ICS同頻直放站回波干擾消除技術(shù)研究

蔡勇超

（南方電網(wǎng)廣東佛山供電局，廣東 佛山 528000）

0 引 言

直放站是一種對無線信號進行增強及轉(zhuǎn)發(fā)的設(shè)備，能夠?qū)⑿盘栄由斓交靖采w不到或信號很弱的地方，由于無須像基站一樣進行選址和建設(shè)，且沒有復雜的信號和數(shù)據(jù)處理過程，使得直放站使用成本比基站大幅降低，是解決弱信號區(qū)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋難題的最經(jīng)濟手段[1,2]。

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

為了抑制耦合回波，常見的解決方案是提高收發(fā)天線之間的隔離度，具體措施有增大收發(fā)天線之間的距離、使用定向天線和采用自適應(yīng)濾波技術(shù)來消除耦合回波[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預處理技術(shù)2個方面驗證其對耦合回波的抑制效果。

1 同頻直放站簡介

同頻直放站具有價格低廉、結(jié)構(gòu)簡單、無需安裝、工作狀態(tài)可靈活配置等優(yōu)點，在移動通信領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，作為基站信號的延伸覆蓋補充。

1.1 干擾成因

同頻直放站收發(fā)信號頻率相同，因此收發(fā)之間必須有效隔離。但是隨著設(shè)備集成化程度越來越高，再加上大眾對外觀小型化和美觀化的追求，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、輸出信號質(zhì)量變差等問題。

同頻直放站回波干擾形成原因如圖1所示。接收天線接收到基站發(fā)射的微弱信號后進行同頻放大，然后由發(fā)射天線發(fā)送出去，這樣收發(fā)天線之間就存在反饋通路。若是反饋信號，即回波干擾信號強度大于基站下行信號，則回波干擾信號會被不斷放大轉(zhuǎn)發(fā)，造成信噪比下降，嚴重情況下甚至引起系統(tǒng)自激。由于回波干擾信號和實際有用信號是同頻的，因此無法使用傳統(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，對反饋回波進行濾波處理，即為ICS同頻直放站，其內(nèi)部架構(gòu)如圖2所示。信號經(jīng)接收天線進入雙工器，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)過低噪聲放大器（Low Noise Amplifer，LNA），再進行混頻處理將信號轉(zhuǎn)換為中頻信號，最后經(jīng)中頻濾波和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（Digital-to-Analog Converter，DAC）采樣后進入數(shù)字信號處理單元，對信號做回波消除、數(shù)字濾波等處理[5]。反之，信號經(jīng)過模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）轉(zhuǎn)換為模擬信號，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)天線發(fā)射出去。

1.3 ICS同頻直放站優(yōu)點

ICS同頻直放站在傳統(tǒng)模擬直放站的基礎(chǔ)上引入數(shù)字信號處理單元，通過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個方面的優(yōu)勢。

（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還能利用載波選頻手段將有用頻段外的信號通過濾波器濾除，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)，通過跟蹤和反饋回波信號，生成回波鏡像，從而在數(shù)字域進行抵消，這樣可以大幅提高直放站的隔離度，使得收發(fā)天線的安裝變得簡單，有效降低工程項目成本。

（3）在天線隔離度不變的情況下，通過加入回波干擾算法，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數(shù)字模塊的自適應(yīng)濾波技術(shù)和硬件隔離來抵消回波干擾，從而提高直放站的系統(tǒng)增益。自適應(yīng)濾波器通過信號的變化，利用設(shè)定的算法自動調(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)濾波器通過預設(shè)的某一準則自動調(diào)整濾波器抽頭參量以達到最優(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表示濾波器長度；e(n)=d(n)-y(n)。

由于具備自適應(yīng)調(diào)節(jié)的優(yōu)勢，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主要有如下幾點。

（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)過多次的迭代運算后趨向穩(wěn)定，此時的實際參數(shù)與最優(yōu)參數(shù)之間的偏差稱為穩(wěn)態(tài)誤差。

（3）計算復雜度。即算法實施的難易程度，需要的硬件資源要求高低，復雜度低的算法，占用的現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（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，對處理器要求高，實施難度大。

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)代信號處理技術(shù)中最重要的濾波算法之一，經(jīng)過不斷的改進和完善，已經(jīng)形成了以最小均方算法（Least Mean Square，LMS）、變步長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算法是一種隨機梯度算法，采用局部濾波方式，不需要復雜的矩陣求逆運算，整個過程包括濾波和自適應(yīng)2個環(huán)節(jié)。首先輸入信號經(jīng)過濾波后得到初次輸出信號，然后和期望信號比較得出差值，再通過自適應(yīng)濾波器來修正其特性參數(shù)，使得誤差值越來越小，直到輸出信號無限接近期望值。LMS算法步長參數(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參數(shù)做出快速調(diào)整，此時希望步長參數(shù)較大以達到快速收斂由此衍生出變步長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LMS算法，結(jié)構(gòu)與其類似，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進行迭代更新，也就是逐點迭代算法，而BLMS是以塊為最小處理單元，具體是濾波器接收到多個信號數(shù)據(jù)后再通過自適應(yīng)算法修正濾波器參數(shù)，可以當作是對多個信號數(shù)據(jù)取平均值，這樣算法更加精準，同時處理的數(shù)據(jù)量也更少，但缺點是在收斂范圍后期收斂速度會適當下降。

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

表1 算法優(yōu)劣對比

通過搭建仿真平臺，對以上算法進行多次MATLAB仿真，統(tǒng)計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)果上都能達到較理想的效果。綜合考慮算法結(jié)構(gòu)復雜度、運算量、收斂速度及結(jié)果、軟硬件實現(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 回波信號預處理技術(shù)

預處理技術(shù)是指在ICS無線直放站正常工作之前，需要對回波信號進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處理技術(shù)主要有回波信號延時估計和回波信道多徑位置估計2種。

3.1 回波信號延時估計

ICS同頻直放站收發(fā)天線之間的隔離度有限，導致發(fā)射天線發(fā)送出去的信號被接收端接受，形成回波干擾，利用回波信號延時技術(shù)估計出虛擬的回波信號，然后與實際的回波信號在時域上能夠精準對其抵消[8]。針對回波信號延時估計的誤差進行系統(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 回波信號延時估計誤差性能損失仿真值

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

式中：t[n]為估計的回波信號；d[n]為實際回波信號；E[?] 為期望運算；為求模運算。從結(jié)果中可以看出隨著回波信號延時和實際信號延時偏差的增大，均方誤差上升明顯。因此，提高回波信號延時估計的精準度，對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

回波信道多徑位置估計技術(shù)通過預測各個回波的路徑，從而估計回波信道路徑延時。目前大多數(shù)ICS同頻直放站采用的是中頻數(shù)字信號處理方案，使用自適應(yīng)濾波技術(shù)來抑制耦合回波[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）和無限脈沖響應(yīng)濾波器（Infinite Impulse Response，IIR）這2種實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，F(xiàn)IR最大的優(yōu)勢是不存在反饋回路，所以穩(wěn)定性很強，而且容易實現(xiàn)，是ICS同頻直放站常用的結(jié)構(gòu)。

在FPGA等硬件平臺實現(xiàn)FIR自適應(yīng)濾波功能時，如果遇到部分沖激系數(shù)為0的情況，則會出現(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。由此可見，耦合回波信道多徑位置估計技術(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)簡單、設(shè)計小巧，作為基站信號的延伸裝置，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在基站信號薄弱的地方。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)生的機理，其次研究自適應(yīng)濾波技術(shù)和算法對消除回波干擾的作用效果，最后從回波信號延時估計和回波信道多徑位置估計兩個方面闡述回波信號預處理技術(shù)在同頻直放站中的應(yīng)用。