CN103986482B - 一种基于自适应滤波的无源互调干扰抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全双工通信***中无源互调干扰抑制方法，尤其涉及一种基于自适应滤波的无源互调干扰抑制技术，属于无线通信信号处理技术领域，尤其属于全双工通信***技术领域。本发明建立了无源非线性器件的简化模型，旨在以数字信号处理的方法进行干扰抑制。自适应滤波算法作为一种有效且易于硬件实现的估计算法被采用，以实现无源互调干扰在中频信号上的对消。仿真结果表明，该发明能有效抑制无源互调干扰，实现一定的信干比增益。该方法简单，计算复杂度低，资源代价小，易于硬件实现；该方法性能稳定，***适应性强，实时性好；该方法可有效抑制无源互调干扰，实现较高的信干噪比增益。

Description

一种基于自适应滤波的无源互调干扰抑制方法

技术领域

本发明涉及一种全双工通信***中无源互调干扰抑制方法，尤其涉及一种基于自适应滤波的无源互调干扰抑制技术，属于无线通信信号处理技术领域，尤其属于全双工通信***技术领域。

背景技术

无源互调(PIM)是指由两个或两个以上频率成分经过无源器件非线性效应产生的一族产物，其频率为基波频率的线性组合。当线性组合产物落入通信接收机的通带内即形成干扰。无源互调广泛存在于通信***中，是难以完全消除的现象，最早在上世纪70年代就被发现。随着通信需求的提高，高功率和高灵敏度已成为发展方向。通信所需的天线尺寸越来越大，受平台限制被迫采用收发公用技术。在双工器隔离度低的天线收发共用通信***中，无源互调产物更易进入接收频带形成干扰，且无法通过频域滤波的方式将其滤除。以移动通信直放站为例，下行大功率发射信号的无源互调产物会落入上行接收频带内，对通信***造成影响。

通过频带规划和跳频图样设计即可减小窄带移动通信***中的无源互调干扰。而对于宽带移动通信***中仍存在无源互调干扰的问题。

2011年5月，爱立信公司申请名为“DynamicCancellationofPassiveIntermodulationInterference”的发明专利，提出PIM干扰对消的数字信号处理解决方案。该方法能够一定程度地对PIM干扰信号进行抵消，但是它最大的缺点是，需要周期性或者突发地中断通信，进行参数估计，对已经成熟的卫星通信体制适应性不强。

同年，在“IEEETRANSACTIONSONMICROWAVETHEORYANDTECHNIQUES”杂志上发表的名为“SuccessiveRegenerationandAdaptiveCancellationofHigherOrderIntermodulationProductsinRFReceivers”的论文中提到了一种模拟重建与数字信号结合的处理办法进行PIM对消。其基本思想是，通过对二阶互调及低阶奇数阶互调进行模拟，以估计高阶互调分量，进而估计各阶互调系数，进行干扰对消。该方法需要额外的硬件支持，并且其非线性特性与系数估计都存在较大不确定度，并不适合实际应用。

2008年VTC会议上发表的一篇名为“AStochasticGradientLMSAlgorithmfordigitalCompensationofTxLeakageinZero-IF-Receivers”中，详细地阐述了采用自适应滤波的方法进行PIM干扰的原理，并给出了性能优化曲线。但是其模型过于简化，且仅考虑了二阶互调。

发明内容

本发明的目的是解决全双工通信***的无源互调干扰问题，提出了一种基于自适应滤波的无源互调干扰抑制方法，在不增加额外硬件设备的前提下，自适应地实现无源互调干扰的实时快速抑制。

一种基于自适应滤波的无源互调干扰抑制方法，其实现步骤如下：

步骤1、利用发射信号特征，如载波数量、频点等信息，分析各阶PIM产物特性，如频率、带宽等。

步骤2、根据接收机确定PIM产物有效干扰分量，即计算落入接收频带内的PIM信号。

步骤3、利用大功率发射信号上变频前的中频或基带信号对PIM有效干扰分量的中频信号进行重建。

重建模型由无记忆非线性***与记忆线性***级联组成，分别对应互调过程和互调产物的延时传输与幅度耦合。记忆线性***一般选用横向滤波器，无记忆非线性***常选用幂级数模型。

步骤4、对接收端接收到的射频信号,进行下变频并采样，得到中频数字信号。

步骤5、将接收端的中频信号与重建后的PIM干扰信号分量输入自适应滤波器。根据自适应滤波原理，以约束最小输出能量为准则，获得滤波器抽头权值及各阶PIM产物权重的最优值。迭代过程可采用最小均方算法(LMS)或递归最小二乘算法(RLS)，自适应调节模型参数，实现实时快速的对消。无源互调干扰抑制方法原理如图1所示。此时，输出信号即为经过PIM干扰抑制之后的中频信号。

一种基于自适应滤波的无源互调干扰抑制方法，其特征在于实现步骤如下：

步骤1)利用发射信号特征，分析各阶PIM产物的特性；

步骤2)根据接收机确定步骤1)中PIM产物的有效干扰分量，即计算落入接收频带内的PIM信号；

步骤3)利用发射信号上变频前的中频或基带信号对PIM有效干扰中频信号分量进行重建；

重建模型由无记忆非线性***与记忆线性***级联组成，分别对应互调过程和互调产物的延时传输与幅度耦合；

步骤4)对接收端接收到的射频信号,进行下变频并采样，得到中频数字信号；

步骤5)将步骤4)得到的中频数字信号与步骤3)得到的重建后的PIM有效干扰中频信号分量输入自适应滤波器；根据自适应滤波原理，以约束最小输出能量为准则，获得滤波器抽头权值及各阶PIM产物权重的最优值，自适应滤波器能够自适应调节模型参数，实现实时快速的对消，对消之后输出信号即为经过PIM干扰抑制之后的中频信号。

有益效果

1.该方法简单，计算复杂度低，资源代价小，易于硬件实现；

2.该方法性能稳定，***适应性强，实时性好；

3.该方法可有效抑制无源互调干扰，实现较高的信干噪比增益。

4.本发明建立了无源非线性器件的简化模型，旨在以数字信号处理的方法进行干扰抑制。自适应滤波算法作为一种有效且易于硬件实现的估计算法被采用，以实现无源互调干扰在中频信号上的对消。仿真结果表明，该发明能有效抑制无源互调干扰，实现一定的信干比增益。

附图说明

图1是本发明的无源互调干扰抑制方法原理图；

图2是实施例中发射信号的射频功率谱密度，横坐标为归一化的数字信号频率，纵坐标为功率谱密度；

图3是实施例中由发射信号产生的PIM的射频功率谱密度，横坐标为归一化的数字信号频率，纵坐标为功率谱密度；

图4是实施例中的采用自适应滤波进行无源互调干扰抑制的示意图；

图5是实施例中对信干比为0dB的PIM干扰信号进行抑制的干扰对消前后时域对比图，横坐标为采样点序号，纵坐标为信号幅度；

图6是实施例中对低信噪比下(信噪比SNR＝-12dB)的PIM干扰信号进行抑制，得到误码率随干信比变化的仿真曲线图，横坐标为信干比，纵坐标为误码率。

具体实施方式

为了更好地说明本发明方法的目的和优点，下面结合实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例

以采用S波段的通信卫星转发器为例，利用本发明“一种基于自适应滤波的无源互调干扰抑制方法”实现无源互调干扰抑制，如图1所示。

步骤1、利用发射信号特征，分析各阶PIM产物特性；

已知转发器发射端参数即发射信号特征如下：

(1)发射信号中心频率：S波段发射频率范围是2030MHz～2060MHz。以双载波为例，选取双载波发射信号中心频率分别为，f₁＝2030MHz，f₂＝2060MHz；

(2)调制输出符号速率：2.5Mbaud；

(3)调制方式：BPSK；

(4)信道编码方式：无；

(5)调制成形窗函数：根升余弦函数，α＝0.35。

发射信号的功率谱密度如图2所示；利用发射信号特征进行仿真模拟得到PIM产物的功率谱密度如图3所示；

步骤2、根据接收机确定PIM产物有效干扰分量，即计算落入接收频带内的PIM信号。

已知转发器接收端的频率范围是1840MHz～1870MHz。其中，设定一组接收信号中心频率为f_UP＝1849.95MHz。经分析，13阶PIM落入接收频带，7f₁-6f₂＝1850MHz。采用遍历或快速搜索办法可以将落入接收频带的150阶以内的PIM产物计算出来，共有20项PIM产物落入接收频带内形成干扰，对应的互调阶数如下表所示。

表1无源互调阶数分析

从表1中可以看出，除13阶PIM产物外，落入接收频带的PIM产物均为超高阶PIM，其功率谱密度在落入接收频带的部分已非常平缓，且幅度微小，多项叠加之后可近似视为白噪声。因此，在进行干扰抑制时仅考虑13阶PIM产物的抑制即可，尽管我们有能力将超高阶PIM产物对消掉。

步骤3、利用发射信号上变频前的中频或基带信号对PIM有效干扰分量的中频信号进行重建。

研究表明，在抑制n阶无源互调干扰分量的过程中，除了考虑发射信号的n次幂项之外，还需考虑所有高于n的奇数(n为奇数时)次幂项对n阶无源互调干扰分量的影响。即，n次幂项不仅能够产生n阶无源互调分量，还会产生n-2阶、n-4阶等无源互调分量。因此，在对消n阶无源互调分量时，不仅需要考虑发射信号的n次幂项，还需要考虑n+2、n+4等更高次幂项。对于我们研究的若非线性***，在分析n阶无源互调干扰时，取到n+2次幂项就能较为精确的表达本阶互调分量，从而简化计算过程。在本实施例中，考虑13次幂项和15次幂项即可。重建模型的无记忆非线性部分可表示为，

f(x)＝a₁₃x¹³+a₁₅x¹⁵(1)

其中，a₁₃和a₁₅分别为无记忆非线性f(x)中x¹³和x¹⁵的系数。由于这种幂级数模型无法描述输入输出间的记忆效应，为建立服从PIM信道特性的PIM模型，需级联一线性记忆***，体现收发之间的延迟、幅度耦合关系。在本实施例中，这一线性记忆***为数字横向滤波器。假设[w₀,w₁,...,w_M-1]是滤波器抽头权值,可用w[k](k＝0,1,…M-1)表示，M为滤波器抽头阶数。则重建后的PIM干扰数字信号可表示为，

$s_{\mathrm{PIM}}\left[k\right]=w\left[k\right]\⊗\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{s}_{\mathrm{PIMi}}\left[k\right]---\left(2\right)$

其中，s_PIMi[k]为不考虑记忆效应的PIM干扰信号参考项，α_i为其幅度，s_PIMi[k]由公式(1)推导得出，N为PIM干扰信号参考项个数，在本实施例中，N＝3，

$s_{\mathrm{PIM}1}\left[k\right]=R_1^7\left(k\right)R_2^6\left(k\right)\cos [2\mathrm{\πk}*(7f_1-{6f}_2-f_{\mathrm{LO}})/f_s]$

$s_{\mathrm{PIM}2}\left[k\right]=R_1^9\left(k\right)R_2^6\left(k\right)\cos [2\mathrm{\πk}*({7f}_1-{6f}_2-f_{\mathrm{LO}})/f_s]---\left(3\right)$

$s_{\mathrm{PIM}3}\left[k\right]=R_1^7\left(k\right)R_2^8\left(k\right)\cos [2\mathrm{\πk}*({7f}_1-{6f}_2-f_{\mathrm{LO}})/f_s]$

其中，R₁(k)和R₁(k)为发射的基带信号的数字采样，采样频率为f_s，f_LO为下变频器的本振频率。

步骤4、对接收端接收到的射频信号,进行下变频并采样，得到中频数字信号s_UL[k]。

步骤5、将接收端的中频信号s_UL[k]与重建后的PIM干扰信号分量s_PIM[k]输入自适应滤波器，如图4所示。由此得***输出误差为

e[k]＝s_UL[k]-s_PIM[k](4)

令均方误差J[k]＝E{e[k]e[k]^*}最小，即可确定s_PIM[k]中包含未知参量，同时根据输入信号的变化实时调整参量值，这就是自适应滤波器的原理。为保证求解的唯一性，令a₁＝1,计算出各项无源互调干扰分量的幅度比即可。

J[k]＝E{e[k]e^*[k]}＝E{(s_UL[k]-s_PIM[k])(s_UL[k]-s_PIM[k])^*}(5)

为求得E{e[k]e[k]^*}的最小值，需满足

$\▿E\left\{e\right[k\left]e^{*}\right[k\left]\right\}=(\frac{\∂E\left\{e\right[k\left]e^{*}\right[k\left]\right\}}{\∂w},\frac{\∂E\left\{e\right[k\left]e^{*}\right[k\left]\right\}}{\∂\mathrm{\α}})=0---\left(6\right)$

其中，w＝[w₀,w₁,...,w_M-1]，α＝[α₁,α₂,…,α_N]。

求解(6)式，可采用牛顿法、最速下降法或共轭梯度法,即获得滤波器抽头权值及各阶PIM产物权重的最优值。迭代过程可采用最小均方算法(LMS)或递归最小二乘算法(RLS)结合坐标下降方法，自适应调节模型参数。采用自适应滤波算法能很快收敛到最优值，同时具有良好的跟踪性能，以实现快速实时的PIM干扰信号抑制。

采用本发明“一种基于自适应滤波的无源互调干扰抑制方法”中的干扰抑制方法，对本实施例环境下信干比为0dB的PIM干扰信号进行抑制，得到图5的干扰对消前后的时域对比图，经PIM干扰对消后恢复的信号几乎与无PIM干扰的信号重合，该算法能有效消除PIM干扰信号。

采用本发明“一种基于自适应滤波的无源互调干扰抑制方法”中的干扰抑制方法，对低信噪比下(SNR＝-12dB)本实施例中的PIM干扰信号进行抑制，得到图6所示的误码率随干信比变化的仿真曲线。PIM干扰对消后的误码率曲线与理论曲线逼近度高，可见该算法能有效抑制无源互调干扰，大幅度提高抗PIM干扰能力。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于自适应滤波的无源互调干扰抑制方法，其特征在于实现步骤如下：

步骤1)利用发射信号特征，分析各阶无源互调(PIM)产物的特性；

步骤2)根据接收机确定步骤1)中PIM产物的有效干扰分量，即计算落入接收频带内的PIM信号；

步骤3)利用发射信号上变频前的中频或基带信号对PIM有效干扰中频信号分量进行重建；重建的PIM有效干扰中频信号分量的阶数与步骤2)中落入接收频带内的PIM信号的阶数相同；

重建模型由无记忆非线性***与记忆线性***级联组成，分别对应互调过程和互调产物的延时传输与幅度耦合；

步骤4)对接收端接收到的射频信号,进行下变频并采样，得到中频数字信号；

步骤5)将步骤4)得到的中频数字信号与步骤3)得到的重建后的PIM有效干扰中频信号分量输入自适应滤波器；根据自适应滤波原理，以约束最小输出能量为准则，获得滤波器抽头权值及各阶PIM产物权重的最优值，自适应滤波器能够自适应调节模型参数，实现实时快速的对消，对消之后输出信号即为经过PIM干扰抑制之后的中频信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于自适应滤波的无源互调干扰抑制方法，其特征在于：记忆线性***选用横向滤波器。

3.根据权利要求1所述的一种基于自适应滤波的无源互调干扰抑制方法，其特征在于：无记忆非线性***选用幂级数模型。

4.根据权利要求1所述的一种基于自适应滤波的无源互调干扰抑制方法，其特征在于：获得滤波器抽头权值及各阶PIM产物权重的最优值的方法为：最小均方算法或递归最小二乘算法。