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        ICS同頻直放站回波干擾消除技術(shù)研究

        2022-12-02 01:57:14蔡勇超
        通信電源技術(shù) 2022年14期
        關(guān)鍵詞:信號(hào)

        蔡勇超

        (南方電網(wǎng)廣東佛山供電局,廣東 佛山 528000)

        0 引 言

        直放站是一種對(duì)無(wú)線(xiàn)信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)及轉(zhuǎn)發(fā)的設(shè)備,能夠?qū)⑿盘?hào)延伸到基站覆蓋不到或信號(hào)很弱的地方,由于無(wú)須像基站一樣進(jìn)行選址和建設(shè),且沒(méi)有復(fù)雜的信號(hào)和數(shù)據(jù)處理過(guò)程,使得直放站使用成本比基站大幅降低,是解決弱信號(hào)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋難題的最經(jīng)濟(jì)手段[1,2]。

        同頻直放站由于隔離度有限,其接收天線(xiàn)和發(fā)射天線(xiàn)之間不可避免的會(huì)形成耦合回波,這些干擾信號(hào)影響直放站輸出信號(hào)質(zhì)量,若不加以抑制,則來(lái)自基站的微弱信號(hào)會(huì)被耦合回波湮滅,嚴(yán)重情況下還會(huì)產(chǎn)生直放站自激現(xiàn)象,使得直放站功放處于飽和狀態(tài),導(dǎo)致直放站無(wú)法發(fā)揮其作用[3]。

        為了抑制耦合回波,常見(jiàn)的解決方案是提高收發(fā)天線(xiàn)之間的隔離度,具體措施有增大收發(fā)天線(xiàn)之間的距離、使用定向天線(xiàn)和采用自適應(yīng)濾波技術(shù)來(lái)消除耦合回波[4]。自適應(yīng)濾波技術(shù)即為(Interference Cancel System,ICS)干擾抑制系統(tǒng)同頻直放站的關(guān)鍵技術(shù),文章研究了ICS同頻直放站的工作原理及耦合回波產(chǎn)生的原因,從自適應(yīng)回波消除算法和回波信號(hào)預(yù)處理技術(shù)2個(gè)方面驗(yàn)證其對(duì)耦合回波的抑制效果。

        1 同頻直放站簡(jiǎn)介

        同頻直放站具有價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)需安裝、工作狀態(tài)可靈活配置等優(yōu)點(diǎn),在移動(dòng)通信領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,作為基站信號(hào)的延伸覆蓋補(bǔ)充。

        1.1 干擾成因

        同頻直放站收發(fā)信號(hào)頻率相同,因此收發(fā)之間必須有效隔離。但是隨著設(shè)備集成化程度越來(lái)越高,再加上大眾對(duì)外觀(guān)小型化和美觀(guān)化的追求,直放站生產(chǎn)商只好不斷縮小設(shè)備體積,使得收發(fā)天線(xiàn)之間的距離不得不安裝的較近,這就容易造成收發(fā)隔離度不夠、輸出信號(hào)質(zhì)量變差等問(wèn)題。

        同頻直放站回波干擾形成原因如圖1所示。接收天線(xiàn)接收到基站發(fā)射的微弱信號(hào)后進(jìn)行同頻放大,然后由發(fā)射天線(xiàn)發(fā)送出去,這樣收發(fā)天線(xiàn)之間就存在反饋通路。若是反饋信號(hào),即回波干擾信號(hào)強(qiáng)度大于基站下行信號(hào),則回波干擾信號(hào)會(huì)被不斷放大轉(zhuǎn)發(fā),造成信噪比下降,嚴(yán)重情況下甚至引起系統(tǒng)自激。由于回波干擾信號(hào)和實(shí)際有用信號(hào)是同頻的,因此無(wú)法使用傳統(tǒng)的頻域加窗濾波方法消除。

        1.2 ICS同頻直放站架構(gòu)

        在數(shù)字同頻直放站的內(nèi)部引入回波消除模塊,對(duì)反饋回波進(jìn)行濾波處理,即為ICS同頻直放站,其內(nèi)部架構(gòu)如圖2所示。信號(hào)經(jīng)接收天線(xiàn)進(jìn)入雙工器,將上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù)隔離,確保直放站工作在全雙工狀態(tài)。然后經(jīng)過(guò)低噪聲放大器(Low Noise Amplifer,LNA),再進(jìn)行混頻處理將信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào),最后經(jīng)中頻濾波和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器(Digital-to-Analog Converter,DAC)采樣后進(jìn)入數(shù)字信號(hào)處理單元,對(duì)信號(hào)做回波消除、數(shù)字濾波等處理[5]。反之,信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter,ADC)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào),濾波后上變頻到發(fā)射頻段,再經(jīng)功率放大(Power Amplifier,PA)和雙工器隔離,最后由轉(zhuǎn)發(fā)天線(xiàn)發(fā)射出去。

        1.3 ICS同頻直放站優(yōu)點(diǎn)

        ICS同頻直放站在傳統(tǒng)模擬直放站的基礎(chǔ)上引入數(shù)字信號(hào)處理單元,通過(guò)AD轉(zhuǎn)換、混頻濾波等手段抑制回波干擾,解決了模擬直放站存在的一些不足,具備3個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)。

        (1)ICS數(shù)字同頻采用數(shù)字濾波技術(shù),在消除直放站上行干擾的同時(shí)還能利用載波選頻手段將有用頻段外的信號(hào)通過(guò)濾波器濾除,使得基站接受到的上行噪聲干擾大幅下降。

        (2)ICS同頻直放站的數(shù)字模塊中加入了自適應(yīng)濾波技術(shù),通過(guò)跟蹤和反饋回波信號(hào),生成回波鏡像,從而在數(shù)字域進(jìn)行抵消,這樣可以大幅提高直放站的隔離度,使得收發(fā)天線(xiàn)的安裝變得簡(jiǎn)單,有效降低工程項(xiàng)目成本。

        (3)在天線(xiàn)隔離度不變的情況下,通過(guò)加入回波干擾算法,能夠抵消直放站回波反饋引起的自激干擾,從而提高直放站的增益,使得信號(hào)覆蓋范圍更廣。

        2 自適應(yīng)濾波技術(shù)

        ICS同頻直放站的核心是通過(guò)數(shù)字模塊的自適應(yīng)濾波技術(shù)和硬件隔離來(lái)抵消回波干擾,從而提高直放站的系統(tǒng)增益。自適應(yīng)濾波器通過(guò)信號(hào)的變化,利用設(shè)定的算法自動(dòng)調(diào)節(jié)濾波器的參數(shù),從而獲得最優(yōu)的濾波效果。

        2.1 自適應(yīng)濾波技術(shù)

        自適應(yīng)濾波器通過(guò)預(yù)設(shè)的某一準(zhǔn)則自動(dòng)調(diào)整濾波器抽頭參量以達(dá)到最優(yōu)濾波效果,其原理如圖3所示。從圖3可知,自適應(yīng)濾波器由自適應(yīng)算法單元和系數(shù)可調(diào)數(shù)字濾波器單元組成,其中x(n)為輸入向量,y(n)為輸出向量,w(n)為抽頭系數(shù),可以通過(guò)設(shè)定的自適應(yīng)算法,得到最優(yōu)的值,d(n)為期望向量,e(n)為誤差向量。

        由此可得,濾波器的輸出向量為

        式中:N表示濾波器長(zhǎng)度;e(n)=d(n)-y(n)。

        由于具備自適應(yīng)調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì),因此自適應(yīng)濾波器被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代數(shù)字通信領(lǐng)域,是ICS同頻直放站的關(guān)鍵技術(shù)之一,衡量ICS同頻直放站濾波性能的指標(biāo)主要有如下幾點(diǎn)。

        (1)收斂速度。主要由抽頭系數(shù)w(n)從原始值w(0)到最優(yōu)值的迭代次數(shù),即自適應(yīng)算法的快慢程度決定。

        (2)穩(wěn)態(tài)誤差。指濾波器參數(shù)經(jīng)過(guò)多次的迭代運(yùn)算后趨向穩(wěn)定,此時(shí)的實(shí)際參數(shù)與最優(yōu)參數(shù)之間的偏差稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)誤差。

        (3)計(jì)算復(fù)雜度。即算法實(shí)施的難易程度,需要的硬件資源要求高低,復(fù)雜度低的算法,占用的現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列(Field Programmble Gate Array,F(xiàn)PGA)資源就少,處理速度也較快,反之需要占用的硬件資源多,對(duì)處理器要求高,實(shí)施難度大。

        2.2 自適應(yīng)干擾消除算法

        自適應(yīng)干擾消除算法已經(jīng)成為現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)中最重要的濾波算法之一,經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)和完善,已經(jīng)形成了以最小均方算法(Least Mean Square,LMS)、變步長(zhǎng)LMS、歸一化最小均方算法(Normdized Least Mean Square,NLMS)以及塊最小均方算法(Block Least Mean Square,BLMS)等為代表的經(jīng)典算法[6,7]。

        LMS算法是一種隨機(jī)梯度算法,采用局部濾波方式,不需要復(fù)雜的矩陣求逆運(yùn)算,整個(gè)過(guò)程包括濾波和自適應(yīng)2個(gè)環(huán)節(jié)。首先輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波后得到初次輸出信號(hào),然后和期望信號(hào)比較得出差值,再通過(guò)自適應(yīng)濾波器來(lái)修正其特性參數(shù),使得誤差值越來(lái)越小,直到輸出信號(hào)無(wú)限接近期望值。LMS算法步長(zhǎng)參數(shù)是固定的,其收斂速度始終不變,但是在算法初期需要濾波器對(duì)參數(shù)做出快速調(diào)整,此時(shí)希望步長(zhǎng)參數(shù)較大以達(dá)到快速收斂由此衍生出變步長(zhǎng)LMS算法,其解決了收斂速度和失調(diào)量之間的不平衡矛盾。NLMS算法本質(zhì)上也屬于變步長(zhǎng)LMS算法,結(jié)構(gòu)與其類(lèi)似,但性能有所提升,應(yīng)用也較為廣泛。

        上述幾種算法都是逐點(diǎn)進(jìn)行迭代更新,也就是逐點(diǎn)迭代算法,而B(niǎo)LMS是以塊為最小處理單元,具體是濾波器接收到多個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)后再通過(guò)自適應(yīng)算法修正濾波器參數(shù),可以當(dāng)作是對(duì)多個(gè)信號(hào)數(shù)據(jù)取平均值,這樣算法更加精準(zhǔn),同時(shí)處理的數(shù)據(jù)量也更少,但缺點(diǎn)是在收斂范圍后期收斂速度會(huì)適當(dāng)下降。

        LMS、NLMS和BLMS這3種自適應(yīng)干擾消除算法各有優(yōu)劣,對(duì)比結(jié)果如表1所示。

        表1 算法優(yōu)劣對(duì)比

        通過(guò)搭建仿真平臺(tái),對(duì)以上算法進(jìn)行多次MATLAB仿真,統(tǒng)計(jì)算法收斂速度和誤差值,并將結(jié)果繪制成圖4。從圖4中可知,BLMS前期收斂速度最快,LMS緊隨其后,最慢的是NLMS,但是最后的收斂結(jié)果,即誤差值基本一致,也就是這幾種算法在消除回波結(jié)果上都能達(dá)到較理想的效果。綜合考慮算法結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、運(yùn)算量、收斂速度及結(jié)果、軟硬件實(shí)現(xiàn)成本等,目前大多數(shù)的ICS同頻直放站采用的是LMS算法技術(shù)。

        3 回波信號(hào)預(yù)處理技術(shù)

        預(yù)處理技術(shù)是指在ICS無(wú)線(xiàn)直放站正常工作之前,需要對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行一系列的前期處理,目的是完成系統(tǒng)的初始化,使得自適應(yīng)濾波器將相關(guān)參數(shù)調(diào)整為最優(yōu)。目前ICS同頻直放站用到的預(yù)處理技術(shù)主要有回波信號(hào)延時(shí)估計(jì)和回波信道多徑位置估計(jì)2種。

        3.1 回波信號(hào)延時(shí)估計(jì)

        ICS同頻直放站收發(fā)天線(xiàn)之間的隔離度有限,導(dǎo)致發(fā)射天線(xiàn)發(fā)送出去的信號(hào)被接收端接受,形成回波干擾,利用回波信號(hào)延時(shí)技術(shù)估計(jì)出虛擬的回波信號(hào),然后與實(shí)際的回波信號(hào)在時(shí)域上能夠精準(zhǔn)對(duì)其抵消[8]。針對(duì)回波信號(hào)延時(shí)估計(jì)的誤差進(jìn)行系統(tǒng)仿真,得出了相關(guān)的性能損失值,結(jié)果如表2所示。

        表2 回波信號(hào)延時(shí)估計(jì)誤差性能損失仿真值

        在表2中,均方誤差(Mean Square Error,MSE)定義為回波信號(hào)估計(jì)值與實(shí)際值相抵消后的均方誤差,計(jì)算方法為

        式中:t[n]為估計(jì)的回波信號(hào);d[n]為實(shí)際回波信號(hào);E[?] 為期望運(yùn)算;為求模運(yùn)算。從結(jié)果中可以看出隨著回波信號(hào)延時(shí)和實(shí)際信號(hào)延時(shí)偏差的增大,均方誤差上升明顯。因此,提高回波信號(hào)延時(shí)估計(jì)的精準(zhǔn)度,對(duì)ICS同頻直放站回波干擾能力提升至關(guān)重要。

        3.2 回波信道多徑位置估計(jì)

        回波信道多徑位置估計(jì)技術(shù)通過(guò)預(yù)測(cè)各個(gè)回波的路徑,從而估計(jì)回波信道路徑延時(shí)。目前大多數(shù)ICS同頻直放站采用的是中頻數(shù)字信號(hào)處理方案,使用自適應(yīng)濾波技術(shù)來(lái)抑制耦合回波[9]。自適應(yīng)濾波器有有限脈沖響應(yīng)濾波器(Finite Impluse Response,F(xiàn)IR)和無(wú)限脈沖響應(yīng)濾波器(Infinite Impulse Response,IIR)這2種實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu),F(xiàn)IR最大的優(yōu)勢(shì)是不存在反饋回路,所以穩(wěn)定性很強(qiáng),而且容易實(shí)現(xiàn),是ICS同頻直放站常用的結(jié)構(gòu)。

        在FPGA等硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)FIR自適應(yīng)濾波功能時(shí),如果遇到部分沖激系數(shù)為0的情況,則會(huì)出現(xiàn)同樣數(shù)量乘數(shù)為0的乘加單元,占用較多硬件資源。若能大致估計(jì)出耦合回波信道中沖激響應(yīng)系數(shù)為0的路徑位置,則可以只用延時(shí)單元就能完成0系數(shù)處耦合回波的濾波處理,避免硬件資源的浪費(fèi)。由此可見(jiàn),耦合回波信道多徑位置估計(jì)技術(shù)能夠減少系統(tǒng)硬件資源的使用,從而節(jié)約制造成本,有利于ICS同頻直放站的大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。

        4 結(jié) 論

        同頻直放站結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)小巧,作為基站信號(hào)的延伸裝置,已經(jīng)廣泛應(yīng)用在基站信號(hào)薄弱的地方。但是同頻直放站的回波干擾是不可避免的,文章首先分析了同頻直放站的結(jié)構(gòu)和回波干擾產(chǎn)生的機(jī)理,其次研究自適應(yīng)濾波技術(shù)和算法對(duì)消除回波干擾的作用效果,最后從回波信號(hào)延時(shí)估計(jì)和回波信道多徑位置估計(jì)兩個(gè)方面闡述回波信號(hào)預(yù)處理技術(shù)在同頻直放站中的應(yīng)用。

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