整，使组合滤波器的误差平方最小，a(n)的递推公式为：
步骤六
通过计算包括第一FIR滤波器和第二FIR滤波器的凸组合滤波器的组合权值系数，组合回波反馈干扰估值，从数字基带接收信号中减去回波反馈干扰估计值，将经回波干扰抑制后的信号通过数字上变频处理，恢复为数字中频信号，通过带通滤波器抑制上变频产生的噪声干扰，利用D/A将数字中频信号转换为模拟中频信号，将模拟中频信号进行模拟上变频和功率放大器处理，得到重发射频模拟信号，将重发射频模拟信号通过发射天线发出。
本发明的有益效果在于：本发明的ICS同频直放站中自适应凸组合干扰抑制方法，具有以下优点：
1、本发明设计了针对数字电视同频直放站ICS的自适应凸组合结构，算法收敛初始阶段收敛速率较快，能有效降低系统的自激风险，后期阶段收敛速率逐渐降低，保证较小的稳态误差；本结构有效的改善了单FIR滤波器结构回波干扰抑制器收敛速率慢，稳态误差较大的缺点，对收敛速率和稳态误差进行了折中处理。
2、针对数字电视带限OFDM信号在干扰抑制过程中出现的带外失真问题，设计了预白化滤波器对接收信号和反馈信号的预白化处理，预白化滤波器采用离线方式进行更新，有效的限制了带外失真以及系统实现的复杂度。
3、本发明参与凸组合结构的两个FIR滤波器，根据设计的需要不局限于传统的LMS算法进行权系数更新，还可以选择RLS、AP以及子带自适应算法进行更新，提高了算法设计的灵活性与实用性。
附图说明
图1为实施例中的ICS同频直放站中自适应凸组合干扰抑制方法的系统算法结构图。
图2为实施例中的ICS同频直放站中自适应凸组合干扰抑制方法的系统算法的改进方式的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：
在某地面数字电视广播系统中，按照本发明的技术方案，针对直放站接收到的约700Mhz的射频电视广播信号，有效带宽8M左右，通过射频滤波，低噪放大，模拟下变频至60Mhz的中频模拟信号。
采用一个12位的A/D转换器将60MHz的模拟中频信号通过采样量化后转换为60MHz的数字中频信号，然后通过数字下变频转换为10MHz或30MHz的数字基带信号，可以针对10MHz的数字基带信号进行回波干扰抑制，也可以对30MHz的数字基带信号进行回波干扰抑制。
将接收信号和反馈参考干扰信号进行预白化滤波器，预白化滤波器的抽头长度设置为32或64。采用自适应LMS算法对第一FIR滤波器和第二滤波器同时进行权系数更新和误差计算，两个FIR滤波器的长度均设置为128。
计算凸组合滤波器的组合权值系数，组合回波反馈干扰估值，并最终从接收信号中减去此干扰估计值，完成回波反馈干扰的抑制；采用Sigmoidal函数对凸组合滤波器的混合参数进行更新。
将经回波干扰抑制后的信号通过数字上变频处理，恢复成数据率为60MHz的数字中频信号，然后通过带通滤波器抑制上变频产生的噪声干扰，利用D/A将60MHz的数字中频信号转换为模拟中频信号。最后将该模拟中频信号进行模拟上变频和功率放大器处理，得到700MHz左右的重发射频模拟信号，将该射频模拟信号通过发射天线发出。
本发明优选的技术方案如下：
参考信号的选取：
基本方案如图1所示，从数字基带耦合一个数字反馈参考信号直接输入白化滤波器自适应滤波器。采用自适应算法对两个FIR滤波器进行权值更新。从数字基带耦合反馈参考信号无需采用多余的器件对参考信号进行处理，直接方便。
改进方案如图2所示，从发射天线端耦合一模拟参考信号，并经下变频和模数转换后得到基带数字参考信号。此数字参考信号经过延迟模块，同时送入自适应滤波器，通过信道(此时估计信道之包含发射天线至接收天线间的空间耦合回波信道)和回波估计实现回波干扰抑制。从发射天线耦合参考信号需要对参考信号下变频和模数转换，需要设计延迟器，但可避免信道和回波估计受发射端各模块的影响。
回波干扰抑制实现方式：
包括两个FIR滤波器的自适应FIR滤波器和凸组合装置可同时采用一块FPGA或DSP芯片实现；也可以将自适应滤波器过程在一块DSP芯片中实现而凸组合在另一块FPGA芯片中实现。
数字上下变频实现方式：
数字下变频可采用一块有模数转换和数字下变频的专用芯片实现，数字上变频可采用一块有数模转换和数字上变频的专用芯片实现。
数字上下变频也可在FPGA或DSP芯片中实现。
信道权值估计更新算法：
信道权值估计更新算法根据设计需要可选择LMS算法、RLS算法，AP算法和子带滤波器算法。
改进方案中延迟模块实现方式：
延迟模块可在FPGA或DSP中单独实现，也可以和信道估计器以及自适应滤波器集成实现，相应提高滤波器阶数。
自适应滤波器更新方式：
自适应滤波器可以根据信道估计器计算出的信道估计权向量连续更新，也可以定时更新，还可以设置更新条件，当满足更新条件时滤波器更新，否则滤波器不更新。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种ICS同频直放站中自适应凸组合干扰抑制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤一
接收天线接收到的电视广播信号经由射频滤波器、模拟下变频、A/D采样滤波，数字下变频后，获得数字基带接收信号z(n)，其可表示为：
其中r(n)为接收到的有用信号，y(n)为反馈干扰，由反馈回波信道向量h＝[h0,h1,…,hL-1]T和数字域反馈信号x(n)＝[x(n),x(n-1),…,x(n-L+1)]T合成，v(n)代表高斯白噪声，H表示共轭转置运算；
步骤二
将数字基带接收信号z(n)和基带数字域输入信号x(n)通过白化滤波器，得到预白化接收信号zw(n)和预白化输入信号xw(n)；
步骤三
第一FIR滤波器进行回波干扰抑制，将滤波器1的回波估计信号送入信号接收端，从接收到的数字基带信号z(n)中减去第一FIR滤波器的回波估计信号完成第一FIR滤波器的回波干扰抑制作用，可得到误差信号e1(n)，可表示为：
同时采用LMS算法对滤波器权系数按照公式三进行更新，
其中μ1是针对第一FIR滤波器LMS算法的步长因子；
步骤四
第二FIR滤波器进行回波干扰抑制，第二FIR滤波器的回波估计信号送入信号接收端，从经白化后的接收数字基带信号zw(n)中减去滤波器2的回波估计信号完成第二FIR滤波器的回波干扰抑制作用，可得到误差信号e2(n)，可表示为：
同时采用LMS算法对滤波器权系数按照公式五进行更新，
其中μ2是针对第二FIR滤波器LMS算法的步长因子，μ2的设置值小于μ1；
步骤五：
针对第一FIR滤波器和第二FIR滤波器进行凸组合，从而得到凸组合滤波器权系数，
h(n)＝λ(n)w1(n)+[1-λ(n)]w2(n) 公式六
组合滤波器的输出为，
组合滤波器最终输出的误差为，
e(n)＝λ(n)e1(n)+[1-λ(n)]e2(n) 公式八
其中λ(n)是凸组合混合参数，
根据Sigmoidal函数，更新凸组合混合参数λ(n)，可表示为：
参数a(n)根据最小均方误差随机梯度算法来调整，a(n)的递推公式为：
步骤六
通过计算包括第一FIR滤波器和第二FIR滤波器的凸组合滤波器的组合权值系数，组合回波反馈干扰估值，从数字基带接收信号中减去回波反馈干扰估计值，将经回波干扰抑制后的信号通过数字上变频处理，恢复为数字中频信号，通过带通滤波器抑制上变频产生的噪声干扰，利用D/A将数字中频信号转换为模拟中频信号，将模拟中频信号进行模拟上变频和功率放大器处理，得到重发射频模拟信号，将重发射频模拟信号通过发射天线发出。
2.如权利要求1所述的ICS同频直放站中自适应凸组合干扰抑制方法，其特征在于，所述步骤二中白化滤波器的系数通过LMS或RLS自适应滤波算法求得，系统预先把白化滤波器的系数求出，将其应用到直放站中。
3.如权利要求1所述的ICS同频直放站中自适应凸组合干扰抑制方法，其特征在于，所述步骤三及步骤四中对滤波器权系数进行更新的算法为RLS算法，AP算法或子带滤波器算法。
4.如权利要求1所述的ICS同频直放站中自适应凸组合干扰抑制方法，其特征在于，所述方法中第一FIR滤波器、第二FIR滤波器和凸组合装置同时采用一块FPGA或DSP芯片实现，或第一FIR滤波器、第二FIR滤波器在一块DSP芯片中实现而凸组合装置在另一块FPGA芯片中实现。
5.如权利要求1所述的ICS同频直放站中自适应凸组合干扰抑制方法，其特征在于，所述方法中数字下变频可采用一块有模数转换和数字下变频的芯片实现，数字上变频可采用一块有数模转换和数字上变频的芯片实现。
6.如权利要求1所述的ICS同频直放站中自适应凸组合干扰抑制方法，其特征在于，所述方法中数字下变频及数字上变频在FPGA或DSP芯片中实现。
7.如权利要求1所述的ICS同频直放站中自适应凸组合干扰抑制方法，其特征在于，所述方法中第一FIR滤波器及第二FIR滤波器根据信道估计器计算出的信道估计权向量连续更新，或定时更新，或设置更新条件，当满足更新条件时更新。
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