CN107346979B - 一种基于相关能量的射频自干扰抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于相关能量的射频自干扰抑制方法：首先，建立多抽头射频重建通道，对每一条重建支路引入固定时延；然后，建立每一条支路的幅度参数和相位参数的调整目标，基于所述调整目标得到每一支路的幅度参数值和相位参数值；最后，通过获得的幅度参数值和相位参数值，重建出自干扰信号的反相信号，然后将所述反相信号与接收信号进行合并。当存在有用信号，且有用信道为时变信道时，所述幅度参数和相位参数的调整目标确定方法为，对反馈信号与接收信号的相关累加结果的绝对值求功率，并以反馈信号功率进行归一化。本发明对自干扰信号进行有效抑制，进而抑制了有用信号的变化对射频自干扰抑制性能的影响，弥补现有射频自干扰抑制方法的缺陷。

Description

一种基于相关能量的射频自干扰抑制方法

技术领域

本发明涉及一种射频自干扰抑制方法，更具体的涉及一种基于相关能量的射频自干扰抑制方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

全双工通信中自干扰抑制分为三个阶段：第一阶段天线自干扰抑制，主要方法为天线空间隔离、极化隔离和环形器隔离等；第二阶段是射频自干扰抑制，包括直接耦合射频自干扰抑制和数字辅助射频自干扰抑制；第三阶段是数字自干扰抑制，主要方法为自干扰估计法、自适应滤波法等。由于经过天线隔离后的自干扰信号功率通常大于期望信号功率，如果直接将该信号送入接收机，会造成ADC饱和，使得有用信号量化位数过少甚至被量化噪声淹没，因此在自干扰信号送入接收通道之前必须进行射频自干扰抑制。

射频自干扰抑制过程中，首先将射频发射信号耦合出一路经过多路重建通道，重建出与接收射频自干扰信号幅度相同相位相反的信号，在射频接收通道之前，将重建出的信号与接收信号合成，实现自干扰抑制。

同频全双工通信机射频自干扰抑制结构，如图1所示，包含一根发射天线和一根接收天线。由于全双工收发信机接收和发射在同一频段同一时间进行，接收天线除收到远端设备的有用信号外，还会收到近端设备天线发射的信号。近端设备收发天线距离近，使得近端发射信号对近端接收有用信号造成强自干扰，并且自干扰信号呈现多径效应，通常包含一条强直射径和若干周围环境的反射径。为了对多径自干扰进行有效的抵消，需要设计多抽头射频重建通道，对每一条重建支路引入固定时延，然后通过调整每一支路的幅度和相位重建出自干扰信号的反相信号，然后将重建自干扰信号与接收信号进行合并，实现对自干扰信号的抑制。每条支路的幅度和相位参数通过梯度下降法进行自适应调整，而梯度下降法调整支路参数的依据称为调整目标。

近端射频发射信号xⁿ(t)可以表示为：

xⁿ(t)＝Re{bⁿ(t)exp(jω_ct)} (1)

其中，b_n(t)为复基带等效信号模型，ω_c为载波角频率，Re{·}表示取实部运算。

近端设备接收到的自干扰信号可以表示为：

其中，M为自干扰多径条数，h_i为第i条径的增益，d_i表示第i条径的传播时延，表示第i径的相位改变量，D_n＝[b(t-d₁)exp(-jω_cd₁)...b(t-d_M)exp(-jω_cd_M)]^Τ，

射频重建通道，重建自干扰输出可以表示为：

其中，N为重建通道包含支路数量，h_i为重建通道第i条支路可调衰减器的增益，d_i表示重建通道第i条支路的时延调整量，表示重建通道第i支路的移相器对相位改变量，D_r＝[b(t-τ₁)exp(-jω_cτ₁)...b(t-τ_M)exp(-jω_cτ_M)]^Τ表示时延调整的影响，表示幅度增益和相位改变的影响。时延调整通常采用手动调电缆长度的方式进行。

远端设备射频发射信号x^f(t)可以表示为：

x^f(t)＝Re{b^f(t)exp(jω_ct)} (4)

则近端设备收到的有用信号可以表示为：

其中，M为多径条数，η_i为第i条多径的增益，β_i表示第i条多径的时延，θ_i表示第i多径的相位改变，D_f＝[b(t-β₁)exp(-jω_cβ₁)...b(t-β_M)exp(-jω_cβ_M)]^Τ表示多径时延的影响，H_n＝[η₁exp(-jθ₁) η₂exp(-jθ₂)...η_Mexp(-jθ_M)]^Τ表示多径幅度增益和相位改变的影响。

则经过射频自干扰抑制之后的信号可以表示

为:

相关文献显示，全双工通信实验的射频自干扰抑制都是采用直接功率法，没有考虑有用信号对射频自干扰抑制的影响。

经过射频抑制后的信号功率记为p_rx：

p_rx＝E(|z(t)|²) (6)

根据公式(5)，射频自干扰抑制的目的在于使得残余自干扰功率最小，通过调整H_r使得整体逼近传统射频自干扰抑制方法调整H_r的方法如下：

固定重建通道各支路时延主要限于射频器件对时延调整的精度和范围，通常采用手动调整射频线缆长度的方式，调整各支路时延τ_i，因此在射频自干扰抑制过程中，重建通道各支路时延τ_i为固定值。

通过自适应控制算法，如梯度下降法，以射频抑制后信号功率p_rx为目标函数，自适应控制重建通道各支路的幅度和相位，也就是改变公式(5)中的H_r。当p_rx减小时，重建自干扰信号就逐渐接近自干扰信号

传统射频自干扰抑制方法中，以射频抑制后信号功率p_rx为目标函数，通过自适应控制方法，调整重建通道各支路参数，达到自干扰抑制的目的。在不存在有用信号时，这种方法是一种凸优化方法，能够找到最优的幅度和相位。但是存在有用信号时，传统方法已经不是凸优化的方法，射频抑制后信号功率p_rx不能准确反应出残留自干扰功率，找到的幅度和相位不是最优值，干扰抑制后的残留功率总是大于有用信号功率波动量。总的来说，直接功率法射频自干扰抑制存在以下诸多局限性：

第一，有用信号的存在会限制射频自干扰抑制性能。直接功率法以射频抑制后信号的功率作为幅度参数和相位参数自适应调整方法的优化目标，射频抑制能够进行的前提是参数调整目标能够准确反映自干扰功率的变化，当自干扰功率下降到一定水平后，自干扰功率的变化将小于有用信号功率的变化，使得参数调整目标不能正确反映自干扰功率的变化，因此射频自干扰抑制受到有用信号的限制。

第二，没有有用信号时，开启流程变得复杂(以点对点全双工通信为例)：近端开机，进行射频自干扰抑制(此时远端未发射信号)，近端射频自干扰抑制完成，固定重建通道相关参数，主端关闭发射信号。远端开机进行射频自干扰抑制，完成操作之后，远端固定重建通道参数。可见，采用直接功率法，导致全双工通信建立过程复杂化。

最后，除了以上局限性外，还有射频自干扰抑制不能在通信过程中实时对重建通道参数进行调整以对自干扰信道的变化进行跟踪等。

发明内容

发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于相关能量的射频自干扰抑制方法，消除有用信号的影响，提高功率控制的精准性。

技术方案：本发明所述一种基于相关能量的射频自干扰抑制方法，在全双工通信中，通信设备包括近端设备和远端设备，近端设备接收到近端设备发射的自干扰信号和远端设备发射的有用信号，近端设备接收端采用的射频自干扰抑制的具体方法为：

首先，建立多抽头射频重建通道，对每一条重建支路引入固定时延；

然后，建立幅度参数和相位参数的优化目标，以所述建立的优化目标为基准，对每一重建支路的幅度参数和相位参数进行调整；

最后，通过获得的幅度参数和相位参数重建出自干扰信号的反相信号，然后将所述反相信号与接收信号进行合并，实现对射频自干扰信号的抑制；

所述幅度参数和相位参数的优化目标确定方法为：

接收信号z(t)经过ADC采样后为z(nT)表示为：

z(nT)＝r^si(nT)+r^f(nT)+n(nT) (7)

其中，T表示ADC采样时间间隔，r^si(nT)表示为残余自干扰信号，r^f(nT)表示有用信号，n(nT)表示加性高斯白噪声。

经过ADC采样后的反馈信号为r^fb(nT)，则反馈与接收相关进行相关累加可以表示为：

其中，L为累加长度，这里z(nT)为实信号，因此对z(nT)取共轭等于其本身。

对相关结果求功率，并以反馈功率进行归一化，得到幅度参数和相位参数的调整目标p_corr(X)：

其中，|p_fb＝E(|r^fb(nT)|²)为反馈信号功率。

通常可以采用凸优化理论的梯度下降法，得到幅度参数值和相位参数值。

有益效果：本发明提出一种基于相关能量的射频自干扰抑制方法，使得该方法能够在残余自干扰信号功率低于期望信号功率时依然能够对残余自干扰信号进行有效检测，从而引导自适应控制算法对重建支路参数进行控制，对自干扰信号进行有效抑制，进而抑制了有用信号的变化对射频自干扰抑制性能的影响，消除有用信号的影响，弥补现有射频自干扰抑制方法的缺陷。

附图说明

图1为同频全双工通信机射频自干扰抑制结构示意图；

图2为自干扰信道为单径信道时的实施示意图；

图3为单径自干扰信道的相关能量法性能图；

图4自干扰信道为多径信道时的实施示意图；

图5多径自干扰信道的相关能量法性能图。

具体实施方式

下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：一种基于相关能量的射频自干扰抑制方法，在全双工通信中，通信设备包括近端设备和远端设备，近端设备接收到近端设备发射的自干扰信号和远端设备发射的有用信号，近端设备接收端采用的射频自干扰抑制的具体方法为：

首先，建立多抽头射频重建通道，对每一条重建支路引入固定时延；

然后，建立幅度参数和相位参数的调整目标，以所述建立的调整目标为基准，对每一重建支路的幅度参数和相位参数进行调整；

最后，通过获得的最优幅度参数和相位参数重建出自干扰信号的反相信号，然后将所述反相信号与接收信号进行合并，实现对射频自干扰信号的抑制；

本实施例中的方法针对当存在有用信号，且有用信道为时变信道时的场景，设计新的幅度参数和相位参数调整目标，作为调整重建通道各参数的依据。设计新参数调整目标的目的是，在有用信号功率波动时，参数调整目标值的大小能够正确反应残余自干扰功率的变化。为此，本文设计了相关能量法。

相关能量法是以近端设备反馈信号与近端设备接收信号的相关累加结果的绝对值的归一化功率作为调整目标。其中近端设备反馈信号由近端设备的射频发射信号经过反馈通道引入基带得到，如图1所示，由于反馈信号与接收信号中的自干扰信号均来自近端射频发射信号，因此反馈信号与自干扰信号具有强相关性，而反馈信号与有用信号没有相关关系，因此以相关能量为参数调整目标可以有效抑制有用信号功率波动对残余自干扰功率检测的影响，进而降低对射频自干扰抑制性能的影响。

反馈信号与接收信号相关，不考虑反馈信号与自干扰信号的时间同步误差，也不考虑两者之间的频率同步误差，并假设自干扰信号为单径信号。

所述接收信号z(t)经过ADC采样后为z(nT)可以表示为：

z(nT)＝r^si(nT)+r^f(nT)+n(nT) (7)

其中，T表示ADC采样时间间隔，r^si(nT)表示为残余自干扰信号，r^f(nT)表示有用信号，n(nT)表示加性高斯白噪声。

经过ADC采样后的反馈信号为r^fb(nT)，则反馈与接收相关进行相关累加可以表示为：

其中，L为累加长度，这里z(nT)为实信号，因此对z(nT)取共轭等于其本身。

对相关结果求功率，并以反馈功率进行归一化，得到幅度参数和相位参数的调整目标p_corr(X)：

其中，p_fb(X)＝E(|r^fb(nT)|²)反馈信号功率。

下面分析有用信号对射频自干扰抑制性能的影响，以证明相关能量法对直接功率法的优势。

首先将幅度参数和相位参数的调整目标展开以进行化简：

反馈信号与有用信号不相关，反馈信号与自干扰信号强相关，反馈信号与高斯噪声信号不相关。为了简化分析过程，首先做以下合理假设：

a.假设反馈信号与自干扰信号相关系数为1，而反馈信号与有用信号和高斯白噪声信号相关系数为0，自然可以得出自干扰信号、有用信号和高斯噪声两两相关系数都为0。由于反馈信号与自干扰信号相关系数为1，因此有：

r^fb(nT)＝κr^si(nT) (11)

其中，在确定的时刻κ为常数。

b.假设自干扰信号、有用信号、反馈信号和高斯噪声信号，它们有理想的自相关特性，即：

其中，x∈{r^fb，r^f，r^si，n}，假设x(nT)为具有归一化功率。

c.假设自干扰信号、有用信号、反馈信号，高斯噪声信号的均值为0，即：

E(x(nT))＝0 (13)

其中，x∈{r^fb，r^f，r^si，n}。

根据以上假设，可以将式将幅度参数和相位参数的调整目标简化为：

其中，p_si(X)＝E(|r^si(nT)|²)为自干扰功率，p_f＝E(|r^f(nT)|²)为有用信号功率，为高斯噪声功率。在证明过程中，除了利用了以上三个合理假设外，还用到了高阶矩的结论E(x⁴)＝(E(x²))²，其中x为二项分布。简化后的幅度参数和相位参数调整目标，因为存在相关累加长度倒数的因子，使得有用信号功率相对于参与自干扰信号的功率得到抑制，从而能够有效降低有用信号对射频自干扰抑制性能的影响。

1)更为具体的，在本实施例中，首先给出自干扰信道为单径信道时的实施结果。如图2所示，自干扰信道为单径信道，只有时间延迟，幅度变化和相位偏移。初始干扰功率和有用信号功率比固定为10dB，初始自干扰功率归一化为1。幅度参数和相位参数自适应控制采用梯度下降法进行设计。相关计算的累积量实施为L＝1000。

如图3中，a、b分别代表无有用信号、有用信号存在但有用信道时变。为方便对比，将二种情况下的分别采用直接功率法和相关能量法的实施结果放到同一张图中。

为了描述方便，将有用信号长期平均功率p_f与两次计算目标函数之间有用信号功率的平均变化量Δp(t₂-t₁)的比值记为udr，使用udr来衡量有用信道的波动大小。显然，udr越大，有用信道波动越小。

无有用信号时，如图3中带“圆圈”直线所示。由于没有时延误差，理论上残余自干扰功率p_si能够达到0，采用相关能量法和直接功率法，其残余自干扰功率p_si达到10^-22数量级，已经非常接近于0，符合预期。

有用信号存在且有用信道时变，如图3中带“方形”直线所示。采用直接功率法，残余自干扰功率在10^-2到10^-3数量级，随着udr增大，逐渐减小。而采用相关能量法，残余自干扰功率在10^-5到10^-6数量级，随着udr增大，而逐渐减小。很明显，在有用信道波动条件下，相关能量法相对于直接功率法射频自干扰性能提高了平均提高近30dB，主要是因为相关能量法在相关累加过程，使得有用信号功率波动收到抑制，而自干扰功率得到增强，从而降低有用信道波动对射频自干扰抑制性能的影响。

2)随后，给出自干扰信道为多径信道时的实施结果。

自干扰信道仿真模型采用多抽头延迟模型，每一个抽头代表一条多径，抽头的时延根据实测的延迟功率谱确定。输入数据采样率为245.76M，带宽为20MHz，通过调整采样点延迟个数，来调整每一条径的时延。其中，除了对每一条径调整时延和幅度外，另外增加了一个随机相位偏移。自干扰信道模型如图4所示。

实际自干扰多径信道根据实测自干扰信道延迟功率谱确定，根据实测结果本实施例中采用多径时延为{0 37 85 142 191}ns，相应的多径衰减为{0-18.3-31.7-42.5-48.7}dB。重建自干扰结构与自干扰信道模型类似。采用4抽头重建，抽头总时延为200ns，4个抽头等间隔，因此抽头间隔为ΔT＝200ns/(4-1)≈67ns。

在实施过程中，通过控制幅度衰减参数来控制有用信号功率与有用信号功率波动量之间的比值udr。初始自干扰功率和有用信号功率比固定为10dB，初始自干扰功率归一化为1。幅度参数和相位参数自适应控制采用梯度下降法进行设计。相关计算的累积量实施为L＝10000。

如图5所示，为不同udr下，直接功率法和相关能量法射频自干扰抑制能力。对于直接功率法，射频自干扰抑制能力随着udr的增大而增加，在udr为0时，射频自干扰抑制能力只有7dB左右，udr为20时，射频自干扰抑制能力不到20dB。对于相关能量法，射频自干扰抑制能力几乎与udr大小没有关系，在udr为0时，射频自干扰抑制能力在33dB左右，主要是由于相关能量法降低了有用信号的影响；在udr为20时，射频自干扰抑制能力在35dB左右，主要是受到该信道条件下理论抵消能力的限制。总体上，在该信道条件下，有用信号存在波动时，相关能量法比直接功率法射频自干扰抑制有20dB左右的性能提升。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (1)

1.一种基于相关能量的射频自干扰抑制方法，在全双工通信中，通信设备包括近端设备和远端设备，近端设备接收端采用的射频自干扰抑制的具体方法为：

首先，建立多抽头射频重建通道，对每一条重建支路引入固定时延；

然后，建立幅度参数和相位参数的优化目标，以所述建立的优化目标为基准，对每一重建支路的幅度参数和相位参数进行调整；

最后，通过获得的最优幅度参数和相位参数重建出自干扰信号的反相信号，然后将所述反相信号与接收信号进行合并，实现对射频自干扰信号的抑制；

其特征在于，所述近端设备的接收信号包括近端设备发射的自干扰信号和远端设备发射的有用信号，所述接收信号z(t)经过ADC采样后为z(nT)表示为：

z(nT)＝r^si(nT)+r^f(nT)+n(nT)，

其中，T表示ADC采样时间间隔，r^si(nT)表示为残余自干扰信号，r^f(nT)表示有用信号，n(nT)表示加性高斯白噪声；

其特征在于，所述优化目标为相关能量，具体算法为：

第一步，求近端设备的反馈信号与近端设备的接收信号的相关累加结果的绝对值； 所述反馈信号经过ADC采样后为r^fb(nT)，则反馈信号与接收信号的累加结果为：

其中，L为累加长度，这里z(nT)为实信号，因此，对z(nT)取共轭等于其本身；

第二步，随后对相关结果的绝对值求功率，并以反馈信号功率进行归一化，得到相关能量目标为：

其中，p_fb＝E(|r^fb(nT)|²)为反馈信号功率。