单天线全双工通信系统的自干扰数字消除研究.pdf
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1、Microcomputer Applications Vol.39,No.10,2023文章编号:10 0 7-7 57 X(2 0 2 3)10-0 0 10-0 4基金项目单天线全双工通信系统的自干扰数字消除研究微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第10 期云泽雨(交通运输部北海航海保障中心天津通信中心,天津30 0 451)摘要:为了消除双全工通信系统的非线性对自干扰信号的影响,设计具有直接转换结构的单天线全双工通信系统的自干扰数字消除模型。综合考虑收发机射频(RF)硬件的非线性、同相/正交(IQ)不平衡、相位噪声效应和接收机噪声系数的影响因素,在分析发射机和接收机自干扰特征的基础上,
2、提出适用于接收机链RF和基带(BB)非线性的自干扰数字消除方法。利用正交三角(QR)分解法对设计矩阵进行正交化,减少了估计误差和消除误差。通过波形仿真结果表明:与现有方法相比,所提出的方法不仅具有较好的数字消除效果,而且消除效果不受发射功率的影响。关键词:全双工;单天线;通信系统;自干扰;数字消除中图分类号:TN914.3;T N912.3文献标志码:AResearch on Self-interference Digital Eliminationof Single Antenna Full Duplex Communication SystemYUN Zeyu(Tianjin Commun
3、ication Center,Beihai Navigation Support Center,Ministry of Transport,Tianjin 300451,China)Abstract:In order to eliminate the influence of nonlinearity of dual full-service communication system on self-interference sig-nal,a self-interference digital elimination model of single antenna full duplex c
4、ommunication system with direct conversionstructure is designed.Considering the nonlinearity of transceiver RF hardware,in-phase/quadrature(IQ)imbalance,phasenoise effect and the influencing factors of receiver noise coefficient,and based on the analysis of the self-interference character-istics of
5、transmitter and receiver,a self-interference digital elimination method which is suitable for the nonlinearity of receiverchain RF and baseband(BB)is proposed.The orthogonal triangle(QR)decomposition method is used to orthogonalize the de-sign matrix,which reduces the estimation error and eliminatio
6、n error.The waveform simulation results show that comparedwith the existing methods,this method not only has better digital elimination effect,but also the elimination effect is not affect-ed by the transmission power.Key words:full duplex;single antenna;communication system;self-interference;digita
7、l elimination收机的RF和基带(BB)非线性对自干扰信号产生更大的0引言影响。全双工技术作为实现更高频谱效率的新兴技术,与传统本文在综合分析发射机和接收机同相/正交(IQ)不平的双向半双工相比,不仅提升了频谱利用率,而且吞吐量也衡、收发机硬件中的非线性失真、接收机噪声系数以及同相/可提高两倍1。由于全双工系统的发射机和接收机采用相正交(IQ)混频器的相位噪声效应的基础上,设计具有直接转同的频率,因此,从发射到接收过程中不可避免地对系统有换结构的单天线全双工通信系统的自干扰数字消除模型。自干扰影响。通常,自干扰抑制技术可以分为3类:传播域重点分析发射机和接收机自干扰特征,提出适用于接
8、收机链隔离2 、射频(RF)域抑制3 和数字域消除4。传播域隔离路RF和BB非线性的自干扰数字消除方法,采用正交三角采用天线方向性、路径损耗、交叉极化和电平衡隔离器的组(QR)分解法对设计矩阵进行正交化,从而减少数字消除误合来实现。RF域抑制则通过从接收机输入中减去传输信号差。通过波形模拟展示接收机RF和BB二阶和三阶非线性的处理副本来实现。数字域消除则通过数字滤波器将已知对RF消除剩余自干扰的影响。传输数据作为检测器的输入进行自干扰抑制。文献5分析1全双工收发机模型及自干扰特性了发射机和接收机功率放大器(PA)的非线性影响。文献6验证了当发射机和接收机使用两种不同的振荡器时相位噪声是阻碍自干
9、扰消除的关键因素。单天线全双工系统可实现50 6 0 dB的数字消除,有限的RF消除会导致接基金项目:交通运输部重点研发项目(2 0 2 1-MSI-046)作者简介:云泽雨(196 9一),男,本科,高级工程师,研究方向为无线电通信技术、航海航标技术。1.1全双工收发机模型本文设计的具有直接转换结构的单天线全双工收发机详细框图见图1。其中,PA为功率放大器,VGA为可变增10.Microcomputer Applications Vol.39,No.10,2023益放大器,IQ混频器为同相/正交混频器,BBA为宽带脉冲放大器,LPF为低通滤波器,BPF为带通滤波器,LNA为低噪声放大器,AD
10、C为模拟数字转换器,DAC为数字模拟转换器,n为线性自干扰信号,(t)为DAC输出端的数字信XPA()线dl)循环器RF消除图(t)LNA(BPFLNA图1单天线全双工收发机模型1.1发射机的自干扰号的多径信道响应,则接收机输人端的数字信号为在传输链路中,干扰主要来自IQ混频器和功率放大器r(t)=h,(t)*(aio(t)+d(t)+m(t)等RF前端硬件。当信号经过DAC后,转换后的(t)将同pe(1.3)其中,相(I)信号分量和正交(Q)信号分量通过LPF来抑制混叠干hp(t)=pA.pKGA(RF(t)*f(t)heh(t)扰。I信号和Q信号发送至IQ混频器用于上变频到载波频其中,d(
11、t)和nh(t)分别为接收机的期望信号和热噪声。率。在IQ混频器中,IQ不平衡对信号产生相位噪声。假设1.2接收机的自干扰YT和入Tx分别为线性和非线性信号分量的复增益,则RF信数字信号 r(t)经过 LNA放大后,同样使用 Hammer-号的上变频为stein模型对LNA非线性响应进行建模,本文只考虑接收机io(t)=z(t)ej(a,+0r)+z(t)e-(ag+0r)(1)其中,(t)=T(t)+入Tr(t)其中,wc为RF信号的角中心频率,0 T为随机相位噪声过程,(一)为复共轭。在信号传输前,上变频信号经过VGA和PA将信号的传输功率放大来满足通信传输要求。由于接收机的LPF会将RF
12、的偶数功率谐波截断,因此,PA只考虑奇数阶非线性项。假设VGA增益为vGA,则基于Hammerstein非线性建模的PA非线性响应为apA(t)=(,iNA.(BvGAaia(t)*f()pE(1.3)其中,p为非线性阶数,f(t)为记忆多项式,为线性卷积。pA.1为线性增益,pA.3为三阶非线性失真增益。由于PA输出的三阶失真的非线性最强,因此,本文只考虑三阶失真,将非线性失真增益定义为c.,=7Bc.1(Pn)-T其中,c.i为线性增益,n为任意组合C=(PA,LNA,BB)的非线性阶数。在单天线系统中,从PA输出的pA(t)通过循环器传送到天线,发射机输出的数字信号将部分反射回接收机前端
13、,假设RF(t)和 heh(t)分别是RF消除的脉冲响应和自干扰信基金项目号,iQ(t)为RF信号的上变频,pA(t)为PA非线性响应信号,d(t)为接收机的期望信号,r(t)为接收机输人端的数字信号,rLNA(t)为LNA的输出信号,riQ(t)为下变频信号,yLn为ADC输出端的数字信号。1发射机:PAVGA-天XPA()微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第10 期IQ混频器BBAXo(t)振荡器IQ混频器LPF硬件对期望信号和噪声的线性运算,则LNA的输出信号为(2)TLNA()PLNA(PE(1.3)其中,c(t)=LNA.1(d(t)+mh(t)+nLNA(t)其中,nLNA(t
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