CN1098578C - 用于同线电话中继通信的自干扰消除方法和系统 - Google Patents

Abstract

在与发射机(104)相关的接收机(110)消除一个源发送信号，因而可以从一个复合接收信号中提取希望的接收信号，该复合信号包括伴随着来自通信对中的另一个用户的希望的接收信号从中继站(中继装置)转播的源信号，加上附加的噪声。本发明利用了每个用户(用户1，用户2)事先知道它的源发送信号的确切结构和能够估算中继站与它本身之间的信道特性的有利事实。

Description

用于同线电话中继通信的自干扰消除方法和系统

本发明的技术领域

本发明涉及一种其中使用一中继站帮助两户同线电话间通信的射频或光通信系统，特别是涉及一种能够更有效地使用可用信道资源的改进。

本发明的背景技术

图1中示出了两个用一第三方中继站物理地隔离的装置之间的射频或光通信。中继站从两个用户装置中的每一个接收信号，并一般在一个偏离接收频道的频道中把复合接收信号转发回两个用户装置。两个例子是：

1.在两个地球终端(地面，机载或船载终端)之间利用非处理“弯管”转发器以线性模式卫星通信。

2.用一个中继无线电台(例如，一个系留飞行物或一个无线电天线塔)连接的两个终端之间的地面视距内无线通信。

中继站可以同时转发比图1中所示的两个更多的信号。一般可以使用诸如频分多址(FDMA)，时分多址(TDMA)，码分多址(CDMA)之类的已知多址联接技术的任何一种，或是组合使用一种以上的这类技术的混合技术分享中继资源。在每一种这类技术中，中继资源被有效地信道化，使得接收机可以通过在一个特定时间、利用一个特定编码、或是利用它们的某种组合调谐在一个特定频率上，把一个特定的接收信号与所有其它用户的信号隔离。为了简化说明，以下的讨论将基于FDMA技术，尽管也可以使用利用TDMA，CDMA或混合多址联接技术的装置。

图2显示了一对在用户1与用户2之间频域中隔离的信号。用户1发送的信号具有f₁Hz的中心频率和W₁Hz的带宽。用户2发送的信号具有f₂Hz的中心频率和W₂Hz的带宽。根据FDMA技术，支持从用户对的同时传输所需的总带宽是(W₁+W₂)Hz。转播的其它信号被分配给其它非重叠带宽。因此用户的数量受到该中继带宽的限制。尽管这是一种多个用户之间的中继资源的直通式分割，但不需要最有效的便用。

在电话通信中，由于扭绞线对电路的带宽是有限的，因此有必要更有效地利用可用带宽，其中发送和接收信号共享同一带宽。但是这种类型的通信并不是本发明所用词汇意义上的中继通信，而是点对点通信，尽管信号可以经过其路途中的几个中间节点从源用户路由选择到目的用户。由于发送和接收信号占据同样的带宽，因而使用被称为混合型的装置把两条线路上的混合信号隔离成发送和接收部分。但是，这些位于两个电话公司中心局的装置不能完全隔离信号，其不良后果是产生回波。因此接收的信号将包含被发送信号的两个回波，一个来自本地中心局的近回波，和一个来自远端中心局的远回波。

为了数据通信，用一种回波消除器消除这些回波，回波消除器从接收信号中减去发送信号的一个适当定标和延迟的复制品。由于信号不是转播的，并且发送和接收信号之间不存在频率偏移，因此可以用一种适合的滤波器方法完成回波消除器的功能。滤波器的系数可以用诸如LMS(最小均方值)算法之类的许多已知算法中的任何一种进行估算。但是，这种方法不能扩展到其中发送和接收频率是显著不同的中继通信系统的场合。因此，必须使用一种不同的消除技术，以便中继信号能够共享同一带宽。

需要一种机构来提供可用信道资源的更有效使用，以支持一组射频或光终端之间的任何成对连接的双向中继通信。更具体地说，需要一种改进，它在使用中不依赖于多址联接技术，不依赖于系统的调制和编码，并且不利用任何数据压缩技术，或不需要中继站的专门设备。

本发明的内容

根据本发明，在与发射机相关的接收机消除源发送信号，使得能够从一复合接收信号提取希望的接收信号，该复合信号是由与来自用户对中另一个用户的希望的接收信号伴随的从中继站转发的源发送信号，加上附加的噪声构成的。本发明利用了每个用户事先知道它的源发送信号的确切结构和能够估算中继站与它本身之间的信道特性的有利事实。在源信号起点的装置利用这个知识来估算：

●去和来自中继站的来往传播延迟。

●中继源信号对事先知道的源信号的相对信号幅度，载频和相位。

一旦发送站的装置确定了这些参量，它可以从来自中继站的复合中继(下行链路)信号中减去事先已知的发送信号的时间、频率、相位和幅度调节方案。剩余信号包括希望的来自另一个用户希望的信号，加上因通信信道造成的附加噪声，以及时间、相位、频率和幅度的残余失准造成的误差信号。

根据本发明，提供了一种用于通过一个中继站在一个第一装置和一个第二装置之间进行双向中继电磁通信的方法，包括步骤：在每个所述第一和第二装置产生一个源信号；在每个所述装置存储所述源信号的代表作为存储信号；估算至所述中继站的一往返路径的信道特性以获得用于每个装置的补偿参数；从每个所述装置向所述中继站发送所述源信号；在每个所述装置从所述中继站接收一个复合信号，所述复合信号包含来自每个所述装置的所述源信号的一个复制信号；在每个所述装置利用所述补偿参数修改所述存储信号以获得一个用于每个所述装置的相应消除信号；和在每个所述装置从所述复合信号减去所述相应消除信号以恢复一个希望的信号，所述希望的信号是来自其它装置的源信号。

根据本发明，提供了一种在通过一个中继站在一个第一装置和一个第二装置之间进行双向中继电磁通信的一个系统中，其中每个所述第一装置和所述第二装置包括一个调制器，一个发射机，一个接收机和一个解调器，一个在每个所述第一装置和所述第二装置用于允许所述系统共享共用通信信道的装置，所述装置包括：用于俘获从所述调制器传向所述发射机的源信号或传向所述调制器的源信息信号的装置；用于存储所述源信号的代表的装置；用于估算至所述中继站的一往返路径的信道特性以获得补偿参数的装置；用于从所述接收机提取复合信号的装置，所述复合信号包含所述源信号的一个复制信号；耦合到所述估算装置用于利用所述补偿参数修改所述存储信号以获得一个消除信号的装置；和耦合到所述修改装置和所述提取装置用于从所述复合信号中减去所述消除信号以获得一个希望信号的装置，所述希望信号是来自另一个装置的源信号。

通过参考附图和所附技术说明可以对本发明有更好的理解。

附图的简要说明

图1是显示中继通信系统操作的示意图；

图2是显示现有全双工通信所需带宽的示意图；

图3是显示本发明全双工通信所需带宽的示意图；

图4是说明自干扰消除技术的波形图；

图5是对于源信息信号是数字性质的应用时根据本发明的干扰消除器与发射机/接收机的其它组件的关系的方框图；

图6是对于源信息信号是模拟性质的应用时根据本发明的干扰消除器与发射机/接收机的其它组件的关系的方框图；

图7是本发明的一个具体实施例的方框图；

图8是说明本发明使用的一个可能的训练序列的波形定时图；

图9是说明一个延迟参数估算器的实施例的方框图。

本发明的具体实施方式

图3示出了本发明的优点，即，通过信号重叠提高了可用带宽的利用。使用本发明，用户1和用户2可以利用相同的中心频率f₁Hz同时发送。被该对信号占据的所得总带宽是W₁或W₂Hz中较大的一个，与不用本发明的所需带宽(W₁+W₂)Hz相比节约达50％。在TDMA环境中，用户2和用户2可以共用相同的时隙，为更多的用户空出其它时隙。在CDMA系统中，用户同样可以共用相同的扩展码。由于始发信号的装置具有源信号的知识，并能够估算信号的特性，因而本发明得以实现。

在图4中示出了组合信号的概念。在图形1中，表示组合信号S1+S2。图形2示出了第一源信号S1。图形3示出了第二源信号S2。中继站总是发送组合信号。可以从组合信号中减去第一源信号以恢复第二源信号，即来自其它装置的信号。尽管所示信号使用了振幅键控，但也可以使用其它调制方法。在本例中，可以看到在各时间两个源信号，S1和S2，相互抵消，在组合信号S1+S2中产生零电位。应当特别注意，尽管组合信号可能不时地为零，但减去第一源信号S1仍然能恢复第二源信号S2，因而这种现象并不影响本发明的操作。

本发明可以通过处理硬件、固件或软件的数字信号实现。它也可以大量地在模拟(线性)硬件中实现。应当认识到本发明可以对象图5和6中所示的现有通信设备起到增强作用，应当根据具体应用选择实施本发明。

图5说明了对于源信息信号是数字性质的应用说利用本发明的发射机/接收机的配置。在这种场合，延迟，或存储源信息信号而不是调制器的输出更有效。因此，干扰消除器使用的源信号S1表示的是源信息信号。另一方面，如果源信息信号是模拟性质的，图6所示的配置可能是最好的，其中调制器的输出是干扰消除器使用的源信号的代表。如果往来于中继站的往返传播时间足够小，那么可以任意选择配置。

应当清楚，无论使用图5的配置还是图6的配置，通信双方都必须利用本发明的发射机/接收机。为了简化，仅对用户1设备的操作进行说明。参考图5，每个装置100具有一个调制器102，一个发射机104，一个发射天线106或等同作用的信号辐射器，一个接收天线108，一个接收机110，一个干扰消除器112和一个解调器114。作为选择，用户装置可以配置一个单个天线以及一个双工器代替发射天线106和接收天线108。调制器102把源信息信号转换成一种适于传输的格式。发射机104通过天线106把源信息信号S1发送到中继站。通过接收天线108，接收机110接收复合信号S1′+S2′，干扰消除器比较代表复合信号S1′+S2′的一个信号，并根据对信道传输特性的估算以及包含在源信息信号中的代表S1的信号现有知识减去一个代表S1的信号，以获得一个代表S2′的信号。解调器114从代表恢复的S2′信号的信号恢复希望的信息信号。图6的配置与图5的配置的不同之处仅在于干扰消除器获得来自调制器102的输出，而不是来自源信息信号的代表S1的信号的现有知识。

图7显示了干扰消除器112的一个实施例。它有五个元件：一个用于存储源信号代表的可变延迟元件20，一个调制器/混频器元件22，一个可编程增益元件24，一个减法器26，和一个参数估算元件28。通过可变延迟元件20供给作为S1发送的源信号、或用于产生S1的源信息信号，接着在延迟后，经过调制器/混频器元件22，并继续经过可编程增益元件24进入减法器26。代表接收到的复合信号S1′+S2′的信号被输入到参数估算元件28和减法器26中。参数估算元件28被动态编程，以便分别向可变延迟元件20、调制器/混频器22和参数增益元件24提供时间、频率、相位和增益校正。减法器26的输出是接收信号的希望的组成部分。

更具体地讲，干扰消除器112是由下列主要元件构成的：

可变延迟元件20：用于把已知源信号延迟一段时间量τ，使它能够与接收的复合信号的源信号分量在时间上正确地对准。

调制器/混频器元件22：用于调节已知源信号的频率和相位，使它具有与接收的复合信号的源信号分量相同的频率和相位。将延迟的已知源信号分量乘以 $e^{j(2\mathrm{\π}{f}_0\mathrm{\τ}+\mathrm{\φ})}$ ，其中f₀是估算的已知和接收信号之间的相对频差，φ是估算的相对相位差。如果已知源信号是以源信息信号的形式存储在延迟元件20中的，那么这个元件还必须重复调制器106的功能。

可编程增益元件24：用于调节已知源信号的相对振幅，使其与复合接收信号的源信号分量的振幅相同。

减法器26：用于从复合接收信号中线性地减去调节过的源信号。

参数估算元件28：用于获得调节参数，τ，f₀，φ和G，它们中的每个都可以随时间变化，并被用于使源信号与接收的复合信号的源信号分量正确地对准。

这些组件中的每一个都有一种或多种已知的现实方式。存在着多种可能的执行参数估算功能的方法，本发明并不依赖任何一种特定的方法。以下说明一种初始估算希望参数的方法的例子。

假设中继信道是线性的，因而其它用户的信号，S2，的存在或不存在将不会影响估算修改存储的S1的代表以产生消除信号所需的四个参数(τ，f₀，φ和G)中任何一个的可靠性。可以使用惯用的开环或闭环估算算法估算参数。例如，无论是否存在其它信号都可以使用相关技术，仅有的差别在于如果存在其它信号，那么它将作为一个大的噪声分量出现于相关器，因此必须延长相关处理的持续时间。

如果需要四个参数的快速初始估算，可以使用如图8所示的一种简单训练协议。在本实施例中，通过预先规定，用户2在一个预定的时间周期中抑制其信号的发送。在这段时间中，用户装置1估算它的参数。然后用户装置1在一预定时间周期中抑制其信号，此时用户装置2估算它的参数。此后两个用户可以开始通信，利用估算的参数以初始化消除装置。本发明可以利用多种不同的训练协议。

在干扰消除装置参数初始化之后，必须频繁地更新(跟踪)它们以使双向通信过程中误差信号分量最小。图9中示出了用于产生一个误差信号以跟踪延迟参数的技术。它使用了一种“超前-滞后”选通技术以便有规律地确定稍微小一点还是稍微大一点的延迟可以改善一个本身事先已知的信号与从中继站接收的复合信号的相关。误差信号被用作向一个传统的延迟锁定环的输出信号，以保持延迟参数τ的最佳估算。可以利用类似技术对载频和相位参数进行跟踪。

总之，本发明包括一种用于通过一个诸如卫星转发器或一个地面中继器之类的中继站在一个第一装置和一个第二装置之间进行诸如无线或光通信之类的双向中继电磁通信的方法，该方法包括在每个装置产生一源信号，存储可以是源信号本身或由源信号输送的源信息的源信号代表，估算从装置至中继站一往返路程的信道特性以获得补偿参数，向转播所有信号的中继站发送源信号，在每个装置接收来自中继站的包含来自该对发送装置中每个的源信号的代表的复制信号的复合信号，利用补偿参数修改存储的代表以获得一个消除信号，和从复合信号减去消除信号以恢复作为来自其它装置的源信号的所希望信号等步骤。

该方法可以限于在一个第一共用发送频道上发送和在一个第二共用接收频道上接收使用，以优化带宽利用。该方法也可以在分别共享时隙和扩展码的时分多址系统或码分多址系统中使用。此外，该方法可以在这些多址联接技术(FDMA，TDMA和CDMA)的任何混合组合中使用。

根据本发明的一种设备用于一个通过一个中继站进行双向中继通信的系统中的装置，其中每个装置包括一个调制器，一个发射机，一个接收机和一个解调器。该设备可以包括用于俘获从调制器传向发射机的源信号或源信息信号的装置，用于存储源信号的代表或源信息信号的装置，用于估算至中继站往返路径的信道特性以获得补偿参数的装置，用于从复合信号包含一个源信号的复制信号的接收机提取一个复合信号的装置，耦合到估算器用于利用补偿参数修改存储信号以获得一个消除信号的装置，和耦合到修改装置和提取装置用于从复合信号减去消除信号以恢复一个作为来自其它装置源信号的所希望信号的装置的组合。

至此参考具体实施例说明了本发明。本发明的其它实施例对于熟悉本领域的一般技术人员是十分明显的。因此，除了权利要求指出的范围之外，本发明并不受特定实施例的限制。

Claims (8)

1.一种用于通过一个中继站在一个第一装置和一个第二装置之间进行双向中继电磁通信的方法，包括步骤：

在每个所述第一和第二装置产生一个源信号；

在每个所述装置存储所述源信号的代表作为存储信号；

估算至所述中继站的一往返路径的信道特性以获得用于每个装置的补偿参数；

从每个所述装置向所述中继站发送所述源信号；

在每个所述装置从所述中继站接收一个复合信号，所述复合信号包含来自每个所述装置的所述源信号的一个复制信号；

在每个所述装置利用所述补偿参数修改所述存储信号以获得一个用于每个所述装置的相应消除信号；和

在每个所述装置从所述复合信号减去所述相应消除信号以恢复一个希望的信号，所述希望的信号是来自其它装置的源信号。

2.如权利要求1所述的方法，其中每个所述装置在一个第一共用发射频道上发送和在一个第二共用接收频道上接收。

3.如权利要求1所述的方法，其中每个所述装置在一个共用发射时隙中发送和接收。

4.如权利要求1所述的方法，其中每个所述装置使用一个共用扩展码发送和接收一个扩展频谱信号。

5.如权利要求1所述的方法，其中每个所述装置利用一种混合多址联接方案的一个共用信道分配发送和接收。

6.如权利要求1所述的方法，其中每个所述第一装置和所述第二装置在所述相应装置中的另一个没有进行发送的周期中发送一个训练序列，以允许所述信号的快速分析。

7.如权利要求1所述的方法，其中每个所述第一装置和所述第二装置不利用训练序列执行所述信道的分析。

8.在通过一个中继站在一个第一装置和一个第二装置之间进行双向中继电磁通信的一个系统中，其中每个所述第一装置和所述第二装置包括一个调制器，一个发射机，一个接收机和一个解调器，一个在每个所述第一装置和所述第二装置用于允许所述系统共享共用通信信道的装置，所述装置包括：

用于俘获从所述调制器传向所述发射机的源信号或传向所述调制器的源信息信号的装置；

用于存储所述源信号的代表的装置；

用于估算至所述中继站的一往返路径的信道特性以获得补偿参数的装置；

用于从所述接收机提取复合信号的装置，所述复合信号包含所述源信号的一个复制信号；

耦合到所述估算装置用于利用所述补偿参数修改所述存储信号以获得一个消除信号的装置；和

耦合到所述修改装置和所述提取装置用于从所述复合信号中减去所述消除信号以获得一个希望信号的装置，所述希望信号是来自另一个装置的源信号。

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