基于改進小波閾值的物聯(lián)網(wǎng)無線通信自干擾抑制硬件設計

蓋昊宇，張 震，姚慶鋒，朱 煉

（安徽工商職業(yè)學院 應用工程學院，安徽 合肥 231131）

互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展帶動人們對通信需求逐步從單一化走向多樣化，但在物聯(lián)網(wǎng)無線通信時，由于上下行鏈路在相同的時間與頻率上，本地對外發(fā)送信號與接收到的信號存在頻譜重疊的現(xiàn)象，產(chǎn)生了自干擾［1］。所以，設計一種抑制硬件來解決無線通信中的自干擾是很有必要的。改進小波閾值可以去除通信干擾中相關(guān)數(shù)據(jù)的噪聲，設計基于改進小波閾值的物聯(lián)網(wǎng)無線通信自干擾抑制硬件，不光可以消除物聯(lián)網(wǎng)無線通信時數(shù)據(jù)產(chǎn)生的噪聲，還可以抑制通信時產(chǎn)生的通信干擾，提高無線網(wǎng)絡中的物聯(lián)網(wǎng)通信速度以及效率。國外最早在微軟研究院研究自干擾抑制，幾位學者采用全項發(fā)射天線的方式，并在FPGA 單信道的方式下設計自干擾抑制電路來解決無線通信自干擾的問題，并對802.11MAC 層協(xié)議的數(shù)據(jù)進行分組，提高了整個物聯(lián)網(wǎng)的吞吐量［2］。國內(nèi)則以高校學者為代表，針對相同時間、相同頻率工作的兩種設備，設計了自干擾抑制方法，同時在自干擾的消除方面申請了多個專利。但如今的大多數(shù)研究并沒有考慮算法量實現(xiàn)的困難，還無法在結(jié)構(gòu)中尋求成本與自干擾的抑制量之間的平衡，實際應用效果還不理想［3］。

1 自干擾抑制硬件設計

1.1 利用改進小波閾值信號去噪

利用改進小波閾值去噪時，選用物聯(lián)網(wǎng)無線通信中在同一頻域內(nèi)的信號進行計算，假設此時的觀測信號為

式中，s(t)為物聯(lián)網(wǎng)中的原始信號；n(t)表示物聯(lián)網(wǎng)無線通信中的信號噪聲［4］。

物聯(lián)網(wǎng)中的有用信息總表現(xiàn)為低頻或是平穩(wěn)的信號，但相對于噪聲整體來講還是高的，所以在利用改進小波閾值算法時，通過設定閾值對噪聲信號進行量化，噪聲信號的量化結(jié)果為

式（2）存在不連續(xù)性，物聯(lián)網(wǎng)無線通信重構(gòu)信號時會產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，為了解決這一問題，在式（2）的基礎(chǔ)上增加一個調(diào)節(jié)因子，改善恒定值存在偏差的問題，式（2）可變?yōu)?/p>

式中，a為調(diào)節(jié)因子。

利用小波在數(shù)學上的表示，對式（3）進行傅里葉變換，變換式如下所示：

式中，ψ(v)為小波母函數(shù)。

當調(diào)節(jié)因子出現(xiàn)連續(xù)的情況時，小波母函數(shù)會存在一個小波序列，序列如下所示：

式中，b為伸縮因子。

伸縮因子會貫穿信號傳輸?shù)恼麄€過程，此時的伸縮因子b和調(diào)節(jié)因子a在連續(xù)信號f(t)的作用下，進行內(nèi)積運算，運算式為

式中，w表示內(nèi)積系數(shù)；Tf為頻窗寬度。

在式（6）的變換中，當a變小時，ψa,b(t)縮短變窄，能夠在時間軸上觀察信號頻率較短的時間區(qū)間內(nèi)向高頻移動；當a變大時，ψa,b(t)伸展變寬，信號頻率在較短的時間區(qū)間內(nèi)向低頻偏移，最終完成物聯(lián)網(wǎng)無線通信信號的去噪。對信號去噪處理后，設計射頻模擬消除架構(gòu)，消除去噪后的無線通信信號的自干擾現(xiàn)象［5］。

1.2 搭建射頻模擬消除電路

設計射頻模擬消除電路時，考慮到去噪后的信號的自干擾及靈敏度的問題，先將物聯(lián)網(wǎng)中的發(fā)射信號通過輸入端Port1 接到緊耦合器，此時的耦合線緊耦合器消除架構(gòu)如圖1所示。

圖1 耦合線緊耦合器消除架構(gòu)

圖1 中，物聯(lián)網(wǎng)無線通信中的信號能量分為3部分，其中標號2 的信號能量通過直通端Port2 的天線發(fā)射出去，標號1 的信號能量會經(jīng)緊耦合器的耦合作用進入耦合端Port3，此時的Port3 端會調(diào)節(jié)反射系數(shù)并轉(zhuǎn)送部分能量到Port4中。將因端口與天線不匹配而導致的信號能量泄漏阻斷，這部分阻斷的能量記為標號5［6］。為了將各部分能量幅度統(tǒng)一，調(diào)節(jié)緊耦合器耦合端的匹配網(wǎng)，控制耦合器的反射系數(shù)。此時，耦合端反射到隔離端的能量相位相反，并在隔離端口疊加，達到了初步自干擾相消的目的。

在實際物聯(lián)網(wǎng)無線通信中，收發(fā)系統(tǒng)的自干擾信號是時刻變化的，這就要求圖1 所示的消除架構(gòu)還應具有自適應調(diào)整的功能，也就是在架構(gòu)中設定一個自適應抵消部分，在此部分中巧妙設計移相器與數(shù)模轉(zhuǎn)換器，保證消除效果。設計的自適應抵消部分如圖2所示。

圖2 自適應抵消

圖2 中，物聯(lián)網(wǎng)無線通信時產(chǎn)生的自干擾信號經(jīng)過第一級單天線消除后進入到合路器，此時的檢波器2 和檢波器3 承擔檢測抵消信號和功率的作用，檢波器2 檢測到的電壓值輸入到單片機中，單片機會將模擬域中的電壓值變換為數(shù)字信號，并對信號輸出過程中的衰減量進行控制［7-8］。此時，合路器中的剩余自干擾信號與物聯(lián)網(wǎng)發(fā)射通道耦合的抵消信號幅值一致［9］。因此，為進一步提高自適應抵消效果，需要在單片機中設置一個固定的閾值，利用其對DA 輸出的模擬電壓值進行約束，實現(xiàn)對剩余自干擾信號的二次消除［10-11］。搭建射頻模擬消除電路，設計射頻自干擾抑制控制器，最終完成對物聯(lián)網(wǎng)無線通信自干擾抑制硬件的設計。

1.3 射頻自干擾抑制控制器設計

在設計射頻自干擾抑制控制器時，由于物聯(lián)網(wǎng)無線通信基站的帶內(nèi)波動在-2 dB～+2 dB 之間，所以控制器的電路以數(shù)控衰減器與移相器為中心，用來產(chǎn)生小的非線性信號，簡化電路結(jié)構(gòu)和電路板結(jié)構(gòu)［12-13］。物聯(lián)網(wǎng)無線通信接收信號在整個無線網(wǎng)收發(fā)過程中主要存在3 部分的強自干擾信號：發(fā)射信號經(jīng)環(huán)形器泄漏出的信號、收發(fā)器駐波反射回的信號及發(fā)射通道的發(fā)射信號。依照這3 部分的信號，設定控制器內(nèi)部電路的技術(shù)指標，如表1所示。

表1 控制器內(nèi)部電路的技術(shù)指標

基于表1，發(fā)射機輸入的發(fā)射信號通過耦合器和環(huán)形器后，對3 部分的自干擾重建信號，并經(jīng)過延時、調(diào)幅及調(diào)相進行信號重建，重建后形成的電路框圖，如圖3所示。

圖3 自干擾抑制控制器電路框圖

由圖3 所示的射頻干擾抵消電路共有兩個重建通道，兩發(fā)兩收結(jié)構(gòu)，將環(huán)形器與天線外接到圖3 所示的電路中［14］?？刂破魇瞻l(fā)通道與干擾重建通道的連接如圖4所示。

圖4 收發(fā)通道與干擾重建通道的連接

物聯(lián)網(wǎng)無線發(fā)射信號經(jīng)過環(huán)形器發(fā)送到天線，并耦合一部分的發(fā)射信號來重建反向信號，實現(xiàn)對自干擾信號的抑制，完成對自干擾抑制器的設計［15］。

2 抑制效果測試

2.1 實驗準備

實驗需要準備處理射頻信號的射頻板，處理基帶信號及部分協(xié)議的基帶板，連接讀寫器與上位機的接口板，連接成基帶自干擾抑制讀寫器硬件，實際的讀寫器連接如圖5所示。

圖5 讀寫器連接

參考圖5 所示的連接圖，搭建硬件測試平臺，使用多個功率合成器、環(huán)形器和衰減器，以FPGA標簽模擬器為核心，外接混頻器，搭建成的測試平臺如圖6所示。

由圖6 可知上位機使用含有相關(guān)程序的PC機，使用Xilinx zedborad 平臺開發(fā)板?；谏鲜鰧嶒灉蕚?，分別使用一種傳統(tǒng)的自干擾硬件以及文中設計的自干擾抑制硬件進行實驗，在兩種自干擾抑制硬件的作用下，對比物聯(lián)網(wǎng)無線通信時的干擾抑制量大小。

圖6 搭建的測試平臺

2.2 實驗結(jié)果分析

按照實驗準備的測試環(huán)境以及數(shù)字自干擾的重建方式，在半雙工的訓練模式下完成自干擾信道估計，并以全雙工的訓練模式下得到的自干擾信道狀態(tài)參數(shù)為基準，重建數(shù)字自干擾信號并進行數(shù)字自干擾抑制。選取示波器在數(shù)字干擾抑制干噪比范圍為-75 dB～-25 dB 的信號，最終得到兩種自干擾抑制的信號，如圖7所示。

圖7 示波器測量抑制硬件使用后的無線信號

假設兩種自干擾抑制硬件一直處于理想狀態(tài)下，計算得到兩種自干擾抑制硬件的抑制量結(jié)果，如表2所示。

表2 抑制量實驗結(jié)果

由表2 可知，在搭建的測試環(huán)境內(nèi)，分別使用兩種無線通信自干擾抑制硬件進行測試，選取數(shù)字干擾抑制干噪比范圍在-75 dB～-25 dB 范圍內(nèi)，兩種自干擾抑制硬件都有一定的抑制效果，但傳統(tǒng)自干擾抑制硬件相比于本文設計的自干抑制硬件整體的抑制量過小，隨著數(shù)字干擾抑制干噪比數(shù)值的減少，抑制效果不明顯。而本文設計的自干擾抑制硬件隨著數(shù)字干擾抑制干噪比數(shù)值的減少，其抑制量增大，抑制效果更明顯，自干擾抑制硬件的適用面更廣，適合在實際物聯(lián)網(wǎng)無線通信中使用。

3 結(jié)語

本文設計了基于改進小波閾值的物聯(lián)網(wǎng)無線通信自干擾抑制硬件。針對物聯(lián)網(wǎng)無線通信過程中收發(fā)天線間的自干擾效應，按照其特性設計了相關(guān)抑制控制器。實驗結(jié)果表明，設計的自干擾抑制硬件在相同數(shù)字干擾抑制干噪比范圍內(nèi)，本文設計的自相干抑制硬件抑制量更大，適合物聯(lián)網(wǎng)中實際使用。