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)無線信號(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，由于無須像基站一樣進(jìn)行選址和建設(shè)，且沒有復(fù)雜的信號(hào)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(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，其接收天線和發(fā)射天線之間不可避免的會(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(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 同頻直放站簡介

同頻直放站具有價(jià)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(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)備集成化程度越來越高，再加上大眾對(duì)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(hào)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(hào)后進(jìn)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(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(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)天線的安裝變得簡單，有效降低工程項(xiàng)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(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(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(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(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(hào)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(duì)參數(shù)做出快速調(diào)整，此時(shí)希望步長參數(shù)較大以達(dá)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(diǎn)進(jìn)行迭代更新，也就是逐點(diǎn)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(gè)信號(hào)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(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無線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)天線之間的隔離度有限，導(dǎo)致發(fā)射天線發(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(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，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。