CN202737908U - 一种基于附加信号的直放站回波抵消的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于附加信号的直放站回波抵消的装置。该装置包括接收模块、数字下变频模块、附加信号模块、回波信道参数矩阵估计模块、信号相减模块、信号相加模块、数字上变频模块、功率放大模块和发射模块；本实用新型基于附加信号的直放站回波抵消的装置是利用在基站有用信号的频谱空穴处添加幅度较小的单频正弦信号来辅助完成信道估计的，添加信号在直放站覆盖区域不会造成信号干扰；而且计算得到的估计回波能较好的跟踪实际回波，从而有效消除回波干扰，且运算时的数据长度小、复杂度低、实时性好、硬件实现简单，抵消后信号不存在逐渐收敛的过程。本实用新型作为一种基于附加信号的直放站回波抵消的装置可广泛应用于通信技术领域。

Description

一种基于附加信号的直放站回波抵消的装置

技术领域

本实用新型涉及通信领域，尤其是一种基于附加信号的直放站回波抵消的装置。

背景技术

现有数字直放站大多采用下述技术原理进行回波消除：通过对发送出去的信号和接收到的含有回波噪声的混合信号进行某种处理，估计出回波路径的特征参数,在直放站内部产生一个模拟的回波信号,从接收到的混合信号中减去该信号以实现回波消除。由于回波路径通常是未知和时变的，所以一般采用自适应滤波器来估计回波路径。其中基于最小均方误差(Least Mean Square，简称LMS)原理的自适应滤波器应用的最为广泛。

以下简单介绍基于自适应滤波器原理的回波抵消技术：

基于自适应滤波器原理的回波抵消技术原理框图示于图1。发射信号X同时被反馈到内部自适应估计器和内部滤波器W，自适应估计器利用该信号及回波抵消处理后得到的误差信号E对外部回波信道进行估计，把估计的结果赋给滤波器W。在滤波器W与外部回波信道等价时，则发射信号经外部回波信道耦合至接收天线形成的回波信号X′与滤波器W输出的估计回波信号Y相等，经过相减运算环节，二者相互抵消，从而使得E中只包含施主信号S（不考虑信道噪声的影响）。当自适应估计器采用LMS算法时，需要保证E与X不相关，为此设置了延时环节，通过调整延时可以减小或消除E与X的相关性。

显然，上述原理的回波抵消的效果主要取决于自适应估计器对外部回波信道的估计精度。对于基于LMS原理的自适应估计器，其收敛条件可推导如下。

假设：外信道冲击响应为H=[h₁h₂…h_n]^T，滤波器W的冲击响应W=[w₁w₂...w_n]^T，L为滤波器的阶数；施主信号S={s(n)}_n＝1，2...，回波信号X′={x′(n)}_n＝1，2...，估计的回波信号Y={y(n)}_n＝1，2...，误差信号E={e(n)}_n＝1，2...；Wⁿ表示n时刻的W值，Xⁿ表示n时刻发射信号X的值，Xⁿ＝[x(n)、x(n-1)、...x(n-L+1)]；时刻n时的施主信号为s(n)，回波信号为x′(n)，误差信号为e(n)，X经滤波器W得到估计的回波信号：y(n)=XⁿWⁿ。

已知LMS自适应算法的权系数更新方程为：

Wⁿ⁺¹=Wⁿ+2ue(n)Xⁿ                                             （1.1）

其中e(n)=s(n)+x′(n)-y(n)，u为LMS自适应算法的步长因子

则可得到：

Wⁿ⁺¹=Wⁿ+2us(n)Xⁿ+2u[x′(n)-y(n)]Xⁿ                           （1.2）

Wⁿ⁺²=Wⁿ⁺¹+2us(n+1)Xⁿ⁺¹+2u[x′(n+1)-y(n+1)]Xⁿ⁺¹               （1.3）

W^n+m+1=W^n+m+2us(n+m)X^n+m+2u[x′(n+m)-y(n+m)]X^n+m             （1.4）

归纳1.1~1.4式可得到：

$W^{n+m+1}=W^n+2u\underset{m=0}{\mathrm{\Σ}}s(n+m)X^{n+m}+2u\underset{m=0}{\mathrm{\Σ}}[x^{\′}(n+m)-y(n+m)]X^{n+m}---\left(1.5\right)$

可以看出，要使权系数W不再更新，即算法收敛，需使上式的后二项趋于零。其中，为S与X的相关运算，通过调整图1中的延时环节可以减小或消除S与X的相关性，从而使该项趋于或等于零。而在两种情况下均可趋于零。第一种情况，信号X'与信号Y相等，即估计的回波与实际的回波相等；第二种情况，信号X'、信号Y分别与信号X不相关。在满足S与X的相关性要求时，为保证估计的回波信号与实际的回波信号相等是自适应滤波器收敛的充分必要条件，需避免第二种情况的出现。为避免第二种情况出现，应保证信号X'、信号Y分别与信号X相关，且相关性越大越好。

从上面的讨论可以得知，该算法收敛需满足以下两项要求：

一、需保证施主信号S与送入自适应估计器的信号X不相关；

二、需保证实际的回波信号X'、估计的回波信号Y与送入自适应估计器的信号X具有一定的相关性，且相关性越大越好。

基于自适应滤波器来实现回波抵消系统由于其内部滤波器逐步逼近外信道的特性，对于时变信道来说，逼近的速度快慢取决于自适应算法的步长，步长越长，逼近越快，但误差越大，否则步长越短，精度越高，但逼近速度较慢，对于时变性较快的信道来说，自适应步长和误差是一对无法解决的矛盾。

常见的自适应算法有最小均方误差算法（LMS）、块最小均方误差算法（BLMS）、归一化均方误差算法(NLMS)等。这些算法具有学习和跟踪能力，能满足最佳滤波的需要，但其权系数更新是逐次迭代的过程，其收敛速度和稳态误差对输入信号的统计特性依赖程度较高，计算量大且动态跟踪能力受限。

通过对基于LMS原理的自适应滤波器的收敛条件进行分析发现，现有利用延时去相关的自适应滤波算法，从原理上存在着不能保证使多径信号同时满足收敛条件的局限性。在外信道为单径信道或只考虑多径信道的主径回波信道时，现有的延时去相关的自适应滤波算法可以通过调整图1中的延时来有条件的满足第一项要求，但无法保证第二项要求。要同时满足两项要求，需要对现有的延时去相关的自适应滤波算法做一定的改进。在外信道为多径信道时，送入自适应估计器的信号X与多径信号的哪一径回波信号满足第二项要求，则可保证对该径回波信号的抵消。所以，基于这一原理的回波抵消技术，即使当回波信号中只有主径回波或主径回波所占比例非常大时能取得比较理想的效果，当回波信道变为由多个衰减系数大致相同的路径组成时，回波抵消效果将可能急剧恶化。这一结论可以解释说明在实际使用中观察到的直放站附近有车辆通过等情况下直放站发生自激的现象。

实用新型内容

为了解决上述的技术问题，本实用新型的目的是提供高精度、低误差且适用于外信道为多径信道的一种基于附加信号的直放站回波抵消的装置。

为了解决上述技术问题，本实用新型所采用的一种技术方案是：

一种基于附加信号的直放站回波抵消的装置，所述装置包括有接收模块、附加信号模块和回波信道参数矩阵估计模块，所述接收模块的输出端依次连接有数字下变频模块、信号相减模块、信号相加模块、数字上变频模块、功率放大模块和发射模块，所述附加信号模块的输出端分别连接信号相加模块的输入端和回波信道参数矩阵估计模块的输入端，所述数字下变频模块的输出端还连接至回波信道参数矩阵估计模块的输入端，所述信号相加模块的输出端还分别连接至回波信道参数矩阵估计模块的输入端，所述回波信道参数矩阵估计模块的输出端连接至信号相减模块的输入端。

进一步，所述回波信道参数矩阵估计模块包括有第一互相关子模块、第二互相关子模块、解卷积子模块、修正处理子模块和估计回波信道子模块；所述第一互相关子模块和第二互相关子模块的输出端均连接至解卷积子模块的输入端，解卷积子模块依次连接修正处理子模块、估计回波信道子模块；所述数字下变频模块的输出端和附加信号模块的输出端连接至第一互相关子模块的输入端，所述信号相加模块的输出端和附加信号模块的输出端连接至第二互相关子模块的输入端，所述估计回波信道子模块的输出端连接至信号相减模块的输入端。

进一步，所述附加信号模块产生的附加信号存储于附加信号模块中，所述附加信号与经数字下变频后接收模块接收的有用基站信号互相关性近似为0。

本实用新型的有益效果是：本实用新型基于附加信号的直放站回波抵消的装置是利用在基站有用信号的频谱空穴处添加幅度较小的单频正弦信号来辅助完成信道估计的，添加信号不会对直放站覆盖区域的手机用户造成信号干扰。本实用新型基于附加信号的直放站回波抵消的装置计算得到的估计回波能较好的跟踪实际回波，从而达到有效消除回波干扰的目的，且估计回波信道冲激响应相对误差较小，运算时的数据长度小、复杂度低、实时性好、硬件实现简单，抵消后信号不存在逐渐收敛的过程。

附图说明

图1是基于自适应滤波器原理的回波抵消技术原理框图；

图2是基于附加信号的直放站回波抵消的装置的原理框图；

图3是基于附加信号的直放站回波抵消的装置的结构框图。

图4是基于附加信号的直放站回波抵消方法一具体实施方式的步骤流程图；

图5是是基于附加信号的直放站回波抵消方法另一具体实施方式的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明：

如图3所示，一种基于附加信号的直放站回波抵消的装置，该装置包括有接收模块、附加信号模块和回波信道参数矩阵估计模块，所述接收模块的输出端依次连接有数字下变频模块、信号相减模块、信号相加模块、数字上变频模块、功率放大模块和发射模块，所述附加信号模块的输出端分别连接信号相加模块的输入端和回波信道参数矩阵估计模块的两个输入端，所述数字下变频模块的输出端还连接至回波信道参数矩阵估计模块的输入端，所述信号相加模块的输出端还分别连接至回波信道参数矩阵估计模块的两个输入端，所述回波信道参数矩阵估计模块的输出端连接至信号相减模块的输入端。

进一步作为优选的实施方式，所述回波信道参数矩阵估计模块包括有第一互相关子模块、第二互相关子模块、解卷积子模块、修正处理子模块和估计回波信道子模块；所述第一互相关子模块和第二互相关子模块的输出端均连接至解卷积子模块的输入端，解卷积子模块依次连接修正处理子模块、估计回波信道子模块；所述数字下变频模块的输出端和附加信号模块的输出端连接至第一互相关子模块的输入端，所述信号相加模块的输出端和附加信号模块的输出端连接至第二互相关子模块的输入端，所述估计回波信道子模块的输出端连接至信号相减模块的输入端。

进一步作为优选的实施方式，所述附加信号模块产生的附加信号存储于附加信号模块中，所述附加信号与经数字下变频后接收模块接收的有用基站信号互相关性近似为0。

如图4所示，一具体实施例提供的一种基于附加信号的直放站回波抵消的方法，该方法包括以下步骤：

A、直放站初始化；

B、产生附加信号；

C、附加信号与经回波抵消后的直放站接收的信号相加之后，依次经过数字上变频和功率放大处理，输入到发射模块射频输出。

如图5所示，另一具体实施例提供的一种基于附加信号的直放站回波抵消的方法，该方法包括以下步骤：

A、直放站初始化；

B1、等待Δτ秒，开启附加模块的使能开关SHIFT，设使能开关开启时刻为t₀，其中Δτ为从直放站接收模块接收信号，并经过数字下变频模块输出经过的时延；

B2、自t₀时刻开始记录附加信号z(n)，存储于寄存器REG0中；

B3、当REG0中存储的数据个数达到N时，关闭使能开关SHIFT，其中N为附加信号的采样点数；

C1、将附加模块产生的附加信号z(n)与直放站接收模块接收的信号y(n)均输入到互相关子模块，采用基于离散数字信号的数据块处理方式，将进行回波信道估计的数据块长度记为N，计算这两个信号的互相关函数R_zy(m)，其中m∈[-(N-1),(N-1)]，存储于寄存器REG1中；

C2、将附加模块产生的附加信号z(n)与直放站发射模块发射的射频信号x(n)均输入到互相关子模块，z(n)和x(n)的数据块长度记为N，计算这两个信号的互相关函数R_zx(m)，其中m∈[-(N-1),(N-1)]，存储于寄存器REG2中；

C3、将以上两个互相关子模块的输出端作为解卷积子模块的输入信号，解卷积子模块输出 $\hat{H}=[\hat{h}\left(1\right),\hat{h}\left(2\right),\·\·\·,\hat{h}\left(n\right),\·\·\·,\hat{h}(2N-1)],$ 为估计回波信道的参数矩阵，存储于寄存器REG3中，取REG3的最大值为MAX1；

C4、修正操作：

如果

则将寄存器REG3中相应的

值置为0；

如果

则保留寄存器REG3中相应的

值；

C5、读取寄存器REG3中存储的值

为本方法估计的直放站回波信道参数矩阵。

C6、根据回波信道参数矩阵

计算出的估计接收信号，将估计接收信号与实际直放站接收的信号y(n)相减作回波抵消操作；

C7、将附加模块产生的附加信号与经回波抵消后的直放站接收模块接收的信号相加之后，进入数字上变频模块，经过功率放大模块，输入到发射模块。

进一步作为优选的实施方式，直放站回波抵消系统具体设置如下：

S1、所述附加信号模块位置设置在直放站数字上变频模块位置之前；

S2、所述附加信号频率应为处于直放站接收有用基站信号频谱空穴的频率；

S3、所述附加信号功率应比直放站接收有用基站信号的功率小20dB以上；

S4、所述附加信号发射时间应在直放站已初始化完毕且处于工作状态时；

S5、所述附加信号采样频率应与直放站数字信号处理过程中的采样速率一致；

S6、所述互相关子模块中的输入序列长度应与直放站所处真实环境的实际回波信道有关，为实时估计出回波信道参数矩阵，取L＝22。

本实用新型提出一种在转发信号中添加一个小信号，利用该信号对回波信道进行估计的算法，从而实现直放站的回波抵消。该算法可实现对回波信道的实时估计，由于进行信道估计的数据块长度较小，即使在回波信道特性随时间快速变化的情况下，仍然具有较强的跟踪能力。

参照图2，本实用新型对直放站所处环境的实际回波信道参数矩阵进行估计，实现回波抵消的系统原理框图。图中省略了射频信号到基带信号的处理过程，仅示意了直放站工作于基带时下行链路的信号流向关系。

s(n)为直放站施主天线接收到的施主信号，z(n)为附加信号，x(n)为直放站重发天线处的转发信号，x'(n)是直放站转发信号经过实际回波信道产生的回波信号，y(n)是施主天线接收到的信号，由s(n)和x＇(n)两部分构成。回波信道估计模块的作用是由x(n)、y(n)与z(n)计算出回波信道的模型参数，并赋予估计回波信道。x(n)输入到估计回波信道得到估计回波

将y(n)与

相减后的差值信号记为e(n)，若估计回波信道与实际的回波信道等价，则

与x'(n)相等，e(n)就是纯净的施主信号s(n)，从而实现了回波消除。

需要指出的是，转发信号中包含了附加信号z(n)，所以必须保证该信号不影响施主信号的正常接收。在本文中，z(n)是一个单频正弦信号，由于施主信号是频谱分配规律已知的移动通信信号，因此，只需将z(n)加载到施主信号频带的边缘即可，并控制z(n)的能量小于e(n)20dB以上。对于更一般的情况，可利用认知无线电技术找出最靠近施主信号的频谱空穴，进而实现附加信号的加载。

回波信道可建模为时变多径衰落信道。但在一个充分短的时间段内，回波信道的时变性可忽略。在这一数据长度较小的信号处理过程中，回波信道可建模为抽头延时线形式的FIR滤波器。将滤波器各抽头线的幅度衰减系数按序排列就可得到实际回波信道的参数矩阵：

H=[h(1),h(2),…,h(n),…,h(M)]                     （3.1）

其中，M为实际回波信道参数矩阵中元素的个数，即FIR滤波器的阶数。M的具体取值由回波的最大时延量和采样频率确定。对实际回波信道的估计，就是由x(n)、y(n)和z(n)对H进行估计。

算法分析：本文算法采用基于离散数字信号的数据块处理方式，将进行回波信道估计的数据块长度记为N，则附加信号z(n)与直放站接收信号y(n)的互相关函数R_zy(m)为：

$R_{\mathrm{zy}}\left(m\right)=E\left[z\left(n\right)y(n+m)\right]$

$=E\left\{z\left(n\right)\right[s(n+m)+h\left(n\right)\⊗x(n+m)\left]\right\}$

$=E\left\{z\left(n\right)\right[s(n+m)+\underset{k=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}h\left(k\right)x(n+m-k)\left]\right\}$

$=R_{\mathrm{zs}}\left(m\right)+E\left\{z\left(n\right)\right[\underset{k=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}h\left(k\right)x(n+m-k)\}---\left(3.2\right)$

$=R_{\mathrm{zs}}\left(m\right)+\underset{k=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}h\left(k\right)E\left[z\left(n\right)x(n+m-k)\right]$

${=R}_{\mathrm{zs}}\left(m\right)+\underset{k=-\∞}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}h\left(k\right)R_{\mathrm{zx}}(m-k)$

$=R_{\mathrm{zs}}\left(m\right)+h\left(m\right)\⊗R_{\mathrm{zx}}\left(m\right)$

其中，

表示线性卷积；R_zs(m)为附加信号z(n)与施主信号s(n)之间的互相关函数；R_zx(m)为附加信号z(n)与转发信号x(n)之间的互相关函数；h(m)为实际回波信道参数矩阵H中的一个元素；m∈[-(N-1),(N-1)]。

若R_zs(m)满足（3.3）式：

R_zs(m)≈0                                        （3.3）

即附加信号z(n)与施主信号s(n)之间的互相关性较小，R_zs(m)近似为0。则(3.2)式可化简为：

$R_{\mathrm{zy}}\left(m\right)=h\left(m\right)\⊗R_{\mathrm{zx}}\left(m\right)---\left(3.4\right)$

由上式可知，实际回波信道参数矩阵H的各元素值可由R_zy(m)解卷积R_zx(m)得到。

令

n=m+N

并代入（3.4）式，可得：

$R_{\mathrm{zy}}(n-N)=h(n-N)\⊗R_{\mathrm{zx}}(n-N)---\left(3.5\right)$

若R_zx(-N+1)≠0，（3.5）式可写为时域迭代解卷积形式：

$\hat{h}\left(n\right)\≈\left\{\begin{array}{cc}{R}_{\mathrm{zy}}(-N+1)/R_{\mathrm{zx}}(-N+1)& n=1\\ [R_{\mathrm{zy}}(n-N)-\underset{K=-N+1}{\overset{n-N-1}{\mathrm{\Σ}}}h(n-N-k)R_{\mathrm{zx}}(k+1)]/R_{\mathrm{zx}}(-N+1)& 2\≤n\≤2N-1\end{array}\right.---\left(3.6\right)$

令 $\hat{H}=[\hat{h}\left(1\right),\hat{h}\left(2\right),\·\·\·,\hat{h}\left(n\right),\·\·\·,\hat{h}(2N-1)],$ 为估计回波信道参数矩阵。

从数学的角度分析，综合（3.1）式和（3.4）式可得，进行信道估计的数据块长度只要取

的整数值即可。但从物理意义的角度分析，实际回波信道参数矩阵中元素的个数M，表明当前时刻某一点的回波效应会影响到后续的M个采样点，或者说之前时刻的M个采样点的回波效应会影响到当前时刻的某一点。因此，进行信道估计的数据块长度N应取大于等于M的整数值。

在回波信道估计过程中，由于实际回波信道参数矩阵中元素的个数M为未知量，为保证估计出的

有一定的余度同时出于估计精度的考虑，应适当加大N的取值。这样会出现

与H中元素个数不一致的问题，此时需要对

进行修正处理。分析（3.6）式可知，R_zx(n-N)中充分小的项会造成当前求解的

增大，迭代过程会加剧后续元素逐步增大的趋势，最终在中将出现虚假峰值，容易将其判为主径回波，严重影响算法的性能。因此，根据R_zx(n-N)中初始若干个元素的平均值设置恰当的阈值，将R_zx(n-N)中小于等于阈值的位置记为i，则（3.6）式迭代求解的范围可修正为2≤n≤i-1。

选用主径回波幅度衰减系数的相对误差δ对本文算法用于回波抵消时的性能进行评估，δ的大小能反映出本文算法估计回波信道整体性能的优劣，相对误差越小，说明估计回波信道冲激响应越接近于实际的回波信道冲激响应，估计出的回波越逼近于实际回波，回波抵消的效果就越好；反之，则回波抵消的效果越差。

以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可以作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (3)

1.一种基于附加信号的直放站回波抵消的装置，其特征在于：包括有接收模块、附加信号模块和回波信道参数矩阵估计模块，所述接收模块的输出端依次连接有数字下变频模块、信号相减模块、信号相加模块、数字上变频模块、功率放大模块和发射模块，所述附加信号模块的输出端分别连接信号相加模块的输入端和回波信道参数矩阵估计模块的输入端，所述数字下变频模块的输出端还连接至回波信道参数矩阵估计模块的输入端，所述信号相加模块的输出端还分别连接至回波信道参数矩阵估计模块的输入端，所述回波信道参数矩阵估计模块的输出端连接至信号相减模块的输入端。

2.根据权利要求1所述的基于附加信号的直放站回波抵消的装置，其特征在于：所述回波信道参数矩阵估计模块包括有第一互相关子模块、第二互相关子模块、解卷积子模块、修正处理子模块和估计回波信道子模块；所述第一互相关子模块和第二互相关子模块的输出端均连接至解卷积子模块的输入端，解卷积子模块的输出端通过修正处理子模块进而与估计回波信道子模块的输入端进行连接；所述数字下变频模块的输出端和附加信号模块的输出端均连接至第一互相关子模块的输入端，所述信号相加模块的输出端和附加信号模块的输出端均连接至第二互相关子模块的输入端，所述估计回波信道子模块的输出端连接至信号相减模块的输入端。

3.根据权利要求1或2所述的基于附加信号的直放站回波抵消的装置，其特征在于：所述附加信号模块产生的附加信号存储于附加信号模块中，所述附加信号与经数字下变频后接收模块接收的有用基站信号互相关性近似为0。

Images