CN107483168B - 一种全双工电平衡双工器自适应阻抗匹配装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种全双工电平衡双工器自适应阻抗匹配装置，能够提高全双工电平衡双工器阻抗端调节阻抗的精度与稳定性。所述方法包括：与所述全双工电平衡双工器的阻抗端进行连接的等效π型阻抗匹配网络及级联π型阻抗匹配网络；其中，所述等效π型阻抗匹配网络包括：第一可调电容，与所述第一可调电容串联的第一定值电感，与所述第一定值电感串联的第二可调电容，及与所述第一定值电感并联的第三可调电容，其中，所述第一可调电容、第二可调电容接地；所述级联π型阻抗匹配网络包括：2个级联的等效π型阻抗匹配网络。本发明涉及通信领域。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，特别是指一种全双工电平衡双工器自适应阻抗匹配装置。
背景技术
日益增长的数据需求给整个无线网络带来巨大压力，并对无线频谱利用率提出更高的要求。传统的半双工(Hull duplex，HD)模式(如频分双工/时分双工使用不同的时段(频带)分别进行发送和接收信号)未充分利用无线频谱。为克服半双工模式的缺陷，同时同频全双工(Co-frequency Co-time Full Duplex，CCFD)无线通信理论与技术得到越来越多地关注。CCFD技术能够实现无线通信设备在单一频带上同时双向传输数据，避免像半双工那样使用两个独立的信道进行双向的端到端传送，理论上可实现频谱利用率的倍增。但由于使用同一频带同时进行信号收发，设备接收远端有用信号的同时，也接收到自身的发射信号，即自干扰信号。自干扰信号传播路径短，损耗小，其功率远远高于有用信号，从而使有用信号完全淹没在自干扰信号中，无法被解调。因此，消除自干扰信号是实现CCFD通信的关键。
目前已提出多种消除技术来抑制接收端自干扰信号，如天线消除技术、模拟域射频对消技术和数字基带消除技术。如图1所示，传统的电平衡双工器由混合耦合器及辅助阻抗匹配电路实现，混合耦合器为四端口器件，b端口(天线端)连接天线，a端口(发射端口)连接发射链路，c端口(接收端口)连接接收链路，d端口(阻抗端)连接可调阻抗。当阻抗端阻抗值(ZBAL)与天线端阻抗值(ZANT)相等时，即ZBAL＝ZANT，理论上发射链路与接收链路间隔离度为无限大。此时发射链路的信号全部流入天线，不会泄漏到接收链路，实现了发射与接收链路的隔离。同时，天线接收的信号全部传送到接收链路，不会泄漏至发射链路，图1中，PA表示功率放大器(Power Amplifier)，LNA表示低噪声放大器(Low Noise Amplifier)，发射链路中的功率放大器(PA)可提高发射信号(天线端信号)功率并降低误差矢量幅度；接收链路中低噪声放大器(LNA)可调节接收链路噪声系数。因此通过电平衡双工器实现了单天线同时同频收发数据。传统的电平衡双工器阻抗匹配网络多采用手动调节或阻抗调谐设备进行阻抗调节，无法自适应调节阻抗，不能满足复杂多变的应用环境。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种全双工电平衡双工器自适应阻抗匹配装置，以解决现有技术所存在的不能自适应调节阻抗的问题。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种全双工电平衡双工器自适应阻抗匹配装置，包括：与所述全双工电平衡双工器的阻抗端进行连接的等效π型阻抗匹配网络及级联π型阻抗匹配网络；
其中，所述等效π型阻抗匹配网络包括：第一可调电容，与所述第一可调电容串联的第一定值电感，与所述第一定值电感串联的第二可调电容，及与所述第一定值电感并联的第三可调电容，其中，所述第一可调电容、第二可调电容接地；
所述级联π型阻抗匹配网络包括：2个级联的等效π型阻抗匹配网络。
进一步地，所述级联π型阻抗匹配网络包括：
第四可调电容，与所述第四可调电容串联的第二定值电感，与所述第二定值电感串联的第五可调电容，及与所述第二定值电感并联的第六可调电容，与所述第五可调电容串联的第三定值电感，与所述第三定值电感串联的第七可调电容，及与所述第三定值电感并联的第八可调电容；
其中，所述第四可调电容、第五可调电容、第七可调电容接地。
进一步地，所述装置还包括：
与所述全双工电平衡双工器的天线端进行连接的天线调节单元。
进一步地，所述天线调节单元采用等效π型阻抗匹配网络对天线端阻抗进行自适应调节。
进一步地，所述装置还包括：
与所述天线调节单元连接的第一定向耦合器、与所述第一定向耦合器连接的第一射频开关、与所述全双工电平衡双工器的接收端口连接的第二定向耦合器、与所述第二定向耦合器连接的第二射频开关、与所述第一射频开关和所述第二射频开关连接的功率检波器、与所述功率检波器连接的模数转换器、与所述模数转换器连接的现场可编程门阵列。
进一步地，所述第一射频开关和所述第二射频开关用于控制工作时序，将天线端信号功率值和接收端信号功率值通过功率检波器分时段反馈到所述现场可编程门阵列。
进一步地，当所述第一射频开关开启、第二射频开关关闭时，所述第一定向耦合器耦合天线端信号，经功率检波器将天线端信号功率值转换为模拟电压值，传送给模数转换器转换为数字量，作为天线端匹配效果的参考值，反馈到现场可编程门阵列；现场可编程门阵列以此参考值进行自适应算法运算，实时更新所述天线调节单元中器件的参数值，以便所述天线调节单元对天线端阻抗进行自适应调节。
进一步地，当所述第二射频开关开启、第一射频开关关闭时，通过所述第二定向耦合器将接收端信号功率值反馈给所述现场可编程门阵列，所述现场可编程门阵列根据接收到的接收端信号功率值，更新等效π型阻抗匹配网络和级联π型阻抗匹配网络中器件的参数值，以便实时匹配阻抗端与天线端的阻抗值。
进一步地，所述模数转换器的转换速率超过预设的第一阈值。
进一步地，所述全双工电平衡双工器为基于混合耦合器的全双工电平衡双工器。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，通过与全双工电平衡双工器的阻抗端进行连接的等效π型阻抗匹配网络及级联π型阻抗匹配网络进行阻抗调节，能够提高全双工电平衡双工器阻抗端调节阻抗的精度与稳定性，针对复杂多变的环境可根据环境变化自适应改变阻抗值，其中，等效π型阻抗匹配网络调节时间短，但精度低，适用于低精度，变化快的场景；级联π型阻抗匹配网络调节时间久，但能够提供更高的工作带宽、调节精度、稳定性及隔离性能，适用于高精度，变化慢的场景。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于混合耦合器的传统电平衡双工器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的全双工电平衡双工器自适应阻抗匹配装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的传统π型阻抗匹配网络的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的等效π型阻抗匹配网络的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的级联π型阻抗匹配网络的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的全双工电平衡双工器自适应阻抗匹配装置的详细结构示意图；
图7为本发明实施例提供的全双工电平衡双工器自适应阻抗匹配装置的工作时序示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的不能自适应调节阻抗的问题，提供一种全双工电平衡双工器自适应阻抗匹配装置。
如图2所示，本发明实施例提供的全双工电平衡双工器自适应阻抗匹配装置，包括：与所述全双工电平衡双工器11的阻抗端进行连接的等效π型阻抗匹配网络12及级联π型阻抗匹配网络13；
其中，所述等效π型阻抗匹配网络12包括：第一可调电容，与所述第一可调电容串联的第一定值电感，与所述第一定值电感串联的第二可调电容，及与所述第一定值电感并联的第三可调电容，其中，所述第一可调电容、第二可调电容接地；
所述级联π型阻抗匹配网络13包括：2个级联的等效π型阻抗匹配网络12。
本发明实施例所述的全双工电平衡双工器自适应阻抗匹配装置，通过与全双工电平衡双工器的阻抗端进行连接的等效π型阻抗匹配网络及级联π型阻抗匹配网络进行阻抗调节，能够提高全双工电平衡双工器阻抗端调节阻抗的精度与稳定性，针对复杂多变的环境可根据环境变化自适应改变阻抗值，其中，等效π型阻抗匹配网络调节时间短，但精度低，适用于低精度，变化快的场景；级联π型阻抗匹配网络调节时间久，但能够提供更高的工作带宽、调节精度、稳定性及隔离性能，适用于高精度，变化慢的场景。
本实施例中，所述的等效π型阻抗匹配网络是对传统的π型阻抗匹配网络进行改进的结果，传统的π型阻抗匹配网络如图3所示，传统的π型阻抗匹配网络，采用独立的可调电容C1、C2和可调电感Le实现匹配网络。而实际中可调电感难以实现，因此本实施例对其进行改进，通过可调电容C3并联定值电感L来等效实现图3中的可调电感Le，如图4所示。
图4所示的等效π型阻抗匹配网络可通过调节C3的电容值等效实现调节电感值。其电路设计简单，器件参数少，便于实现快速优化算法。但其阻抗调节范围小，精度低，导致匹配稳定性较差。可调电容可以采用Peregrine公司的五位数控电容PE64906，受SPI总线控制，步长为0.119pF，调节范围0.9pF～4.6pF，精度高且响应速度快。
本实施例中，所述的级联π型阻抗匹配网络是将两个等效π型阻抗匹配网络进行级联得到的，当两个等效电感值取值合适时，级联π型阻抗匹配网络可随着电容值改变提供更宽的阻抗调节范围并使电路工作在所需带宽范围。级联π型阻抗匹配网络相对于等效π型阻抗匹配网络具有更宽的阻抗调节范围与阻抗调节精度，并且性能更加稳定，可提供更高的隔离性能与消除性能。
本实施例所述的等效π型阻抗匹配网络及级联π型阻抗匹配网络在自适应调节阻抗匹配时，能够实时保持高隔离度与最佳自干扰抑制，可适应复杂多变的移动设备环境。
在前述全双工电平衡双工器自适应阻抗匹配装置的具体实施方式中，进一步地，所述全双工电平衡双工器为基于混合耦合器的全双工电平衡双工器。
本实施例中，所述全双工电平衡双工器为基于混合耦合器的全双工电平衡双工器，采用基于混合耦合器的全双工电平衡双工器，能够提高隔离性能，同时也能使调节算法更加灵活。
本实施例中，所述全双工电平衡双工器包括：混合耦合器和与所述混合耦合器的阻抗端进行连接的等效π型阻抗匹配网络及级联π型阻抗匹配网络；在该全双工电平衡双工器中，所述混合耦合器的阻抗端也作为所述全双工电平衡双工器的阻抗端，因此，也可以说：本实施例提供的全双工电平衡双工器自适应阻抗匹配装置是与所述全双工电平衡双工器的阻抗端进行连接的等效π型阻抗匹配网络及级联π型阻抗匹配网络。
在前述全双工电平衡双工器自适应阻抗匹配装置的具体实施方式中，进一步地，所述级联π型阻抗匹配网络包括：
第四可调电容，与所述第四可调电容串联的第二定值电感，与所述第二定值电感串联的第五可调电容，及与所述第二定值电感并联的第六可调电容，与所述第五可调电容串联的第三定值电感，与所述第三定值电感串联的第七可调电容，及与所述第三定值电感并联的第八可调电容；
其中，所述第四可调电容、第五可调电容、第七可调电容接地。
本实施例中，假设采用50Ω天线，因此，所述级联π型阻抗匹配网络可以通过并联50Ω电阻，实现阻抗端匹配天线阻抗，如图5所示。
在前述全双工电平衡双工器自适应阻抗匹配装置的具体实施方式中，进一步地，所述装置还包括：
与所述全双工电平衡双工器的天线端进行连接的天线调节单元。
传统的电平衡双工器天线端一般直接连接天线，当周围环境发生变化，天线端输入阻抗会随之改变，使电路与天线之间产生阻抗不匹配。因此，本实施例中，在天线端采用天线调节单元(Antenna Tuning Unit，ATU)对天线端阻抗进行实时调节，防止天线与电路不匹配。
在前述全双工电平衡双工器自适应阻抗匹配装置的具体实施方式中，进一步地，所述天线调节单元采用等效π型阻抗匹配网络对天线端阻抗进行自适应调节。
本实施例中，采用如图4所示的等效π型阻抗匹配网络作为天线调节单元对天线端阻抗进行自适应调节，能够提高调节速度，可快速调节天线端阻抗。
需要说明的是：天线不是孤立的元件，而是具有变化电磁特性的复杂集成系统。当周围环境发生变化，天线输入阻抗会随之改变，使电路与天线之间产生阻抗不匹配。ATU可最大化保持电路与天线间的匹配度，提升了电路效率，减少功率损耗并降低了阻抗端调节阻抗的范围要求，并避免复杂多变的环境改变天线阻抗，导致天线与电路不匹配的问题。
在前述全双工电平衡双工器自适应阻抗匹配装置的具体实施方式中，进一步地，所述装置还包括：
与所述天线调节单元连接的第一定向耦合器、与所述第一定向耦合器连接的第一射频开关、与所述全双工电平衡双工器的接收端口连接的第二定向耦合器、与所述第二定向耦合器连接的第二射频开关、与所述第一射频开关和所述第二射频开关连接的功率检波器、与所述功率检波器连接的模数转换器、与所述模数转换器连接的现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，FPGA)。
在前述全双工电平衡双工器自适应阻抗匹配装置的具体实施方式中，进一步地，所述第一射频开关和所述第二射频开关用于控制工作时序，将天线端信号功率值和接收端信号功率值通过功率检波器分时段反馈到所述现场可编程门阵列。
在前述全双工电平衡双工器自适应阻抗匹配装置的具体实施方式中，进一步地，当所述第一射频开关开启、第二射频开关关闭时，所述第一定向耦合器耦合天线端信号，经功率检波器将天线端信号功率值转换为模拟电压值，传送给模数转换器转换为数字量，作为天线端匹配效果的参考值，反馈到现场可编程门阵列；现场可编程门阵列以此参考值进行自适应算法运算，实时更新所述天线调节单元中器件的参数值，以便所述天线调节单元对天线端阻抗进行自适应调节。
在前述全双工电平衡双工器自适应阻抗匹配装置的具体实施方式中，进一步地，当所述第二射频开关开启、第一射频开关关闭时，通过所述第二定向耦合器将接收端信号功率值反馈给所述现场可编程门阵列，所述现场可编程门阵列根据接收到的接收端信号功率值，更新等效π型阻抗匹配网络和级联π型阻抗匹配网络中器件的参数值，以便实时匹配阻抗端与天线端的阻抗值。
本实施例中，FPGA将接收到的接收端信号功率值作为反馈数据，运行自适应最优选择算法，经SPI总线实时更新等效π型阻抗匹配网络和级联π型阻抗匹配网络中器件的参数值，以便实时匹配阻抗端与天线端的阻抗值，实现全双工电平衡双工器收发链路高度隔离，实时保持自干扰信号的最佳抑制。
在前述全双工电平衡双工器自适应阻抗匹配装置的具体实施方式中，进一步地，所述模数转换器的转换速率超过预设的第一阈值。
本实施例中，所述第一阈值的取值可以根据实际应用场景确定。
本实施例中，所述模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)可以是高精度八位模数转换器AD9280，AD9280的速率达32MSPS，相对于传统的低速ADC，直接从硬件上提升了运算速度，这样，采用32MSPS高速ADC，配合射频开关从硬件上来保证收敛速度，能够降低FPGA的运算压力，从而降低FPGA中算法的收敛时间。
为了更好地理解本实施例所述的全双工电平衡双工器自适应阻抗匹配装置，提供所述全双工电平衡双工器自适应阻抗匹配装置的整体结构图，如图6所示，图6中，DAC表示数模转换器，用于将数字信号转换为模拟信号；载波调制器/乘法器，用于负责信号的频率变化(变频)，左侧TX链路中的载波调制器/乘法器为上变频，即将信号频率增加到射频。右侧RX链路中的载波调制器/乘法器为下变频，即将信号频率下调至低频基带信号；阻抗匹配网络包括：等效π型阻抗匹配网络及级联π型阻抗匹配网络。
如图6所示，所述全双工电平衡双工器隔离发射链路与接收链路，实现单天线同时同频收发信号。天线端通过ATU提供动态控制的可调阻抗，使天线端阻抗值稳定在50Ω附近(因为：天线的阻抗为50Ω)，防止电路因阻抗不匹配而产生射频信号反射。阻抗端采用两种阻抗匹配网络，受FPGA控制，自适应调节阻抗值，实时跟踪天线端阻抗。反馈链路通过两个射频开关(型号可以是：HMC349)进行工作时序控制。
仅当射频开关a开启、射频开关b关闭时，第一定向耦合器(型号可以是：DC2500P10)耦合出天线端信号，经功率检波器(型号可以是：ADL5513)将天线端信号功率值转换为模拟电压值，传送给高速模数转换器(AD9280)转换为数字量，作为天线端匹配效果的参考值，反馈到FPGA。当参考值越大，说明进入天线的发射信号功率越大，因电路不匹配而反射的信号越少，电路匹配性能越佳。FPGA以此参考值运行ATU自适应调节算法，实时更新ATU中器件参数值。采用ATU调节天线端阻抗，提升了电路效率，并降低阻抗端调节阻抗的范围需求。
仅当射频开关b开启、射频开关a关闭时，FPGA通过第二定向耦合器(型号可以是：D17I)将接收信号功率值反馈给FPGA。由于接收信号包含自干扰信号与有用信号，因此参考信号反映出自干扰消除效果。由FPGA内部编写的Verilog自适应最优选择算法(阻抗网络自适应匹配算法)，经SPI总线更新阻抗匹配网络中器件参数值，使阻抗端与天线端阻抗值匹配，保持全双工电平衡双工器收发链路高度隔离，实现自干扰信号的最佳抑制。
本实施例中，采用功率检波器配合高速ADC，能够从硬件上大幅度提升自适应算法的收敛速度。且采用射频开关，控制不同反馈链路通断，可以根据实际环境更好地选择阻抗匹配网络及工作次序，也可为提升速度而关闭ATU，直接调节阻抗匹配网络。
如图7所示，本实施例所述的全双工电平衡双工器自适应阻抗匹配装置的工作时序可以分为训练阶段和数据传输阶段，并不断循环进行。训练阶段时，所述装置仅发射信号而不接收远端有用信号。因此接收链路中的信号仅为电平衡双工器泄漏的信号。即接收链路中全部为自干扰信号。训练阶段时运行消除算法，合理调节器件参数值，使耦合器阻抗端与天线端口阻抗匹配。训练结束后进入正常数据传输阶段。此时天线不仅发送信号，同时接受远端有用信号。数据传送阶段保持训练阶段时的器件参数值，在保持完美隔离自干扰信号的情况下正常传送数据。
训练阶段FPGA先打开射频开关a，关闭射频开关b，获取天线端信号，经功率检波器、高速模数转换器反馈到FPGA，FPGA运行ATU自适应调节算法；再打开射频开关b，关闭射频开关a，运行阻抗网络自适应匹配算法，使阻抗端与天线端的阻抗值匹配，实现电平衡双工器的最佳隔离。
在数据传输阶段时，天线正常同时同频收发信号。装置中所有配置完成器件参数值保持与训练阶段相同的参数值，射频开关a与b全开，FPGA稳定向数控电容发送稳定的控制电压，使电平衡双工器在隔离自干扰信号的情况下正常进行数据传输。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种全双工电平衡双工器自适应阻抗匹配装置，其特征在于，包括：与所述全双工电平衡双工器的阻抗端进行连接的等效π型阻抗匹配网络及级联π型阻抗匹配网络；
其中，所述等效π型阻抗匹配网络包括：第一可调电容，与所述第一可调电容串联的第一定值电感，与所述第一定值电感串联的第二可调电容，及与所述第一定值电感并联的第三可调电容，其中，所述第一可调电容、第二可调电容接地；
所述级联π型阻抗匹配网络包括：2个级联的等效π型阻抗匹配网络；
其中，所述装置还包括：
与所述全双工电平衡双工器的天线端进行连接的天线调节单元；
其中，所述天线调节单元采用等效π型阻抗匹配网络对天线端阻抗进行自适应调节；
其中，所述装置还包括：
与所述天线调节单元连接的第一定向耦合器、与所述第一定向耦合器连接的第一射频开关、与所述全双工电平衡双工器的接收端口连接的第二定向耦合器、与所述第二定向耦合器连接的第二射频开关、与所述第一射频开关和所述第二射频开关连接的功率检波器、与所述功率检波器连接的模数转换器、与所述模数转换器连接的现场可编程门阵列；
其中，所述第一射频开关和所述第二射频开关用于控制工作时序，将天线端信号功率值和接收端信号功率值通过功率检波器分时段反馈到所述现场可编程门阵列；
其中，当所述第一射频开关开启、第二射频开关关闭时，所述第一定向耦合器耦合天线端信号，经功率检波器将天线端信号功率值转换为模拟电压值，传送给模数转换器转换为数字量，作为天线端匹配效果的参考值，反馈到现场可编程门阵列；现场可编程门阵列以此参考值进行自适应算法运算，实时更新所述天线调节单元中器件的参数值，以便所述天线调节单元对天线端阻抗进行自适应调节；
其中，当所述第二射频开关开启、第一射频开关关闭时，通过所述第二定向耦合器将接收端信号功率值反馈给所述现场可编程门阵列，所述现场可编程门阵列根据接收到的接收端信号功率值，更新等效π型阻抗匹配网络和级联π型阻抗匹配网络中器件的参数值，以便实时匹配阻抗端与天线端的阻抗值。
2.根据权利要求1所述的全双工电平衡双工器自适应阻抗匹配装置，其特征在于，所述级联π型阻抗匹配网络包括：
第四可调电容，与所述第四可调电容串联的第二定值电感，与所述第二定值电感串联的第五可调电容，及与所述第二定值电感并联的第六可调电容，与所述第五可调电容串联的第三定值电感，与所述第三定值电感串联的第七可调电容，及与所述第三定值电感并联的第八可调电容；
其中，所述第四可调电容、第五可调电容、第七可调电容接地。
3.根据权利要求1所述的全双工电平衡双工器自适应阻抗匹配装置，其特征在于，所述模数转换器的转换速率超过预设的第一阈值。
4.根据权利要求1所述的全双工电平衡双工器自适应阻抗匹配装置，其特征在于，所述全双工电平衡双工器为基于混合耦合器的全双工电平衡双工器。
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