CN115021766A - 一种适用于环形器单天线架构的同频干扰消除装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种适用于环形器单天线架构的同频干扰消除装置，属于无线通信技术领域。本发明的一种适用于环形器单天线架构的同频干扰消除装置，针对环形器单天线收发架构，采用一个独立的、与收发系统的收发环形器性能参数一致的重构环形器生成同频干扰信号样本，同频干扰信号样本中包含同样的环形器泄漏、发射端口泄漏以及环形器导致的无源互调自干扰成分，经干扰消除单元，生成与同频干扰信号等幅反相的抵消信号，抵消信号与接收到的含远端有用信号以及自身同频干扰信号的混合信号相加，实现同频干扰信号的反相抵消。本发明能够同时消除环形器泄漏、发射端口泄漏以及环形器引起的无源互调干扰成分，降低同频干扰消除装置的体积、功耗、成本。

Description

一种适用于环形器单天线架构的同频干扰消除装置
技术领域
本发明涉及一种适用于环形器单天线架构的同频干扰消除装置，属于无线通信技术领域。
背景技术
在无线电通信领域，相对于在不同时隙分别传输上下行数据的时分双工，或者利用不同频率分别传输上下行数据的频分双工，同时同频全双工理论上可以实现频谱利用率倍增，从而有效缓解当前无线通信频谱资源愈发紧张的问题，具有非常好的应用前景。但是，同时同频全双工通信方式中，发射信号时会对自身接收端造成强大的同频干扰，使远端同频有用信号被淹没，无法有效的接收，因此，同频干扰消除是同时同频双工无线通信的重点和难点。
基于环形器的单天线收发架构可用于同时同频全双工无线通信。基于环形器的单天线收发架构，使用一个环形器做收发隔离，环形器有三个端口，分别为：输入端口、输出端口以及天线端口，任意两端口之间信号都是单向传输的。发射机的信号送到输入端口，定向传输到天线端口进行发射，天线端口将天线接收到的信号定向传输到输出端口，送到接收机进行后级处理。然而，环形器的隔离度是有限的，导致一部分发射信号会从输入端口泄漏到输出端口，此外，发射信号并不会完全从天线辐射出去，还有一部分从天线端口泄漏到环形器输出端口，这些泄漏到环形器输出端口的发射信号，形成同频自干扰。因此，基于环形器单天线收发架构的同时同频全双工通信，必须进行同频干扰信号消除。
目前，同频干扰消除的方法很多，其中适用于环形器单天线架构的模拟域消除方法使用射频功放输出信号作为样本信号，通过重构出与同频干扰信号等幅、反相的扰抵消信号，然后注入到接收机前端与同频干扰信号进行相加抵消。但是，适用于环形器单天线架构的模拟域同频干扰消除方法存在以下问题：模拟域同频干扰消除需要两组幅度相位调整单元重构两个不同幅度、延迟的反相抵消信号，分别实现对环形器泄漏、发射端口泄漏这两个主要的同频自干扰信号成分的消除，增加了模拟域同频干扰消除装置的复杂度、体积以及成本；环形器并不是理想的线性器件，导致大功率信号经过环形器后会因为无源互调产生一些非线性成分，现有的模拟域同频干扰消除装置从功放输出端进行同频自干扰信号采样，尚未经过环形器，同频自干扰信号样本信号不含有环形器导致的无源互调非线性成分，无法消除因为环形器无源互调产生的非线性干扰成分。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于环形器单天线架构的同频干扰消除装置，针对环形器单天线收发架构，干扰信号重构单元采用一个独立的、与收发系统的收发环形器性能参数一致的重构环形器生成同频干扰信号样本，同频干扰信号样本中包含同样的环形器泄漏、发射端口泄漏以及环形器导致的无源互调成分。经过干扰消除单元，生成与同频干扰信号样本等幅反相的抵消信号，生成的抵消信号与收发环形器输出的含同频干扰信号以及有用信号的混合信号合路相加，从而实现同频干扰信号的反相抵消。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的一种适用于环形器单天线架构的同频干扰消除装置，在基于环形器的单天线收发架构基础上，包括：干扰信号重构单元以及干扰消除单元；
所述干扰信号重构单元包括：功分器、重构环形器以及假负载；
所述干扰消除单元包括：信号调理单元、合路器、耦合器以及反馈控制单元；
所述基于环形器的单天线收发架构包括：发射机、收发环形器、天线以及接收机；
所述收发环形器的天线端口连接所述天线，所述收发环形器的输入端连接所述功分器的一路输出端，所述收发环形器的输出端连接所述合路器的一路输入端；
所述发射机的输出端与所述干扰信号重构单元中的所述功分器输入端相连；
所述功分器的两路输出端分别与所述重构环形器的输入端以及所述收发环形器的输入端相连，将所述发射机的发射信号分为两路相同的信号，一路对外输出到所述收发环形器用于发射，一路送到所述重构环形器用于生成同频干扰样本信号；
所述重构环形器的规格参数与所述收发环形器完全一致；
所述重构环形器的天线端口连接所述假负载，所述重构环形器的输出端连接所述干扰消除单元中的所述信号调理单元；
所述假负载只吸收能量，不会向外部空间辐射电磁波，也不接收外部电磁波；
所述信号调理单元用于实现同频干扰样本信号的幅度以及相位调节，生成与收发环形器输出的同频干扰信号等幅、反相的抵消信号；
所述信号调理单元的输出端连接所述合路器的一个输入端；
所述合路器包括两个输入端以及一个输出端，其中一个输入端连接所述信号调理单元的输出端，另一个输入端连接所述收发环形器的输出端，所述合路器的输出端连接所述耦合器的输入端；
所述合路器将所述信号调理单元的抵消信号与所述收发环形器的含有同频干扰信号和有用信号的混合信号相加，同频干扰信号被反相抵消，从而在所述合路器的输出端得到消除同频干扰信号的接收信号；
所述耦合器的输出端连接所述反馈控制单元的输入端；
所述反馈控制单元的输出端连接所述信号调理单元的控制端；
所述反馈控制单元通过所述耦合器检测消除同频干扰信号后的接收信号功率，对所述信号调理单元进行反馈控制，以达到最佳消除性能；
进一步的，从所述发射机输出的发射信号X(t)经过所述功分器分为两路相同的信 号x(t)和x ’ (t)，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
，x(t)输入所述收发环形器用于发射，x ’ (t)输入所述干扰信 号重构单元用于生成同频干扰样本信号；
所述收发环形器的输出信号r(t)如式（1）所示：
Figure 836453DEST_PATH_IMAGE002
（1）
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
分别为环形器泄漏分量以及发 射端口泄漏分量，属于同频干扰信号的线性分量，仅幅度、相位不同；w(t)为发射信号经由 所述收发环形器后产生的无源互调成分，属于同频干扰信号的非线性分量；u(t)为所述天 线接收到的来自其他无线设备的有用信号；
所述重构环形器与所述收发环形器参数一致，且所述重构环形器的天线端口连接所述假负载，无法接收外部信号，所述重构环形器输出的r ’ (t)仅包含同频自干扰信号成分，包括线性分量以及非线性分量，如式（2）所示：
Figure 509880DEST_PATH_IMAGE004
（2）
以r ’ (t 作为参考信号，输入所述干扰消除单元，经过所述干扰消除单元的所述信号调理单元进行幅度相位调整，得到与同频干扰信号等幅、反相的抵消信号c(t)，c(t)如式（3）所示：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
（3）
经过合路器的相加抵消，由于x(t)与x ’ (t)相等，因此：
Figure 381277DEST_PATH_IMAGE006
（4）
最终得到消除同频干扰信号后的信号y(t)，如式（5）所示：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
（5）
所述反馈控制单元通过检测y(t)信号功率值，调整所述干扰消除单元的所述信号调理单元，实现最佳消除效果。
有益效果：
1、本发明的一种适用于环形器单天线架构的同频干扰消除装置，采用一个独立的重构环形器生成同频干扰信号样本，重构环形器与收发环形器参数一致，干扰信号样本含有与收发环形器一样的环形器泄漏以及发射端口泄漏这两个主要的干扰信号成分，模拟域信号调理单元不再需要针对这两路泄漏，重构两路不同延迟的抵消信号，从而降低信号调理电路的复杂度，降低信号调理电路的体积、功耗以及成本；
2、本发明的一种适用于环形器单天线架构的同频干扰消除装置，采用一个独立的重构环形器生成同频干扰信号样本，重构环形器与收发环形器参数一致，干扰信号样本含有与收发环形器一样的无源互调成分，由收发环形器导致的无源互调干扰成分也能够得到有效的消除，从而提升干扰消除性能。
附图说明
图1是本发明的一种适用于环形器单天线架构的同频干扰消除装置结构示意图；
其中：100—干扰信号重构单元、101—功分器、102—重构环形器、103—假负载、200—干扰消除单元、201—信号调理单元、202—合路器、203—耦合器、204—反馈控制单元、301—收发环形器、302—天线；
图2是本发明的一种适用于环形器单天线架构的同频干扰消除装置仿真结果示意图。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
如图1所示，实施例应用本发明的一种适用于环形器单天线架构的同频干扰消除装置，在基于环形器的单天线收发架构基础上，实现同频干扰的消除。
如图1所示，基于环形器的单天线收发架构包括：发射机、收发环形器301、天线302以及接收机；本发明的一种适用于环形器单天线架构的同频干扰消除装置包括：干扰信号重构单元100以及干扰消除单元200；
干扰信号重构单元100包括：功分器101、重构环形器102以及假负载103；
干扰消除单元200包括：信号调理单元201、合路器202、耦合器203以及反馈控制单元204；
收发环形器301的天线端口连接天线302，收发环形器301的输入端连接功分器101的一路输出端，收发环形器301的输出端连接合路器202的一路输入端；
发射机的输出端与干扰信号重构单元100中的功分器101相连；
功分器101的两路输出端分别与重构环形器102的输入端以及收发环形器301的输入端相连，将发射机的发射信号分为两路，一路对外输出到收发环形器301用于发射，一路送到重构环形器102用于生成同频干扰样本信号；
重构环形器102的规格参数与收发环形器301完全一致；
重构环形器102的天线端口连接假负载103，重构环形器102的输出端连接干扰消除单元200中的信号调理单元201；
假负载103只吸收能量，不会向外部空间辐射电磁波，也不接收外部电磁波；
信号调理单元201用于实现同频干扰样本信号的幅度以及相位调节，生成与同频干扰信号等幅、反相的抵消信号；
信号调理单元201的输出端连接合路器202的一个输入端；
合路器202包括两个输入端以及一个输出端，其中一个输入端连接信号调理单元201的输出端，另一个输入端连接收发环形器301的输出端，合路器202的输出端连接耦合器203的输入端；
合路器202将信号调理单元201的抵消信号与收发环形器301的含有同频干扰信号和有用信号的混合信号相加，同频干扰信号被反相抵消，从而在合路器202的输出端得到消除同频干扰信号的接收信号；
耦合器203的输出端连接反馈控制单元204的输入端；
反馈控制单元204的输出端连接信号调理单元201的控制端；
反馈控制单元204通过耦合器203检测消除同频干扰信号后的接收信号功率，对信号调理单元201进行反馈控制，以达到最佳消除性能；
进一步的，从发射机输出的发射信号X(t)经过功分器101分为两路相同的信号x (t)和x ’ (t)，
Figure 258097DEST_PATH_IMAGE008
，x(t)输入收发环形器301用于发射，x ’ (t)输入干扰信号重构 单元100用于生成同频干扰样本信号；
收发环形器301的输出信号r(t)如式（1）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
（1）
其中，
Figure 253735DEST_PATH_IMAGE010
分别收发环形器301泄漏分量以及收发 环形器301发射端口泄漏分量，属于同频干扰信号的线性分量，仅幅度、相位不同；w(t) 为 发射信号经由收发环形器301后产生的无源互调成分，属于同频干扰信号的非线性分量；u (t)为天线302接收到的来自其他无线设备的有用信号。
重构环形器102与收发环形器301参数一致，且重构环形器102的天线端口连接假负载103，无法接收外部信号，重构环形器102输出的r ’ (t)仅包含同频自干扰信号成分，包括线性分量以及非线性分量，如式（2）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
（2）
以r ’ (t)作为参考信号，输入干扰消除单元200，经过干扰消除单元200的信号调理单元201进行幅度相位调整，得到与同频干扰信号等幅、反相的抵消信号c(t)，c(t)如式（3）所示：
Figure 234198DEST_PATH_IMAGE012
（3）
经过合路器（202）的相加抵消，由于x(t)与x ’ (t)相等，因此：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
（4）
最终得到消除同频干扰信号后的信号y(t)，如式（5）所示：
Figure 289879DEST_PATH_IMAGE014
（5）
反馈控制单元204通过检测y(t)信号功率值，调整干扰消除单元200的信号调理单元201，对抵消信号c(t)幅度相位进行调节，实现最佳消除效果；
进一步的，实施例中，在ADS射频仿真环境下搭建仿真模型，发射机的发射信号X(t)频点为2.45GHz，采用16QAM调制方式，通过仿真，本发明的一种适用于环形器单天线架构的同频干扰消除装置接入前后，同频干扰信号的频谱如图2所示，本发明的一种适用于环形器单天线架构的同频干扰消除装置未接入时，接收机接收到的同频干扰信号的功率约为7.2dBm，本发明的一种适用于环形器单天线架构的同频干扰消除装置接入后，接收机接收到的同频干扰信号功率降到-95.521dBm，实现约102.7dB的同频干扰消除能力。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种适用于环形器单天线架构的同频干扰消除装置，其特征在于：包括：干扰信号重构单元（100）和干扰消除单元（200）；
干扰信号重构单元（100）包括：功分器（101）、重构环形器（102）和假负载（103）；
干扰消除单元（200）包括：信号调理单元（201）、合路器（202）、耦合器（203）和反馈控制单元（204）；
基于环形器的单天线收发架构包括：发射机、收发环形器（301）、天线（302）和接收机；
收发环形器（301）的天线端口连接天线（302），收发环形器（301）的输入端连接功分器（101）的一路输出端，收发环形器（301）的输出端连接合路器（202）的一路输入端；
发射机的输出端与干扰信号重构单元（100）中的功分器（101）相连；
功分器（101）的两路输出端分别与重构环形器（102）的输入端和收发环形器（301）的输入端相连，将发射机的发射信号分为两路相同的信号，一路对外输出到收发环形器（301）用于发射，一路送到重构环形器（102）用于生成同频干扰样本信号；
重构环形器（102）的规格参数与收发环形器（301）完全一致；
重构环形器（102）的天线端口连接假负载（103），重构环形器（102）的输出端连接干扰消除单元（200）中的信号调理单元（201）；
假负载（103）只吸收能量，不会向外部空间辐射电磁波，也不接收外部电磁波；
信号调理单元（201）用于实现同频干扰样本信号的幅度和相位调节，生成与同频干扰信号等幅、反相的抵消信号；
信号调理单元（201）的输出端连接合路器（202）的一个输入端；
合路器（202）包括两个输入端和一个输出端，其中一个输入端连接信号调理单元（201）的输出端，另一个输入端连接收发环形器（301）的输出端，合路器（202）的输出端连接耦合器（203）的输入端；
合路器（202）将信号调理单元（201）输出的抵消信号与收发环形器（301）输出的含有同频干扰信号和有用信号的混合信号相加，同频干扰信号被反相抵消，从而在合路器（202）的输出端得到消除同频干扰信号后的接收信号；
耦合器（203）的输出端连接反馈控制单元（204）的输入端；
反馈控制单元（204）的输出端连接信号调理单元（201）的控制端；
反馈控制单元（204）通过耦合器（203）检测消除同频干扰信号后的接收信号的功率，对信号调理单元（201）进行反馈控制，以达到最佳消除性能；
从发射机输出的发射信号X(t)经过功分器（101）分为两路相同的信号x(t)和x ’ (t)，
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，x(t)输入收发环形器（301）用于发射，x ’ (t)输入干扰信号重构单元 （100）用于生成同频干扰样本信号；
收发环形器（301）的输出信号r(t)如式（1）所示：
Figure 174221DEST_PATH_IMAGE002
（1）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
分别为环形器泄漏分量、发射端口泄漏分量，属于同 频干扰信号的线性分量，仅幅度、相位不同；w(t)为发射信号经由收发环形器（301）后产生 的无源互调成分，属于同频干扰信号的非线性分量；u(t)为天线（302）接收到的来自其他无 线设备的有用信号；
重构环形器（102）与收发环形器（301）参数一致，且重构环形器（102）的天线端口连接假负载（103），无法接收外部信号，重构环形器（102）输出的r ’ (t)仅包含同频干扰信号成分，包括线性分量和非线性分量，如式（2）所示：
Figure 763466DEST_PATH_IMAGE004
（2）
以r ’ (t)作为参考信号，输入干扰消除单元（200），经过干扰消除单元（200）的信号调理单元（201）进行幅度相位调整，得到与同频干扰信号等幅、反相的抵消信号c(t)，c(t)如式（3）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
（3）
经过合路器（202）的相加抵消，由于x(t)与x ’ (t)相等，因此：
Figure 730153DEST_PATH_IMAGE006
（4）
最终得到消除同频干扰信号后的信号y(t)，如式（5）所示：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
（5）
反馈控制单元（204）通过检测y(t)信号功率值，调整干扰消除单元（200）的信号调理单元（201），实现最佳消除效果。
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