CN115441898A - 一种多抽头结构的全双工模拟域自干扰消除系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种多抽头结构的全双工模拟域自干扰消除系统，属于全双工通信系统中的模拟域自干扰消除技术领域。本发明为面向同时同频全双工的一种多抽头结构的全双工模拟域自干扰消除系统，包括自干扰信号采集模块、多抽头干扰对消模块、对消能力检测反馈模块。本发明直接以最小化输出功率为目标重建抵消信号，通过每一抽头的矢量调制器对各重建信号进行幅度和相位调控，降低输出对消后的残余信号功率，针对模拟域自干扰消除构建对消能力检测反馈模块，对消能力检测反馈模块向FPGA芯片提供反馈控制并调节各抽头的矢量调制器，使模拟域自干扰实际消除能力最大化，同时使数字域自干扰消除部分发挥其最大优势，减少模拟域自干扰对其他模块的干扰，改善自干扰抵消效果。
Description
技术领域
本发明属于全双工通信系统中的自干扰消除技术领域，具体涉及一种多抽头结构的自干扰消除系统。
背景技术
现有的无线通信设备通常采用半双工模式发送和接收数据，包括时分双工模式和频分双工模式，通信容量仅为理论极限的一半。同频同时全双工技术支持设备在同一频段同时发送和接收数据，理论上可以实现频谱效率的倍增，从而有效提升通信容量。然而，全双工设备的发射链路会对接收链路产生强烈的自干扰。自干扰信号功率远高于接收信号，使得接收信号被自干扰淹没，导致无法正常解调。
全双工自干扰消除依据作用区域的不同分为三种：空域消除、模拟域消除以及数字域消除。其中，模拟域自干扰消除是将发射信号作为参考信号，通过功率和相位进行调整，重构出与自干扰信号功率相等、相位相反的抵消信号。抵消信号在模拟域与自干扰信号对消，实现自干扰消除。
现有的模拟域自干扰消除系统通常直接对自干扰信号的相移和功率进行估计或检测，进而重构出抵消信号。然而由于在估计或检测时所带来的误差，难以实现最优的抵消效果。
发明内容
为改善模拟域自干扰抵消效果，本发明主要目的是提供一种多抽头结构的全双工模拟域自干扰消除系统，不再通过对自干扰信号的相位和功率进行估计或检测的方式重构抵消信号，而在重建抵消信号的过程中，直接以最小化抵消后信号的输出功率为目标，通过每一分路的矢量调制器对各重建信号进行幅度和相位的调控，使输出的抵消后信号的功率达到最低，针对模拟域自干扰抵消构建对消能力检测反馈模块，对消能力检测反馈模块向FPGA芯片提供反馈从而控制并调节各分路的矢量调制器，使模拟域自干扰实际抵消能力最大化，同时减少数字域自干扰抵消部分的工作障碍，减少模拟域自干扰对其他抵消工作的干扰。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明公开的一种多抽头结构的全双工模拟域自干扰消除系统，为面向同时同频全双工的多抽头结构的全双工模拟域自干扰消除系统，在重建抵消信号的过程中，通过每一分路的矢量调制器对各重建信号进行幅度和相位的调控，使输出的对消后信号的功率达到最低，针对模拟域自干扰抵消构建对消能力检测反馈模块，对消能力检测反馈模块向FPGA芯片提供反馈从而控制并调节各分路的矢量调制器，使模拟域自干扰实际抵消能力最大化，同时减少数字域自干扰抵消部分的工作障碍，减少模拟域自干扰对其他抵消工作的干扰。
本发明公开的一种多抽头结构的全双工模拟域自干扰消除系统，由自干扰信号采集模块、多抽头干扰对消模块、对消能力检测反馈模块组成。
所述自干扰信号采集模块基于功分器进行自干扰信号采集，用于从发射端分离出一部分发射信号，并对分离出的发射信号进行放大预处理得到自干扰信号，采集的干扰信号更准确，信号损耗更小，进而更好地重建抵消信号，获得最佳的抵消效果。
所述多抽头干扰对消模块为基于矢量调制器的多抽头干扰对消模块。矢量调制器内部的数控衰减器通过对消除能力检测反馈模块的反馈调整重建的抵消信号，采用多抽头并联分路对自干扰信号进行幅度相位调整从而重建抵消信号，相比采用衰减器和移相器的对消模块，节省元器件成本，节约结构占用空间，收敛速度更快，对消效果更好。矢量调制器用于自适应地调整抵消信号的功率和相位，通过控制矢量调制器自适应地调整抵消信号的功率和相位，相比于没有实时和反馈能力的对消系统，这种全双工模拟域自干扰消除系统能够适用于时变信道，重建抵消信号的幅度和相位更加精确，响应速度快并且收敛速度高，自干扰抵消更加彻底，能够更加充分地保护有用信号，且对于全双工系统具有普适性。
所述对消能力检测反馈模块为基于耦合器、低噪声放大器、带通滤波器、检波器、ADC、FPGA主控芯片的对消能力检测反馈模块。耦合器用于提取出待检测信号，依次经过所述低噪声放大器及带通滤波器，带通滤波器用于消除固定增益的二次谐波，通过功率检波器将待检测信号转化为电压值，再利用ADC转化为数字信号后传入FPGA主控芯片计算待检测信号的功率值，通过DAC获得调节幅度和相位的模拟信号反馈控制N路矢量调制器，相比无反馈模块的系统或其他反馈模块，响应速度和收敛速度更快；通过所述对消能力检测反馈模块的反馈优化，重建的抵消信号更加接近自干扰信号，干扰抵消效果更好。
本发明公开的一种多抽头结构的全双工模拟域自干扰消除系统的工作方法为：
从发射端耦合出一部分信号作为发射信号，另一部分作为准备重建的抵消信号，经过幅度、相位与延时处理后得到重建完成的抵消信号，然后将重建完成的抵消信号与接收端包含有用信号和自干扰信号的大功率接收信号进行叠加消除，从而实现良好的模拟域自干扰抵消效果，具有普适性。
所述自干扰信号采集模块从发射端分离出一部分发射信号，并对分离出的发射信号进行放大等预处理，通过功分器获得发射信号(对于接收端是自干扰信号)和准备重建的抵消信号。
发射信号进行发射并对接收端形成自干扰：发射信号进入空域自干扰抵消部分，通过环形器或者天线进行隔离从而完成空域自干扰抵消到达接收端，成为接收端的接收信号(自干扰信号)；准备重建的抵消信号进入多抽头干扰对消模块，经过多功分器分为N路，在每一分路经过不同的延时和矢量调制器完成各分路抵消信号的重建，再通过多合路器重新汇合成重建完成的抵消信号，完成自干扰信号的重建；其中，重建方法是先打开抽头1，关闭其余抽头，搜索最佳的矢量调制器设置，抽头1重建工作结束之后，保持抽头1不变，打开抽头2，重复上述过程对抽头2进行重建，直至所有抽头重建完成；最后通过合路器将重建完成的抵消信号与接收端的接收信号(自干扰信号)进行叠加，消除接收信号中的自干扰信号。如图2所示，所述矢量调制器用于自适应地调整抵消信号的功率和相位，对消能力检测反馈模块通过控制矢量调制器自适应地调整抵消信号的功率和相位，相比于没有实时反馈能力的对消系统，对消能力检测反馈模块使全双工模拟域自干扰消除系统能够适用于时变信道，重建自干扰信号的幅度和相位更加精确，响应速度快并且收敛速度高，自干扰抵消更加彻底，能够更加充分地保护有用信号，且对于全双工系统具有普适性。
在对消能力检测反馈模块中，合路器将重建完成的抵消信号与接收端的接收信号(自干扰信号)进行叠加获得对消后残余信号：在直通端，对消后残余信号通过直通端传递给低噪声放大器从而进行下一阶段信号处理；在耦合端，对消后残余信号通过耦合端将自干扰抵消效果通过低噪声放大器、带通滤波器、检波器和ADC转换为数字信号反馈给FPGA主控芯片，FPGA主控芯片计算出调整矢量调制器的参数并通过2N路DAC对抵消信号重建工作中的N路矢量调节器进行反馈调控。
有益效果：
1、本发明公开的一种多抽头结构的全双工模拟域自干扰消除系统，不再通过对自干扰信号的相位和功率进行估计或检测的方式重构抵消信号，而在重建抵消信号的过程中，直接以最小化对消后残余信号输出功率为目标，通过每一分路的矢量调制器对各重建信号进行幅度和相位的调控，使对消后残余信号的输出功率达到最低，使模拟域自干扰实际抵消能力最大化，减少数字域自干扰抵消部分的工作障碍，减少模拟域自干扰对其他抵消工作的干扰。
2、相比采用耦合器进行自干扰信号采集，本发明公开的一种多抽头结构的全双工模拟域自干扰消除系统，基于功分器进行自干扰信号采集，用于从发射端分离出一部分发射信号，并对分离出的发射信号进行放大预处理得到自干扰信号，提高对干扰信号采集的准确性，降低信号损耗，改善抵消信号的抵消效果。
3、相比采用衰减器和移相器的对消模块，本发明公开的一种多抽头结构的全双工模拟域自干扰消除系统，多抽头干扰对消模块基于受反馈控制的矢量调制器调整重建抵消信号，矢量调制器内部的数控衰减器接收对消能力反馈模块的反馈，调整重建的抵消信号，采用多抽头并联分路对抵消信号进行幅度相位调整从而重建抵消信号，节省元器件成本，节约结构占用空间，收敛速度更快，对消效果更好。
4、相比无反馈模块的系统或其他反馈模块，本发明公开的一种多抽头结构的全双工模拟域自干扰消除系统，耦合器用于提取出待检测信号，依次经过所述低噪声放大器及带通滤波器，带通滤波器用于消除固定增益的二次谐波，通过功率检波器将待检测信号转化为电压值，再利用ADC转化为数字信号后传入FPGA主控芯片计算待检测信号的功率值，通过DAC获得调节幅度和相位的模拟信号反馈控制N路矢量调制器，响应速度和收敛速度更快；通过反馈优化，重建的抵消信号更加接近自干扰信号，干扰抵消效果更好。
5、相比于没有实时反馈能力的抵消系统，本发明公开的一种多抽头结构的全双工模拟域自干扰消除系统，通过控制矢量调制器自适应地调整抵消信号的功率和相位，使全双工模拟域自干扰消除系统能够适用于时变信道，重建自干扰信号的幅度和相位更加精确，响应速度快并且收敛速度高，自干扰消除更加彻底，能够更加充分地保护有用信号，且对于全双工系统具有普适性。
附图说明
图1为本发明一实施例所描述的多抽头结构的全双工模拟域自干扰消除系统结构图；
图2为本发明一实施例所描述的矢量调制器内部结构图；
图3为本发明一实施例所描述的信号处理流程图；
图4为本发明一实施例所描述的ADS仿真系统图；
图5为本发明一实施例所描述的ADS仿真时域幅度图；
图6为本发明一实施例所描述的ADS仿真时域相位图；
图7为本发明一实施例所描述的ADS仿真频域结果图。
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：
本实施例公开
如图1所示，本实例公开的一种多抽头结构的全双工模拟域自干扰消除系统，由自干扰信号采集模块、多抽头干扰对消模块、对消能力检测反馈模块组成。从发射端耦合出一部分发射信号，对接收端来说即为自干扰信号，经过幅度、相位与延时处理后得到重建完成的抵消信号，然后将重建完成的抵消信号与接收端包含有用信号和自干扰信号的大功率接收信号进行叠加消除，从而实现良好的模拟域自干扰抵消效果，具有普适性。
如图3所示，所述自干扰信号采集模块从发射端分离出一部分发射信号，并对分离出的发射信号进行放大等预处理，通过功分器获得发射信号A和抵消信号B。
发射信号A进行发射并对接收端形成自干扰：发射信号A进入空域自干扰抵消部分，通过环形器或者天线进行隔离从而完成空域自干扰消除，到达接收端成为自干扰信号A′；抵消信号B进入抵消信号重建模块，经过多功分器分为N路，在每一分路经过不同的延时和矢量调制完成各分路抵消信号重建，再通过多合路器重新汇合成重建完成的抵消信号B′；其中，重建方法是先打开抽头1，关闭其余抽头，搜索最佳的矢量调制器设置，抽头1重建工作结束之后，保持抽头1的矢量调制器参数设置不变，打开抽头2，重复上述过程对抽头2进行重建，直至所有抽头重建完成；最后通过合路器将重建完成的抵消信号B′与接收端的接收信号(自干扰信号A′)进行叠加，消除接收信号中的自干扰信号。如图2所示，所述矢量调制器用于自适应地调整抵消信号的功率和相位，对消能力检测反馈模块通过控制矢量调制器自适应地调整抵消信号的功率和相位，相比于没有实时反馈能力的对消系统，对消能力检测反馈模块使全双工模拟域自干扰消除系统能够适用于时变信道，重建自干扰信号的幅度和相位更加精确，响应速度快并且收敛速度高，自干扰抵消更加彻底，能够更加充分地保护有用信号，且对于全双工系统具有普适性。
在对消能力检测反馈模块中，合路器将重建完成的抵消信号B′与接收端的接收信号(自干扰信号A′)进行叠加获得对消后残余信号：在直通端，对消后残余信号通过直通端传递给低噪声放大器从而进行下一阶段信号处理；在耦合端，对消后残余信号通过耦合端将自干扰抵消效果通过低噪声放大器、带通滤波器、检波器和ADC转换为数字信号反馈给FPGA主控芯片，FPGA主控芯片计算出调整矢量调制器的参数并通过2N路DAC对抵消信号重建工作中的N路矢量调节器进行反馈调控。
验证本干扰消除系统性能如图4所示，检测耦合器输出端信号功率，通过反馈对矢量调制器进行优化，从而优化搜索到每一分路的最优参数设置，得到关于接收信号和重建自干扰信号以及对消后信号的时域结果如图5和图6，其中图5为幅度值，图6为相位值，图中红色曲线为接收信号，蓝色曲线为重建自干扰信号，粉色曲线为消除自干扰后的残余信号，从图中可以看出，当消除结果最优时，对消信号与自干扰信号的幅度一致，相位差为180度，所述消除后得到的残余信号幅度非常小。
频域方面的仿真结果如图7所示，图中红色曲线为含有自干扰信号的频谱，蓝色曲线为自干扰消除后信号的频谱，从图中分析表明，在有效带宽范围内，信号功率得到明显的衰减，原自干扰信号的功率约为-35dBm，自干扰消除后的信号功率约为-86dBm，即自干扰信号被消除了约51dB。
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 (2)
1.一种多抽头结构的全双工模拟域自干扰消除系统，其特征在于：为面向同时同频全双工的多抽头结构的全双工模拟域自干扰消除系统，在重建抵消信号的过程中，通过每一抽头的矢量调制器对各重建信号进行幅度和相位的调控，使输出对消后的残余信号功率达到最低，针对模拟域自干扰消除构建对消能力检测反馈模块，对消能力检测反馈模块向FPGA芯片提供反馈从而控制并调节各抽头的矢量调制器，使模拟域自干扰实际抵消能力最大化。
2.如权利要求1所述的一种多抽头结构的全双工模拟域自干扰消除系统，其特征在于：由自干扰信号采集模块、多抽头干扰对消模块、对消能力检测反馈模块组成；
所述自干扰信号采集模块基于功分器进行自干扰信号采集，用于从发射端分离出一部分发射信号，并对分离出的发射信号进行放大预处理得到自干扰信号，采集的干扰信号更准确，信号损耗更小，进而更好地重建抵消信号，获得最佳的抵消效果；
所述多抽头干扰对消模块为基于矢量调制器的多抽头干扰对消模块。矢量调制器内部的数控衰减器通过对消除能力检测反馈模块的反馈调整重建的抵消信号，采用多抽头并联分路对自干扰信号进行幅度相位调整从而重建抵消信号；所述矢量调制器用于自适应地调整抵消信号的功率和相位，使全双工模拟域自干扰消除系统能够适用于时变信道，重建自干扰信号的幅度和相位更加精确，响应速度快并且收敛速度高，自干扰消除更加彻底，能够更加充分地保护有用信号，且对于全双工系统具有普适性；
所述对消能力检测反馈模块为基于耦合器、低噪声放大器、带通滤波器、检波器、ADC、FPGA主控芯片的对消能力检测反馈模块。耦合器用于提取出待检测信号，依次经过所述低噪声放大器及带通滤波器，带通滤波器用于消除固定增益的二次谐波，通过功率检波器将待检测信号转化为电压值，再利用ADC转化为数字信号后传入FPGA主控芯片计算待检测信号的功率值，通过DAC获得调节幅度和相位的模拟信号反馈控制多路矢量调制器，相比无反馈模块的系统或其他反馈模块，响应速度和收敛速度更快；通过所述对消能力检测反馈模块的反馈优化，重建的抵消信号更加接近自干扰信号，干扰抵消效果更好。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20221206 |