專利名稱：一種基于附加信號的直放站回波抵消的裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及通信領域，尤其是一種基于附加信號的直放站回波抵消的裝置。
背景技術：
現有數字直放站大多采用下述技術原理進行回波消除通過對發送出去的信號和接收到的含有回波噪聲的混合信號進行某種處理，估計出回波路徑的特征參數，在直放站內部產生一個模擬的回波信號，從接收到的混合信號中減去該信號以實現回波消除。由于回波路徑通常是未知和時變的，所以一般采用自適應濾波器來估計回波路徑。其中基于最小均方誤差(Least Mean Square,簡稱LMS)原理的自適應濾波器應用的最為廣泛。以下簡單介紹基于自適應濾波器原理的回波抵消技術基于自適應濾波器原理的回波抵消技術原理框圖示于圖I。發射信號X同時被反饋到內部自適應估計器和內部濾波器W，自適應估計器利用該信號及回波抵消處理后得到的誤差信號E對外部回波信道進行估計，把估計的結果賦給濾波器W。在濾波器W與外部回波信道等價時，則發射信號經外部回波信道耦合至接收天線形成的回波信號X,與濾波器W輸出的估計回波信號Y相等，經過相減運算環節，二者相互抵消，從而使得E中只包含施主信號S (不考慮信道噪聲的影響)。當自適應估計器采用LMS算法時，需要保證E與X不相關，為此設置了延時環節，通過調整延時可以減小或消除E與X的相關性。顯然，上述原理的回波抵消的效果主要取決于自適應估計器對外部回波信道的估計精度。對于基于LMS原理的自適應估計器，其收斂條件可推導如下。假設外信道沖擊響應為H= Di1Ii2…hn]T，濾波器W的沖擊響應W= [W1W2. . . wn]T，L為濾波器的階數；施主信號S=IsOiMn=U...,回波信號X' ={V OiMn = U...,估計的回波信號Y={y(n)}n = 1,2...，誤差信號E={e(n)}n = 1,2... ;Wn表示η時刻的W值，Xn表示η時刻發射信號X的值，Xn= [x(n)、x(n-l)、...x(n-L+l)];時刻η時的施主信號為s (η)，回波信號為X' (η)，誤差信號為e (η)，X經濾波器W得到估計的回波信號y(n)=XnWn。已知LMS自適應算法的權系數更新方程為ffn+1=ffn+2ue (n) Xn(I. I)其中e (n) =s (η)+X' (n)-y (η), u為LMS自適應算法的步長因子則可得到ffn+1=ffn+2us (n) X^utxi (n) -y (n)] Xn(I. 2)ffn+2=ffn+1+2us (η+1) Xn+1+2u [χ' (n+l)-y (η+1)]Χη+1(I. 3)ffn+m+1=ffn+m+2us (n+m) Xn+m+2u [x; (n+m) -y (n+m)]Xn+m(1.4)歸納I. f I. 4式可得到W"+m+1 =Wn+ IuYjSin + m)Xn+m + 2w[[x,(〃 + m) — y{n + m)]Xn+m (I. 5)
m=Qm=0可以看出，要使權系數W不再更新，即算法收斂，需使上式的后二項趨于零。其中，
自為S與χ的相關運算，通過調整圖i中的延時環節可以減小或消除s與χ的
W=O相關性，從而使該項趨于或等于零。而Σ『Λ "+Μ)—自在兩種情況下均可趨于
m=Q
零。第一種情況，信號X’與信號Y相等，即估計的回波與實際的回波相等；第二種情況，信號X’、信號Y分別與信號X不相關。在滿足S與X的相關性要求時，為保證估計的回波信號與實際的回波信號相等是自適應濾波器收斂的充分必要條件，需避免第二種情況的出現。為避免第二種情況出現，應保證信號X’、信號Y分別與信號X相關，且相關性越大越好。從上面的討論可以得知，該算法收斂需滿足以下兩項要求一、需保證施主信號S與送入自適應估計器的信號X不相關；二、需保證實際的回波信號X’、估計的回波信號Y與送入自適應估計器的信號X具有一定的相關性，且相關性越大越好。基于自適應濾波器來實現回波抵消系統由于其內部濾波器逐步逼近外信道的特性，對于時變信道來說，逼近的速度快慢取決于自適應算法的步長，步長越長，逼近越快，但誤差越大，否則步長越短，精度越高，但逼近速度較慢，對于時變性較快的信道來說，自適應步長和誤差是一對無法解決的矛盾。常見的自適應算法有最小均方誤差算法(LMS)、塊最小均方誤差算法(BLMS)、歸一化均方誤差算法(NLMS)等。這些算法具有學習和跟蹤能力，能滿足最佳濾波的需要，但其權系數更新是逐次迭代的過程，其收斂速度和穩態誤差對輸入信號的統計特性依賴程度較高，計算量大且動態跟蹤能力受限。通過對基于LMS原理的自適應濾波器的收斂條件進行分析發現，現有利用延時去相關的自適應濾波算法，從原理上存在著不能保證使多徑信號同時滿足收斂條件的局限性。在外信道為單徑信道或只考慮多徑信道的主徑回波信道時，現有的延時去相關的自適應濾波算法可以通過調整圖I中的延時來有條件的滿足第一項要求，但無法保證第二項要求。要同時滿足兩項要求，需要對現有的延時去相關的自適應濾波算法做一定的改進。在外信道為多徑信道時，送入自適應估計器的信號X與多徑信號的哪一徑回波信號滿足第二項要求，則可保證對該徑回波信號的抵消。所以，基于這一原理的回波抵消技術，即使當回波信號中只有主徑回波或主徑回波所占比例非常大時能取得比較理想的效果，當回波信道變為由多個衰減系數大致相同的路徑組成時，回波抵消效果將可能急劇惡化。這一結論可以解釋說明在實際使用中觀察到的直放站附近有車輛通過等情況下直放站發生自激的現象。
實用新型內容為了解決上述的技術問題，本實用新型的目的是提供高精度、低誤差且適用于外信道為多徑信道的一種基于附加信號的直放站回波抵消的裝置。為了解決上述技術問題，本實用新型所采用的一種技術方案是一種基于附加信號的直放站回波抵消的裝置，所述裝置包括有接收模塊、附加信號模塊和回波信道參數矩陣估計模塊，所述接收模塊的輸出端依次連接有數字下變頻模塊、信號相減模塊、信號相加模塊、數字上變頻模塊、功率放大模塊和發射模塊，所述附加信號模塊的輸出端分別連接信號相加模塊的輸入端和回波信道參數矩陣估計模塊的輸入端，所述數字下變頻模塊的輸出端還連接至回波信道參數矩陣估計模塊的輸入端，所述信號相加模塊的輸出端還分別連接至回波信道參數矩陣估計模塊的輸入端，所述回波信道參數矩陣估計模塊的輸出端連接至信號相減模塊的輸入端。[0026]進一步，所述回波信道參數矩陣估計模塊包括有第一互相關子模塊、第二互相關子模塊、解卷積子模塊、修正處理子模塊和估計回波信道子模塊；所述第一互相關子模塊和第二互相關子模塊的輸出端均連接至解卷積子模塊的輸入端，解卷積子模塊依次連接修正處理子模塊、估計回波信道子模塊；所述數字下變頻模塊的輸出端和附加信號模塊的輸出端連接至第一互相關子模塊的輸入端，所述信號相加模塊的輸出端和附加信號模塊的輸出端連接至第二互相關子模塊的輸入端，所述估計回波信道子模塊的輸出端連接至信號相減模塊的輸入端。進一步，所述附加信號模塊產生的附加信號存儲于附加信號模塊中，所述附加信號與經數字下變頻后接收模塊接收的有用基站信號互相關性近似為O。本實用新型的有益效果是本實用新型基于附加信號的直放站回波抵消的裝置是利用在基站有用信號的頻譜空穴處添加幅度較小的單頻正弦信號來輔助完成信道估計的，添加信號不會對直放站覆蓋區域的手機用戶造成信號干擾。本實用新型基于附加信號的直放站回波抵消的裝置計算得到的估計回波能較好的跟蹤實際回波，從而達到有效消除回波干擾的目的，且估計回波信道沖激響應相對誤差較小，運算時的數據長度小、復雜度低、實時性好、硬件實現簡單，抵消后信號不存在逐漸收斂的過程。·
圖I是基于自適應濾波器原理的回波抵消技術原理框圖；圖2是基于附加信號的直放站回波抵消的裝置的原理框圖；圖3是基于附加信號的直放站回波抵消的裝置的結構框圖。圖4是基于附加信號的直放站回波抵消方法一具體實施方式
的步驟流程圖；圖5是是基于附加信號的直放站回波抵消方法另一具體實施方式
的步驟流程圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的具體實施方式
作進一步說明如圖3所示，一種基于附加信號的直放站回波抵消的裝置，該裝置包括有接收模塊、附加信號模塊和回波信道參數矩陣估計模塊，所述接收模塊的輸出端依次連接有數字下變頻模塊、信號相減模塊、信號相加模塊、數字上變頻模塊、功率放大模塊和發射模塊，所述附加信號模塊的輸出端分別連接信號相加模塊的輸入端和回波信道參數矩陣估計模塊的兩個輸入端，所述數字下變頻模塊的輸出端還連接至回波信道參數矩陣估計模塊的輸入端，所述信號相加模塊的輸出端還分別連接至回波信道參數矩陣估計模塊的兩個輸入端，所述回波信道參數矩陣估計模塊的輸出端連接至信號相減模塊的輸入端。進一步作為優選的實施方式，所述回波信道參數矩陣估計模塊包括有第一互相關子模塊、第二互相關子模塊、解卷積子模塊、修正處理子模塊和估計回波信道子模塊；所述第一互相關子模塊和第二互相關子模塊的輸出端均連接至解卷積子模塊的輸入端，解卷積子模塊依次連接修正處理子模塊、估計回波信道子模塊；所述數字下變頻模塊的輸出端和附加信號模塊的輸出端連接至第一互相關子模塊的輸入端，所述信號相加模塊的輸出端和附加信號模塊的輸出端連接至第二互相關子模塊的輸入端，所述估計回波信道子模塊的輸出端連接至信號相減模塊的輸入端。[0037]進一步作為優選的實施方式，所述附加信號模塊產生的附加信號存儲于附加信號模塊中，所述附加信號與經數字下變頻后接收模塊接收的有用基站信號互相關性近似為O。如圖4所示，一具體實施例提供的一種基于附加信號的直放站回波抵消的方法，該方法包括以下步驟A、直放站初始化；B、產生附加信號；C、附加信號與經回波抵消后的直放站接收的信號相加之后，依次經過數字上變頻和功率放大處理，輸入到發射模塊射頻輸出。如圖5所示，另一具體實施例提供的一種基于附加信號的直放站回波抵消的方法，該方法包括以下步驟A、直放站初始化；BI、等待Λ τ秒，開啟附加模塊的使能開關SHIFT，設使能開關開啟時刻為h，其中Λ τ為從直放站接收模塊接收信號，并經過數字下變頻模塊輸出經過的時延；Β2、自h時刻開始記錄附加信號z (η)，存儲于寄存器REGO中；Β3、當REGO中存儲的數據個數達到N時，關閉使能開關SHIFT，其中N為附加信號的采樣點數；Cl、將附加模塊產生的附加信號z (η)與直放站接收模塊接收的信號y (η)均輸入到互相關子模塊，采用基于離散數字信號的數據塊處理方式，將進行回波信道估計的數據塊長度記為N，計算這兩個信號的互相關函數Rzy (m)，其中me [-(N-I), (N-1)]，存儲于寄存器REGl中；C2、將附加模塊產生的附加信號z (η)與直放站發射模塊發射的射頻信號χ (η)均輸入到互相關子模塊，ζ (η)和χ(η)的數據塊長度記為N，計算這兩個信號的互相關函數Rzx(Hi)，其中 m e [-(N-I)，(N-I)]，存儲于寄存器 REG2 中；C3、將以上兩個互相關子模塊的輸出端作為解卷積子模塊的輸入信號，解卷積子模塊輸出片= Μ(1λ/Η2ν··，/5(〃Χ· 2.ν-1)]，為估計回波信道的參數矩陣，存儲于寄存器REG3中，取REG3的最大值為MAXl ；C4、修正操作如果|h(n)| < O.01MAXl ■則將寄存器REG3中相應的&值置為O ;如果|h(n)| > 0.01MAXI，則保留寄存器REG3中相應的值；C5、讀取寄存器REG3中存儲的值泠，泠為本方法估計的直放站回波信道參數矩陣。C6、根據回波信道參數矩陣泠計算出的估計接收信號，將估計接收信號與實際直放站接收的信號y (η)相減作回波抵消操作；C7、將附加模塊產生的附加信號與經回波抵消后的直放站接收模塊接收的信號相加之后，進入數字上變頻模塊，經過功率放大模塊，輸入到發射模塊。進一步作為優選的實施方式，直放站回波抵消系統具體設置如下SI、所述附加信號模塊位置設置在直放站數字上變頻模塊位置之前；[0058]S2、所述附加信號頻率應為處于直放站接收有用基站信號頻譜空穴的頻率；S3、所述附加信號功率應比直放站接收有用基站信號的功率小20dB以上；S4、所述附加信號發射時間應在直放站已初始化完畢且處于工作狀態時；S5、所述附加信號采樣頻率應與直放站數字信號處理過程中的采樣速率一致；S6、所述互相關子模塊中的輸入序列長度應與直放站所處真實環境的實際回波信道有關，為實時估計出回波信道參數矩陣，取L = 22。本實用新型提出一種在轉發信號中添加一個小信號，利用該信號對回波信道進行估計的算法，從而實現直放站的回波抵消。該算法可實現對回波信道的實時估計，由于進行信道估計的數據塊長度較小，即使在回波信道特性隨時間快速變化的情況下，仍然具有較
強的跟蹤能力。參照圖2，本實用新型對直放站所處環境的實際回波信道參數矩陣進行估計，實現回波抵消的系統原理框圖。圖中省略了射頻信號到基帶信號的處理過程，僅示意了直放站工作于基帶時下行鏈路的信號流向關系。s (η)為直放站施主天線接收到的施主信號，ζ (η)為附加信號，χ (η)為直放站重發天線處的轉發信號，X’ (η)是直放站轉發信號經過實際回波信道產生的回波信號，y(n)是施主天線接收到的信號，由S(n)和χ, (η)兩部分構成。回波信道估計模塊的作用是由x(n)、y(n)與ζ(η)計算出回波信道的模型參數，并賦予估計回波信道。χ(η)輸入到估計回波信道得到估計回波扣O。將y(n)與場O相減后的差值信號記為e(n)，若估計回波信道與實際的回波信道等價，則對〃)與χ’ (η)相等，e(n)就是純凈的施主信號s (η)，從而實現了回波消除。需要指出的是，轉發信號中包含了附加信號ζ (η)，所以必須保證該信號不影響施主信號的正常接收。在本文中，z(ri)是一個單頻正弦信號，由于施主信號是頻譜分配規律已知的移動通信信號，因此，只需將ζ (η)加載到施主信號頻帶的邊緣即可，并控制ζ (η)的能量小于e(n)20dB以上。對于更一般的情況，可利用認知無線電技術找出最靠近施主信號的頻譜空穴，進而實現附加信號的加載。回波信道可建模為時變多徑衰落信道。但在一個充分短的時間段內，回波信道的時變性可忽略。在這一數據長度較小的信號處理過程中，回波信道可建模為抽頭延時線形式的FIR濾波器。將濾波器各抽頭線的幅度衰減系數按序排列就可得到實際回波信道的參數矩陣H=[h (I)，h (2)，…，h (η)，…，h (M) ](3. I)其中，M為實際回波信道參數矩陣中元素的個數，即FIR濾波器的階數。M的具體取值由回波的最大時延量和采樣頻率確定。對實際回波信道的估計，就是由x(n)、y(n)和ζ (η)對H進行估計。算法分析本文算法采用基于離散數字信號的數據塊處理方式，將進行回波信道估計的數據塊長度記為N，則附加信號ζ (η)與直放站接收信號y(n)的互相關函數Rzy (m)為 R-,, (" ) = !i[z{ii)y(n + m)] 二 E{z{n)[s(n + m) + h(n) x(n + m)] j[0073]
權利要求1.一種基于附加信號的直放站回波抵消的裝置，其特征在于包括有接收模塊、附加信號模塊和回波信道參數矩陣估計模塊，所述接收模塊的輸出端依次連接有數字下變頻模塊、信號相減模塊、信號相加模塊、數字上變頻模塊、功率放大模塊和發射模塊，所述附加信號模塊的輸出端分別連接信號相加模塊的輸入端和回波信道參數矩陣估計模塊的輸入端，所述數字下變頻模塊的輸出端還連接至回波信道參數矩陣估計模塊的輸入端，所述信號相加模塊的輸出端還分別連接至回波信道參數矩陣估計模塊的輸入端，所述回波信道參數矩陣估計模塊的輸出端連接至信號相減模塊的輸入端。
2.根據權利要求I所述的基于附加信號的直放站回波抵消的裝置，其特征在于所述回波信道參數矩陣估計模塊包括有第一互相關子模塊、第二互相關子模塊、解卷積子模塊、修正處理子模塊和估計回波信道子模塊；所述第一互相關子模塊和第二互相關子模塊的輸出端均連接至解卷積子模塊的輸入端，解卷積子模塊的輸出端通過修正處理子模塊進而與估計回波信道子模塊的輸入端進行連接；所述數字下變頻模塊的輸出端和附加信號模塊的輸出端均連接至第一互相關子模塊的輸入端，所述信號相加模塊的輸出端和附加信號模塊的輸出端均連接至第二互相關子模塊的輸入端，所述估計回波信道子模塊的輸出端連接至信號相減模塊的輸入端。
3.根據權利要求I或2所述的基于附加信號的直放站回波抵消的裝置，其特征在于所述附加信號模塊產生的附加信號存儲于附加信號模塊中，所述附加信號與經數字下變頻后接收模塊接收的有用基站信號互相關性近似為O。
專利摘要本實用新型公開了一種基于附加信號的直放站回波抵消的裝置。該裝置包括接收模塊、數字下變頻模塊、附加信號模塊、回波信道參數矩陣估計模塊、信號相減模塊、信號相加模塊、數字上變頻模塊、功率放大模塊和發射模塊；本實用新型基于附加信號的直放站回波抵消的裝置是利用在基站有用信號的頻譜空穴處添加幅度較小的單頻正弦信號來輔助完成信道估計的，添加信號在直放站覆蓋區域不會造成信號干擾；而且計算得到的估計回波能較好的跟蹤實際回波，從而有效消除回波干擾，且運算時的數據長度小、復雜度低、實時性好、硬件實現簡單，抵消后信號不存在逐漸收斂的過程。本實用新型作為一種基于附加信號的直放站回波抵消的裝置可廣泛應用于通信技術領域。
文檔編號H04L25/02GK202737908SQ20122038423
公開日2013年2月13日 申請日期2012年8月3日 優先權日2012年8月3日
發明者李會雅, 王振朝, 楊建坡, 郝祿國, 薛文玲, 王竹毅, 尹永超 申請人:奧維通信股份有限公司, 河北大學