CN110350945A

CN110350945A - 一种高清全双工信号收发基站

Info

Publication number: CN110350945A
Application number: CN201910573882.3A
Authority: CN
Inventors: 张志亮; 刘�英; 罗芳; 王小红
Original assignee: Qingyuan Polytechnic
Current assignee: CERTUSNET CORP
Priority date: 2019-06-28
Filing date: 2019-06-28
Publication date: 2019-10-18
Anticipated expiration: 2039-06-28
Also published as: CN110350945B

Abstract

本发明提供了一种高清全双工信号收发基站，包括：收发器单元，用于至少一个天线用于进行发送数字发射信号转换后的射频发射信号或接收远端信号；信号转换单元，用于根据数字发射信号进行数模转换处理，得到模拟发射信号，并根据模拟发射信号进行功放处理，得到功放后模拟发射信号；自干扰处理单元，用于根据功放后模拟发射信号进行线性分量消除处理，得到非线性自干扰信号，并根据非线性自干扰信号对天线单元接收到的数字接收信号中包含的自干扰信号进行消除，得到数字自干扰消除后的远端信号。通过本发明可以消除反馈信号中占主导的线性部分，使得反馈通道中的模数转换器主要表达非线性部分，可以不使用高精度的模数转换器，降低了整体的成本。

Description

一种高清全双工信号收发基站

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种高清全双工信号收发基站。

背景技术

在频谱资源日渐枯竭的今天，全双工拥有理论上能够倍增无线通信频谱效率的巨大吸引力。在工程应用上，全双工无线通信面临着本地发送信号对接收通道造成自干扰的问题，需要联合使用天线域、模拟域、数字域中的两种或以上的自干扰消除技术进行克制。数字自干扰消除是最后一道必选的消除手段，其残留下来的自干扰将会作为最终残留自干扰，所以对最终消除效果的影响非常重要。另外，数字自干扰消除技术可分为无反馈辅助与反馈辅助两类。无反馈辅助数字自干扰消除直接利用发送数据重建自干扰并在接收数据中减去，由于仅通过发送数据及接收数据较难准确重建发送通道功放非线性的影响，该方法较复杂效果较差。反馈辅助数字自干扰消除通过增加辅助接收通道接收耦合出来的待发送射频信号，使经受功放非线性影响的信号变为已知，再据此重建自干扰并在接收数据中减去，由于无需重建功放非线性，该方法较简单效果较好。然而，该方法中反馈信号同时包含有占主导地位的线性部分和较弱的非线性部分，为保证得到的非线性部分信号的精度，需要使用较多位数较高分辨率的模数转换器，成本较高。

如公开号为US2019081766(A1)的专利公开的一种全双工设备到设备协作通信的装置和方法，包括自干扰噪声计算器。所述自干扰噪声计算器的输出可用于补偿由于同一无线设备或系统的另一个天线发送的信号所经历的干扰。在实现这样的自干扰噪声计算器时，所选择的无线中继设备或无线目的地设备可以以全双工模式操作，使得可以在共同时间段期间发送中继消息以及来自其他源或目的地的信息(例如，符号，槽，子帧等)。其通过使用自干扰噪声计算器计算所述干扰并给予对应的补偿,这种补偿方法为现有技术中常用的全双工自干扰补偿方法。

又如公开号为CN103580720A公开的一种同频全双工自干扰抵消装置，包括：发射通道向空中发射射频信号，将发射信号耦合到抵消模块；抵消模块在控制模块控制下对发射通道耦合到抵消模块的发射信号进行调整，并得到与接收通道生成的自干扰信号幅度相等、相位相反的抵消信号；接收通道从空中接收射频信号后，将接收信号与抵消模块输出的抵消信号进行合成实现自干扰抵消，将自干扰抵消后的接收信号发送至射频信号接收端，耦合到功率检测模块；功率检测模块检测自干扰抵消后的接收信号的功率强度，并生成功率检测信号发送给控制模块；控制模块根据功率检测信号生成抵消模块控制信号。这种自干扰消除方法有一定的有益效果，但是其成本相对更高，而既有有效的效果，而又成本较低的非线性自干扰消除方法以及其相关设备尚需挖掘。

关于全双工信号基站的信号自干扰处理，其实际应用中的亟待处理的实际问题还有很多未提出具体的解决方案。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种高清全双工信号收发基站，具体技术方案如下：

一种高清全双工信号收发基站，包括：收发器单元，包括至少一个天线用于进行发送数字发射信号转换后的射频发射信号或接收远端信号；信号转换单元，用于根据所述数字发射信号进行数模转换处理，得到模拟发射信号，并根据所述模拟发射信号进行功放处理，得到射频发射信号；自干扰处理单元，用于根据所述射频发射信号进行线性分量消除处理，得到非线性反馈信号，并根据所述非线性反馈信号及数字发射信号对接收通道接收到的数字接收信号中包含的自干扰信号进行消除，得到数字自干扰消除后的远端信号。

可选的，所述根据所述数字发射信号进行数模转换处理，得到模拟发射信号，还包括：所述数字发射信号进行数模转换处理后，对得到的模拟发射信号进行衰减，得到第一衰减信号。

可选的，所述模拟发射信号进行功放处理，得到射频发射信号，还包括：根据所述射频发射信号，进行衰减得到第二衰减信号。

可选的，所述进行线性分量消除处理，得到非线性反馈信号，包括：根据所述第一衰减信号、第二衰减信号，进行线性分量消除处理，得到非线性模拟信号，并进行模数转换处理，得到非线性反馈信号。

可选的，根据所述射频发射信号进行自干扰重建，得到模拟自干扰消除信号；根据所述模拟自干扰消除信号对所述天线单元接收到的模拟接收信号中包含的自干扰信号进行消除，并进行模数转换得到数字接收信号。

可选的，还包括：根据所述非线性反馈信号及数字发射信号进行自干扰重建，得到数字自干扰消除信号；根据所述数字自干扰消除信号对所述接收通道接收到的数字接收信号中包含的自干扰信号进行消除，得到数字自干扰消除后的远端信号。

可选的，所述数字接收信号和非线性反馈信号为：

所述数字接收信号为：

w(n)＝f_chan(f_PA(u(n)))+r(n)

其中，u(n)为数字发射信号，f_PA(.)表示包含功放在内的发射通道传输函数，f_chan(.)表示包含模拟自干扰消除在内的自干扰信道传输函数，r(n)为期望接收的远端信号；

所述非线性反馈信号为：

v(n)＝αf_PA(u(n))-βu(n)

其中，β为引入模拟发射信号移除线性反馈的第一衰减器系数，α为反馈通道第二衰减器系数。

可选的，根据所述非线性反馈信号和数字发射信号，计算得到所述系数β值。

可选的，所述根据所述非线性反馈信号和数字发射信号，计算得到所述系数β值，还包括：置反馈通道第二衰减器与加法器断开及置对应加法器输入为零，并发送特定的u(n)序列，估计得到系数β的最大似然估计值。

可选的，根据所述系数β值、非线性反馈信号和数字发射信号，计算得到完整的反馈信号；并根据所述完整的反馈信号和数字预失真算法，对所述数字发射信号作数字预失真补偿处理。

本发明所取得的有益效果包括：1、通过消除反馈信号中占主导的线性部分，使得反馈通道中的模数转换器主要表达非线性部分，可以不使用高精度的模数转换器，降低了整体的成本；2、反馈辅助数字自干扰消除通过增加反馈通道接收耦合出来的待发送射频信号，使经受功放非线性影响的信号变为已知，再据此重建自干扰并在接收数据中减去，达到极佳的消除效果；3、通过消除本地发射信号对接收通道造成的自干扰，使同时间同频段上进行无线收发的全双工通信方式成为可能，进一步挖掘无线频谱资源，使得无线频谱利用率提升将近一倍。

附图说明

从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明，将重点放在示出实施例的原理上。

图1为本发明的高清全双工信号收发基站的结构示意图；

图2为本发明的自干扰消除方法的流程示意图；

图3为本发明一实施例的自干扰消除方法的系统结构示意图；

图4为本发明另一实施例的自干扰消除方法的系统结构示意图；

图5为本发明自干扰消除方法的系统等效模型示意图；

图6为本发明自干扰消除方法的另一系统等效模型示意图；

图7为本发明基于全双工数字自干扰消除方法的仿真效果图。

具体实施方式

为了使得本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。对于本领域技术人员而言，在查阅以下详细描述之后，本实施例的其它系统、方法和/或特征将变得显而易见。旨在所有此类附加的系统、方法、特征和优点都包括在本说明书内、包括在本发明的范围内，并且受所附权利要求书的保护。在以下详细描述描述了所公开的实施例的另外的特征，并且这些特征根据以下将详细描述将是显而易见的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明为一种高清全双工信号收发基站，根据图1-7所示阐述以下实施例。

实施例一：

本实施例提供了一种高清全双工信号收发基站，包括：收发器单元，包括至少一个天线用于进行发送数字发射信号转换后的射频发射信号或接收远端信号；信号转换单元，用于根据所述数字发射信号进行数模转换处理，得到模拟发射信号，并根据所述模拟发射信号进行功放处理，得到射频发射信号；自干扰处理单元，用于根据所述射频发射信号进行线性分量消除处理，得到非线性反馈信号，并根据所述非线性反馈信号及数字发射信号对接收通道接收到的数字接收信号中包含的自干扰信号进行消除，得到数字自干扰消除后的远端信号。

其中，所述根据所述数字发射信号进行数模转换处理，得到模拟发射信号，还包括：所述数字发射信号进行数模转换处理后，对得到的模拟发射信号进行衰减，得到第一衰减信号。另，所述模拟发射信号进行功放处理，得到射频发射信号，还包括：根据所述射频发射信号，进行衰减得到第二衰减信号。

其中，所述进行线性分量消除处理，得到非线性反馈信号，包括：根据所述第一衰减信号、第二衰减信号，进行线性分量消除处理，得到非线性模拟信号，并进行模数转换处理，得到非线性反馈信号。

其中，根据所述射频发射信号进行自干扰重建，得到模拟自干扰消除信号；根据所述模拟自干扰消除信号对所述天线单元接收到的模拟接收信号中包含的自干扰信号进行消除，并进行模数转换得到数字接收信号。

其中，还包括：根据所述非线性反馈信号及数字发射信号进行自干扰重建，得到数字自干扰消除信号；根据所述数字自干扰消除信号对所述接收通道接收到的数字接收信号中包含的自干扰信号进行消除，得到数字自干扰消除后的远端信号。

其中，所述数字接收信号和非线性反馈信号为：

所述数字接收信号为：

w(n)＝f_chan(f_PA(u(n)))+r(n)

所述非线性反馈信号为：

v(n)＝αf_PA(u(n))-βu(n)

其中，根据所述非线性反馈信号和数字发射信号，计算得到所述系数β值。

其中，所述根据所述非线性反馈信号和数字发射信号，计算得到所述系数β值，还包括：置反馈通道第二衰减器与加法器断开及置对应加法器输入为零，并发送特定的u(n)序列，估计得到系数β的最大似然估计值。

其中，根据所述系数β值、非线性反馈信号和数字发射信号，计算得到完整的反馈信号；并根据所述完整的反馈信号和数字预失真算法，对所述数字发射信号作数字预失真补偿处理。

实施例二：

其中，所述根据所述数字发射信号进行数模转换处理，得到模拟发射信号，还包括：所述数字发射信号进行数模转换处理后，对得到的模拟发射信号进行衰减，得到第一衰减信号。

其中，所述模拟发射信号进行功放处理，得到射频发射信号，还包括：根据所述射频发射信号，进行衰减得到第二衰减信号。

其中，所述数字接收信号和非线性反馈信号为：

所述数字接收信号为：

w(n)＝f_chan(f_PA(u(n)))+r(n)

所述非线性反馈信号为：

v(n)＝αf_PA(u(n))-βu(n)

需要说明的是，本发明实施例中的全双工信号收发基站可以用于实现下面方法实施例中的全部技术方案，其各个功能单元的功能可以根据上述方法实施例中的方法具体实现，其具体实现过程可参照上述实施例中的相关描述，此处不再赘述。

另外，本实施例提供了一种非线性反馈辅助的全双工数字自干扰消除方法，包括：

S101：接收所述基带信号处理单元发送的数字发射信号；

S102：根据所述数字发射信号进行数模转换处理，得到模拟发射信号；

S103：根据所述模拟发射信号进行功放处理，得到射频发射信号；

S104：根据所述射频发射信号进行线性分量消除处理，得到非线性反馈信号；

S105：根据所述非线性反馈信号及数字发射信号对接收通道接收到的数字接收信号中包含的自干扰信号进行消除，得到数字自干扰消除后的远端信号。

其中，所述根据所述数字发射信号进行数模转换处理，得到模拟发射信号，还包括：所述数字发射信号进行数模转换处理后，对得到的模拟发射信号进行衰减，得到第一衰减信号。另，所述模拟发射信号进行上变频及功放处理，得到射频发射信号，还包括：根据所述射频发射信号，进行衰减及下变频得到第二衰减信号。

其中，根据所述射频发射信号进行自干扰重建，得到模拟自干扰消除信号；根据所述模拟自干扰消除信号对所述天线单元接收到的模拟接收信号中包含的自干扰信号进行消除，并进行下变频及模数转换得到数字接收信号。

其中，所述数字接收信号和非线性反馈信号为：

所述数字接收信号为：

w(n)＝f_chan(f_PA(u(n)))+r(n) (1)

其中，u(n)为数字发射数据，f_PA(.)表示包含功放在内的发射通道传输函数，f_chan(.)表示包含模拟自干扰消除在内的自干扰信道传输函数，r(n)为期望接收的远端信号；

所述非线性反馈信号为：

v(n)＝αf_PA(u(n))-βu(n) (2)

其中，β为引入发射通道数模转换单元(如DAC)后模拟发射信号用于移除线性反馈的第一衰减器系数，α为反馈通道第二衰减器系数。β的调整原则是使得接收到的反馈信号功率E{|v(n)|²}最小，可以表示为，其中，为正实数集：

本发明通过上述计算方法，使得反馈当中最强的线性分量在模数转换单元(如ADC)前得到消除，大部分的模数转换单元位数都能用于表达非线性分量，从而在模数转换单元位数不变情况下提高非线性分量的精度，又或者在保持非线性分量精度的情况下减少所用模数转换单元的位数。由于线性分量从发射通道到反馈通道的整个信道比较稳定，故β无需频繁调整。

另，联合式(1)和(2)，得到：

由于实际中自干扰信道为多条具有不同衰减、时延、相位的径的集合，f_chan(.)为线性函数，式(4)可进一步改写为：

w(n)＝f_chan(v(n)+βu(n))/α+r(n) (5)

其中，判断所述系数β值是否已知，并采用数字自干扰消除的不同实现。其中，若判断所述系数β值为已知，则所述数字自干扰的消除方法如下：

式(5)可进一步改写成矩阵表示形式

w＝Ah+r (6)

其中w＝[w(0) w(1) … w(n)]^T为接收矩阵，r＝[r(0) r(1) … r(1)]^T为远端信号矩阵，h＝[h(q) h(q-1) … h(-q+1)]^T为f_chan(.)/α对应的具有记忆深度q的线性信道矩阵，A为v(n)+βu(n)的记忆深度q的Toeplitz矩阵：

由于接收信号中自干扰Ah远远大于远端信号r，h的最大似然估计值为：

其中pinv(.)表示伪逆矩阵，pinv(A)为A的伪逆矩阵。

因此，数字自干扰消除后的得到的远端信号为：

其中z表示数字自干扰消除后的输出矩阵。

若判断所述系数β值为未知，则所述数字自干扰的消除方法如下：

式(5)可进一步改写成：

w(n)＝βf_chan(u(n))/α+f_chan(v(n))/α+r(n) (10)

其矩阵表示形式为：

w＝A_uh_u+A_vh_v+r (11)

其中h_u＝[h_u(q) h_u(q-1) … h_u(-q+1)]^T为βf_chan(.)/α对应的具有记忆深度q的线性信道矩阵，h_v＝[h_v(q) h_v(q-1) … h_v(-q+1)]^T为f_chan(.)/α对应的具有记忆深度q的线性信道矩阵，A_u为u(n)的记忆深度q的Toeplitz矩阵：

A_v为v(n)的记忆深度q的Toeplitz矩阵：

由于接收到的自干扰中线性分量A_uh_u远远强于非线性分量A_vh_v，因此首先估计h_u并据此消除线性分量。h_u的最大似然估计值为：

然后，h_v的最大似然估计值为：

最后，数字自干扰消除后的得到的远端信号为：

其中，根据所述非线性反馈信号和数字发射信号，估计得到所述系数β值，还包括：置反馈通道下变频器与加法器断开及对应加法器输入为零，并发送特定的u(n)序列，估计得到系数β的最大似然估计值。其中，所述系数β的最大似然估计值的计算方式如下：

为了估计β，反馈通道中下变频器与加法器被断开，对应加法器输入改为接地，此时发送特定的u(n)序列，有

v＝-βu (17)

因此，β的最大似然估计值为

其中，根据所述系数β值、非线性反馈信号和数字发射信号，计算得到完整的反馈信号；并根据所述完整的反馈信号和数字预失真算法，对数字发射信号作数字预失真补偿处理，以补偿功放对射频发射信号的畸变。所述完整的反馈信号v₀的计算方式如下：

v₀＝v+βu (19)

得到完整的反馈信号，即可应用已有的数字预失真算法，对数字发射信号作数字预失真，补偿功放对射频发射信号的畸变，提高功放的效率。因通过反馈通道使经受功放畸变影响的信号变为已知，进入DAC的数字发射信号不管之前进行了什么样的数字预失真，均不影响所述的全双工数字自干扰消除方法。

另外，基于本发明的自干扰消除方法，进行了相应的计算机仿真验证，仿真参数设置见表1。所使用的奇次项记忆功放模型，详细参数见表2，并且仿真中不作数字预失真校正。

表1非线性自干扰精确测量的自干扰消除仿真参数

表2使用的奇次项记忆功放模型参数

图7给出了进入数字域的自干扰、仅进行线性消除进行线性与非线性自干扰消除后的残留自干扰功率谱密度。可以看出，经过本方案的数字消除后，自干扰最终得到了约70dB的消除，可见，通过本发明的技术方案可以很好地实现非线性反馈辅助的全双工数字自干扰消除，大大地提高了通信体验。

实施例三：

基于本实施例与实施例二基本相同，不同之处在于：在实际的应用中，估计系数β的最大似然估计值的方式还可以为：

由h_u和h_v的定义可知，

h_u＝βh_v (20)

因此，β的最大似然估计值为：

综上所述，本发明公开的一种非线性反馈辅助的全双工数字自干扰消除方法，其所产生的技术效果包括：1、通过消除反馈信号中占主导的线性部分，使得反馈通道中的模数转换器主要表达非线性部分，可以不使用高精度的模数转换器，降低了整体的成本；2、反馈辅助数字自干扰消除通过增加反馈通道接收耦合出来的待发送射频信号，使经受功放非线性影响的信号变为已知，再据此重建自干扰并在接收数据中减去，达到极佳的消除效果；3、通过消除本地发射信号对接收通道造成的自干扰，使同时间同频段上进行无线收发的全双工通信方式成为可能，进一步挖掘无线频谱资源，使得无线频谱利用率提升将近一倍。

虽然上面已经参考各种实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多改变和修改，也就是说上面讨论的方法、系统和设备是示例，各种配置可以适当地省略、替换或添加各种过程或组件。例如，在替代配置中可以以与所描述的顺序不同的顺序执行方法和/或可以添加、省略和/或组合各种部件。而且，关于某些配置描述的特征可以以各种其他配置组合，如可以以类似的方式组合配置的不同方面和元素。此外，随着技术发展其中的元素可以更新，即许多元素是示例，并不限制本发明公开或权利要求的范围。

在说明书中给出了具体细节以提供对包括实现的示例性配置的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实践配置，例如已经示出了众所周知的电路、过程、算法、结构和技术而没有不必要的细节，以避免模糊配置，故此该描述仅提供示例配置，并且不限制权利要求的范围，适用性或配置。相反，前面对配置的描述将为本领域技术人员提供用于实现所描述的技术的使能描述，在不脱离本发明公开的精神或范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

综上，其旨在上述详细描述被认为是例示性的而非限制性的，并且应当理解，以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims

1.一种高清全双工信号收发基站，其特征在于，包括：

收发器单元，包括至少一个天线用于进行发送数字发射信号转换后的射频发射信号或接收远端信号；

信号转换单元，用于根据所述数字发射信号进行数模转换处理，得到模拟发射信号，并根据所述模拟发射信号进行功放处理，得到射频发射信号；

自干扰处理单元，用于根据所述射频发射信号进行线性分量消除处理，得到非线性反馈信号，并根据所述非线性反馈信号及数字发射信号对接收通道接收到的数字接收信号中包含的自干扰信号进行消除，得到数字自干扰消除后的远端信号。

2.如权利要求1所述的高清全双工信号收发基站，其特征在于，所述根据所述数字发射信号进行数模转换处理，得到模拟发射信号，还包括：

所述数字发射信号进行数模转换处理后，对得到的模拟发射信号进行衰减，得到第一衰减信号。

3.如前述权利要求之一所述的高清全双工信号收发基站，其特征在于，所述模拟发射信号进行功放处理，得到射频发射信号，还包括：

根据所述射频发射信号，进行衰减得到第二衰减信号。

4.如前述权利要求之一所述的高清全双工信号收发基站，其特征在于，所述进行线性分量消除处理，得到非线性反馈信号，包括：

根据所述第一衰减信号、第二衰减信号，进行线性分量消除处理，得到非线性模拟信号，并进行模数转换处理，得到非线性反馈信号。

5.如前述权利要求之一所述的高清全双工信号收发基站，其特征在于，根据所述射频发射信号进行自干扰重建，得到模拟自干扰消除信号；根据所述模拟自干扰消除信号对所述天线单元接收到的模拟接收信号中包含的自干扰信号进行消除，并进行模数转换得到数字接收信号。

6.如前述权利要求之一所述的高清全双工信号收发基站，其特征在于，还包括：根据所述非线性反馈信号及数字发射信号进行自干扰重建，得到数字自干扰消除信号；根据所述数字自干扰消除信号对所述接收通道接收到的数字接收信号中包含的自干扰信号进行消除，得到数字自干扰消除后的远端信号。

7.如前述权利要求之一所述的高清全双工信号收发基站，其特征在于，所述数字接收信号和非线性反馈信号为：

所述数字接收信号为：

w(n)＝f_chan(f_PA(u(n)))+r(n)

所述非线性反馈信号为：

v(n)＝αf_PA(u(n))-βu(n)

8.如前述权利要求之一所述的高清全双工信号收发基站，其特征在于，根据所述非线性反馈信号和数字发射信号，计算得到所述系数β值。

9.如前述权利要求之一所述的高清全双工信号收发基站，其特征在于，所述根据所述非线性反馈信号和数字发射信号，计算得到所述系数β值，还包括：

置反馈通道第二衰减器与加法器断开及置对应加法器输入为零，并发送特定的u(n)序列，估计得到系数β的最大似然估计值。

10.如前述权利要求之一所述的高清全双工信号收发基站，其特征在于，根据所述系数β值、非线性反馈信号和数字发射信号，计算得到完整的反馈信号；并根据所述完整的反馈信号和数字预失真算法，对所述数字发射信号作数字预失真补偿处理。