同频数字直放站回波干扰消除器的设计

李学易 ，郝禄国，杨建坡，马绍轩

（1.广东工业大学 信息工程学院，广东 广州 510006；2.奥维通信股份有限公司研发中心，辽宁 沈阳 110179）

1 引言

在无线通信网络中，直放站价格低廉，组网部署迅速方便，可消除网络覆盖盲点，延伸扩大基站覆盖范围，在网络优化等方面占有巨大优势[1]，因而得到了广泛应用。但同频直放站在工程应用中存在着转发天线到施主天线之间的回波反馈干扰，形成自激，工程上采用物理方法来提高收发天线之间的隔离度来解决回波干扰，但这种方法受安装条件及环境的影响很大，难以将隔离度提高到令人满意的程度。特别是DVB地面数字电视和CMMB手机电视网络，工作频率一般为几百兆赫兹，回波干扰现象十分明显，仅靠物理方法很难使隔离度达到要求，被迫以牺牲直放站的增益和发射功率为代价来避免自激的出现。为了有效解决直放站回波干扰问题，须采用数字回波消除方法[2-4]。笔者基于实际产品化需求，提出了同频数字直放站回波消除的详细方案，设计了消除器的硬件实现，对整合后回波消除模块的数字直放站系统进行性能测试。

2 基于PN序列的自适应回波消除方案

2.1 回波消除直放站系统模型

同频直放站中回波消除系统参考模型如图1所示，接收天线接收到的信号包括从施主天线来的有用信号和转发天线通过外部空间反馈到接收天线的回波干扰信号，两者混合在一起，经低噪声的小信号射频放大器放大，然后再经数字下变频、数字化，将混合基带信号输入自适应回波消除器，滤除回波干扰信号，得到消除回波后的输出基带信号，叠加PN序列后再经数字上变频、数模转换、功率放大器后送入发送天线。

回波消除器的核心模块包括反馈信道自适应模拟器和回波自适应估计器。反馈信道模拟器主要完成对反馈信道参数的估计，然后将信道参数传给回波自适应估计器，利用输出的基带信号估计回波信号，再在输入的混合基带信号中减去回波信号，得到消除回波后的输出基带信号。

2.2 自适应回波消除工作原理

为了研究问题方便，将低噪声小信号放大器、A/D转换和下变频、上变频和D/A转换、高频功率放大器及反馈信道简化作为反馈回波信道，简化后的直放站回波消除系统模型如图2所示。

直放站外部转发天线到施主天线间回波反馈信道冲激响应为

其中，L是信道阶数，回波反馈信道输入信息序列s（n）取自有限符号集，且均值为零，方差 E[s2（n）]=。 在 s（n）上叠加一伪随机的 PN 序列 p（n），构成发送序列 x（n）=s（n）+p（n），PN序列与信息序列不相关。经过外部多径信道后，在接收端得到

令信道估计器的冲激响应为w（n），用已知PN序列作为估计器的输入，则输出信号b（n）为

从而接收信号与估计器输出之间的误差为

回波消除器的输入信号由两部分组成：一是基站传来的需放大转发的源信号s′（n）；二是反馈信道的输出，即回波信号HTX，回波估计器的输入信号为x（n），输出为对反馈回波信号的估计WTX。回波消除器的输出

其中，v（n）和PN序列p（n）可以一起看作是一新的高斯白噪声v′（n）。此时，回波消除器的输出即为基站来的源信号s′（n）和噪声之和，不再有回波信号。

上述回波消除算法与文献[5]所述算法不同，文献[5]中的算法只针对信号调制方式为OFDM的情况有效，而本文所述算法适用于各种调制方式的信号。

3 回波消除器的FPGA设计

本设计采用FPGA来实现回波消除功能，图3为回波消除模块接口示意图。在FPGA系统中，系统主时钟为122.88 MHz，本模块的主时钟也设定为122.88 MHz，在回波消除模块内部，会有其他速率的数据存在，但它们都被设计为122.88 MHz的约数，便于同步。另外，基带I，Q两路数据速率设计为1.44 MHz。

图4为回波消除模块内部结构图，各模块主要功能简要介绍如下：

1）减法模块sub_block：其作用主要是将输入数据（耦合信号）与估计的回波作减法运算。同时，该模块还要负责各子模块间的数据控制处理。

2）权系数更新模块w_update：由减法模块提供的估计误差e（n）和PN生成器提供的PN序列会被送到权系数更新模块w_update，进行权系数更新运算，以获得自适应滤波器新的滤波系数，在本模块设计中可采用乘法器复用方法，从而节约乘法器资源。

3）FIR滤波器：这里的FIR滤波器的参数来源于权系数更新模块提供的时变权系数。

4）PN序列生成模块PN_gena：生成伪随机PN序列。

4 回波消除器系统性能测试

4.1 测试方案

整合了回波消除模块的数字同频直放站回波消除性能测试方案，如图5所示。该测试方案直接用天线从外界接收基站信号，然后用耦合器与回波叠加，再输入数字直放站系统作回波消除处理。

根据直放站安装的经验要求以及理论设计原则，转发天线到施主天线间信号的隔离度应该比增益大15 dB系统才不会产生自激[6-7]。外部回波反馈信道在测试中用一个衰减器来模拟，衰减器的衰减表示外部隔离度的大小。而在直放站中加入回波消除器后，等效于将外部的一部分隔离功能移入直放站内部的回波消除器来完成，此时整个环路的隔离度比系统增益大15 dB即可。设回波消除器的回波信号消除度为I，直放站增益为G，测试时调整为50 dB，衰减器对信号的衰减为S，衰减大小可调，直放站不发生自激的条件是

如图5所示，假设刚开始时将反馈信号从c处断开，则进入直放站系统的只有从施主天线接收来的基站下行信号，从a处进入直放站，此时该信号功率记为Pa，通过回波消除器EC前后其大小、频谱不应该有变化，通过直放站到b处时放大50 dB，再通过衰减器到c处，形成回波，此时功率记为Pc，大小为

从式（8）可看出，通过衰减S可以调节Pc大小。此时在c处和耦合器接通，回波和a处的施主天线信号合在一起，进入直放站，混合信号经过回波消除模块处理后，施主天线信号不应受任何影响，而回波信号应该被消除，此时不发生自激，系统稳定工作；若回波信号没被有效消除则系统会出现自激。可以用SignalTap工具在FPGA内部的回波消除模块前后抽取数据进行分析判断系统是否自激，要确保系统不能在自激状态下测试。由式（7）、式（8）可得

从式（9）可看出，测试回波消除度I的大小，只需在系统不自激的情况下测Pa和Pc即可。

4.2 测试结果分析

测试过程采用频谱仪观察回波信号的功率，用SignalTap在FPGA内部抽样回波消除模块前后的数据来分析系统是否自激。

1）测试中a处输入的信号源是由施主天线接收的外界实际信号，频谱如图6所示，本方案测试时仅取950.07 MHz频点信号进行测试，其瞬时功率为Pa=-60.96 dBm。

2）在c处与耦合器断开，不叠加回波信号，利用SignalTap对回波消除模块前后的信号进行采样，数据频谱如图7、图8所示。可以看出，当没有叠加回波信号时，回波消除模块对源信号不作任何处理。

3）将c处与耦合器接通，调节衰减器的衰减，在c处测试回波信号，频谱如图9所示（由于系统内的选频滤波器的过滤，故所需频率之外的信号被滤除）。950.07 MHz频点处瞬时功率Pc=-54.61 dBm。SignalTap对回波消除模块之前进行采样的数据频谱如图10所示。可以看出，此时的回波较强，频谱波动较大。SignalTap对经过回波消除模块后的信号进行采样的数据频谱如图11所示，将该图与图7、图8比较，可看出回波消除模块将回波滤除，恢复出施主天线接收的源信号，且系统没发生自激。此时由式（9）可知，回波消除度为21.35 dB。

5 小结

文献[5]中提及的回波消除方法依赖于具体的调制方式，而本文中基于PN序列的回波消除技术不依赖信号的具体调制方式，具有较广的应用范围，可适用于DVB-T，CMMB，GSM，CDMA等多种无线网络中继。测试时选取GSM信号，测试结果表明该技术完全满足实际工程的指标需求，可有效抑制直放站的转发天线到施主天线间的多径回波，防止出现自激，改善直放站的功率增益，提高发射功率，继续优化设计后还可以进一步提高回波消除度。

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