CN107104688A - 一种应用于携能通信系统的单频强干扰抑制系统 - Google Patents

一种应用于携能通信系统的单频强干扰抑制系统 Download PDF

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Abstract

一种应用于携能通信系统的单频强干扰抑制系统，包括定向耦合器、稳幅模块、变频通道和功率合成器，利用变频通道产生一个与干扰信号幅度相同相位相反的参考信号，通过对单频强干扰频谱置零实现干扰抑制，相比于陷波滤波法，即使干扰信号频率处于有用信号带宽内都不会对有用信号产生很大的影响。本发明单频强干扰抑制方法应用于携能通信系统，可以实现通信信号与能量信号不同载波同时传输，在保证通信信号实时传输的同时不降低能量传输效率。

Description

一种应用于携能通信系统的单频强干扰抑制系统
技术领域
本发明涉及一种单频强干扰抑制系统，特别是一种应用于携能通信系统的单频强干扰抑制系统，属于微波无线能量传输和无线通信领域。
背景技术
无线信息与能量协同传输(携能通信)技术是无线能量传输技术与无线通信技术相结合的产物，旨在实现信息与能量的并行传输，即在进行无线能量传输与收集的同时，实现高效可靠的通信，一方面可以充分利用宝贵的发射功率，另一方面可以使复杂工作环境中的移动设备摆脱线缆和电池的束缚，极大地提高移动设备对于极端工作环境的适应能力，具有重要的实际意义。2008年，Varshney首次提出并分析了信息与能量同时传输这一问题，定义了容量-能量函数来描述信息与能量协同传输时信道容量与接收功率之间的权衡。
无线能量传输技术和无线通信技术从本质上是同一种技术，都受到麦克斯韦方程组的约束，所不同的是如何利用电磁波。对于无线通信，无线电波只作为信息载波，仅需要一部分传输功率，效率并不重要，但由于要传输信息，所以无线通信一般采用宽频带。而无线能量传输系统则利用无线电波本身，因此需要接收几乎所有的传输功率，并需要极窄的频带，效率对于无线能量传输系统非常重要。而且，两者的功率密度不同，一般无线能量传输采用的功率密度比无线通信高出多个数量级。
用于传输能量的载波原则上是未经调制的正弦波，但正弦信号无法携带信息，若要实现通信，需要对正弦信号进行调制。因此，若要在一个系统中同时实现无线能量传输与无线通信，需要在能量传输效率、信息传输速率和设备复杂度等方面做权衡，力求在充分满足信息速率要求的前提下，最大化收集的能量并进行充分利用。
当采用正弦信号传输能量，调制信号传输信息时，由于能量接收机和信息接收机功率灵敏度相差较大，当通信信号与能量信号同时传输时，接收端的强能量信号会对信息解调造成干扰，由于模数转换器ADC的动态范围有限，严重时可能导致信息接收机的射频接收通路阻塞。因此，采用这种方式实现携能通信时，信息接收机在进行解调前需要先对接收到的信号进行载波干扰抑制。
如前所述，对于携能通信系统中用于传输能量的载波为正弦波时，能量信号对信息解调造成的干扰可视为单频干扰。目前，通信系统中常用的抗单频强干扰技术主要有频谱幅值域处理和陷波处理等。其中频谱幅值域处理的基本思想是在干扰频率处进行限幅处理；陷波滤波法是由陷波滤波器对信号进行滤波处理，为了抑制单频干扰，要求陷波滤波器的频带特别窄，并且当干扰信号处于有用信号的通带内时，不管是IIR还是FIR陷波滤波器，其在抑制掉干扰信号的同时，也会使有用信号的频谱和波形产生畸变。这两种方法的不足之处在于：抑制干扰信号的同时也会对有用信号产生一定的影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种应用于携能通信系统的抑制单频强干扰的系统，当无线信息与能量采用不同载波协同传输时，避免强能量信号对通信信号造成干扰，保证通信信号能够通过ADC，进入数字解调处理流程，同时不会对通信信号产生影响。
本发明包括如下技术方案：
一种应用于携能通信系统的单频强干扰抑制系统，包括：定向耦合器、稳幅模块、变频通道和功率合成器；
其中，变频通道包括分频器、锁相环、功率放大器和模拟移相器；功率合成器包括第一端口、第二端口和第三端口；
定向耦合器接收外部发送的第一射频信号RF1和第二射频信号RF2的混合信号后，将该混合信号分为直通信号和耦合信号两路，并将直通信号传输给稳幅模块，将耦合信号输出给分频器；
所述直通信号经稳幅模块后，生成第三射频信号RF3和第四射频信号RF4，并输入至功率合成器的第二端口；
所述耦合信号输入至分频器，分频器将第一射频信号RF1和第二射频信号RF2变为第一中频信号IF1和第二中频信号IF2后输入至锁相环，锁相环将第一中频信号IF1和第二中频信号IF2作为其参考鉴相信号，第一中频信号IF1比第二中频信号IF2幅度大15dB以上时，锁相环的鉴相器将以第一中频信号IF1作为其鉴相信号，同时，令第二中频信号IF2作为杂波信号不参与锁相，锁相环锁定输出与第一射频信号RF1频率相同的第五射频信号RF5；
锁相环输出的第五射频信号RF5经功率放大器放大至与稳幅模块输出的第三射频信号RF3的幅度相同后，生成第六射频信号RF6并输入至模拟移相器，调节模拟移相器使模拟移相器输出的第七射频信号RF7相位与稳幅模块输出的第三射频信号RF3相位相反，模拟移相器输出的第七射频信号RF7输入至功率合成器第三端口，分别进入功率合成器第二端口和第三端口的第三射频信号RF3与第七射频信号RF7彼此抵消，功率合成器第一端口最终输出第四射频信号RF4，从而完成单频强干扰抑制过程。
定向耦合器包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口。
外部输入的第一射频信号RF1和第二射频信号RF2的混合信号进入定向耦合器的第一端口，定向耦合器生成的直通信号通过第二端口输出，生成的耦合信号通过第三端口输出，第四端口通过负载电阻接地。
所述负载电阻为50欧姆。
所述稳幅模块采用自动增益控制AGC保证输出的RF3信号幅度平稳。
所述第一射频信号RF1为传输能量的正弦波信号。
第二射频信号RF2为传输信息的恒包络相位调制信号MPSK。
第一射频信号RF1比第二射频信号RF2幅度大15dB以上。
第三射频信号RF3、第五射频信号RF5、第六射频信号RF6和第七射频信号RF7频率相同。
第三射频信号RF3与第七射频信号RF7幅度相等相位相反。
第二射频信号RF2与第四射频信号RF4频率相同。
与现有技术相比，本发明提出的单频强干扰抑制方法具有如下优点：
(1)本发明结合射频对消思想，首先利用锁相环产生一个与干扰信号幅度相同的参考信号，其次调节移相器使参考信号相位与干扰信号相位相反，则干扰信号与参考信号叠加时由于幅度相等相位相反而彼此对消，从而实现对干扰信号较为彻底的抑制；
(2)本发明通过对单频强干扰频谱置零实现干扰抑制，相比于陷波滤波法，即使干扰信号频率处于有用信号带宽内都不会对有用信号产生很大的影响，并且实现简单，复杂度低，节约系统资源，降低成本。
附图说明
图1是本发明的单频强干扰抑制方法结构框图；
图2是锁相环基本结构框图；图3(a)是5.8GHz正弦信号和中心频率为5.8GHz QPSK信号叠加的频谱示意图；
图3(b)是将5.8GHz正弦信号抑制后的5.8GHz QPSK频谱示意图；
图4(a)是5.8GHz正弦信号和中心频率为6GHz QPSK信号叠加的频谱示意图；
图4(b)是将5.8GHz正弦信号抑制后的6GHz QPSK频谱示意图；
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步的描述。
如图1所示，本发明提出的一种应用于携能通信系统的单频强干扰抑制系统，包括：定向耦合器、稳幅模块、变频通道和功率合成器；
其中，变频通道包括分频器、锁相环、功率放大器和模拟移相器；功率合成器包括第一端口、第二端口和第三端口；
定向耦合器接收外部发送的第一射频信号RF1和第二射频信号RF2的混合信号后，将该混合信号分为直通信号和耦合信号两路，并将直通信号传输给稳幅模块，将耦合信号输出给分频器。其中，RF1为传输能量的正弦波信号，RF2为传输信息的恒包络相位调制信号，对于携能通信系统信息接收机来说，RF2为携带信息的有用信号，RF1可视为单频强干扰信号。定向耦合器的主要作用是从接收信号中获取一部分功率用于产生对消信号。
所述直通信号经稳幅模块后，生成第三射频信号RF3和第四射频信号RF4，并输入至功率合成器的第二端口。其中，稳幅模块采用自动增益控制AGC保证干扰信号幅度稳定在恒定的值，从而为对消信号提供幅度参考。
所述耦合信号输入至分频器，分频器将第一射频信号RF1和第二射频信号RF2变为第一中频信号IF1和第二中频信号IF2后输入至锁相环，锁相环将第一中频信号IF1和第二中频信号IF2作为其参考鉴相信号，当第一中频信号IF1比第二中频信号IF2幅度大15dB以上时，锁相环的鉴相器将以第一中频信号IF1作为其鉴相信号，同时，令第二中频信号IF2作为杂波信号不参与锁相，锁相环锁定输出与第一射频信号RF1频率相同的第五射频信号RF5。
如图2所示为锁相环的基本结构框图。由于图2中鉴相器的参考输入频率fref一般低于100MHz，而定向耦合器接收的RF1和RF2信号频率一般为几GHz甚至几十GHz，因此图1中分频器的作用是为锁相环的鉴相器提供合适的参考输入频率。
锁相环输出的第五射频信号RF5经功率放大器放大至与稳幅模块输出的第三射频信号RF3的幅度相同后，生成第六射频信号RF6并输入至模拟移相器，调节模拟移相器使模拟移相器输出的第七射频信号RF7相位与稳幅模块输出的第三射频信号RF3相位相反，模拟移相器输出的第七射频信号RF7输入至功率合成器第三端口，分别进入功率合成器第二端口和第三端口的第三射频信号RF3与第七射频信号RF7由于幅度相等相位相反而彼此抵消，功率合成器第一端口最终输出第四射频信号RF4，从而完成单频强干扰抑制过程。为降低自动增益控制AGC对有用信号的影响，本发明使用线性度较高的反馈型AGC。功率合成器最终输出的第四射频信号RF4为定向耦合器接收到的第二射频信号RF2的线性放大，对RF2信号所携带的有用信息影响很小。
实施例一
本实施例的单频强干扰信号频率在有用信号带宽内。附图3(a)所示为5.8GHz正弦信号与中心频率为5.8GHz的QPSK信号叠加后的频谱示意图，仿真过程中正弦信号与QPSK信号载波幅度之差为20dB。附图3(b)所示为将5.8GHz正弦信号抑制后的中心频率为5.8GHzQPSK信号频谱示意图。
实施例二
本实施例的单频强干扰信号频率在有用信号带宽外。附图4(a)所示为5.8GHz正弦信号与中心频率为6.0GHz的QPSK信号叠加后的频谱示意图，仿真过程中正弦信号与QPSK信号载波幅度之差为20dB。附图4(b)所示为将5.8GHz正弦信号抑制后的中心频率为6.0GHzQPSK信号频谱示意图。
由图可以看出，不论单频强干扰信号在有用信号带宽内还是带宽外，通过采用图1所示的干扰抑制方法可以有效地抑制干扰，并且不会对有用信号产生很大的影响，这是因为本发明通过变频通道产生一个与干扰信号幅度相同相位相反的参考对消信号，使干扰信号与参考对消信号相互对消，从而实现对干扰信号较为彻底的抑制。
本发明针对现有单频干扰抑制方法在抑制干扰信号的同时也会对有用信号产生影响的不足，结合射频对消思想，通过对单频强干扰频谱置零实现干扰抑制，即使干扰信号频率处于有用信号带宽内都不会对有用信号产生很大的影响。将本发明单频强干扰抑制方法应用于携能通信系统，可以实现通信信号与能量信号不同载波同时传输，保证通信信号实时传输的同时不降低能量传输效率，实现简单，有效地节约系统资源。
本发明还可以应用于扩频通信系统和OFDM等通信系统的单频干扰抑制。
本发明未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知常识。

Claims (10)

1.一种应用于携能通信系统的单频强干扰抑制系统，其特征在于包括：定向耦合器、稳幅模块、变频通道和功率合成器；
其中，变频通道包括分频器、锁相环、功率放大器和模拟移相器；功率合成器包括第一端口、第二端口和第三端口；
定向耦合器接收外部发送的第一射频信号RF1和第二射频信号RF2的混合信号后，将该混合信号分为直通信号和耦合信号两路，并将直通信号传输给稳幅模块，将耦合信号输出给分频器；
所述直通信号经稳幅模块后，生成第三射频信号RF3和第四射频信号RF4，并输入至功率合成器的第二端口；
所述耦合信号输入至分频器，分频器将第一射频信号RF1和第二射频信号RF2变为第一中频信号IF1和第二中频信号IF2后输入至锁相环，锁相环将第一中频信号IF1和第二中频信号IF2作为其参考鉴相信号，第一中频信号IF1比第二中频信号IF2幅度大15dB以上时，锁相环的鉴相器将以第一中频信号IF1作为其鉴相信号，同时，令第二中频信号IF2作为杂波信号不参与锁相，锁相环锁定输出与第一射频信号RF1频率相同的第五射频信号RF5；
锁相环输出的第五射频信号RF5经功率放大器放大至与稳幅模块输出的第三射频信号RF3的幅度相同后，生成第六射频信号RF6并输入至模拟移相器，调节模拟移相器使模拟移相器输出的第七射频信号RF7相位与稳幅模块输出的第三射频信号RF3相位相反，模拟移相器输出的第七射频信号RF7输入至功率合成器第三端口，分别进入功率合成器第二端口和第三端口的第三射频信号RF3与第七射频信号RF7彼此抵消，功率合成器第一端口最终输出第四射频信号RF4，从而完成单频强干扰抑制过程。
2.根据权利要求1所述的一种应用于携能通信系统的单频强干扰抑制系统，其特征在于：定向耦合器包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，外部输入的第一射频信号RF1和第二射频信号RF2的混合信号进入定向耦合器的第一端口，定向耦合器生成的直通信号通过第二端口输出，生成的耦合信号通过第三端口输出，第四端口通过负载电阻接地。
3.根据权利要求2所述的一种应用于携能通信系统的单频强干扰抑制系统，其特征在于：所述负载电阻为50欧姆。
4.根据权利要求1所述的一种应用于携能通信系统的单频强干扰抑制系统，其特征在于：所述稳幅模块采用自动增益控制AGC保证输出的RF3信号幅度平稳。
5.根据权利要求1所述的一种应用于携能通信系统的单频强干扰抑制系统，其特征在于：所述第一射频信号RF1为传输能量的正弦波信号。
6.根据权利要求1所述的一种应用于携能通信系统的单频强干扰抑制系统，其特征在于：第二射频信号RF2为传输信息的恒包络相位调制信号MPSK。
7.根据权利要求1所述的一种应用于携能通信系统的单频强干扰抑制系统，其特征在于：第一射频信号RF1比第二射频信号RF2幅度大15dB以上。
8.根据权利要求1所述的一种应用于携能通信系统的单频强干扰抑制系统，其特征在于：第三射频信号RF3、第五射频信号RF5、第六射频信号RF6和第七射频信号RF7频率相同。
9.根据权利要求1所述的一种应用于携能通信系统的单频强干扰抑制系统，其特征在于：第三射频信号RF3与第七射频信号RF7幅度相等相位相反。
10.根据权利要求1所述的一种应用于携能通信系统的单频强干扰抑制系统，其特征在于：第二射频信号RF2与第四射频信号RF4频率相同。
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