WCDMA直放站回波對消方案設計

華 強，夏哲雷，朱懷環(huán)，祝建英

(1.中國計量學院信息工程學院，浙江 杭州 310018;2.三維通信股份有限公司，浙江 杭州 310053)

WCDMA直放站［1－2］作為對 WCDMA 網絡覆蓋延伸的一種優(yōu)選方案。它接收基站側的WCDMA信號，經過帶通濾波、放大，再經由天線傳播發(fā)射出去，可以有效地覆蓋基站系統(tǒng)中不能達到的覆蓋盲區(qū)或弱區(qū)。

自激問題［3］一直是無線直放站應用中的軟肋，由于收發(fā)信號屬于同頻信號，接收天線在接收基站側有用信號的同時，也會接收到發(fā)射天線發(fā)出的回波信號以及經由山體等障礙物反射回來的多徑信號。要是收發(fā)天線之間的隔離度不夠，將會導致直放站自激，無法正常工作。

為解決自激問題，傳統(tǒng)的無線直放站一般采用提高收發(fā)天線的距離，采用高前后比的天線，精心調整收發(fā)天線的朝向等物理方法，這就意味著架設耗時和安裝成本的提高。為此，本文研究的WCDMA直放站回波對消技術，利用數(shù)字信號處理技術，跟蹤信道特性，產生跟回波信號相同的抵消信號，在源頭上解決直放站的自激問題。

1 回波對消的方案設計

以下行鏈路為例，帶回波對消功能的WCDMA直放站的原理圖如圖1所示。

射頻信號經過RF濾波、下變頻、AD轉換、基帶處理、DA轉換、濾波，經過功放放大再由天線發(fā)射出去。其中關鍵的ICS模塊是在數(shù)字中頻FPGA與DSP中實現(xiàn)的。

圖1 帶回波抵消功能的無線WCDMA直放站原理框圖

1.1 信道初估計

發(fā)射偽隨即序列作為訓練序列來對信道進行初估計［4］。選取的偽隨機序列是由確定方法產生的，所以它的頻譜特性等是已知的。同時它還具有隨機序列的某些隨機特性，故廣泛應用在擴頻系統(tǒng)和衛(wèi)星導航中。它具有很強的自相關性，且與WCDMA信號不相關，對發(fā)射的訓練序列經過信道響應后與本地序列做相關性運算，很容易就能夠提取到相關峰，故可以粗略地得到信道的時延以及幅度信息，原理如圖2所示。采用的偽隨機序列為CAZAC碼。

圖2 信道初估計原理框圖

圖2中，S(n)為原始信號;C(n)為信道的沖激響應;St(n)為發(fā)射信號;Se(n)為回波信號，則

接收端接收到的信號Sr(n)為

將其與本地訓練序列做相關性運算并做頻域分析，因為該訓練序列與WCDMA信號不相關，故可簡化為

作IFFT逆變換即可得到信道的沖激響應函數(shù)

1.2 LMS自適應跟蹤

由于真實信道的幅頻特性是時變的，因此需要對其進行實時跟蹤，采用歸一化NLMS算法［5］來實現(xiàn)。上一步信道初估計得到的信道沖擊響應可以作為自適應濾波的初始抽頭系數(shù)，以此加快LMS算法的收斂。

傳統(tǒng)的LMS算法［6－7］以自適應濾波器輸出信號與期望信號之間的最小均方誤差作為判據(jù)。濾波器的輸出信號為

式中:X(n)= ［X0(n)，X1(n)，X2(n)，…，XL(n)］T代表輸入輸號;W= ［W0，W1，W2，W3，…，WL］T代表自適應濾波器的抽頭系數(shù)。誤差信號為

根據(jù)最陡下降法得到的抽頭系數(shù)更新公式為

μ是LMS算法的步長因子，定步長算法因為其在收斂速度與穩(wěn)態(tài)誤差之間的固有矛盾，所以采用歸一化NLMS變步長算法。抽頭系數(shù)的更新公式為

利用誤差信號對算法的抽頭系數(shù)不停迭代，最終收斂達到接近最佳維納解，即接近真實的空間信道。

最后利用參考信號與經過上述自適應濾波器產生的抽頭系數(shù)共同作用產生逼近真實回波信號的對消信號，來實現(xiàn)回波抵消的功能。

2 計算機仿真

通過MATLAB以及Simulink根據(jù)WCDMA標準產生WCDMA信號［8］，模擬空間信道產生回波信號，并利用回波對消功能實現(xiàn)對消仿真。

原始信號經過串并變換、擴頻、加擾之后進行脈沖成型調制得到WCDMA信號，利用Simulink進行脈沖成型以及調制過程如圖3所示。

圖3 WCDMA信號脈沖成型及調制過程(截圖)

利用MATLAB產生回波信號，其幅度和時延信息由delay和信噪比SNR給出，信源為CAZAC碼元，經過模擬的空間信道衰減，與本地的碼元做相關性運算，估計出的信道響應與給定的空間信道響應，可以看出估計的信道比較接近真實信道，估計信道在底部的噪聲是由于回波信號中的噪聲引起的震蕩，也可知該信道初估計方法在信噪比較高的情況下有較好的效果。

將之前生成的WCDMA信號導入到Simulink的模塊當中，構建的回波抵消模塊如圖4所示，其中的核心LMS算法模塊如圖5所示。信道初估計結果如圖6所示，原始導入的WCDMA信號如圖7所示，經過Simulink構建NLMS回波對消模塊后得到的剩余信號仿真結果如圖8所示，收斂過程如圖9所示。

以上設計已在WCDMA直放站數(shù)字板FPGA硬件電路上編程實現(xiàn)并進行了測試，根據(jù)標準搭建的測試平臺，開啟ICS功能的直放站對隔離度的要求，能從標準要求的G+15 dB降低到G－20 dB，即隔離度改善了35 dB，其有效性得到了驗證。

3 結論

針對WCDMA無線直放站同頻回波干擾問題，根據(jù)WCDMA標準，利用數(shù)字信號處理技術，設計了一種回波抵消的方案，通過仿真驗證了該方案的可行性，能夠大幅減小傳統(tǒng)無線直放站對隔離度必須大于直放站增益15 dB以上的要求，同此可在相同隔離度的條件下提高直放站的增益，擴大覆蓋范圍。

圖9 收斂曲線(截圖)

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