WCDMA直放站回波對(duì)消方案設(shè)計(jì)

華 強(qiáng)，夏哲雷，朱懷環(huán)，祝建英

(1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院信息工程學(xué)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(duì) WCDMA 網(wǎng)絡(luò)覆蓋延伸的一種優(yōu)選方案。它接收基站側(cè)的WCDMA信號(hào)，經(jīng)過(guò)帶通濾波、放大，再經(jīng)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(dá)到的覆蓋盲區(qū)或弱區(qū)。

自激問(wèn)題［3］一直是無(wú)線直放站應(yīng)用中的軟肋，由于收發(fā)信號(hào)屬于同頻信號(hào)，接收天線在接收基站側(cè)有用信號(hào)的同時(shí)，也會(huì)接收到發(fā)射天線發(fā)出的回波信號(hào)以及經(jīng)由山體等障礙物反射回來(lái)的多徑信號(hào)。要是收發(fā)天線之間的隔離度不夠，將會(huì)導(dǎo)致直放站自激，無(wú)法正常工作。

為解決自激問(wèn)題，傳統(tǒng)的無(wú)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(diào)整收發(fā)天線的朝向等物理方法，這就意味著架設(shè)耗時(shí)和安裝成本的提高。為此，本文研究的WCDMA直放站回波對(duì)消技術(shù)，利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，跟蹤信道特性，產(chǎn)生跟回波信號(hào)相同的抵消信號(hào)，在源頭上解決直放站的自激問(wèn)題。

1 回波對(duì)消的方案設(shè)計(jì)

以下行鏈路為例，帶回波對(duì)消功能的WCDMA直放站的原理圖如圖1所示。

射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)RF濾波、下變頻、AD轉(zhuǎn)換、基帶處理、DA轉(zhuǎn)換、濾波，經(jīng)過(guò)功放放大再由天線發(fā)射出去。其中關(guān)鍵的ICS模塊是在數(shù)字中頻FPGA與DSP中實(shí)現(xiàn)的。

圖1 帶回波抵消功能的無(wú)線WCDMA直放站原理框圖

1.1 信道初估計(jì)

發(fā)射偽隨即序列作為訓(xùn)練序列來(lái)對(duì)信道進(jìn)行初估計(jì)［4］。選取的偽隨機(jī)序列是由確定方法產(chǎn)生的，所以它的頻譜特性等是已知的。同時(shí)它還具有隨機(jī)序列的某些隨機(jī)特性，故廣泛應(yīng)用在擴(kuò)頻系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航中。它具有很強(qiáng)的自相關(guān)性，且與WCDMA信號(hào)不相關(guān)，對(duì)發(fā)射的訓(xùn)練序列經(jīng)過(guò)信道響應(yīng)后與本地序列做相關(guān)性運(yùn)算，很容易就能夠提取到相關(guān)峰，故可以粗略地得到信道的時(shí)延以及幅度信息，原理如圖2所示。采用的偽隨機(jī)序列為CAZAC碼。

圖2 信道初估計(jì)原理框圖

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

接收端接收到的信號(hào)Sr(n)為

將其與本地訓(xùn)練序列做相關(guān)性運(yùn)算并做頻域分析，因?yàn)樵撚?xùn)練序列與WCDMA信號(hào)不相關(guān)，故可簡(jiǎn)化為

作IFFT逆變換即可得到信道的沖激響應(yīng)函數(shù)

1.2 LMS自適應(yīng)跟蹤

由于真實(shí)信道的幅頻特性是時(shí)變的，因此需要對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，采用歸一化NLMS算法［5］來(lái)實(shí)現(xiàn)。上一步信道初估計(jì)得到的信道沖擊響應(yīng)可以作為自適應(yīng)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(yīng)濾波器輸出信號(hào)與期望信號(hào)之間的最小均方誤差作為判據(jù)。濾波器的輸出信號(hào)為

式中:X(n)= ［X0(n)，X1(n)，X2(n)，…，XL(n)］T代表輸入輸號(hào);W= ［W0，W1，W2，W3，…，WL］T代表自適應(yīng)濾波器的抽頭系數(shù)。誤差信號(hào)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(zhǎng)因子，定步長(zhǎng)算法因?yàn)槠湓谑諗克俣扰c穩(wěn)態(tài)誤差之間的固有矛盾，所以采用歸一化NLMS變步長(zhǎng)算法。抽頭系數(shù)的更新公式為

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

最后利用參考信號(hào)與經(jīng)過(guò)上述自適應(yīng)濾波器產(chǎn)生的抽頭系數(shù)共同作用產(chǎn)生逼近真實(shí)回波信號(hào)的對(duì)消信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)回波抵消的功能。

2 計(jì)算機(jī)仿真

通過(guò)MATLAB以及Simulink根據(jù)WCDMA標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生WCDMA信號(hào)［8］，模擬空間信道產(chǎn)生回波信號(hào)，并利用回波對(duì)消功能實(shí)現(xiàn)對(duì)消仿真。

原始信號(hào)經(jīng)過(guò)串并變換、擴(kuò)頻、加擾之后進(jìn)行脈沖成型調(diào)制得到WCDMA信號(hào)，利用Simulink進(jìn)行脈沖成型以及調(diào)制過(guò)程如圖3所示。

圖3 WCDMA信號(hào)脈沖成型及調(diào)制過(guò)程(截圖)

利用MATLAB產(chǎn)生回波信號(hào)，其幅度和時(shí)延信息由delay和信噪比SNR給出，信源為CAZAC碼元，經(jīng)過(guò)模擬的空間信道衰減，與本地的碼元做相關(guān)性運(yùn)算，估計(jì)出的信道響應(yīng)與給定的空間信道響應(yīng)，可以看出估計(jì)的信道比較接近真實(shí)信道，估計(jì)信道在底部的噪聲是由于回波信號(hào)中的噪聲引起的震蕩，也可知該信道初估計(jì)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(hào)導(dǎo)入到Simulink的模塊當(dāng)中，構(gòu)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(jì)結(jié)果如圖6所示，原始導(dǎo)入的WCDMA信號(hào)如圖7所示，經(jīng)過(guò)Simulink構(gòu)建NLMS回波對(duì)消模塊后得到的剩余信號(hào)仿真結(jié)果如圖8所示，收斂過(guò)程如圖9所示。

以上設(shè)計(jì)已在WCDMA直放站數(shù)字板FPGA硬件電路上編程實(shí)現(xiàn)并進(jìn)行了測(cè)試，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)搭建的測(cè)試平臺(tái)，開(kāi)啟ICS功能的直放站對(duì)隔離度的要求，能從標(biāo)準(zhǔn)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(yàn)證。

3 結(jié)論

針對(duì)WCDMA無(wú)線直放站同頻回波干擾問(wèn)題，根據(jù)WCDMA標(biāo)準(zhǔn)，利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種回波抵消的方案，通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方案的可行性，能夠大幅減小傳統(tǒng)無(wú)線直放站對(duì)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(kuò)大覆蓋范圍。

圖9 收斂曲線(截圖)

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