基於中頻域自幹擾抑制的同時同頻全雙工通信方法及裝置與流程
2023-09-17 19:18:10 1
本發明屬於無線通信技術領域，具體是一種全雙工通信方法及裝置。
背景技術：
隨著無線通信技術及業務的發展，頻譜資源匱乏的問題日益尖銳，特別是隨著5G網絡的興起，對頻率資源提出了更高的要求。因此，如何提高頻譜利用率，在有限的頻帶內高速傳遞信息，成為亟待解決的問題。近年來，同時同頻全雙工通信被證明可行，與傳統時分雙工和頻分雙工相比，同時同頻全雙工通信理論上可使頻譜效率和信道容量提升1倍，能獲得更高的數據傳輸率和吞吐量，因而獲得了越來越多的關注，成為5G備選核心關鍵技術之一。
同時同頻全雙工通信在同一頻率、同一信道、同一時隙進行信號的接收和發射，從發信通路至收信通路存在高功率載波信號洩漏，對接收通路形成自幹擾，一方面帶來接收機的減敏效應，另一方面帶來模數轉換器，甚至是射頻前端的飽和。因此，如何有效抑制自幹擾，從而實現同時同頻全雙工通信是必須首先解決的基礎性問題。
通過對自幹擾信號有效隔離或抑制可以實現同時同頻全雙工通信。如圖1所示，根據在無線收發機通信鏈路中的位置的不同，現有自幹擾抑制技術主要包括：a)空域自幹擾抑制：主要基於多收發天線距離和極化方式的配置以及天線波束賦形等以實現自幹擾抑制；b)射頻域自幹擾抑制：採用定向耦合器、矢量調製器、衰減器和移相器等重建自幹擾信號並對消以實現自幹擾抑制；c)數字域自幹擾抑制：基於自幹擾估計和信道估計重建自幹擾並對消實現自幹擾抑制。其中數字域自幹擾抑制以空域和射頻域自幹擾抑制為前提，並作為空域和射頻域自幹擾抑制的必要補充。
上述不同域內均實現了不低於20dB的自幹擾抑制深度，且基於上述不同域的級聯聯合自幹擾抑制可以獲得更高的自幹擾抑制深度，解決自幹擾帶來的減敏或飽和的技術難題，從而實現同時同頻全雙工通信。但基於現有自幹擾抑制技術的同時同頻全雙工通信方法存在集成度低、功耗高的問題，特別是在成本、體積和電源受限應用場景中，上述問題尤為嚴重。
技術實現要素：
為了克服現有技術的不足，本發明提供一種基於中頻域自幹擾抑制的同時同頻全雙工通信方法及裝置，以提高系統集成度、降低功耗，實現同時同頻全雙工通信，滿足無線通信技術領域提升頻譜效率的要求。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是：一種基於中頻域自幹擾抑制的同時同頻全雙工通信方法，同時執行發信和收信操作；所述的發信操作是對數位訊號Xn進行數模轉換，得到中頻信號Tx，將中頻信號Tx放大後與本振信號混頻，得到上變頻信號並通過天線發射，放大後的中頻信號同時形成自幹擾信號Leak；所述的收信操作是通過天線接收空中信號，與所述的本振信號混頻，得到下變頻信號IFant；將中頻信號Tx的反相信號Txr與所述的本振信號混頻，混頻模塊連接的可調阻抗網絡與天線阻抗匹配，生成參考自幹擾信號Leakc，Leakc與Leak相位相反；對所述IFant、Leak和Leakc在中頻域進行自幹擾抑制和放大，用所述Leakc抑制所述Leak，同時得到被放大的下變頻信號AβIFant。
所述的IFant、Leak和Leakc在中頻域進行自幹擾抑制和放大採用對所述IFant、Leak和Leakc進行加權求和的方法實現，所述Leakc的加權因子為α，所述Leak和IFant的加權因子為β，放大倍數為A；調整所述α和所述β，使αLeakc+βLeak＝0，抑制自幹擾信號，得到被放大的空中信號AβIFant。
本發明還提供一種基於中頻域自幹擾抑制的同時同頻全雙工通信的裝置，包括天線、一號N相位無源混頻模塊、二號N相位無源混頻模塊、中頻低噪聲放大/自幹擾抑制模塊、可調阻抗網絡、數字基帶模塊、數模轉換模塊和放大模塊。
所述的數字基帶模塊產生數位訊號Xn和數位訊號的反相信號Xnr，數位訊號Xn經過數模轉換模塊轉換為中頻信號Tx，經過放大模塊放大後輸入一號N相位無源混頻模塊，與本振信號混頻後得到上變頻信號，通過天線發射；所述的天線同時接收空中信號，通過一號N相位無源混頻模塊與本振信號混頻，得到下變頻信號，與中頻信號Tx形成的自幹擾信號Leak同時輸入中頻低噪聲放大/自幹擾抑制模塊；所述數位訊號的反相信號Xnr經過數模轉換模塊轉換為中頻信號Txr，經過放大模塊放大後輸入二號N相位無源混頻模塊與本振信號混頻；所述的二號N相位無源混頻模塊連接可調阻抗網絡，調整混頻模塊連接的可調阻抗網絡與天線阻抗匹配，生成參考自幹擾信號Leakc，Leakc與Leak相位相反；將所述Leakc輸入中頻低噪聲放大/自幹擾抑制模塊，與所述IFant、Leak進行加權求和並放大，所述Leakc的加權因子為α，所述Leak和IFant的加權因子為β，放大倍數為A；調整所述α和所述β，使αLeakc+βLeak＝0，抑制自幹擾信號，得到被放大的空中信號AβIFant。
本發明的有益效果是：
1)本發明可基於單天線實現，不需要射頻低噪聲放大器，N相位無源混頻模塊、中頻低噪聲放大/自幹擾抑制模塊、可調阻抗網絡和數字基帶等模塊都可以基於半導體工藝集成實現，具有更高的集成度；
2)一號N相位無源混頻模塊直接與天線連接，同時實現接收信號和發射信號的上/下變頻，自幹擾抑制重構及抑制均在中頻域進行。由於無需射頻低噪聲放大器，且中頻域自幹擾抑制的工作帶寬和速度要求低，因而功耗低。
附圖說明
圖1是現有自幹擾抑制技術在無線收發機鏈路不同位置域內的分布圖；
圖2是本發明的基於中頻域自幹擾抑制的同時同頻全雙工通信方法示意圖；
圖3是N相位無源濾波器及驅動時鐘時序圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明，本發明包括但不僅限於下述實施例。
本發明在數字基帶域和中頻域重構自幹擾信號Leak的反相信號Leakc，並在中頻域抑制所述Leak；射頻域發射和射頻域接收共用同一天線和一號N相位無源混頻模塊(N為自然數)，同時實現信號接收並下變頻以及發射信號Tx上變頻並發射的功能，從而完成同時同頻全雙工通信。
本發明提出基於中頻域自幹擾抑制的同時同頻全雙工通信方法同時執行發信和收信操作，分別通過如下步驟實現：
1.發信操作：
步驟1：所述數字基帶和數模轉換模塊同時產生中頻信號Tx及Tx的反相信號Txr；
步驟2：所述Tx放大後送入一號N相位無源混頻模塊上變頻，上變頻輸出信號通過所述天線進入空域發射。
Tx在放大後同時形成自幹擾信號Leak。
2.收信操作：
步驟1：所述天線接收空中信號，送入所述一號N相位無源混頻模塊，對所述空中信號下變頻，輸出下變頻信號IFant；
步驟2：所述Txr放大後送入二號N相位無源混頻模塊，調整所述可調阻抗網絡生成自幹擾信號Leak的反相Leakc；
步驟3：所述IFant、所述Leak和所述Leakc同時送入中頻低噪聲放大/自幹擾消除模塊；
步驟4：所述中頻低噪聲放大/自幹擾消除模塊對所述IFant放大，並同時對所述Leak抑制。
上述步驟中，對自幹擾信號Leak的抑制通過加權因子求和的形式實現。記所述Leakc的加權因子為α，所述Leak和所述IFant的加權因子為β，記所述中頻低噪聲放大/自幹擾消除模塊的放大倍數為A，輸出信號記為IF＝A[αLeakc+β(Leak+IFant)]。調整所述α和所述β，使：αLeakc+βLeak＝0，IF＝AβIFant。因此，自幹擾信號被抑制，所述中頻低噪聲放大/自幹擾消除模塊輸出被放大的所述空中信號AβIFant。
如圖2所示，本發明還提供一種同時同頻全雙工通信的裝置，至少包括天線、一號N相位無源混頻模塊、二號N相位無源混頻模塊、中頻低噪聲放大/自幹擾抑制模塊、可調阻抗網絡、數字基帶和數模轉換模塊。上述模塊的連接方式為：所述一號N相位無源混頻模塊的一端與所述天線連接，另一端通過放大電路連接所述數模轉換模塊的Tx端以及所述中頻低噪聲放大/自幹擾消除模塊的2輸入端。所述數模轉換模塊的Txr端同時連接所述中頻低噪聲放大/自幹擾消除模塊的1輸入端以及所述二號N相位無源混頻模塊。所述二號N相位無源混頻模塊連接所述可調阻抗網絡。
其中，N相位無源混頻模塊近年來在無線通信領域得到應用，由N個半導體開關MOS管並聯構成，每個MOS管的源(或漏)端均連接至天線，漏(或源)端連接至後級電路。MOS管的柵端由N相位不交疊本地振蕩時鐘Ph1，Ph2，…，PhN驅動(記時鐘周期為T)，參照圖3所示。本發明利用N相位無源混頻器對天線接收信號的下變頻和發射基帶信號上變頻的雙向透明特性，在中頻域內重構自幹擾信號Leak並對消抑制，從而實現同時同頻全雙工通信。
需要說明的是，本發明提出的基於中頻域自幹擾抑制的同時同頻全雙工通信方法及裝置在功耗、集成度等方面優勢明顯：1)結合圖1和圖2，本發明在中頻域實現自幹擾抑制，降低了電路的工作頻率和電路的工作速度。電路功耗與電路工作速度成正比，且無需射頻低噪聲放大器，因此，功耗得到降低。此外，相比於空域和射頻域自幹擾抑制，中頻自幹擾抑制對寄生效應的敏感性低，具有更優的工藝穩定性。2)本發明可基於單天線實現，N相位無源混頻模塊的雙向透明性可以同時實現發射信號上變頻和接收信號下變頻，不需要射頻低噪聲放大器和上混頻器。且N相位無源混頻模塊、可調阻抗單元、中頻低噪聲放大/自幹擾抑制模塊以及數字基帶和中頻信號處理模塊都可以基於半導體工藝實現，集成度高。
上述說明僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明。凡在本發明基礎之上所做的任何修改、等同替換、改進等，均在本發明的保護範圍之內。