同頻數(shù)字直放站回波干擾消除器的設(shè)計(jì)

李學(xué)易 ，郝祿國(guó)，楊建坡，馬紹軒

（1.廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.奧維通信股份有限公司研發(fā)中心，遼寧 沈陽(yáng) 110179）

1 引言

在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中，直放站價(jià)格低廉，組網(wǎng)部署迅速方便，可消除網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲點(diǎn)，延伸擴(kuò)大基站覆蓋范圍，在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等方面占有巨大優(yōu)勢(shì)[1]，因而得到了廣泛應(yīng)用。但同頻直放站在工程應(yīng)用中存在著轉(zhuǎn)發(fā)天線到施主天線之間的回波反饋干擾，形成自激，工程上采用物理方法來(lái)提高收發(fā)天線之間的隔離度來(lái)解決回波干擾，但這種方法受安裝條件及環(huán)境的影響很大，難以將隔離度提高到令人滿意的程度。特別是DVB地面數(shù)字電視和CMMB手機(jī)電視網(wǎng)絡(luò)，工作頻率一般為幾百兆赫茲，回波干擾現(xiàn)象十分明顯，僅靠物理方法很難使隔離度達(dá)到要求，被迫以犧牲直放站的增益和發(fā)射功率為代價(jià)來(lái)避免自激的出現(xiàn)。為了有效解決直放站回波干擾問(wèn)題，須采用數(shù)字回波消除方法[2-4]。筆者基于實(shí)際產(chǎn)品化需求，提出了同頻數(shù)字直放站回波消除的詳細(xì)方案，設(shè)計(jì)了消除器的硬件實(shí)現(xiàn)，對(duì)整合后回波消除模塊的數(shù)字直放站系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試。

2 基于PN序列的自適應(yīng)回波消除方案

2.1 回波消除直放站系統(tǒng)模型

同頻直放站中回波消除系統(tǒng)參考模型如圖1所示，接收天線接收到的信號(hào)包括從施主天線來(lái)的有用信號(hào)和轉(zhuǎn)發(fā)天線通過(guò)外部空間反饋到接收天線的回波干擾信號(hào)，兩者混合在一起，經(jīng)低噪聲的小信號(hào)射頻放大器放大，然后再經(jīng)數(shù)字下變頻、數(shù)字化，將混合基帶信號(hào)輸入自適應(yīng)回波消除器，濾除回波干擾信號(hào)，得到消除回波后的輸出基帶信號(hào)，疊加PN序列后再經(jīng)數(shù)字上變頻、數(shù)模轉(zhuǎn)換、功率放大器后送入發(fā)送天線。

回波消除器的核心模塊包括反饋信道自適應(yīng)模擬器和回波自適應(yīng)估計(jì)器。反饋信道模擬器主要完成對(duì)反饋信道參數(shù)的估計(jì)，然后將信道參數(shù)傳給回波自適應(yīng)估計(jì)器，利用輸出的基帶信號(hào)估計(jì)回波信號(hào)，再在輸入的混合基帶信號(hào)中減去回波信號(hào)，得到消除回波后的輸出基帶信號(hào)。

2.2 自適應(yīng)回波消除工作原理

為了研究問(wèn)題方便，將低噪聲小信號(hào)放大器、A/D轉(zhuǎn)換和下變頻、上變頻和D/A轉(zhuǎn)換、高頻功率放大器及反饋信道簡(jiǎn)化作為反饋回波信道，簡(jiǎn)化后的直放站回波消除系統(tǒng)模型如圖2所示。

直放站外部轉(zhuǎn)發(fā)天線到施主天線間回波反饋信道沖激響應(yīng)為

其中，L是信道階數(shù)，回波反饋信道輸入信息序列s（n）取自有限符號(hào)集，且均值為零，方差 E[s2（n）]=。 在 s（n）上疊加一偽隨機(jī)的 PN 序列 p（n），構(gòu)成發(fā)送序列 x（n）=s（n）+p（n），PN序列與信息序列不相關(guān)。經(jīng)過(guò)外部多徑信道后，在接收端得到

令信道估計(jì)器的沖激響應(yīng)為w（n），用已知PN序列作為估計(jì)器的輸入，則輸出信號(hào)b（n）為

從而接收信號(hào)與估計(jì)器輸出之間的誤差為

回波消除器的輸入信號(hào)由兩部分組成：一是基站傳來(lái)的需放大轉(zhuǎn)發(fā)的源信號(hào)s′（n）；二是反饋信道的輸出，即回波信號(hào)HTX，回波估計(jì)器的輸入信號(hào)為x（n），輸出為對(duì)反饋回波信號(hào)的估計(jì)WTX?；夭ㄏ鞯妮敵?/p>

其中，v（n）和PN序列p（n）可以一起看作是一新的高斯白噪聲v′（n）。此時(shí)，回波消除器的輸出即為基站來(lái)的源信號(hào)s′（n）和噪聲之和，不再有回波信號(hào)。

上述回波消除算法與文獻(xiàn)[5]所述算法不同，文獻(xiàn)[5]中的算法只針對(duì)信號(hào)調(diào)制方式為OFDM的情況有效，而本文所述算法適用于各種調(diào)制方式的信號(hào)。

3 回波消除器的FPGA設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)回波消除功能，圖3為回波消除模塊接口示意圖。在FPGA系統(tǒng)中，系統(tǒng)主時(shí)鐘為122.88 MHz，本模塊的主時(shí)鐘也設(shè)定為122.88 MHz，在回波消除模塊內(nèi)部，會(huì)有其他速率的數(shù)據(jù)存在，但它們都被設(shè)計(jì)為122.88 MHz的約數(shù)，便于同步。另外，基帶I，Q兩路數(shù)據(jù)速率設(shè)計(jì)為1.44 MHz。

圖4為回波消除模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，各模塊主要功能簡(jiǎn)要介紹如下：

1）減法模塊sub_block：其作用主要是將輸入數(shù)據(jù)（耦合信號(hào)）與估計(jì)的回波作減法運(yùn)算。同時(shí)，該模塊還要負(fù)責(zé)各子模塊間的數(shù)據(jù)控制處理。

2）權(quán)系數(shù)更新模塊w_update：由減法模塊提供的估計(jì)誤差e（n）和PN生成器提供的PN序列會(huì)被送到權(quán)系數(shù)更新模塊w_update，進(jìn)行權(quán)系數(shù)更新運(yùn)算，以獲得自適應(yīng)濾波器新的濾波系數(shù)，在本模塊設(shè)計(jì)中可采用乘法器復(fù)用方法，從而節(jié)約乘法器資源。

3）FIR濾波器：這里的FIR濾波器的參數(shù)來(lái)源于權(quán)系數(shù)更新模塊提供的時(shí)變權(quán)系數(shù)。

4）PN序列生成模塊PN_gena：生成偽隨機(jī)PN序列。

4 回波消除器系統(tǒng)性能測(cè)試

4.1 測(cè)試方案

整合了回波消除模塊的數(shù)字同頻直放站回波消除性能測(cè)試方案，如圖5所示。該測(cè)試方案直接用天線從外界接收基站信號(hào)，然后用耦合器與回波疊加，再輸入數(shù)字直放站系統(tǒng)作回波消除處理。

根據(jù)直放站安裝的經(jīng)驗(yàn)要求以及理論設(shè)計(jì)原則，轉(zhuǎn)發(fā)天線到施主天線間信號(hào)的隔離度應(yīng)該比增益大15 dB系統(tǒng)才不會(huì)產(chǎn)生自激[6-7]。外部回波反饋信道在測(cè)試中用一個(gè)衰減器來(lái)模擬，衰減器的衰減表示外部隔離度的大小。而在直放站中加入回波消除器后，等效于將外部的一部分隔離功能移入直放站內(nèi)部的回波消除器來(lái)完成，此時(shí)整個(gè)環(huán)路的隔離度比系統(tǒng)增益大15 dB即可。設(shè)回波消除器的回波信號(hào)消除度為I，直放站增益為G，測(cè)試時(shí)調(diào)整為50 dB，衰減器對(duì)信號(hào)的衰減為S，衰減大小可調(diào)，直放站不發(fā)生自激的條件是

如圖5所示，假設(shè)剛開始時(shí)將反饋信號(hào)從c處斷開，則進(jìn)入直放站系統(tǒng)的只有從施主天線接收來(lái)的基站下行信號(hào)，從a處進(jìn)入直放站，此時(shí)該信號(hào)功率記為Pa，通過(guò)回波消除器EC前后其大小、頻譜不應(yīng)該有變化，通過(guò)直放站到b處時(shí)放大50 dB，再通過(guò)衰減器到c處，形成回波，此時(shí)功率記為Pc，大小為

從式（8）可看出，通過(guò)衰減S可以調(diào)節(jié)Pc大小。此時(shí)在c處和耦合器接通，回波和a處的施主天線信號(hào)合在一起，進(jìn)入直放站，混合信號(hào)經(jīng)過(guò)回波消除模塊處理后，施主天線信號(hào)不應(yīng)受任何影響，而回波信號(hào)應(yīng)該被消除，此時(shí)不發(fā)生自激，系統(tǒng)穩(wěn)定工作；若回波信號(hào)沒被有效消除則系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)自激。可以用SignalTap工具在FPGA內(nèi)部的回波消除模塊前后抽取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷系統(tǒng)是否自激，要確保系統(tǒng)不能在自激狀態(tài)下測(cè)試。由式（7）、式（8）可得

從式（9）可看出，測(cè)試回波消除度I的大小，只需在系統(tǒng)不自激的情況下測(cè)Pa和Pc即可。

4.2 測(cè)試結(jié)果分析

測(cè)試過(guò)程采用頻譜儀觀察回波信號(hào)的功率，用SignalTap在FPGA內(nèi)部抽樣回波消除模塊前后的數(shù)據(jù)來(lái)分析系統(tǒng)是否自激。

1）測(cè)試中a處輸入的信號(hào)源是由施主天線接收的外界實(shí)際信號(hào)，頻譜如圖6所示，本方案測(cè)試時(shí)僅取950.07 MHz頻點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，其瞬時(shí)功率為Pa=-60.96 dBm。

2）在c處與耦合器斷開，不疊加回波信號(hào)，利用SignalTap對(duì)回波消除模塊前后的信號(hào)進(jìn)行采樣，數(shù)據(jù)頻譜如圖7、圖8所示?？梢钥闯觯?dāng)沒有疊加回波信號(hào)時(shí)，回波消除模塊對(duì)源信號(hào)不作任何處理。

3）將c處與耦合器接通，調(diào)節(jié)衰減器的衰減，在c處測(cè)試回波信號(hào)，頻譜如圖9所示（由于系統(tǒng)內(nèi)的選頻濾波器的過(guò)濾，故所需頻率之外的信號(hào)被濾除）。950.07 MHz頻點(diǎn)處瞬時(shí)功率Pc=-54.61 dBm。SignalTap對(duì)回波消除模塊之前進(jìn)行采樣的數(shù)據(jù)頻譜如圖10所示?？梢钥闯觯藭r(shí)的回波較強(qiáng)，頻譜波動(dòng)較大。SignalTap對(duì)經(jīng)過(guò)回波消除模塊后的信號(hào)進(jìn)行采樣的數(shù)據(jù)頻譜如圖11所示，將該圖與圖7、圖8比較，可看出回波消除模塊將回波濾除，恢復(fù)出施主天線接收的源信號(hào)，且系統(tǒng)沒發(fā)生自激。此時(shí)由式（9）可知，回波消除度為21.35 dB。

5 小結(jié)

文獻(xiàn)[5]中提及的回波消除方法依賴于具體的調(diào)制方式，而本文中基于PN序列的回波消除技術(shù)不依賴信號(hào)的具體調(diào)制方式，具有較廣的應(yīng)用范圍，可適用于DVB-T，CMMB，GSM，CDMA等多種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中繼。測(cè)試時(shí)選取GSM信號(hào)，測(cè)試結(jié)果表明該技術(shù)完全滿足實(shí)際工程的指標(biāo)需求，可有效抑制直放站的轉(zhuǎn)發(fā)天線到施主天線間的多徑回波，防止出現(xiàn)自激，改善直放站的功率增益，提高發(fā)射功率，繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)后還可以進(jìn)一步提高回波消除度。

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