基于中频域自干扰抑制的同时同频全双工通信方法及装置与流程

本发明属于无线通信技术领域，具体是一种全双工通信方法及装置。

背景技术：

随着无线通信技术及业务的发展，频谱资源匮乏的问题日益尖锐，特别是随着5G网络的兴起，对频率资源提出了更高的要求。因此，如何提高频谱利用率，在有限的频带内高速传递信息，成为亟待解决的问题。近年来，同时同频全双工通信被证明可行，与传统时分双工和频分双工相比，同时同频全双工通信理论上可使频谱效率和信道容量提升1倍，能获得更高的数据传输率和吞吐量，因而获得了越来越多的关注，成为5G备选核心关键技术之一。

同时同频全双工通信在同一频率、同一信道、同一时隙进行信号的接收和发射，从发信通路至收信通路存在高功率载波信号泄漏，对接收通路形成自干扰，一方面带来接收机的减敏效应，另一方面带来模数转换器，甚至是射频前端的饱和。因此，如何有效抑制自干扰，从而实现同时同频全双工通信是必须首先解决的基础性问题。

通过对自干扰信号有效隔离或抑制可以实现同时同频全双工通信。如图1所示，根据在无线收发机通信链路中的位置的不同，现有自干扰抑制技术主要包括：a)空域自干扰抑制：主要基于多收发天线距离和极化方式的配置以及天线波束赋形等以实现自干扰抑制；b)射频域自干扰抑制：采用定向耦合器、矢量调制器、衰减器和移相器等重建自干扰信号并对消以实现自干扰抑制；c)数字域自干扰抑制：基于自干扰估计和信道估计重建自干扰并对消实现自干扰抑制。其中数字域自干扰抑制以空域和射频域自干扰抑制为前提，并作为空域和射频域自干扰抑制的必要补充。

上述不同域内均实现了不低于20dB的自干扰抑制深度，且基于上述不同域的级联联合自干扰抑制可以获得更高的自干扰抑制深度，解决自干扰带来的减敏或饱和的技术难题，从而实现同时同频全双工通信。但基于现有自干扰抑制技术的同时同频全双工通信方法存在集成度低、功耗高的问题，特别是在成本、体积和电源受限应用场景中，上述问题尤为严重。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于中频域自干扰抑制的同时同频全双工通信方法及装置，以提高系统集成度、降低功耗，实现同时同频全双工通信，满足无线通信技术领域提升频谱效率的要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于中频域自干扰抑制的同时同频全双工通信方法，同时执行发信和收信操作；所述的发信操作是对数字信号Xn进行数模转换，得到中频信号Tx，将中频信号Tx放大后与本振信号混频，得到上变频信号并通过天线发射，放大后的中频信号同时形成自干扰信号Leak；所述的收信操作是通过天线接收空中信号，与所述的本振信号混频，得到下变频信号IFant；将中频信号Tx的反相信号Txr与所述的本振信号混频，混频模块连接的可调阻抗网络与天线阻抗匹配，生成参考自干扰信号Leakc，Leakc与Leak相位相反；对所述IFant、Leak和Leakc在中频域进行自干扰抑制和放大，用所述Leakc抑制所述Leak，同时得到被放大的下变频信号AβIFant。

所述的IFant、Leak和Leakc在中频域进行自干扰抑制和放大采用对所述IFant、Leak和Leakc进行加权求和的方法实现，所述Leakc的加权因子为α，所述Leak和IFant的加权因子为β，放大倍数为A；调整所述α和所述β，使αLeakc+βLeak＝0，抑制自干扰信号，得到被放大的空中信号AβIFant。

本发明还提供一种基于中频域自干扰抑制的同时同频全双工通信的装置，包括天线、一号N相位无源混频模块、二号N相位无源混频模块、中频低噪声放大/自干扰抑制模块、可调阻抗网络、数字基带模块、数模转换模块和放大模块。

所述的数字基带模块产生数字信号Xn和数字信号的反相信号Xnr，数字信号Xn经过数模转换模块转换为中频信号Tx，经过放大模块放大后输入一号N相位无源混频模块，与本振信号混频后得到上变频信号，通过天线发射；所述的天线同时接收空中信号，通过一号N相位无源混频模块与本振信号混频，得到下变频信号，与中频信号Tx形成的自干扰信号Leak同时输入中频低噪声放大/自干扰抑制模块；所述数字信号的反相信号Xnr经过数模转换模块转换为中频信号Txr，经过放大模块放大后输入二号N相位无源混频模块与本振信号混频；所述的二号N相位无源混频模块连接可调阻抗网络，调整混频模块连接的可调阻抗网络与天线阻抗匹配，生成参考自干扰信号Leakc，Leakc与Leak相位相反；将所述Leakc输入中频低噪声放大/自干扰抑制模块，与所述IFant、Leak进行加权求和并放大，所述Leakc的加权因子为α，所述Leak和IFant的加权因子为β，放大倍数为A；调整所述α和所述β，使αLeakc+βLeak＝0，抑制自干扰信号，得到被放大的空中信号AβIFant。

本发明的有益效果是：

1)本发明可基于单天线实现，不需要射频低噪声放大器，N相位无源混频模块、中频低噪声放大/自干扰抑制模块、可调阻抗网络和数字基带等模块都可以基于半导体工艺集成实现，具有更高的集成度；

2)一号N相位无源混频模块直接与天线连接，同时实现接收信号和发射信号的上/下变频，自干扰抑制重构及抑制均在中频域进行。由于无需射频低噪声放大器，且中频域自干扰抑制的工作带宽和速度要求低，因而功耗低。

附图说明

图1是现有自干扰抑制技术在无线收发机链路不同位置域内的分布图；

图2是本发明的基于中频域自干扰抑制的同时同频全双工通信方法示意图；

图3是N相位无源滤波器及驱动时钟时序图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明在数字基带域和中频域重构自干扰信号Leak的反相信号Leakc，并在中频域抑制所述Leak；射频域发射和射频域接收共用同一天线和一号N相位无源混频模块(N为自然数)，同时实现信号接收并下变频以及发射信号Tx上变频并发射的功能，从而完成同时同频全双工通信。

本发明提出基于中频域自干扰抑制的同时同频全双工通信方法同时执行发信和收信操作，分别通过如下步骤实现：

1.发信操作：

步骤1：所述数字基带和数模转换模块同时产生中频信号Tx及Tx的反相信号Txr；

步骤2：所述Tx放大后送入一号N相位无源混频模块上变频，上变频输出信号通过所述天线进入空域发射。

Tx在放大后同时形成自干扰信号Leak。

2.收信操作：

步骤1：所述天线接收空中信号，送入所述一号N相位无源混频模块，对所述空中信号下变频，输出下变频信号IFant；

步骤2：所述Txr放大后送入二号N相位无源混频模块，调整所述可调阻抗网络生成自干扰信号Leak的反相Leakc；

步骤3：所述IFant、所述Leak和所述Leakc同时送入中频低噪声放大/自干扰消除模块；

步骤4：所述中频低噪声放大/自干扰消除模块对所述IFant放大，并同时对所述Leak抑制。

上述步骤中，对自干扰信号Leak的抑制通过加权因子求和的形式实现。记所述Leakc的加权因子为α，所述Leak和所述IFant的加权因子为β，记所述中频低噪声放大/自干扰消除模块的放大倍数为A，输出信号记为IF＝A[αLeakc+β(Leak+IFant)]。调整所述α和所述β，使：αLeakc+βLeak＝0，IF＝AβIFant。因此，自干扰信号被抑制，所述中频低噪声放大/自干扰消除模块输出被放大的所述空中信号AβIFant。

如图2所示，本发明还提供一种同时同频全双工通信的装置，至少包括天线、一号N相位无源混频模块、二号N相位无源混频模块、中频低噪声放大/自干扰抑制模块、可调阻抗网络、数字基带和数模转换模块。上述模块的连接方式为：所述一号N相位无源混频模块的一端与所述天线连接，另一端通过放大电路连接所述数模转换模块的Tx端以及所述中频低噪声放大/自干扰消除模块的2输入端。所述数模转换模块的Txr端同时连接所述中频低噪声放大/自干扰消除模块的1输入端以及所述二号N相位无源混频模块。所述二号N相位无源混频模块连接所述可调阻抗网络。

其中，N相位无源混频模块近年来在无线通信领域得到应用，由N个半导体开关MOS管并联构成，每个MOS管的源(或漏)端均连接至天线，漏(或源)端连接至后级电路。MOS管的栅端由N相位不交叠本地振荡时钟Ph1，Ph2，…，PhN驱动(记时钟周期为T)，参照图3所示。本发明利用N相位无源混频器对天线接收信号的下变频和发射基带信号上变频的双向透明特性，在中频域内重构自干扰信号Leak并对消抑制，从而实现同时同频全双工通信。

需要说明的是，本发明提出的基于中频域自干扰抑制的同时同频全双工通信方法及装置在功耗、集成度等方面优势明显：1)结合图1和图2，本发明在中频域实现自干扰抑制，降低了电路的工作频率和电路的工作速度。电路功耗与电路工作速度成正比，且无需射频低噪声放大器，因此，功耗得到降低。此外，相比于空域和射频域自干扰抑制，中频自干扰抑制对寄生效应的敏感性低，具有更优的工艺稳定性。2)本发明可基于单天线实现，N相位无源混频模块的双向透明性可以同时实现发射信号上变频和接收信号下变频，不需要射频低噪声放大器和上混频器。且N相位无源混频模块、可调阻抗单元、中频低噪声放大/自干扰抑制模块以及数字基带和中频信号处理模块都可以基于半导体工艺实现，集成度高。

上述说明仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明。凡在本发明基础之上所做的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明的保护范围之内。