同頻數字直放站回波干擾消除器的設計

李學易 ，郝祿國，楊建坡，馬紹軒

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

1 引言

在無線通信網絡中，直放站價格低廉，組網部署迅速方便，可消除網絡覆蓋盲點，延伸擴大基站覆蓋范圍，在網絡優化等方面占有巨大優勢[1]，因而得到了廣泛應用。但同頻直放站在工程應用中存在著轉發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提高收發天線之間的隔離度來解決回波干擾，但這種方法受安裝條件及環境的影響很大，難以將隔離度提高到令人滿意的程度。特別是DVB地面數字電視和CMMB手機電視網絡，工作頻率一般為幾百兆赫茲，回波干擾現象十分明顯，僅靠物理方法很難使隔離度達到要求，被迫以犧牲直放站的增益和發射功率為代價來避免自激的出現。為了有效解決直放站回波干擾問題，須采用數字回波消除方法[2-4]。筆者基于實際產品化需求，提出了同頻數字直放站回波消除的詳細方案，設計了消除器的硬件實現，對整合后回波消除模塊的數字直放站系統進行性能測試。

2 基于PN序列的自適應回波消除方案

2.1 回波消除直放站系統模型

同頻直放站中回波消除系統參考模型如圖1所示，接收天線接收到的信號包括從施主天線來的有用信號和轉發天線通過外部空間反饋到接收天線的回波干擾信號，兩者混合在一起，經低噪聲的小信號射頻放大器放大，然后再經數字下變頻、數字化，將混合基帶信號輸入自適應回波消除器，濾除回波干擾信號，得到消除回波后的輸出基帶信號，疊加PN序列后再經數字上變頻、數模轉換、功率放大器后送入發送天線。

回波消除器的核心模塊包括反饋信道自適應模擬器和回波自適應估計器。反饋信道模擬器主要完成對反饋信道參數的估計，然后將信道參數傳給回波自適應估計器，利用輸出的基帶信號估計回波信號，再在輸入的混合基帶信號中減去回波信號，得到消除回波后的輸出基帶信號。

2.2 自適應回波消除工作原理

為了研究問題方便，將低噪聲小信號放大器、A/D轉換和下變頻、上變頻和D/A轉換、高頻功率放大器及反饋信道簡化作為反饋回波信道，簡化后的直放站回波消除系統模型如圖2所示。

直放站外部轉發天線到施主天線間回波反饋信道沖激響應為

其中，L是信道階數，回波反饋信道輸入信息序列s（n）取自有限符號集，且均值為零，方差 E[s2（n）]=。 在 s（n）上疊加一偽隨機的 PN 序列 p（n），構成發送序列 x（n）=s（n）+p（n），PN序列與信息序列不相關。經過外部多徑信道后，在接收端得到

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

從而接收信號與估計器輸出之間的誤差為

回波消除器的輸入信號由兩部分組成：一是基站傳來的需放大轉發的源信號s′（n）；二是反饋信道的輸出，即回波信號HTX，回波估計器的輸入信號為x（n），輸出為對反饋回波信號的估計WTX。回波消除器的輸出

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，回波消除器的輸出即為基站來的源信號s′（n）和噪聲之和，不再有回波信號。

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

3 回波消除器的FPGA設計

本設計采用FPGA來實現回波消除功能，圖3為回波消除模塊接口示意圖。在FPGA系統中，系統主時鐘為122.88 MHz，本模塊的主時鐘也設定為122.88 MHz，在回波消除模塊內部，會有其他速率的數據存在，但它們都被設計為122.88 MHz的約數，便于同步。另外，基帶I，Q兩路數據速率設計為1.44 MHz。

圖4為回波消除模塊內部結構圖，各模塊主要功能簡要介紹如下：

1）減法模塊sub_block：其作用主要是將輸入數據（耦合信號）與估計的回波作減法運算。同時，該模塊還要負責各子模塊間的數據控制處理。

2）權系數更新模塊w_update：由減法模塊提供的估計誤差e（n）和PN生成器提供的PN序列會被送到權系數更新模塊w_update，進行權系數更新運算，以獲得自適應濾波器新的濾波系數，在本模塊設計中可采用乘法器復用方法，從而節約乘法器資源。

3）FIR濾波器：這里的FIR濾波器的參數來源于權系數更新模塊提供的時變權系數。

4）PN序列生成模塊PN_gena：生成偽隨機PN序列。

4 回波消除器系統性能測試

4.1 測試方案

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

根據直放站安裝的經驗要求以及理論設計原則，轉發天線到施主天線間信號的隔離度應該比增益大15 dB系統才不會產生自激[6-7]。外部回波反饋信道在測試中用一個衰減器來模擬，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部的回波消除器來完成，此時整個環路的隔離度比系統增益大15 dB即可。設回波消除器的回波信號消除度為I，直放站增益為G，測試時調整為50 dB，衰減器對信號的衰減為S，衰減大小可調，直放站不發生自激的條件是

如圖5所示，假設剛開始時將反饋信號從c處斷開，則進入直放站系統的只有從施主天線接收來的基站下行信號，從a處進入直放站，此時該信號功率記為Pa，通過回波消除器EC前后其大小、頻譜不應該有變化，通過直放站到b處時放大50 dB，再通過衰減器到c處，形成回波，此時功率記為Pc，大小為

從式（8）可看出，通過衰減S可以調節Pc大小。此時在c處和耦合器接通，回波和a處的施主天線信號合在一起，進入直放站，混合信號經過回波消除模塊處理后，施主天線信號不應受任何影響，而回波信號應該被消除，此時不發生自激，系統穩定工作；若回波信號沒被有效消除則系統會出現自激。可以用SignalTap工具在FPGA內部的回波消除模塊前后抽取數據進行分析判斷系統是否自激，要確保系統不能在自激狀態下測試。由式（7）、式（8）可得

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

4.2 測試結果分析

測試過程采用頻譜儀觀察回波信號的功率，用SignalTap在FPGA內部抽樣回波消除模塊前后的數據來分析系統是否自激。

1）測試中a處輸入的信號源是由施主天線接收的外界實際信號，頻譜如圖6所示，本方案測試時僅取950.07 MHz頻點信號進行測試，其瞬時功率為Pa=-60.96 dBm。

2）在c處與耦合器斷開，不疊加回波信號，利用SignalTap對回波消除模塊前后的信號進行采樣，數據頻譜如圖7、圖8所示。可以看出，當沒有疊加回波信號時，回波消除模塊對源信號不作任何處理。

3）將c處與耦合器接通，調節衰減器的衰減，在c處測試回波信號，頻譜如圖9所示（由于系統內的選頻濾波器的過濾，故所需頻率之外的信號被濾除）。950.07 MHz頻點處瞬時功率Pc=-54.61 dBm。SignalTap對回波消除模塊之前進行采樣的數據頻譜如圖10所示。可以看出，此時的回波較強，頻譜波動較大。SignalTap對經過回波消除模塊后的信號進行采樣的數據頻譜如圖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，恢復出施主天線接收的源信號，且系統沒發生自激。此時由式（9）可知，回波消除度為21.35 dB。

5 小結

文獻[5]中提及的回波消除方法依賴于具體的調制方式，而本文中基于PN序列的回波消除技術不依賴信號的具體調制方式，具有較廣的應用范圍，可適用于DVB-T，CMMB，GSM，CDMA等多種無線網絡中繼。測試時選取GSM信號，測試結果表明該技術完全滿足實際工程的指標需求，可有效抑制直放站的轉發天線到施主天線間的多徑回波，防止出現自激，改善直放站的功率增益，提高發射功率，繼續優化設計后還可以進一步提高回波消除度。

[1]SALEHIAN K，GUILLET M，CARSON B，et al.On-channel repeater for digital television broadcasting service[J].IEEE Trans.Broadcasting，2002，48（2）： 97-102.

[2]KARIM N，JOHN C，MAURICE B，et al.Performance of an echo canceller and channel estimator for on-channel repeaters in DVB-T/H networks[J].IEEE Trans.Broadcasting，2007，53（3）： 609-618.

[3]HONG J， SUH Y， CHOI J， et al.Echo canceller for on-channel repeaters in T-DMB system[C]//Proc.ICACT 2008,10th International Conference.Korea∶[s.n.]，2008：1735-1738.

[4]MILWESKI A.Periodic sequences with optimal properties for channel estimation and fast start-up equalization[J].IBM Journal of Research and Development，1983，27（5）：426-431.

[5]郝祿國，李學易，余嘉池，等.一種移動電視直放站回波抵消的實現方法[J].電視技術，2009，33（8）：4-6.

[6]孫戈，談建國，王云峰 等.無線同頻直放站天線隔離度分析及工程應用[J].無線電工程，2003，33（10）：37-39.

[7]張學工，丁天文.直放站建設中隔離度問題的幾點考慮[J].移動通信，2003，27（8）：77-80.