CN112468239B - 多维度光电联合的同时同频全双工自干扰抑制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

多维度光电联合的同时同频全双工自干扰抑制系统及方法，属于微波毫米波通信技术领域。本发明将空域、射频域、数字信号域与微波光子域、码域干扰抑制技术结合，形成对同时同频全双工自干扰的多维度综合处理，可达到较高的的干扰抑制度。

Description

多维度光电联合的同时同频全双工自干扰抑制系统及方法
技术领域
本发明涉及多维度光电联合的同时同频全双工自干扰抑制系统及方法，属于微波毫米波通信技术领域。
背景技术
随着空间通信技术的飞速发展，空间通信模式由单一链路发展到星间组网，星群、星座同轨道或异轨道、两个或多个航天器之间建立的通信链路，为航天器实时数据中继传输、扩大航天器通信覆盖区域、航天器间信息交互与相对状态确定提供有力支持，同时星地上下行链路、星间前返向链路的通信工作模式越来越复杂、频率关系配对越来越困难。目前空间激光通信链路主要采用采用频分双工的通信方式。频分双工射频前端的收发信号载波频率不同，通过发射和接收信号在不同频段的传输，隔离收发干扰；频分双工通信，空间收发链路各占用一个带宽，带宽利用率低，同时由于收发频率一一对应，不利于星间组网扩展。
在频谱资源日益紧张、用户数据量急剧增长的今天，与TDMA时分双工、FDMA频分双工方式相比，在同一频段上同时收发数据，即运行在相同时频空间的全双工(CCFD，Co-frequency Co-time Full Duplex)技术，能够获得更高的信道容量及频谱利用率，受到了通信界广泛关注，有利于提升频谱资源利用率，优化链路工作模式，是缓解频谱资源紧缺的技术途径之一。
然而同时同频全双工的通信中优于收发频率相同，收发通道的隔离度提升非常困难，极大限制了本技术的应用。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了多维度光电联合的同时同频全双工自干扰抑制系统，将空域、射频域、数字信号域与微波光子域、码域干扰抑制技术结合，形成对同时同频全双工自干扰的多维度综合处理，可达到优于120dB的干扰抑制度。
本发明的技术解决方案是：多维度光电联合的同时同频全双工自干扰抑制系统，包括发射天线、接收天线、三个耦合器和收发信机；
收发信机的发射通道发射射频信号，输出至第一耦合器；
所述第一耦合器的输出端连接发射天线和射频自干扰模块，并将来自收发信机的射频信号分为发射信号和耦合参考信号，分别发送至发射天线和射频自干扰模块；
发射信号通过发射天线与接收天线之间的电磁耦合输入至接收天线，成为自干扰信号，同时接收天线接收来自远端的接收信号；
射频自干扰抑制模块用于根据幅相调整控制信息对接收的耦合参考信号调整幅度和相位，并输出与自干扰信号等幅反相的射频自干扰抑制信号至第二耦合器；同时向微波光子射频自干扰抑制模块发送耦合参考信号信息；
第二耦合器的输入端连接接收天线和射频自干扰抑制模块，输出端连接第三耦合器；第二耦合器接收自干扰信号、接收信号和射频自干扰抑制信号，自干扰信号与射频自干扰抑制信号完成对消，对消后的自干扰残余信号和接收信号输入至第三耦合器；
微波光子射频自干扰抑制模块的输入端连接射频自干扰抑制模块，输出端连接第三耦合器，用于根据幅相调整控制信息将接收的耦合参考信号信息通过低噪声放大后将射频信号调制到光频，在光频对射频信号的幅度、相位及波形进行调整后生成微波光子射频自干扰抑制信号并发送至第三耦合器；
第三耦合器的输出端连接至收发信机的接收通道，用于将接收信号和对消后的自干扰残余信号以及微波光子射频自干扰抑制信号输入收发信机；
收发信机通过内部本振和接收通道下变频为基带数字信号输入收发信机数字处理单元，在扩频码域和数字信号处理域进行动态自干扰消除；并将幅相调整控制信息发送至射频自干扰抑制模块和微波光子射频自干扰抑制模块。
进一步地，所述发射天线与接收天线在空间上间距10λ～15λ，λ为系统中心工作频率处的电磁波波长。
进一步地，所述发射天线与接收天线之间附加隔离吸波材料，隔离发射信号产生的自干扰。
进一步地，所述发射天线与接收天线设置多个，通过构造半个波长的路径相位差构造发射信号的方向图零空间，用于消弱进入接收天线的自干扰信号。
进一步地，所述射频自干扰抑制模块根据幅相调整控制信息对接收的耦合参考信号调整幅度和相位，对于宽带信号采用时域均衡自适应射频对消将宽带自干扰信号分解为多路信号，根据各路不同的时延，利用sinc函数与耐奎斯特采样定律确定各路的幅度。
进一步地，所述收发信机数字处理单元利用发射数据帧结构估计自干扰信号的时间延迟，从帧计数、伪码码片计数和载波计数中得到精确的自干扰信号的时延计数，从而确定自干扰抑制支路中幅相单元中的相移调整量，并反馈至射频自干扰抑制模块和微波光子射频自干扰抑制模块进行自干扰抑制。
多维度光电联合的同时同频全双工自干扰抑制方法，包括如下步骤：
收发信机的发射通道发射射频信号，输出至第一耦合器；
第一耦合器将来自收发信机的射频信号分为发射信号和耦合参考信号，分别发送至发射天线和射频自干扰模块；
发射信号通过发射天线与接收天线之间的电磁耦合输入至接收天线，成为自干扰信号，同时接收天线接收来自远端的接收信号；
射频自干扰抑制模块根据幅相调整控制信息对接收的耦合参考信号调整幅度和相位，并输出与自干扰信号等幅反相的射频自干扰抑制信号至第二耦合器；同时向微波光子射频自干扰抑制模块发送耦合参考信号信息；
第二耦合器接收自干扰信号、接收信号和射频自干扰抑制信号，自干扰信号与射频自干扰抑制信号完成对消，对消后的自干扰残余信号和接收信号输入至第三耦合器；
微波光子射频自干扰抑制模块根据幅相调整控制信息将接收的耦合参考信号信息通过低噪声放大后将射频信号调制到光频，在光频对射频信号的幅度、相位及波形进行调整后生成微波光子射频自干扰抑制信号并发送至第三耦合器；
第三耦合器将接收信号和对消后的自干扰残余信号以及微波光子射频自干扰抑制信号输入收发信机；
收发信机通过内部本振和接收通道下变频为基带数字信号输入收发信机数字处理单元，在扩频码域和数字信号处理域进行动态自干扰消除；并将幅相调整控制信息发送至射频自干扰抑制模块和微波光子射频自干扰抑制模块。
进一步地，所述发射天线与接收天线在空间上间距10λ～15λ，λ为系统中心工作频率处的电磁波波长；
进一步地，所述发射天线与接收天线之间附加隔离吸波材料，隔离发射信号产生的自干扰；
进一步地，所述发射天线与接收天线设置多个，通过构造半个波长的路径相位差构造发射信号的方向图零空间，用于消弱进入接收天线的自干扰信号。
进一步地，所述射频自干扰抑制模块根据幅相调整控制信息对接收的耦合参考信号调整幅度和相位，对于宽带信号采用时域均衡自适应射频对消将宽带自干扰信号分解为多路信号，根据各路不同的时延，利用sinc函数与耐奎斯特采样定律确定各路的幅度。
进一步地，所述收发信机数字处理单元利用发射数据帧结构估计自干扰信号的时间延迟，从帧计数、伪码码片计数和载波计数中得到精确的自干扰信号的时延计数，从而确定自干扰抑制支路中幅相单元中的相移调整量，并反馈至射频自干扰抑制模块和微波光子射频自干扰抑制模块进行自干扰抑制。
本发明与现有技术相比的优点在于：
综合五个维度实现同时同频全双工自干扰抑制。第一步采用在收发天线空间上分离或者附近隔离吸波材料等方法尽量隔离发射信号产生的自干扰，进一步采用多天线的收发配置，可使通过构造半个波长的路径相位差来构造发射信号的方向图零空间。第二步在射频域主要采用控制来自发射信号耦合的参考信号的幅度和相位对自干扰强掩护信号进行对消来实现合作干扰的抑制。第三步将射频域进行自干扰对消之后的信号通过低噪声放大至合适的功率水平可利用微波光子技术将微波射频信号调制到光上，其带宽在光频率上相对较窄，易于实现干扰对消。第四步在码域，发射数据帧结构可以用于自干扰抑制时间延迟估计。第五步最后在数字信号处理域，采用动态自干扰消除机制，在数字域实现干扰对齐、干扰重建和自适应对消运算。
附图说明
图1多维度光电联合的同时同频全双工自干扰抑制系统示意框图；
图2多维度光电联合的同时同频全双工自干扰抑制流程图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的多维度光电联合的同时同频全双工自干扰抑制系统做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1所示)：
发射天线、接收天线、三个耦合器和收发信机；
收发信机的发射通道发射射频信号，输出至第一耦合器；
所述第一耦合器的输出端连接发射天线和射频自干扰模块，将来自收发信机的射频信号分为发射信号和耦合参考信号，分别发送至发射天线和射频自干扰模块；
发射信号通过发射天线与接收天线之间的电磁耦合等途径输入至接收天线，成为自干扰信号，同时还有来自远端的接收信号输入接收天线；
第二耦合器连接接收天线、射频自干扰抑制模块和第三耦合器；
自干扰信号和接收信号通过接收天线输入至第二耦合器，耦合参考信号通过射频自干扰抑制模块调整幅度和相位后(使其与自干扰信号等幅反相)，输入至第二耦合器与自干扰信号进行对消，对消后的自干扰残余信号和接收信号输入至第三耦合器；
微波光子射频自干扰抑制模块连接射频自干扰抑制模块和第三耦合器，接收来自射频自干扰抑制模块中的耦合参考信号信息，通过低噪声放大至合适的功率水平利用微波光子技术将射频信号调制到光频，在光频对射频信号的幅度、相位及波形进行精细调整后输入至第三耦合器；
在第三耦合器连接至收发信机，将接收信号和对消后的自干扰残余信号输入收发信机，在收发信机内部通过本振和接收通道下变频为基带数字信号输入数字处理单元，在扩频码域和数字信号处理域再进行动态自干扰消除；
收发信机连接射频自干扰抑制模块和微波光子射频自干扰抑制模块，将幅相调整等控制信息发送至射频自干扰抑制模块和微波光子射频自干扰抑制模块。
在本申请实施例所提供的方案中，同时同频全双工通信终端发射天线的发射信号在发送的同时会通过天线辐射、泄露耦合等方式传递到本地设备的接收天线。首先采用在收发天线空间上分离或者附近隔离吸波材料等方法尽量隔离发射信号产生的自干扰，进一步采用多天线的收发配置，可使通过构造半个波长的路径相位差来构造发射信号的方向图零空间，或者通过多天线选择技术和阵列天线波束形成技术实现空域自干扰抑制。
其中，天线隔离与多天线干扰抑制。同时同频全双工通信终端发射天线的发射信号在发送的同时会通过天线辐射、泄露耦合等方式传递到本地设备的接收天线。首先采用在收发天线空间上分离或者附近隔离吸波材料等方法尽量隔离发射信号产生的自干扰，进一步采用多天线的收发配置，可使通过构造半个波长的路径相位差来构造发射信号的方向图零空间，或者通过多天线选择技术和阵列天线波束形成技术实现空域自干扰抑制。具体如下：
在一种可能实现的方式中，所述发射天线与接收天线在空间上间距10λ～15λ，λ为系统中心工作频率处的电磁波波长。
在一种可能实现的方式中，所述发射天线与接收天线之间附加隔离吸波材料，隔离发射信号产生的自干扰。
在一种可能实现的方式中，所述发射天线与接收天线设置多个，通过构造半个波长的路径相位差构造发射信号的方向图零空间，用于消弱进入接收天线的自干扰信号。
进一步，在射频域主要采用控制来自发射信号耦合的参考信号的幅度和相位对自干扰强掩护信号进行对消来实现合作干扰的抑制。对于宽带信号可采用时域均衡自适应射频对消将宽带自干扰信号分解为多路信号，根据各路不同的时延，利用sinc函数与耐奎斯特采样定律确定各路的幅度，结合自适应优化控制算法，可实现30dB以上的自干扰信号对消。
具体为：所述射频自干扰抑制模块根据幅相调整控制信息对接收的耦合参考信号调整幅度和相位，对于宽带信号采用时域均衡自适应射频对消将宽带自干扰信号分解为多路信号，根据各路不同的时延，利用sinc函数与耐奎斯特采样定律确定各路的幅度。
进一步，在一种可能实现的方式中，在码域，同时同频全双工非相干扩频通信体制的发射测量帧结构中，可以用于自干扰抑制时间延迟估计。当发射信号泄露到接收端，伪码环路、载波环、位同步环、帧同步锁定后，可以从帧计数、伪码码片计数、载波计数中得到精确的自干扰支路的时延计数，从而较快地确定自干扰抑制支路中幅相单元中的相移调整量，反馈至射频域和微波光子处理域进行自干扰抑制，速度和精度远快于采用数据序列进行信道训练与估计的。
具体为：所述收发信机数字处理单元利用发射数据帧结构估计自干扰信号的时间延迟，从帧计数、伪码码片计数和载波计数中得到精确的自干扰信号的时延计数，从而确定自干扰抑制支路中幅相单元中的相移调整量，并反馈至射频自干扰抑制模块和微波光子射频自干扰抑制模块进行自干扰抑制。
进一步，在一种可能实现的方式中，将射频域进行自干扰对消之后的信号通过低噪声放大至合适的功率水平可利用微波光子技术将微波射频信号调制到光上，其带宽在光频率上相对较窄，易于实现干扰对消，通过大带宽高一致性的微波光调制技术、高精细光学幅度控制技术、高精细光学延时控制技术、误差信号提取与自适应反馈控制技术，可实现更高精度的对消控制，在光域可实现35dB以上的微波光子自干扰与强掩护干扰抑制。
进一步，在数字信号处理域，采用动态自干扰消除机制，在数字域实现干扰对齐、干扰重建和自适应对消运算，并借助于高精度算法对自干扰信道进行准实时估计，输入发送端已知数字基带信号，输出重构的自干扰信号(抵消参考信号)，与接收信号相抵消、在数字信号处理域进一步抑制自干扰信号。
基于与图1相同的发明构思，本发明还提供一种多维度光电联合的同时同频全双工自干扰抑制方法，如图2，包括如下步骤：
收发信机的发射通道发射射频信号，输出至第一耦合器；
第一耦合器将来自收发信机的射频信号分为发射信号和耦合参考信号，分别发送至发射天线和射频自干扰模块；
发射信号通过发射天线与接收天线之间的电磁耦合输入至接收天线，成为自干扰信号，同时接收天线接收来自远端的接收信号；
射频自干扰抑制模块根据幅相调整控制信息对接收的耦合参考信号调整幅度和相位，并输出与自干扰信号等幅反相的射频自干扰抑制信号至第二耦合器；同时向微波光子射频自干扰抑制模块发送耦合参考信号信息；
第二耦合器接收自干扰信号、接收信号和射频自干扰抑制信号，自干扰信号与射频自干扰抑制信号完成对消，对消后的自干扰残余信号和接收信号输入至第三耦合器；
微波光子射频自干扰抑制模块根据幅相调整控制信息将接收的耦合参考信号信息通过低噪声放大后将射频信号调制到光频，在光频对射频信号的幅度、相位及波形进行调整后生成微波光子射频自干扰抑制信号并发送至第三耦合器；
第三耦合器将接收信号和对消后的自干扰残余信号以及微波光子射频自干扰抑制信号输入收发信机；
收发信机通过内部本振和接收通道下变频为基带数字信号输入收发信机数字处理单元，在扩频码域和数字信号处理域进行动态自干扰消除；并将幅相调整控制信息发送至射频自干扰抑制模块和微波光子射频自干扰抑制模块。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.多维度光电联合的同时同频全双工自干扰抑制系统，其特征在于：包括发射天线、接收天线、三个耦合器和收发信机；
收发信机的发射通道发射射频信号，输出至第一耦合器；
所述第一耦合器的输出端连接发射天线和射频自干扰模块，并将来自收发信机的射频信号分为发射信号和耦合参考信号，分别发送至发射天线和射频自干扰模块；
发射信号通过发射天线与接收天线之间的电磁耦合输入至接收天线，成为自干扰信号，同时接收天线接收来自远端的接收信号；
射频自干扰抑制模块用于根据幅相调整控制信息对接收的耦合参考信号调整幅度和相位，并输出与自干扰信号等幅反相的射频自干扰抑制信号至第二耦合器；同时向微波光子射频自干扰抑制模块发送耦合参考信号信息；
第二耦合器的输入端连接接收天线和射频自干扰抑制模块，输出端连接第三耦合器；第二耦合器接收自干扰信号、接收信号和射频自干扰抑制信号，自干扰信号与射频自干扰抑制信号完成对消，对消后的自干扰残余信号和接收信号输入至第三耦合器；
微波光子射频自干扰抑制模块的输入端连接射频自干扰抑制模块，输出端连接第三耦合器，用于根据幅相调整控制信息将接收的耦合参考信号信息通过低噪声放大后将耦合参考信号调制到光域，在光域对耦合参考信号的幅度、相位及波形进行调整后生成微波光子射频自干扰抑制信号并发送至第三耦合器，输出接收信号和微波光子对消自干扰残余信号；
第三耦合器的输出端连接至收发信机的接收通道，用于将接收信号和微波光子对消自干扰残余信号输入收发信机；将射频域进行自干扰对消之后的信号通过低噪声放大至合适的功率水平可利用微波光子技术将微波射频信号调制到光上；
收发信机通过内部本振和接收通道下变频为基带数字信号输入收发信机数字处理单元，在扩频码域和数字信号处理域进行动态自干扰消除；并将幅相调整控制信息发送至射频自干扰抑制模块和微波光子射频自干扰抑制模块。
2.根据权利要求1所述的多维度光电联合的同时同频全双工自干扰抑制系统，其特征在于：所述发射天线与接收天线在空间上间距10λ～15λ，λ为系统中心工作频率处的电磁波波长。
3.根据权利要求1所述的多维度光电联合的同时同频全双工自干扰抑制系统，其特征在于：所述发射天线与接收天线之间附加隔离吸波材料，隔离发射信号产生的自干扰。
4.根据权利要求1所述的多维度光电联合的同时同频全双工自干扰抑制系统，其特征在于：所述发射天线与接收天线设置多个，通过构造半个波长的路径相位差构造发射信号的方向图零空间，用于消弱进入接收天线的自干扰信号。
5.根据权利要求1所述的多维度光电联合的同时同频全双工自干扰抑制系统，其特征在于：所述射频自干扰抑制模块根据幅相调整控制信息对接收的耦合参考信号调整幅度和相位，对于宽带信号采用时域均衡自适应射频对消将宽带自干扰信号分解为多路信号，根据各路不同的时延，利用sinc函数与耐奎斯特采样定律确定各路的幅度。
6.根据权利要求1所述的多维度光电联合的同时同频全双工自干扰抑制系统，其特征在于：所述收发信机数字处理单元利用发射数据帧结构估计自干扰信号的时间延迟，从帧计数、伪码码片计数和载波计数中得到精确的自干扰信号的时延计数，从而确定自干扰抑制支路中幅相单元中的相移调整量，并反馈至射频自干扰抑制模块和微波光子射频自干扰抑制模块进行自干扰抑制。
7.多维度光电联合的同时同频全双工自干扰抑制方法，其特征在于，包括如下步骤：
收发信机的发射通道发射射频信号，输出至第一耦合器；
第一耦合器将来自收发信机的射频信号分为发射信号和耦合参考信号，分别发送至发射天线和射频自干扰模块；
发射信号通过发射天线与接收天线之间的电磁耦合输入至接收天线，成为自干扰信号，同时接收天线接收来自远端的接收信号；
射频自干扰抑制模块根据幅相调整控制信息对接收的耦合参考信号调整幅度和相位，并输出与自干扰信号等幅反相的射频自干扰抑制信号至第二耦合器；同时向微波光子射频自干扰抑制模块发送耦合参考信号信息；
第二耦合器接收自干扰信号、接收信号和射频自干扰抑制信号，自干扰信号与射频自干扰抑制信号完成对消，对消后的自干扰残余信号和接收信号输入至第三耦合器；
微波光子射频自干扰抑制模块根据幅相调整控制信息将接收的耦合参考信号信息输入通过低噪声放大后将射频信号调制到光域；
第三耦合器将接收信号和微波光子对消自干扰残余信号输入收发信机；将射频域进行自干扰对消之后的信号通过低噪声放大至合适的功率水平可利用微波光子技术将微波射频信号调制到光上；
收发信机通过内部本振和接收通道下变频为基带数字信号输入收发信机数字处理单元，在扩频码域和数字信号处理域进行动态自干扰消除；并将幅相调整控制信息发送至射频自干扰抑制模块和微波光子射频自干扰抑制模块。
8.根据权利要求7所述的多维度光电联合的同时同频全双工自干扰抑制方法，其特征在于：所述发射天线与接收天线在空间上间距10λ～15λ，λ为系统中心工作频率处的电磁波波长；
所述发射天线与接收天线之间附加隔离吸波材料，隔离发射信号产生的自干扰；
所述发射天线与接收天线设置多个，通过构造半个波长的路径相位差构造发射信号的方向图零空间，用于消弱进入接收天线的自干扰信号。
9.根据权利要求7所述的多维度光电联合的同时同频全双工自干扰抑制方法，其特征在于：所述射频自干扰抑制模块根据幅相调整控制信息对接收的耦合参考信号调整幅度和相位，对于宽带信号采用时域均衡自适应射频对消将宽带自干扰信号分解为多路信号，根据各路不同的时延，利用sinc函数与耐奎斯特采样定律确定各路的幅度。
10.根据权利要求7所述的多维度光电联合的同时同频全双工自干扰抑制方法，其特征在于：所述收发信机数字处理单元利用发射数据帧结构估计自干扰信号的时间延迟，从帧计数、伪码码片计数和载波计数中得到精确的自干扰信号的时延计数，从而确定自干扰抑制支路中幅相单元中的相移调整量，并反馈至射频自干扰抑制模块和微波光子射频自干扰抑制模块进行自干扰抑制。
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