CN108551430B - 一种基于多径自干扰信道的自适应频域均衡系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于多径自干扰信道的自适应频域均衡系统，包括：数字信号处理基带单元、射频单元，控制单元。数字信号处理基带单元包括频域均衡模块，光频分复用信号接收模块，信号估计模块，误差向量幅度估计模块。射频单元包括混频器、电吸收调制激光器、可调光衰减器、可调光延时线以及平衡接收机。控制单元负责控制工作状态，向各模块发送控制指令。本发明通过自适应频域均衡技术解决多径自干扰信道导致的抑制带宽严重降低的问题，可以实现通频带带宽的扩展，以及在选中的通频带内获得更好的自干扰抑制比。

Description

一种基于多径自干扰信道的自适应频域均衡系统

技术领域

本发明涉及微波光子学及无线通信技术领域，具体地，涉及到一种基于多径自干扰信道的自适应频域均衡系统。

背景技术

随着第五代移动通信技术(5G)的发展，无线通信系统需要更高的传输速率和更宽的传输带宽，然而有限的频谱资源制约着这些需求。常用的提升无线传输速率的方法是提升频谱效率、增大可用带宽和开发更高频率的新频段。这些方法都会增加大量成本。带内全双工技术可以充分利用有限的无线频谱资源，成为下一代移动通信系统的有竞争力的备选方案。

带内全双工系统(In-Band Full-Duplex,IBFD)与现有的频分双工(Frequency-Division Duplex，FDD)或者时分双工(Time-Division Duplex，TDD)系统相比，在同一个频段同时进行两个通信单元之间的双向通信，将频谱利用率增加了一倍。

带内全双工无线通信系统将不需要如频分双工系统或时分双工系统一样，在频域或时域上分离出上、下行信道，分频或分时进行通信。可以在同一信道，同一时刻以同一频率实现两个通信单元的双向无线通信。由于带内全双工系统的发射天线与接收天线在物理位置上的接近，以及同时进行收发信号，与接收信号相比较大的发射信号会被同系统的接收天线接收，严重干扰同频段的接收信号，即同频自干扰效应。自干扰效应会严重影响接收信号的质量，是制约带内全双工技术发展的瓶颈技术。因此，带内全双工通信系统需要进行同频自干扰消除。现有的基于电子学方案的自干扰消除系统工作带宽、工作频段以及消除性能受电子元件性能限制。基于微波光子学的自干扰消除系统可以充分发挥光学器件大带宽优势，可以将更高频段的电信号调制成光信号进行处理。

光学自干扰消除系统发送的信号在无线信道传播时，会形成多个传输路径，产生多径自干扰信号，由同系统的接收天线接收。现有针对多径自干扰信道的光学消除技术，一般有两路信号进行传输，第一路是发送信号，第二路是复制的发送信号，称为参考信号。第二路复制信号通过信道估计，生成一个抵消多径自干扰效应的参考信号，然后让该参考信号经过参考信道，最后在光域上两路信号相减，留下有用信号，实现光学消除。

现有技术中，已有一种基于模拟光子的宽带多径自干扰消除方案，该方案在接收端和发送端分别使用线性部分相反的电光调制器(EOM)，将两路信号分别调制到光载波上。发送端信号从电光调制器输出到光耦合器，然后输出一组并行光信号到各个具有可调光延时线和光衰减器的支路上。每路经过延迟和衰减的信号以及接收端信号进入一个单模-多模耦合器后相消，留下有用信号(SOI)。文献中报告了，在两路干扰信道和两路光补偿路径下，900MHz频段获得50MHz带宽约30dB抑制比和10MHz带宽约40dB抑制比，2.4GHz频段获得200MHz带宽约40dB抑制比和10MHz带宽约50dB抑制比。该方案受限于补偿路径数量，不能处理任意数量多径自干扰信道。该方案实现自干扰消除的频带带宽太窄。对于下一代无线通信系统而言，希望获得更高频段的频谱资源用于带内全双工通信。

现有技术中还存在着一种基于色散器件的宽带光学多径自干扰消除方案，研究模拟非相干减法技术，使用可调谐激光器阵列，偏振调制器(PolM)，两个偏置器(Pol)，色散元件(DE)以及光电检测器(PD)，利用偏振调制器能够消除射频功率衰落的原理，以及通过色散元件，调节可调谐激光器输出波长能够实现不同时延，还有利用可调谐激光器调节输出光功率，利用光耦合器(OC)与经过多径信道的另外一路光信号匹配相消，留下有用信号(SOI)。文献中报告了，对于两路干扰信道，3GHZ频段获得50MHz带宽约77dB的抑制比。该方案解决多径自干扰信道的频段仅能适应现有的商用无线系统，没有更好体现基于微波光子学的自干扰消除系统高频段、宽带宽的优势。然而，该方案受限于可调谐激光器阵列，同样不能处理任意数量多径自干扰信道。

当前光学自干扰消除系统针对多径自干扰信道的消除技术，存在消除的多径自干扰信道的频段太窄的问题，导致光学自干扰消除系统的宽带宽优势无法发挥。现有的消除技术受限于复制多径信道的器件数量，不能处理任意多径信道干扰。本发明提出用自适应频域均衡技术解决多径自干扰信道问题，以拓宽光学自干扰技术消除的带宽和可以消除任意多径信道干扰。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于多径自干扰信道的自适应频域均衡系统。

本发明是根据以下技术方案实现的：

一种基于多径自干扰信道的自适应频域均衡系统，其特征在于，包括：数字信号处理基带单元、射频单元、控制单元，所述数字信号处理基带单元通过数模转换模块和模数转换模块与所述射频单元连接，所述控制单元分别与所述数字信号处理基带单元以及所述射频单元连接，其中所述射频单元设置有光学自干扰消除系统，所述光学自干扰消除系统用于消除产生的自干扰信号，在所述数字信号处理基带单元中设置自适应频域均衡模块，用于在频域上调节输出的参考信号，令参考信号与经过多径信道的信号相位接近。

上述技术方案中，所述射频单元包括混频器和光学自干扰消除系统，其中所述数字信号处理基带单元发送的光频分复用数据分为两路，其中一路数据通过数模转换器变成射频信号，经过混频器后由发射天线输出，和多径信道产生的干扰信号一同进入光学自干扰系统，另一路数据先通过频域均衡，再由数模转换器变成射频信号，经过混频器后，进入光学自干扰消除系统进行减法处理，再经过低通滤波器后，得到接收信号。

上述技术方案中，所述数字信号处理基带单元包括光正交频分复用信号调制模块、信号接收模块、信号估计模块、误差向量幅度估计模块。发送数据先串行转并行，接着继续16位正交幅度调制，之后分成两路。一路继续调制成光正交频分复用信号，然后经数模转换输出到射频域；另一路先经过自适应频域均衡模块，再调制成光正交频分复用信号，然后经数模转换输出到射频域。射频单元信号经模数转换后，由信号接收模块接收。此模块将解调光正交频分复用信号，同时输出两路数据，其中一路数据进入误差向量幅度估计模块，误差向量幅度估计模块评估接收信号性能，发送评估结果到控制单元，控制单元会依据结果来调节自干扰消除系统中的可调光延时线和可调光衰减器。另一路数据进入信道估计模块，信道估计模块处理数据后，依次调节频域均衡模块，形成自适应频域均衡系统。

上述技术方案中，所述自干扰消除系统包括：电吸收调制激光器、可调光衰减器、可调光延时线以及平衡接收机；以两个电吸收调制激光器为基础构建两条光支路，分别记为第一路径和第二路径，其中：

所述第一路径中依次设置有第一电吸收调制激光器EML1和可调光衰减器；接收天线将接收到的射频信号依次经过第一电吸收调制激光器EML1，可调光衰减器后进入平衡接收机；

所述第二路径中依次设置有：第二电吸收调制激光器EML2、可调光衰减器以及可调光延时线；射频信号中的另一路信号依次经过预失真滤波器、第二电吸收调制激光器EML2、可调光衰减器以及可调光延时线后进入平衡接收机；

由第一路径和第二路径的输出的两路信号在光平衡接收机中进行光电信号的减法操作，实现自干扰信号的消除。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的针对多径自干扰信道的宽带光学自干扰消除系统的自适应频域均衡技术，能够处理任意多径自干扰信道，得到较好的抑制带宽和抑制比。

2、本发明提供的针对多径自干扰信道的宽带光学自干扰消除系统的自适应频域均衡技术，设计的自适应频域均衡方案能够实时，自适应处理多径信道问题。

3、本发明提供的针对多径自干扰信道的宽带光学自干扰消除系统的自适应频域均衡技术，设计的频域均衡器是在发射端对信号进行处理，该设计系统集成化高，以及器件成本较低。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的针对多径自干扰信道的具有自适应频域均衡的宽带光学自干扰消除系统及以其为核心的带内全双工通信系统示意图；

图2为单路、双路和三路以上自干扰多径信道示意图；

图3为本发明所针对的多径自干扰信道的自适应频域均衡的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的针对多径自干扰信道的自适应频域均衡的带内全双工无线通信系统，包括混频器，电吸收调制激光器、可调光衰减器、可调光延时线以及平衡接收机，频域均衡模块，光频分复用信号接收模块，信号估计模块，误差向量幅度估计模块。本地发射的OFDM数据分为两路，其中一路数据通过DAC转换成射频信号，经过混频器后由发射天线输出，和多径信道产生的干扰信号一同进入光学自干扰系统，另一路数据先通过频域均衡，再由DAC转换成射频信号，经过混频器后，进入光学自干扰消除系统进行减法处理，再经过低通滤波器后，得到接收信号。接收信号经过ADC转换成接收数据。接收数据分成两路，其中一路进入误差向量幅度估计模块，反馈结果给控制单元，另一路数据进入信道估计，反馈调节频域均衡模块。

具体原理如下所述：

本发明的应用场景是带内全双工无线通信系统，附图1是数字信号处理基带单元，射频单元和控制单元构建成的带内全双工系统简要模型。数字信号处理基带单元中发送数据先串行转并行，接着继续16位正交幅度调制，之后分成两路。一路数据进行快速傅里叶反变换，加循环前缀，并行转串行后，调制成光正交频分复用信号，最后经数模转换输出到射频域，这是基带发射信号；另一路先经过自适应频域均衡模块，再进行快速傅里叶反变换，加循环前缀，并行转串行后，调制成光正交频分复用信号，最后经数模转换输出到射频域，这是参考信号。

射频单元拥有一个发射天线(T_X)和一个接收天线(R_X)用于实时通信。收发无线信号均位于同一频带。基带发射信号经过混频器，调制成射频信号，然后通过发射天线发射信号到远方，部分发射信号经过多径信道后被接收天线接收，形成频域不平坦的干扰信号，这干扰信号和远方发送的有用信号同时同一频段被接收天线接收，进入电吸收调制激光器1，调制成光信号，通过光纤传输，经过可调光衰减器，最后进入平衡接收机。参考信号经过混频器，调制成射频信号，进入电吸收调制激光器2，调制成光信号，通过光纤传输，依次经过可调光纤延时线和可调光衰减器，最后进入平衡接收机。在平衡接收机中，为了消除干扰信号，包含有用信号的一路减去作为参考信号的另一路。平衡接收机输出的信号依次经过混频器和低通滤波器后，调制到基带上，经过模数转换器，进入数字信号处理基带单元的信号接收模块。

由于复制的参考信号是幅度响应平坦的，因而二者难以在宽带上匹配从而获得良好的消除效果，自适应系统需要通过调整频域均衡器，使两路信号幅度响应匹配，实现宽带自干扰消除。因此信号接收模块将接收的光正交频分复用信号解调，解调后输出两路数据，其中一路数据进入误差向量幅度估计模块，误差向量幅度估计模块评估接收信号性能，发送评估结果到控制单元，控制单元会依据结果来调节自干扰消除系统中的可调光延时线和可调光衰减器；另一路数据进入信道估计模块，信道估计模块处理数据后，依此调节频域均衡器，形成自适应频域均衡系统。

所研究的针对多径自干扰信道的自干扰消除系统中，附图2是单路，双路和三路自干扰信道。附图1中，发射数据为S_t(t)，S_t(t)不经过频域均衡为S_t1(t)，S_t(t)经过频域均衡f后为S_t2(t)。h₁(t)表示从a点传输到c点的自干扰信道的冲激响应，h₂(t)表示从b点传输到c点的参考信道的冲激响应，h₃(t)表示从远端的光频分复用模块发射端到c点的有用信号信道的冲激响应。S_r(t)表示c点的信号，也是接收信号。S_t1(t)，S_t2(t)，

S₁(t)，S₂(t)分别表示为：

S_t1(t)＝S_t(t) (1)

S_t2(t)＝S_t(t)*f(t) (2)

S₁(t)＝S_t1(t)*h₁(t) (3)

S₂(t)＝S_t2(t)*h₂(t) (4)

依据公式(1)(2)(3)(4)，可以求得S_r(t)表达式为：

S_r(t)＝S₁(t)-S₂(t)+S₃(t)＝S_t(t)*h₁(t)-S_t(t)*f(t)*h₂(t)+S₃(t) (5)

依据公式(5)，要获得有用信号S₃(t)，需要满足公式(6)：

S_r(t)＝S₃(t) (6)

相应条件如公式(7)所示

S_t(t)*h₁(t)＝S_t(t)*f(t)*h₂(t) (7)

由公式(7)推导得到公式(8)(9)(10)：

h₁(t)＝f(t)*h₂(t) (8)

H₁(ω)＝F(ω)H₂(ω) (9)

其中H₁(ω)，H₂(ω)，F(ω)分别表示h₁(t)，h₂(t)，f(t)傅立叶变换结果。参数P₁(ω)，θ₁(ω)分别表示自干扰信道冲激响应的功率和相位，参数P₂(ω)，θ₂(ω)分别表示参考信道冲激响应的功率和相位。

附图3为自适应频域均衡过程，接收信号S_r送入误差向量幅度评估模块，实时计算误差向量幅度值(EVM)。当EVM大于某个有效值时，系统工作异常，开始自适应频域均衡，系统关闭电吸收调制激光器EML2，则信号S₂(t)消失，通过放大器来放大信号S_t1(t)，达到S_t1(t)远大于S₃(t)，此时由公式(5)推导出公式(11)：

S_r(t)≈S₁(t)＝S_t(t)*h₁(t) (11)

通过导频方法测出新的信道参数h₁(t)，然后调整频域均衡器参数。之后重新调整放大器，打开电吸收调制激光器EML2，计算误差向量幅度值，再重复这个自适应过程，直到差向量幅度值小于某个有效值，系统进入稳定工作状态。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (3)

1.一种基于多径自干扰信道的自适应频域均衡系统，其特征在于，包括：数字信号处理基带单元、射频单元、控制单元，所述数字信号处理基带单元通过数模转换模块和模数转换模块与所述射频单元连接，所述控制单元分别与所述数字信号处理基带单元以及所述射频单元连接，其中所述射频单元设置有光学自干扰消除系统，所述光学自干扰消除系统用于消除产生的自干扰信号，在所述数字信号处理基带单元中设置自适应频域均衡模块，用于在频域上调节输出的参考信号，令参考信号与经过多径信道的信号相位接近；

所述数字信号处理基带单元包括光正交频分复用信号调制模块、信号接收模块、信号估计模块、误差向量幅度估计模块，发送数据先串行转并行，接着继续16位正交幅度调制，之后分成两路；一路继续调制成光正交频分复用信号，然后经数模转换输出到射频域；另一路先经过自适应频域均衡模块，再调制成光正交频分复用信号，然后经数模转换输出到射频域；射频单元信号经模数转换后，由信号接收模块接收；此模块将解调光正交频分复用信号，同时输出两路数据，其中一路数据进入误差向量幅度估计模块，误差向量幅度估计模块评估接收信号性能，发送评估结果到控制单元，控制单元会依据结果来调节自干扰消除系统中的可调光延时线和可调光衰减器，另一路数据进入信道估计模块，信道估计模块处理数据后，依次调节频域均衡模块，形成自适应频域均衡系统。

2.根据权利要求1所述的基于多径自干扰信道的自适应频域均衡系统，其特征在于，所述射频单元包括混频器和光学自干扰消除系统，其中所述数字信号处理基带单元发送的光频分复用数据分为两路，其中一路数据通过数模转换器变成射频信号，经过混频器后由发射天线输出，和多径信道产生的干扰信号一同进入光学自干扰系统，另一路数据先通过频域均衡，再由数模转换器变成射频信号，经过混频器后，进入光学自干扰消除系统进行减法处理，再经过低通滤波器后，得到接收信号。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的基于多径自干扰信道的自适应频域均衡系统，其特征在于，所述自干扰消除系统包括：电吸收调制激光器、可调光衰减器、可调光延时线以及平衡接收机；以两个电吸收调制激光器为基础构建两条光支路，分别记为第一路径和第二路径，其中：

所述第一路径中依次设置有第一电吸收调制激光器EML1和可调光衰减器；接收天线将接收到的射频信号依次经过第一电吸收调制激光器EML1，可调光衰减器后进入平衡接收机；

所述第二路径中依次设置有：第二电吸收调制激光器EML2、可调光衰减器以及可调光延时线；射频信号中的另一路信号依次经过预失真滤波器、第二电吸收调制激光器EML2、可调光衰减器以及可调光延时线后进入平衡接收机；

由第一路径和第二路径的输出的两路信号在光平衡接收机中进行光电信号的减法操作，实现自干扰信号的消除。

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