CN111245464B - 一种校正相位噪声的多接收通道全双工收发装置与方法 - Google Patents

一种校正相位噪声的多接收通道全双工收发装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种校正相位噪声的多接收通道全双工收发装置与方法，包括天线、时钟单元、发射通道、接收通道和信号处理单元，其中，时钟单元连接发射通道、接收通道以及信号处理单元，产生为发射信号提供上混频本振信号和为接收信号提供多个下混频本振信号，多个下混频本振信号由上混频信号通过不同的时延调整后产生；接收通道连接时钟单元和信号处理单元，采用多个混频器对接收信号进行下混频；信号处理单元连接发射通道和接收通道，对接收的射频信号与下混频本振信号进行混频的接收信号进行自干扰抑制和有用信号解调。本发明通过调整下混频本振信号的延时，补偿接收多径自干扰信号中的相位噪声，再利用自干扰抑制算法，校正自干扰信号中的相位噪声。

Description

一种校正相位噪声的多接收通道全双工收发装置与方法
技术领域
本发明涉及全双工接收机领域，尤其涉及一种校正相位噪声的多接收通道全双工收发装置与方法。
背景技术
随着无线通信技术的飞速发展，全球移动用户数量迅猛增长，移动业务类型日趋多样化，频谱资源与移动业务需求之间的矛盾日益激化，提高频谱效率的技术成为当今的研究热点。同时同频全双工技术利用同一载波频率同时发射、接收信号，与传统时分双工和频分双工相比，可以将频谱效率提高一倍，因此在学术和工业界获得了广泛关注。
由于同时同频全双工在同一频率同时发射、接收信号，发射信号会进入本地接收机，对远端有用信号形成强干扰，恶化有用信号接收性能。因此同时同频全双工的关键问题是消除自干扰，即到达本地接收机的本地发射信号。目前，学术界已经形成空间域、模拟域和数字域三类自干扰抑制技术，通过相互配合，来达到最大自干扰抑制效果。
然而在工程应用中，本振信号的相位噪声会限制上述自干扰抑制技术的抑制效果，对实现同时同频全双工技术提出了严峻的挑战。当同时同频全双工链路中存在相位噪声时，直接进行自干扰抑制，会扩大自干扰信道估计误差，降低自干扰抑制能力。同时，现有相位噪声校正技术的校正效果不佳，在高功率场景中，难以达到自干扰一致要求。
目前相位噪声校正一般以相位噪声估计为基础，而采用此类方法存在以下问题：
1.估计算法复杂度高：由于相位噪声是一个随机过程，相位噪声估计需要在每个采样点上实施，导致采用高精度估计算法的复杂度很高。例如，参考文献[1]E.Ahmed,A.M.Eltawil,“On phase noise suppression in full-duplex systems,”IEEETrans.Wireless Communication.,vol.14,no.3,pp.1237-1251,March 2015.中，OFDM同时同频全双工链路中根据MMSE准则进行相位噪声估计，算法复杂度至少与子载波总数的平方成正比；参考文献[2]R.Li,A.Masmoudi,T.Le-Ngoc,“Self-interference cancellationwith nonlinearity and phase noise suppression for full-duplex system,”IEEETrans.Veh.Tech.,vol.67,no.3,pp.2118-2129,March 2018.中，需要多次迭代才能达到抑制效果因此高精度估计算法难以应用在实际工程中，特别是宽带发射信号。
2.抑制效果不足：由于自干扰抑制的期望是完全重建自干扰，而相位噪声估计始终会受到噪声和远端有用信号的影响，存在估计误差，导致自干扰重建信号与接收自干扰信号存在差异，限制相位噪声校正效果。例如，参考文献[3]V Syrjala,K.Yamamoto,“Self-interference cancellation in full-duplex radio transceivers with oscillatorphase noise,”in European Wireless Conf.,Barcelona,Spain,May 2014.中,采用基于相位噪声参数估计的方法校正相位噪声，对自干扰抑制能力的提升最大为10dB，在大功率应用场景下，达不到自干扰抑制需求。
3.应用范围受限：在条件允许的情况下，全双工接收机的发射通道和接收通道会采用同一本振信号，来降低相位噪声对自干扰抑制的影响，如参考文献[4]Jung-Il Choi,Mayank Jain,Jeffrey Mehlman,Joseph Shalizi,“Systems and methods for phasenoise mitigation”.[P].US:US9755692B2.Sep.5,2017；但是采用这种结构，在大功率应用场景，仍会受到相位噪声的影响，需要相位噪声校正。然而，上述参考文献中的相位噪声校正算法只能应用于发射通道和接收通道采用不同本振的收发机，无法校正共本振收发机中的相位噪声。
发明内容
本发明的发明目的在于，针对上述问题，提出一种校正相位噪声的多接收通道全双工收发装置与方法。
本发明的发明目的是通过以下技术方案实现的，一种校正相位噪声的多接收通道全双工收发装置包括：天线、时钟单元、发射通道、接收通道和信号处理单元。
所述的天线，包括连接射频发射通道的发射天线和连接射频接收通道的接收天线或同时连接射频发射通道和射频接收通道的单天线。
所述的时钟单元，包括本地振荡器、可调延时器和控制单元，通过控制单元或手动调节实现延时可调；通过耦合器将本振信号分成两路相同的时钟信号，其中一路作为上混频本振信号送往发射通道；另外一路作为各个接收通道的下混频本振信号；其中，可调延时器可以用自动或手动的方式，连续或离散地调整信号的延时；可以通过长度可调的传输线缆、时延调整芯片和等效方案实现延时功能。
所述的发射通道，包括发射频发射通道、混频器和数模转换器，将待发射数字信号送至天线发射。
所述的接收通道，包括射频接收通道、耦合器、一个或多个混频器和模数转换器，通过天线和射频接收通道，接收信号分成若干路信号分别进入若干混频器，与来自时钟单元提供的本振信号进行变频，再通过模数转换器进入信号处理单元。
所述的信号处理单元，通过相位噪声提取算法，对接收信号进行自干扰抑制和有用信号解调。
一种校正相位噪声的多接收通道全双工收发方法，包括以下步骤：
时钟单元设置：
S101：根据自干扰信道情况调整时延参数；
S102：产生上混频本振信号和多个下混频本振信号。
信号发送：
S201：将数字信号数模转换为模拟信号；
S202：将模拟信号与上混频本振信号进行变频；
S203：通过天线发射变频后的发射信号；
信号接收：
S301：接收信号进入多个接收通道，与多个下混频本振信号进行变频；
S302：将变频后的模拟信号模数转换为数字信号；
S303：将数字信号进行信号处理，解调有用信号；
其中，所述的下混频本振信号为本振信号通过可调延时器的延时信号。
本发明的有益效果：本发明通过在每个接收通道设置延时可调的时钟单元，调整每个接收通道中下混频本振信号的延时，补偿接收多径自干扰信号中的相位噪声，再利用信号处理单元的自干扰抑制算法，校正自干扰信号中的相位噪声。
附图说明
图1是本发明的原理结构示意图；
图2是本发明自干扰能力的仿真对比图；
图3是本发明误码率的仿真对比图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。
本实施例中，如图1所示，一种校正相位噪声的多接收通道全双工收发装置，包括：
天线，包括连接射频发射通道的发射天线和连接射频接收通道的接收天线；
时钟单元，包括本地振荡器、两个可调延时器和控制单元，其中可调延时器用长度可调的传输线缆实现；
发射通道，包括射频发射通道、混频器和数模转换器；
接收通道，包括射频接收通道、耦合器、两个混频器和模数转换器；
信号处理单元，通过自干扰抑制算法完成干扰抑制。
一种校正相位噪声的多接收通道全双工收发方法，其特征在于，包括以下步骤：
时钟单元设置：
S101：根据自干扰信道情况调整时延参数；
S102：产生上混频本振信号和多个下混频本振信号。
信号发送：
S201：将数字信号数模转换为模拟信号；
S202：将模拟信号与上混频本振信号进行变频；
S203：通过天线发射变频后的发射信号；
信号接收：
S301：接收信号进入多个接收通道，与多个下混频本振信号进行变频；
S302：将变频后的模拟信号模数转换为数字信号；
S303：将数字信号进行信号处理，解调有用信号；
其中，所述的下混频本振信号为本振信号通过可调延时器的延时信号。
本实施例中，具体装置和方法分析如下：
具体的，天线包括，连接射频发射通道的发射天线和连接射频接收通道的接收天线。
具体的，时钟单元包括，本振信号首先通过耦合器，分成两路相同的时钟信号，其中一路送往发射通道，作为上混频本振信号；另外两个可调时延器，送往接收通道，作为各个接收通道的下混频本振信号；可调延时器用长度可调的传输线缆实现，传输线缆的长度根据控制单元的输出结果手动调节。
具体的，发射通道包括，信号处理单元发出数字信号，通过数模转换器转换为模拟信号，与来自时钟单元提供的上混频本振信号进行变频，进入射频发射通道，将待发射数字信号送至天线。
具体的，接收通道包括，接收信号经过天线、射频接收通道，分成若干路信号，分别进入若干个混频器与下混频本振信号进行变频，经过模数转换，进入信号处理单元。其中混频器处的下混频本振信号由时钟单元提供。
具体的，信号处理单元利用相位噪声提取算法，对接收信号进行自干扰抑制和有用信号解调。自干扰抑制通过信号处理单元在接收通道的接收信号减去自干扰消除信号来实现；
所述的接收通道的接收信号为：
rm,m＝1,2
自干扰消除信号表达式为：
Figure BDA0002363106820000051
其中，x(t)表示发射信号，L表示自干扰信道的多径总数，hi和τi表示每条多径的增益和传播时延。
图2和图3是本发明装置与共本振收发机的性能对比，两通道收发机表示本发明装置采用两条接收通道的情况。其中，参数f3dB为一种相位噪声衡量参数，表示相位噪声频谱的3dB相干带宽；f3dB值越大，相位噪声越大，对自干扰抑制的影响越大。这里采用f3dB只是用来表示相位噪声的评估指标，采用其他相位噪声衡量指标时，本发明装置仍有优势。
经过仿真对比，在各种相位噪声水平下，与传统的共本振收发机相比，本实施例中提出两通道收发机的收发结构，通过设置两条接收通道，提高自干扰抑制能力，降低有用信号的解调误码率，特别是在接收自干扰功率较高时，本实施例中的收发结构优势明显。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种校正相位噪声的多接收通道全双工收发装置，包括天线、时钟单元、发射通道、接收通道和信号处理单元；所述时钟单元连接发射通道、接收通道以及信号处理单元，根据信号处理单元发送的控制指令，产生为发射信号提供的上混频本振信号，同时产生为接收信号提供的多个下混频本振信号，其中，多个下混频本振信号由上混频信号经过不同的时延调整后产生；所述接收通道连接时钟单元和信号处理单元，采用多个混频器对接收信号进行下混频；所述信号处理单元连接发射通道和接收通道，用于向发射通道提供与上混频本振信号进行混频的发射信号，并对接收的射频信号与下混频本振信号进行混频的接收信号进行自干扰抑制和有用信号解调；所述的信号处理单元，利用相位噪声提取算法，对接收信号进行自干扰抑制和有用信号解调；所述自干扰抑制通过信号处理单元在接收通道的接收信号减去自干扰消除信号来实现；
所述的接收通道的接收信号为：
rm,m＝1,2,…,M
M表示接收通道数量；
自干扰消除信号表达式为：
Figure FDA0003022368760000011
其中，x(t)表示发射信号，L表示自干扰信道的多径总数，hi和τi表示每条多径的增益和传播时延。
2.根据权利要求1所述的一种校正相位噪声的多接收通道全双工收发装置，其特征在于，包括可设置于在射频前端的模拟自干扰抑制模块，通过模拟自干扰抑制模块，降低自干扰功率，防止阻塞接收通道。
3.根据权利要求1所述的一种校正相位噪声的多接收通道全双工收发装置，其特征在于，所述的天线，包括连接射频发射通道的发射天线和连接射频接收通道的接收天线或同时连接射频发射通道和射频接收通道的单天线。
4.根据权利要求1所述的一种校正相位噪声的多接收通道全双工收发装置，其特征在于，所述的时钟单元，包括本地振荡器和至少一个可调延时器，所述本地振荡器连接发射通道，为发射信号提供上混频本振信号，以及通过至少一个可调延时器连接接收通道，为接收信号提供下混频本振信号。
5.根据权利要求4所述的一种校正相位噪声的多接收通道全双工收发装置，其特征在于，所述的可调延时器，可以用自动或手动的方式，连续或离散地调整信号的延时；可以通过长度可调的传输线缆、时延调整芯片或等效方案实现延时功能。
6.根据权利要求4所述的一种校正相位噪声的多接收通道全双工收发装置，其特征在于，还包括设置于时钟单元内的控制单元，连接可调延时器与信号处理单元，用于向可调延时器输入延时调节参数。
7.根据权利要求1所述的一种校正相位噪声的多接收通道全双工收发装置，其特征在于，所述的接收通道，包括射频接收通道、耦合器、一路或多路混频器和模数转换器，所述混频器将射频接收通道的输出信号与时钟单元可调延时器的输出的下混频本振信号进行变频处理，再连接模数转换器进行模数转换，进入信号处理单元。
8.一种校正相位噪声的多接收通道全双工收发方法，其特征在于，包括以下步骤：
时钟单元设置：
S101：根据自干扰信道情况调整时延参数；
S102：产生上混频本振信号和多个下混频本振信号；
信号发送：
S201：将数字信号数模转换为模拟信号；
S202：将模拟信号与上混频本振信号进行变频；
S203：通过天线发射变频后的发射信号；
信号接收：
S301：接收信号进入多个接收通道，与多个下混频本振信号进行变频；
S302：将变频后的模拟信号模数转换为数字信号；
S303：将数字信号进行信号处理，解调有用信号；
其中，所述的下混频本振信号为本振信号通过可调延时器的延时信号；
所述的信号处理，利用相位噪声提取算法，对接收信号进行自干扰抑制和有用信号解调，自干扰抑制通过信号处理单元在接收通道的接收信号减去自干扰消除信号来实现；
所述的接收通道的接收信号为：
rm,m＝1,2,…,M
M表示接收通道数量；
自干扰消除信号表达式为：
Figure FDA0003022368760000031
其中，x(t)表示发射信号，L表示自干扰信道的多径总数，hi和τi表示每条多径的增益和传播时延。
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