CN111212433B - 一种基于单通道自干扰对消的认知无线电装置及方法 - Google Patents

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CN111212433B CN202010032129.6A CN202010032129A CN111212433B CN 111212433 B CN111212433 B CN 111212433B CN 202010032129 A CN202010032129 A CN 202010032129A CN 111212433 B CN111212433 B CN 111212433B
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Abstract

本发明公开了一种基于单通道自干扰对消的认知无线电装置及方法，包括显示控制单元（1）、认知无线电协议处理单元（2）、通信发射组件、观测反馈组件、通信接收组件、认知接收组件、干扰消除组件、第一自干扰对消单元（12）、第二自干扰对消单元（17）、第一功分器（11）、发射天线（9）和接收天线（10）。本发明通过自干扰抵消技术，在认知接收通道和通信接收通道减去耦合的发射信号，实现接收通道与发射通道同时同频工作；同时，针对认知无线电装置认知接收和通信接收两个通道需要分别进行自干扰消除的需求，提出了一种单通道自干扰生成抵消的方法，提高了认知无线电频谱感知效率和接收范围。

Description

一种基于单通道自干扰对消的认知无线电装置及方法
技术领域
本发明涉及认知无线电装置，特别是涉及一种基于单通道自干扰对消的认知无线电装置及方法。
背景技术
传统认知无线电装置为了避免通信发射通道对通信接收通道和频谱感知接收通道的干扰采用两种方式：1. 发射通道与接收通道分时进行工作，在时域上避免发射信号对接收通道的干扰；2. 发射通道与接收通道工作在不同的频率，在频域上避免发射信号对接收通道的干扰。
时分工作模式中，认知无线电感知通道无法在通信信号发射时同时工作，遗漏信道变化或碰撞的情况，导致需要采用等待超时和随机回退重传等低效率机制来避免信道认知错误的问题。频分工作模式中，设置认知无线电感知通道与通信发射通道不同的工作频率，同时为了避免通信发射信号的带外杂散对接收通道灵敏度的影响，认知接收通道与发射通道工作频率还要考虑保护间隔，一般需要间隔1~2个通信信道，导致认知无线电感知通道在发射通道工作频率附近无法正常接收信号。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于单通道自干扰对消的认知无线电装置及方法，有效提高了认知无线电频谱感知效率和接收范围。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于单通道自干扰对消的认知无线电装置，包括显示控制单元、认知无线电协议处理单元、通信发射组件、观测反馈组件、通信接收组件、认知接收组件、干扰消除组件、第一自干扰对消单元、第二自干扰对消单元、第一功分器、发射天线和接收天线；
所述通信发射组件的输入端与认知无线电协议处理单元连接，通信发射组件的输出端通过耦合器与发射天线连接；所述第一功分器的输入端与接收天线连接，第一功分器的输出端分别与第一自干扰对消单元和第二自干扰对消单元连接，所述第一自干扰对消单元的输出端与通信接收组件连接，所述第二自干扰对消单元的输出端与认知接收组件连接，所述通信接收组件和认知接收组件的输出端均与认知无线电协议处理单元连接，所述认知无线电协议处理单元还与显示控制单元连接；
所述观测反馈组件的输入端与耦合器连接，观测反馈组件的输出端与干扰消除组件连接；所述干扰消除组件的输入端还与通信接收组件和认知接收组件的输出端连接，干扰消除组件的输出端分别与通信发射组件、第一自干扰对消单元和第二自干扰对消单元连接；
所述显示控制单元，用于在无线通信发射过程中，供用户发送信源至认知无线电协议处理单元；在无线通信接收过程中，接收认知无线电协议处理单元发送来的通信数据，对数据进行业务恢复，最终向用户进行显示或播放；在认知无线电频谱感知过程中，接收认知无线电协议处理单元发送来的频谱感知数据，显示频谱监测的相关信息；
所述认知无线电协议处理单元，用于在无线通信发射过程中，根据认知接收组件获得的有效频率资源，数据进行路由寻址、频率资源分配和组帧处理，并将组帧数据发送至通信发射组件；在无线通信接收过程中，接收来自通信接收组件的组帧数据，根据认知无线电MAC层和网络层协议对接收数据进行CRC校验、筛选和排队处理，最后将数据送往显示控制单元；在认知无线电频谱感知过程中，接收认知接收组件的频谱感知数据，根据认知无线电MAC层和网络层协议对无线信道进行分析和管理，控制无线通信相关单元的工作频率和发射功率，同时将频谱分析数据送往显示控制单元；
所述通信发射组件，用于在无线通信发射过程中，接收来自认知无线电协议处理单元的组帧数据，根据通信物理层协议对数据进行速率匹配、编码和调制处理，并根据干扰消除组件提供的预畸变参数对调制后的基带信号进行处理，并将处理得到的信号进行数模转换、上变频、滤波、放大后经耦合器传输给发射天线进行发射；
所述第一自干扰对消单元，用于根据来干扰消除组件的信号，对从第一功分器接收到的信号进行抑制，并将抑制得到的信号传输给通信接收组件；
所述通信接收组件，用于在无线通信接收过程中，对第一自干扰对消单元输出的信号进行下变频、滤波和模数转换后，检测残余在通信接收通道中的自干扰信号，将检测的结果发送到干扰消除组件；同时，模数转换后的信号进行同步、解调、解码和组帧处理，并将组帧数据传输至认知无线电协议处理单元；
所述第二自干扰对消单元，用于根据来干扰消除组件的信号，对从第一功分器接收到的信号进行抑制，并将抑制得到的信号传输给认知接收组件；
所述认知接收组件，用于在认知无线电频谱感知过程中，对第二自干扰对消单元输出的信号进行下变频、滤波和模数转换后，检测残余在认知接收通道中的自干扰信号，将检测的结果发送给干扰消除组件；并对接收的空间无线电基带信号进行频谱分析、信号识别和信道占用度分析处理，并将处理结果发送至认知无线电协议处理单元；
所述观测反馈组件，用于在离线发射自干扰对消过程中，通过耦合器从通信发射组件中获取训练发射信号的部分能量，经下变频、滤波和模数转换后，与通信发射信号基带处理单元的原始训练信号进行相减，获得发射通道模拟信号处理部分产生的杂散信号，并送往干扰消除组件；
所述干扰消除组件，用于在离线发射自干扰对消过程中，根据来自认知接收组件、通信接收组件和观测反馈组件的信息，并送入通信发射组件、第一自干扰对消单元和第二自干扰对消单元进行自干扰消除。
其中，所述通信发射组件包括：通信发射信号基带处理单元、通信发射DAC单元、第一变频单元、第一低通滤波器和功率放大器；
所述通信发射信号基带处理单元，用于接收来自认知无线电协议处理单元的组帧数据，根据通信物理层协议对数据进行速率匹配、编码和调制处理，并根据干扰消除组件提供的预畸变参数对调制后的基带信号进行处理，为了降低功率放大器谐波杂散；
通信发射信号基带处理单元的输出端通过通信发射DAC单元与第一变频单元连接，由第一变频单元将接收到的信号上变频到发射频率，并传输给第一低通滤波器进行变频的二次谐波抑制，并将抑制后的信号经功率放大器和耦合器传输给发射天线。
所述通信接收组件包括：第二变频单元、第二低通滤波器、通信接收ADC单元和通信接收基带信号处理单元；
所述第二变频单元的输入端与第一自干扰对消单元连接，用于将来自第一自干扰对消单元的信号进行下变频，并将得到的信号通过第二低通滤波器抑制二次谐波后送往通信接收ADC单元进行模数转换，模数转换得到的信号传输给通信接收基带信号处理单元；
所述通信接收基带信号处理单元，用于接收来自通信接收ADC单元的数字信号，并检测残余在通信接收通道中的自干扰信号，将检测的结果发送给干扰消除组件；同时对接收的通信信号进行同步、解调、解码和组帧处理，并将组帧数据传输至认知无线电协议处理单元。
所述认知接收组件包括：第三变频单元、第三低通滤波器、认知接收ADC单元和认知接收基带数字信号处理单元；
所述第三变频单元的输入端与第二自干扰对消单元连接，用于将来自第二自干扰对消单元的信号进行下变频，并将得到的信号通过第三低通滤波器抑制二次谐波后送往认知接收ADC单元进行模数转换，模数转换得到的信号传输给认知接收基带数字信号处理单元；
所述认知接收基带数字信号处理单元，用于接收来自认知接收ADC单元的数字信号，检测残余在认知接收通道中的自干扰信号，将检测的结果发送给干扰消除组件；同时对接收的空间无线电基带信号进行频谱分析、信号识别和信道占用度分析处理，并将处理结果发送至认知无线电协议处理单元。
所述观测反馈组件包括第四变频单元、第四低通滤波器、干扰观测ADC单元和自干扰基带接收单元；
所述第四变频单元，通过耦合器从通信发射组件中获取训练发射信号的部分能量，进行下变频后，将得到的信号通过第四低通滤波器抑制二次谐波，第四低通滤波器输出的信号经干扰观测ADC单元进行模数转换后传输给自干扰基带接收单元；
所述自干扰基带接收单元，将来自干扰观测ADC单元的信号与通信发射信号基带处理单元的原始训练信号进行相减，获得发射通道模拟信号处理部分产生的杂散信号，并送往干扰消除组件。
所述干扰消除组件包括：自干扰消除离线训练单元、射频对消基带信号产生单元、干扰对消DAC单元、第五变频单元、第五低通滤波器、第二功分器、可变时延器和可变增益放大器；
所述自干扰消除离线训练单元，用于接收自干扰基带接收单元、通信接收基带信号处理单元、认知接收基带数字信号处理单元的残余自干扰信号，根据自干扰训练信号的特征，生成射频自干扰对消信号参数，并将参数分别配置给射频对消基带信号产生单元、可变时延器和可变增益放大器，同时，自干扰消除离线训练单元26将训练信号发送至射频对消基带信号产生单元，并向通信发射信号基带处理单元提供预畸变参数；
所述射频对消基带信号产生单元的输出端依次通过干扰对消DAC单元、第五变频单元、第五低通滤波器与第二功分器连接，所述第二功分器的输出端分别与可变时延器和可变增益放大器连接，所述可变时延器的输出端与第二自干扰对消单元连接；所述可变增益放大器的输出端与第一自干扰对消单元连接。
一种基于单通道自干扰对消的认知无线电装置的干扰对消方法，包括自干扰消除训练步骤和无线通信工作步骤；所述自干扰消除训练步骤包括无线通信发射过程、无线通信接收过程、认知无线电频谱感知过程和离线发射自干扰对消过程；
所述无线通信发射过程包括以下子步骤：
S101.用户通过显示控制单元发送信源至认知无线电协议处理单元，认知无线电协议处理单元根据认知接收基带数字信号处理单元获得的有效频率资源，数据进行路由寻址、频率资源分配和组帧处理，并将组帧数据发送至通信发射信号基带处理单元；
S102.通信发射信号基带处理单元接收来自认知无线电协议处理单元的组帧数据，根据通信物理层协议对数据进行速率匹配、编码和调制等处理，为了降低功率放大器谐波杂散，通信发射信号基带处理单元根据自干扰消除离线训练单元提供的预畸变参数对调制后的基带信号进行处理；
S103.通信发射DAC单元将来自通信发射信号基带处理单元的数字基带信号进行数字模拟转换，然后送往第一变频单元转换到发射频率，再送往第一低通滤波器将混频的二次谐波抑制，并通过功率放大器和耦合器，最后送往发射天线；
所述无线通信接收过程包括：
S201.接收天线接收空口的无线电信号，通过第一功分器传输至第一自干扰对消单元抑制从发射天线和通道耦合进来的自干扰信号，然后送往第二变频单元将接收射频信号变换为通信中频信号，通过第二低通滤波器抑制二次谐波后送往通信接收ADC单元进行模拟数字转换；
S202.通信接收基带信号处理单元接收来自通信接收ADC单元的数字信号，检测残余在通信接收通道中的自干扰信号，将检测的结果发送到自干扰消除离线训练单元；同时对接收的通信信号进行同步、解调、解码和组帧处理，并将组帧数据传输至认知无线电协议处理单元；
S203.认知无线电协议处理单元接收来自通信接收基带信号处理单元的组帧数据，根据认知无线电MAC层和网络层协议对接收数据进行CRC校验、筛选和排队处理，最后将数据送往显示控制单元；
S204.显示控制单元接收认知无线电协议处理单元发送来的通信数据，对数据进行业务恢复，最终向用户进行显示或播放；
所述认知无线电频谱感知过程包括：
S301.接收天线接收空间无线电信号，通过第一功分器将信号传输至第二自干扰对消单元，抑制从发射天线和通道耦合进来的自干扰信号，然后送往第三变频单元将接收射频信号变换为通信中频信号，通过第三低通滤波器抑制二次谐波后送往认知接收ADC单元进行模拟数字转换；
S302.认知接收基带数字信号处理单元接收来自认知接收ADC单元的数字信号，检测残余在认知接收通道中的自干扰信号，将检测的结果发送到自干扰消除离线训练单元；同时，对接收的空间无线电基带信号进行频谱分析、信号识别和信道占用度分析处理，并将处理结果发送至认知无线电协议处理单元；
S303.认知无线电协议处理单元接收来自认知接收基带数字信号处理单元的频谱感知数据，根据认知无线电MAC层和网络层协议对无线信道进行分析和管理，控制无线通信相关单元的工作频率和发射功率，同时将频谱分析数据送往显示控制单元；
S304.显示控制单元接收认知无线电协议处理单元发送来的频谱感知数据，显示频谱监测的相关信息；
所述离线发射自干扰对消过程包括：
S401.自干扰消除离线训练单元通过通信发射信号基带处理单元、通信发射DAC单元的通信发射通道，输出固定的自干扰训练信号；
S402.耦合器从通信发射通道中获取训练发射信号的部分能量，通过第四变频单元和第四低通滤波器送至干扰观测ADC单元；
S403.自干扰基带接收单元将干扰观测ADC单元送入的训练信号与通信发射信号基带处理单元原始训练信号进行相减，获得发射通道模拟信号处理部分产生的杂散信号，并送往自干扰消除离线训练单元；
S404.自干扰消除离线训练单元接收自干扰基带接收单元、通信接收基带信号处理单元、认知接收基带数字信号处理单元的残余自干扰信号，根据自干扰训练信号的特征，生成射频自干扰对消信号参数，并将参数分别配置给射频对消基带信号产生单元、可变时延器和可变增益放大器，同时，自干扰消除离线训练单元将训练信号发送至射频对消基带信号产生单元；
S405.射频对消基带信号产生单元根据配置参数，产生自干扰对消数字基带信号，通过干扰对消DAC单元进行数字模拟转换，经过第五变频单元和第五低通滤波器后在第二功分器分为两路，一路通过可变时延器送入第二自干扰对消单元与认知通道的自干扰信号进行相减；另一路通过可变增益放大器送入第一自干扰对消单元与通信通道的自干扰信号进行相减。
S406.自干扰消除离线训练单元持续观察通信接收基带信号处理单元、认知接收基带数字信号处理单元的残余自干扰信号，调整射频对消基带信号、可变时延器和可变增益放大器的参数，直到残余自干扰信号最小。
所述无线通信工作步骤包括：
残余自干扰信号达到最小后，离线发射自干扰对消过程停止，认知无线电装置保持当前的射频对消基带信号、可变时延器和可变增益放大器的参数进行正常工作。
本发明的有益效果是：本发明通过自干扰抵消技术，在认知接收通道和通信接收通道减去耦合的发射信号，实现接收通道与发射通道同时同频工作；同时，针对认知无线电装置认知接收和通信接收两个通道需要分别进行自干扰消除的需求，提出了一种单通道自干扰生成抵消的方法，提高了认知无线电频谱感知效率和接收范围。
附图说明
图1为本发明的装置原理框图；
图2为本发明的方法流程图；
图中，1-显示控制单元，2-认知无线电协议处理单元，3-通信发射信号基带处理单元，4-通信发射DAC单元，5-第一变频单元，6-第一低通滤波器，7-功率放大器，8-耦合器，9-发射天线，10-接收天线，11-第一功分器，12-第一自干扰对消单元，13-第二变频单元，14-第二低通滤波器，15-通信接收ADC单元，16-通信接收基带信号处理单元，17-第二自干扰对消单元，18-第三变频单元，19-第三低通滤波器，20-认知接收ADC单元，21-认知接收基带数字信号处理单元，22-第四变频单元，23-第四低通滤波器，24-干扰观测ADC单元，25-自干扰基带接收单元，26-自干扰消除离线训练单元，27-射频对消基带信号产生单元，28-干扰对消DAC单元，29-第五变频单元，30-第五低通滤波器，31-可变时延器，32-可变增益放大器。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种基于单通道自干扰对消的认知无线电装置，包括显示控制单元1、认知无线电协议处理单元2、通信发射组件、观测反馈组件、通信接收组件、认知接收组件、干扰消除组件、第一自干扰对消单元12、第二自干扰对消单元17、第一功分器11、发射天线9和接收天线10；
所述通信发射组件的输入端与认知无线电协议处理单元2连接，通信发射组件的输出端通过耦合器8与发射天线9连接；所述第一功分器11的输入端与接收天线10连接，第一功分器的输出端分别与第一自干扰对消单元12和第二自干扰对消单元17连接，所述第一自干扰对消单元12的输出端与通信接收组件连接，所述第二自干扰对消单元17的输出端与认知接收组件连接，所述通信接收组件和认知接收组件的输出端均与认知无线电协议处理单元2连接，所述认知无线电协议处理单元2还与显示控制单元1连接；
所述观测反馈组件的输入端与耦合器8连接，观测反馈组件的输出端与干扰消除组件连接；所述干扰消除组件的输入端还与通信接收组件和认知接收组件的输出端连接，干扰消除组件的输出端分别与通信发射组件、第一自干扰对消单元12和第二自干扰对消单元17连接；
所述显示控制单元1，用于在无线通信发射过程中，供用户发送信源至认知无线电协议处理单元2；在无线通信接收过程中，接收认知无线电协议处理单元2发送来的通信数据，对数据进行业务恢复，最终向用户进行显示或播放；在认知无线电频谱感知过程中，接收认知无线电协议处理单元2发送来的频谱感知数据，显示频谱监测的相关信息；
所述认知无线电协议处理单元2，用于在无线通信发射过程中，根据认知接收组件获得的有效频率资源，数据进行路由寻址、频率资源分配和组帧处理，并将组帧数据发送至通信发射组件；在无线通信接收过程中，接收来自通信接收组件的组帧数据，根据认知无线电MAC层和网络层协议对接收数据进行CRC校验、筛选和排队处理，最后将数据送往显示控制单元1；在认知无线电频谱感知过程中，接收认知接收组件的频谱感知数据，根据认知无线电MAC层和网络层协议对无线信道进行分析和管理，控制无线通信相关单元的工作频率和发射功率，同时将频谱分析数据送往显示控制单元1；
所述通信发射组件，用于在无线通信发射过程中，接收来自认知无线电协议处理单元2的组帧数据，根据通信物理层协议对数据进行速率匹配、编码和调制处理，并根据干扰消除组件提供的预畸变参数对调制后的基带信号进行处理，并将处理得到的信号进行数模转换、上变频、滤波、放大后经耦合器8传输给发射天线进行发射；
所述第一自干扰对消单元12，用于根据来干扰消除组件的信号，对从第一功分器11接收到的信号进行抑制，并将抑制得到的信号传输给通信接收组件；
所述通信接收组件，用于在无线通信接收过程中，对第一自干扰对消单元12输出的信号进行下变频、滤波和模数转换后，检测残余在通信接收通道中的自干扰信号，将检测的结果发送到干扰消除组件；同时，模数转换后的信号进行同步、解调、解码和组帧处理，并将组帧数据传输至认知无线电协议处理单元2；
所述第二自干扰对消单元17，用于根据来干扰消除组件的信号，对从第一功分器11接收到的信号进行抑制，并将抑制得到的信号传输给认知接收组件；
所述认知接收组件，用于在认知无线电频谱感知过程中，对第二自干扰对消单元17输出的信号进行下变频、滤波和模数转换后，检测残余在认知接收通道中的自干扰信号，将检测的结果发送给干扰消除组件；并对接收的空间无线电基带信号进行频谱分析、信号识别和信道占用度分析处理，并将处理结果发送至认知无线电协议处理单元2；
所述观测反馈组件，用于在离线发射自干扰对消过程中，通过耦合器8从通信发射组件中获取训练发射信号的部分能量，经下变频、滤波和模数转换后，与通信发射信号基带处理单元3的原始训练信号进行相减，获得发射通道模拟信号处理部分产生的杂散信号，并送往干扰消除组件；
所述干扰消除组件，用于在离线发射自干扰对消过程中，根据来自认知接收组件、通信接收组件和观测反馈组件的信息，并送入通信发射组件、第一自干扰对消单元12和第二自干扰对消单元17进行自干扰消除。
其中，所述通信发射组件包括：通信发射信号基带处理单元3、通信发射DAC单元4、第一变频单元5、第一低通滤波器6和功率放大器7；
所述通信发射信号基带处理单元3，用于接收来自认知无线电协议处理单元2的组帧数据，根据通信物理层协议对数据进行速率匹配、编码和调制处理，并根据干扰消除组件提供的预畸变参数对调制后的基带信号进行处理，为了降低功率放大器谐波杂散；
通信发射信号基带处理单元3的输出端通过通信发射DAC单元4与第一变频单元5连接，由第一变频单元5将接收到的信号上变频到发射频率，并传输给第一低通滤波器6进行变频的二次谐波抑制，并将抑制后的信号经功率放大器7和耦合器传输给发射天线9。
所述通信接收组件包括：第二变频单元13、第二低通滤波器14、通信接收ADC单元15和通信接收基带信号处理单元16；
所述第二变频单元13的输入端与第一自干扰对消单元12连接，用于将来自第一自干扰对消单元12的信号进行下变频，并将得到的信号通过第二低通滤波器14抑制二次谐波后送往通信接收ADC单元15进行模数转换，模数转换得到的信号传输给通信接收基带信号处理单元16；
所述通信接收基带信号处理单元16，用于接收来自通信接收ADC单元15的数字信号，并检测残余在通信接收通道中的自干扰信号，将检测的结果发送给干扰消除组件；同时对接收的通信信号进行同步、解调、解码和组帧处理，并将组帧数据传输至认知无线电协议处理单元2。
所述认知接收组件包括：第三变频单元18、第三低通滤波器19、认知接收ADC单元20和认知接收基带数字信号处理单元21；
所述第三变频单元18的输入端与第二自干扰对消单元17连接，用于将来自第二自干扰对消单元17的信号进行下变频，并将得到的信号通过第三低通滤波器19抑制二次谐波后送往认知接收ADC单元20进行模数转换，模数转换得到的信号传输给认知接收基带数字信号处理单元21；
所述认知接收基带数字信号处理单元21，用于接收来自认知接收ADC单元20的数字信号，检测残余在认知接收通道中的自干扰信号，将检测的结果发送给干扰消除组件；同时对接收的空间无线电基带信号进行频谱分析、信号识别和信道占用度分析处理，并将处理结果发送至认知无线电协议处理单元2。
所述观测反馈组件包括第四变频单元22、第四低通滤波器23、干扰观测ADC单元24和自干扰基带接收单元25；
所述第四变频单元22，通过耦合器8从通信发射组件中获取训练发射信号的部分能量，进行下变频后，将得到的信号通过第四低通滤波器23抑制二次谐波，第四低通滤波器23输出的信号经干扰观测ADC单元24进行模数转换后传输给自干扰基带接收单元25；
所述自干扰基带接收单元25，将来自干扰观测ADC单元24的信号与通信发射信号基带处理单元3的原始训练信号进行相减，获得发射通道模拟信号处理部分产生的杂散信号，并送往干扰消除组件。
所述干扰消除组件包括：自干扰消除离线训练单元26、射频对消基带信号产生单元27、干扰对消DAC单元28、第五变频单元29、第五低通滤波器30、第二功分器、可变时延器31和可变增益放大器32；
所述自干扰消除离线训练单元26，用于接收自干扰基带接收单元25、通信接收基带信号处理单元16、认知接收基带数字信号处理单元21的残余自干扰信号，根据自干扰训练信号的特征，生成射频自干扰对消信号参数，并将参数分别配置给射频对消基带信号产生单元27、可变时延器31和可变增益放大器32，同时，自干扰消除离线训练单元26将训练信号发送至射频对消基带信号产生单元27，并向通信发射信号基带处理单元3提供预畸变参数；
所述射频对消基带信号产生单元27的输出端依次通过干扰对消DAC单元28、第五变频单元29、第五低通滤波器30与第二功分器连接，所述第二功分器的输出端分别与可变时延器31和可变增益放大器32连接，所述可变时延器31的输出端与第二自干扰对消单元17连接；所述可变增益放大器32的输出端与第一自干扰对消单元12连接。
如图2所示，一种基于单通道自干扰对消的认知无线电装置的干扰对消方法，包括自干扰消除训练步骤和无线通信工作步骤；所述自干扰消除训练步骤包括无线通信发射过程、无线通信接收过程、认知无线电频谱感知过程和离线发射自干扰对消过程；
所述无线通信发射过程包括以下子步骤：
S101.用户通过显示控制单元1发送信源至认知无线电协议处理单元2，认知无线电协议处理单元2根据认知接收基带数字信号处理单元21获得的有效频率资源，数据进行路由寻址、频率资源分配和组帧处理，并将组帧数据发送至通信发射信号基带处理单元3；
S102.通信发射信号基带处理单元3接收来自认知无线电协议处理单元2的组帧数据，根据通信物理层协议对数据进行速率匹配、编码和调制等处理，为了降低功率放大器谐波杂散，通信发射信号基带处理单元3根据自干扰消除离线训练单元26提供的预畸变参数对调制后的基带信号进行处理；
S103.通信发射DAC单元4将来自通信发射信号基带处理单元3的数字基带信号进行数字模拟转换，然后送往第一变频单元5转换到发射频率，再送往第一低通滤波器6将混频的二次谐波抑制，并通过功率放大器7和耦合器8，最后送往发射天线9；
所述无线通信接收过程包括：
S201.接收天线10接收空口的无线电信号，通过第一功分器11传输至第一自干扰对消单元12抑制从发射天线和通道耦合进来的自干扰信号，然后送往第二变频单元13将接收射频信号变换为通信中频信号，通过第二低通滤波器14抑制二次谐波后送往通信接收ADC单元15进行模拟数字转换；
S202.通信接收基带信号处理单元16接收来自通信接收ADC单元15的数字信号，检测残余在通信接收通道中的自干扰信号，将检测的结果发送到自干扰消除离线训练单元26；同时对接收的通信信号进行同步、解调、解码和组帧处理，并将组帧数据传输至认知无线电协议处理单元2；
S203.认知无线电协议处理单元2接收来自通信接收基带信号处理单元16的组帧数据，根据认知无线电MAC层和网络层协议对接收数据进行CRC校验、筛选和排队处理，最后将数据送往显示控制单元1；
S204.显示控制单元1接收认知无线电协议处理单元2发送来的通信数据，对数据进行业务恢复，最终向用户进行显示或播放；
所述认知无线电频谱感知过程包括：
S301.接收天线10接收空间无线电信号，通过第一功分器11将信号传输至第二自干扰对消单元，抑制从发射天线和通道耦合进来的自干扰信号，然后送往第三变频单元18将接收射频信号变换为通信中频信号，通过第三低通滤波器19抑制二次谐波后送往认知接收ADC单元20进行模拟数字转换；
S302.认知接收基带数字信号处理单元21接收来自认知接收ADC单元20的数字信号，检测残余在认知接收通道中的自干扰信号，将检测的结果发送到自干扰消除离线训练单元26；同时，对接收的空间无线电基带信号进行频谱分析、信号识别和信道占用度分析处理，并将处理结果发送至认知无线电协议处理单元2；
S303.认知无线电协议处理单元2接收来自认知接收基带数字信号处理单元16的频谱感知数据，根据认知无线电MAC层和网络层协议对无线信道进行分析和管理，控制无线通信相关单元的工作频率和发射功率，同时将频谱分析数据送往显示控制单元1；
S304.显示控制单元1接收认知无线电协议处理单元2发送来的频谱感知数据，显示频谱监测的相关信息；
所述离线发射自干扰对消过程包括：
S401.自干扰消除离线训练单元26通过通信发射信号基带处理单元3、通信发射DAC单元4的通信发射通道，输出固定的自干扰训练信号；
S402.耦合器8从通信发射通道中获取训练发射信号的部分能量，通过第四变频单元22和第四低通滤波器23送至干扰观测ADC单元24；
S403.自干扰基带接收单元25将干扰观测ADC单元24送入的训练信号与通信发射信号基带处理单元3原始训练信号进行相减，获得发射通道模拟信号处理部分产生的杂散信号，并送往自干扰消除离线训练单元26；
S404.自干扰消除离线训练单元26接收自干扰基带接收单元25、通信接收基带信号处理单元16、认知接收基带数字信号处理单元21的残余自干扰信号，根据自干扰训练信号的特征，生成射频自干扰对消信号参数，并将参数分别配置给射频对消基带信号产生单元27、可变时延器31和可变增益放大器32，同时，自干扰消除离线训练单元26将训练信号发送至射频对消基带信号产生单元27；
S405.射频对消基带信号产生单元27根据配置参数，产生自干扰对消数字基带信号，通过干扰对消DAC单元28进行数字模拟转换，经过第五变频单元29和第五低通滤波器30后在第二功分器分为两路，一路通过可变时延器31送入第二自干扰对消单元17与认知通道的自干扰信号进行相减；另一路通过可变增益放大器32送入第一自干扰对消单元12与通信通道的自干扰信号进行相减。
S406.自干扰消除离线训练单元26持续观察通信接收基带信号处理单元16、认知接收基带数字信号处理单元21的残余自干扰信号，调整射频对消基带信号、可变时延器和可变增益放大器的参数，直到残余自干扰信号最小。
在本申请的实施例中，所述无线通信发射过程、无线通信接收过程、认知无线电频谱感知过程和离线发射自干扰对消过程不分先后，在训练步骤中同时进行，并互相协作完成训练。
所述无线通信工作步骤包括：
残余自干扰信号达到最小后，离线发射自干扰对消过程停止，认知无线电装置保持当前的射频对消基带信号、可变时延器和可变增益放大器的参数进行正常工作。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应该看作是对其他实施例的排除，而可用于其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于单通道自干扰对消的认知无线电装置，其特征在于：包括显示控制单元（1）、认知无线电协议处理单元（2）、通信发射组件、观测反馈组件、通信接收组件、认知接收组件、干扰消除组件、第一自干扰对消单元（12）、第二自干扰对消单元（17）、第一功分器（11）、发射天线（9）和接收天线（10）；
所述通信发射组件的输入端与认知无线电协议处理单元（2）连接，通信发射组件的输出端通过耦合器（8）与发射天线（9）连接；所述第一功分器（11）的输入端与接收天线（10）连接，第一功分器的输出端分别与第一自干扰对消单元（12）和第二自干扰对消单元（17）连接，所述第一自干扰对消单元（12）的输出端与通信接收组件连接，所述第二自干扰对消单元（17）的输出端与认知接收组件连接，所述通信接收组件和认知接收组件的输出端均与认知无线电协议处理单元（2）连接，所述认知无线电协议处理单元（2）还与显示控制单元（1）连接；
所述观测反馈组件的输入端与耦合器（8）连接，观测反馈组件的输出端与干扰消除组件连接；所述干扰消除组件的输入端还与通信接收组件和认知接收组件的输出端连接，干扰消除组件的输出端分别与通信发射组件、第一自干扰对消单元（12）和第二自干扰对消单元（17）连接；
所述显示控制单元（1），用于在无线通信发射过程中，供用户发送信源至认知无线电协议处理单元（2）；在无线通信接收过程中，接收认知无线电协议处理单元（2）发送来的通信数据，对数据进行业务恢复，最终向用户进行显示或播放；在认知无线电频谱感知过程中，接收认知无线电协议处理单元（2）发送来的频谱感知数据，显示频谱监测的相关信息；
所述认知无线电协议处理单元（2），用于在无线通信发射过程中，根据认知接收组件获得的有效频率资源，数据进行路由寻址、频率资源分配和组帧处理，并将组帧数据发送至通信发射组件；在无线通信接收过程中，接收来自通信接收组件的组帧数据，根据认知无线电MAC层和网络层协议对接收数据进行CRC校验、筛选和排队处理，最后将数据送往显示控制单元（1）；在认知无线电频谱感知过程中，接收认知接收组件的频谱感知数据，根据认知无线电MAC层和网络层协议对无线信道进行分析和管理，控制无线通信相关单元的工作频率和发射功率，同时将频谱分析数据送往显示控制单元（1）；
所述通信发射组件，用于在无线通信发射过程中，接收来自认知无线电协议处理单元（2）的组帧数据，根据通信物理层协议对数据进行速率匹配、编码和调制处理，并根据干扰消除组件提供的预畸变参数对调制后的基带信号进行处理，并将处理得到的信号进行数模转换、上变频、滤波、放大后经耦合器（8）传输给发射天线进行发射；
所述第一自干扰对消单元（12），用于根据来干扰消除组件的信号，对从第一功分器（11）接收到的信号进行抑制，并将抑制得到的信号传输给通信接收组件；
所述通信接收组件，用于在无线通信接收过程中，对第一自干扰对消单元（12）输出的信号进行下变频、滤波和模数转换后，检测残余在通信接收通道中的自干扰信号，将检测的结果发送到干扰消除组件；同时，模数转换后的信号进行同步、解调、解码和组帧处理，并将组帧数据传输至认知无线电协议处理单元（2）；
所述第二自干扰对消单元（17），用于根据来干扰消除组件的信号，对从第一功分器（11）接收到的信号进行抑制，并将抑制得到的信号传输给认知接收组件；
所述认知接收组件，用于在认知无线电频谱感知过程中，对第二自干扰对消单元（17）输出的信号进行下变频、滤波和模数转换后，检测残余在认知接收通道中的自干扰信号，将检测的结果发送给干扰消除组件；并对接收的空间无线电基带信号进行频谱分析、信号识别和信道占用度分析处理，并将处理结果发送至认知无线电协议处理单元（2）；
所述观测反馈组件，用于在离线发射自干扰对消过程中，通过耦合器（8）从通信发射组件中获取训练发射信号的部分能量，经下变频、滤波和模数转换后，与通信发射信号基带处理单元（3）的原始训练信号进行相减，获得发射通道模拟信号处理部分产生的杂散信号，并送往干扰消除组件；
所述干扰消除组件，用于在离线发射自干扰对消过程中，根据来自认知接收组件、通信接收组件和观测反馈组件的信息，并送入通信发射组件、第一自干扰对消单元（12）和第二自干扰对消单元（17）进行自干扰消除。
2.根据权利要求1所述的一种基于单通道自干扰对消的认知无线电装置，其特征在于：所述通信发射组件包括：通信发射信号基带处理单元（3）、通信发射DAC单元（4）、第一变频单元（5）、第一低通滤波器（6）和功率放大器（7）；
所述通信发射信号基带处理单元（3），用于接收来自认知无线电协议处理单元（2）的组帧数据，根据通信物理层协议对数据进行速率匹配、编码和调制处理，并根据干扰消除组件提供的预畸变参数对调制后的基带信号进行处理，为了降低功率放大器谐波杂散；
通信发射信号基带处理单元（3）的输出端通过通信发射DAC单元（4）与第一变频单元（5）连接，由第一变频单元（5）将接收到的信号上变频到发射频率，并传输给第一低通滤波器（6）进行变频的二次谐波抑制，并将抑制后的信号经功率放大器（7）和耦合器传输给发射天线（9）。
3.根据权利要求1所述的一种基于单通道自干扰对消的认知无线电装置，其特征在于：所述通信接收组件包括：第二变频单元（13）、第二低通滤波器（14）、通信接收ADC单元（15）和通信接收基带信号处理单元（16）；
所述第二变频单元（13）的输入端与第一自干扰对消单元（12）连接，用于将来自第一自干扰对消单元（12）的信号进行下变频，并将得到的信号通过第二低通滤波器（14）抑制二次谐波后送往通信接收ADC单元（15）进行模数转换，模数转换得到的信号传输给通信接收基带信号处理单元（16）；
所述通信接收基带信号处理单元（16），用于接收来自通信接收ADC单元（15）的数字信号，并检测残余在通信接收通道中的自干扰信号，将检测的结果发送给干扰消除组件；同时对接收的通信信号进行同步、解调、解码和组帧处理，并将组帧数据传输至认知无线电协议处理单元（2）。
4.根据权利要求1所述的一种基于单通道自干扰对消的认知无线电装置，其特征在于：所述认知接收组件包括：第三变频单元（18）、第三低通滤波器（19）、认知接收ADC单元（20）和认知接收基带数字信号处理单元（21）；
所述第三变频单元（18）的输入端与第二自干扰对消单元（17）连接，用于将来自第二自干扰对消单元（17）的信号进行下变频，并将得到的信号通过第三低通滤波器（19）抑制二次谐波后送往认知接收ADC单元（20）进行模数转换，模数转换得到的信号传输给认知接收基带数字信号处理单元（21）；
所述认知接收基带数字信号处理单元（21），用于接收来自认知接收ADC单元（20）的数字信号，检测残余在认知接收通道中的自干扰信号，将检测的结果发送给干扰消除组件；同时对接收的空间无线电基带信号进行频谱分析、信号识别和信道占用度分析处理，并将处理结果发送至认知无线电协议处理单元（2）。
5.根据权利要求1所述的一种基于单通道自干扰对消的认知无线电装置，其特征在于：所述观测反馈组件包括第四变频单元（22）、第四低通滤波器（23）、干扰观测ADC单元（24）和自干扰基带接收单元（25）；
所述第四变频单元（22），通过耦合器（8）从通信发射组件中获取训练发射信号的部分能量，进行下变频后，将得到的信号通过第四低通滤波器（23）抑制二次谐波，第四低通滤波器（23）输出的信号经干扰观测ADC单元（24）进行模数转换后传输给自干扰基带接收单元（25）；
所述自干扰基带接收单元（25），将来自干扰观测ADC单元（24）的信号与通信发射信号基带处理单元（3）的原始训练信号进行相减，获得发射通道模拟信号处理部分产生的杂散信号，并送往干扰消除组件。
6.根据权利要求1所述的一种基于单通道自干扰对消的认知无线电装置，其特征在于：所述干扰消除组件包括：自干扰消除离线训练单元（26）、射频对消基带信号产生单元（27）、干扰对消DAC单元（28）、第五变频单元（29）、第五低通滤波器（30）、第二功分器、可变时延器（31）和可变增益放大器（32）；
所述自干扰消除离线训练单元（26），用于接收自干扰基带接收单元（25）、通信接收基带信号处理单元（16）、认知接收基带数字信号处理单元（21）的残余自干扰信号，根据自干扰训练信号的特征，生成射频自干扰对消信号参数，并将参数分别配置给射频对消基带信号产生单元（27）、可变时延器（31）和可变增益放大器（32），同时，自干扰消除离线训练单元26将训练信号发送至射频对消基带信号产生单元（27），并向通信发射信号基带处理单元（3）提供预畸变参数；
所述射频对消基带信号产生单元（27）的输出端依次通过干扰对消DAC单元（28）、第五变频单元（29）、第五低通滤波器（30）与第二功分器连接，所述第二功分器的输出端分别与可变时延器（31）和可变增益放大器（32）连接，所述可变时延器（31）的输出端与第二自干扰对消单元（17）连接；所述可变增益放大器（32）的输出端与第一自干扰对消单元（12）连接。
7.根据权利要求1~6中任意一项所述的一种基于单通道自干扰对消的认知无线电装置的干扰对消方法，其特征在于：包括自干扰消除训练步骤和无线通信工作步骤；
所述自干扰消除训练步骤包括无线通信发射过程、无线通信接收过程、认知无线电频谱感知过程和离线发射自干扰对消过程；
所述无线通信发射过程包括以下子步骤：
S101.用户通过显示控制单元（1）发送信源至认知无线电协议处理单元（2），认知无线电协议处理单元（2）根据认知接收基带数字信号处理单元（21）获得的有效频率资源，数据进行路由寻址、频率资源分配和组帧处理，并将组帧数据发送至通信发射信号基带处理单元（3）；
S102.通信发射信号基带处理单元（3）接收来自认知无线电协议处理单元（2）的组帧数据，根据通信物理层协议对数据进行速率匹配、编码和调制等处理，为了降低功率放大器谐波杂散，通信发射信号基带处理单元（3）根据自干扰消除离线训练单元（26）提供的预畸变参数对调制后的基带信号进行处理；
S103.通信发射DAC单元（4）将来自通信发射信号基带处理单元（3）的数字基带信号进行数字模拟转换，然后送往第一变频单元（5）转换到发射频率，再送往第一低通滤波器（6）将混频的二次谐波抑制，并通过功率放大器（7）和耦合器（8），最后送往发射天线（9）；
所述无线通信接收过程包括：
S201.接收天线（10）接收空口的无线电信号，通过第一功分器（11）传输至第一自干扰对消单元（12）抑制从发射天线和通道耦合进来的自干扰信号，然后送往第二变频单元（13）将接收射频信号变换为通信中频信号，通过第二低通滤波器（14）抑制二次谐波后送往通信接收ADC单元（15）进行模拟数字转换；
S202.通信接收基带信号处理单元（16）接收来自通信接收ADC单元（15）的数字信号，检测残余在通信接收通道中的自干扰信号，将检测的结果发送到自干扰消除离线训练单元（26）；同时对接收的通信信号进行同步、解调、解码和组帧处理，并将组帧数据传输至认知无线电协议处理单元（2）；
S203.认知无线电协议处理单元（2）接收来自通信接收基带信号处理单元（16）的组帧数据，根据认知无线电MAC层和网络层协议对接收数据进行CRC校验、筛选和排队处理，最后将数据送往显示控制单元（1）；
S204.显示控制单元（1）接收认知无线电协议处理单元（2）发送来的通信数据，对数据进行业务恢复，最终向用户进行显示或播放；
所述认知无线电频谱感知过程包括：
S301.接收天线（10）接收空间无线电信号，通过第一功分器（11）将信号传输至第二自干扰对消单元，抑制从发射天线和通道耦合进来的自干扰信号，然后送往第三变频单元（18）将接收射频信号变换为通信中频信号，通过第三低通滤波器（19）抑制二次谐波后送往认知接收ADC单元（20）进行模拟数字转换；
S302.认知接收基带数字信号处理单元（21）接收来自认知接收ADC单元（20）的数字信号，检测残余在认知接收通道中的自干扰信号，将检测的结果发送到自干扰消除离线训练单元（26）；同时，对接收的空间无线电基带信号进行频谱分析、信号识别和信道占用度分析处理，并将处理结果发送至认知无线电协议处理单元（2）；
S303.认知无线电协议处理单元（2）接收来自认知接收基带数字信号处理单元（16）的频谱感知数据，根据认知无线电MAC层和网络层协议对无线信道进行分析和管理，控制无线通信相关单元的工作频率和发射功率，同时将频谱分析数据送往显示控制单元（1）；
S304.显示控制单元（1）接收认知无线电协议处理单元（2）发送来的频谱感知数据，显示频谱监测的相关信息；
所述离线发射自干扰对消过程包括：
S401.自干扰消除离线训练单元（26）通过通信发射信号基带处理单元（3）、通信发射DAC单元（4）的通信发射通道，输出固定的自干扰训练信号；
S402.耦合器（8）从通信发射通道中获取训练发射信号的部分能量，通过第四变频单元（22）和第四低通滤波器（23）送至干扰观测ADC单元（24）；
S403.自干扰基带接收单元（25）将干扰观测ADC单元（24）送入的训练信号与通信发射信号基带处理单元（3）原始训练信号进行相减，获得发射通道模拟信号处理部分产生的杂散信号，并送往自干扰消除离线训练单元（26）；
S404.自干扰消除离线训练单元（26）接收自干扰基带接收单元（25）、通信接收基带信号处理单元（16）、认知接收基带数字信号处理单元（21）的残余自干扰信号，根据自干扰训练信号的特征，生成射频自干扰对消信号参数，并将参数分别配置给射频对消基带信号产生单元（27）、可变时延器（31）和可变增益放大器（32），同时，自干扰消除离线训练单元（26）将训练信号发送至射频对消基带信号产生单元（27）；
S405.射频对消基带信号产生单元（27）根据配置参数，产生自干扰对消数字基带信号，通过干扰对消DAC单元（28）进行数字模拟转换，经过第五变频单元（29）和第五低通滤波器（30）后在第二功分器分为两路，一路通过可变时延器（31）送入第二自干扰对消单元（17）与认知通道的自干扰信号进行相减；另一路通过可变增益放大器（32）送入第一自干扰对消单元（12）与通信通道的自干扰信号进行相减；
S406.自干扰消除离线训练单元（26）持续观察通信接收基带信号处理单元（16）、认知接收基带数字信号处理单元（21）的残余自干扰信号，调整射频对消基带信号、可变时延器和可变增益放大器的参数，直到残余自干扰信号最小；
所述无线通信工作步骤包括：
残余自干扰信号达到最小后，离线发射自干扰对消过程停止，认知无线电装置保持当前的射频对消基带信号、可变时延器和可变增益放大器的参数进行正常工作。
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