抗干扰全双工通信装置的制作方法
本发明涉及一种通信装置，具体涉及一种抗干扰全双工通信装置。
背景技术：
在民用通信领域，随着移动互联网的快速发展，无线网络承载的业务量呈现指数级增长趋势。另一方面，无线频谱资源日趋紧张，无法完全满足日益增长的业务流量的需要。因此，如何提高频谱的使用效率以增加无线网络的承载能力是学术界和工业界广泛关注的问题。
无线通信网络面临的另一个重要挑战是日益严重的干扰环境。干扰的来源既包括多种无线技术共存时的无意干扰，也包括人为的故意干扰。动态地切换信道来躲避干扰信号是一个有效的应对方法。在民用通信领域，蓝牙技术采用了自适应跳频通信来应对干扰。在军用通信领域，跳频信号也在多个国家的战术电台装备中得到了大量应用。
全双工通信技术使得无线电台能够在同一频段内同时实现信号的发射和接收，从而使无线频谱的链路容量翻倍，具有很广阔的应用前景。目前的全双工通信技术只用于固定频率的通信装置，本发明则提出了一种可动态切换频率的全双工通信装置，在提高频谱效率的同时具备了很好的抗干扰能力。
技术实现要素：
一种抗干扰全双工通信装置，包括：天线，用于发送和接收信号；发射通道电路，用于生成射频信号；接收通道电路，用于接收外部馈入的信号；环路器，用于减弱发射通道电路泄露到接收通道电路的信号的强度；自扰消除电路，能产生用于抑制接收通道电路中的自扰信号的自扰消除信号；动态频率生成模块，用于生成变化的载波频率并输出至发射通道电路或/和接收通道电路；控制器，用于控制发射通道电路，接收通道电路，自扰消除电路和动态频率生成模块；控制器控制发射通道电路和接收通道电路以使发射通道电路与接收通道电路在相同的信道下实现信号的发射和接收；控制器控制自扰消除电路产生一个能部分抵消发射通道电路所发射的信号的抑制信号至接收通道电路；控制器控制动态频率生成模块在满足预设条件时更改输出至发射通道电路或/和接收通道电路的频率；天线连接至环路器，环路器分别与发射通道电路和接收通道电路相连接；自扰消除电路以及动态频率生成模块分别电性连接至发射通道电路和接收通道电路相连接；控制器分别与发射通道电路，接收通道电路，自扰消除电路和动态频率生成模块相连接。
进一步地，控制器包括：编码模块，用于根据控制器中的应用软件生成编码；信号调制模块，用于根据编码模块生成的编码生成调制信号并输出至发射通道电路；信号解调模块，用于对接收通道电路所接收的信号进行解调从而产生解调信号；译码模块，用于对信号解调模块的解调信号进行解码；自扰与干扰估计模块，至少用于估计接收通道电路中自扰信号的特征；模拟自扰消除模块，根据自扰与干扰估计模块的估计结果设定自扰消除电路中包括但不限于延迟、衰减和相移的参数；数字自扰消除模块，根据自扰与干扰估计模块的估计结果以软件的方式消除从环路器泄露的信号或/和经由天线发射进而反射回来的信号所带来的干扰；频率接入控制模块，用于向动态频率生成模块发送切换频率的指令；其中，编码模块与信号调制模块构成连接；译码模块与信号解调模块构成连接；自扰与干扰估计模块分别与数字自扰消除模块，模拟自扰消除模块，译码模块，频率接入控制模块分别连接。
进一步地，发射通道电路包括：数模转换模块，用于将数字信号转化为模拟信号；上变频模块，用于改变数模转换模块所输出的模拟信号的频率；发射带通滤波器，用于对上变频模块所输出的信号进行带通滤波；功率放大器，用于对发射带通滤波器所输出的信号进行功率放大。
进一步地，接收通道电路包括：低噪声放大模块，用于对于环路器接收到的信号进行功率放大；接收带通滤波器，用于对低噪声放大模块输出的信号进行带通滤波；加法器，用于使接收带通滤波器所输出的信号与自扰消除电路所输出的自扰消除信号求和；下变频模块，用于改变加法器所输出的信号的频率；模数转换模块，用于将下变频模块输出的模拟信号转换为数字信号。
进一步地，动态频率生成模块包括：频率寄存器，用于生成变化的数值序列；
频率合成器，用于根据频率寄存器所生成的数值生成对应的载波频率并输出至发射通道电路或/和接收通道电路。
进一步地，自扰消除电路包括：延迟线池，用于将输入的信号进行衰减并延迟一段时间后输出；延迟线池设有多路延迟时间不等且能动态调整衰减系数的延迟线，延迟线池根据控制器中的自扰消除模块的指令选择衰减系数，延迟线池中各延迟线的最小延迟时间根据发射通道电路到接收通道电路的信号延迟时间确定，延迟线池中各延迟线的最大延迟时间根据外部反射信号经由天线进入接收通道电路的信号延迟时间确定。
进一步地，控制器包括：编码模块，用于根据控制器中的应用软件生成编码；信号调制模块，用于根据编码模块生成的编码生成调制信号并输出至发射通道电路；信号解调模块，用于对接收通道电路所接收的信号进行解调从而产生解调信号；译码模块，用于对信号解调模块的解调信号进行解码；自扰与干扰估计模块，至少用于估计接收通道电路中自扰信号的特征；模拟自扰消除模块，根据自扰与干扰估计模块的估计结果设定自扰消除电路中包括但不限于延迟、衰减和相移的参数；数字自扰消除模块，根据自扰与干扰估计模块的估计结果以软件的方式消除从环路器泄露的信号或/和经由天线发射进而反射回来的信号所带来的干扰；频率接入控制模块，用于向动态频率生成模块发送切换频率的指令；发射通道电路包括：数模转换模块，用于将信号调制模块输出的数字信号转化为模拟信号；上变频模块，用于改变数模转换模块所输出的模拟信号的频率；发射带通滤波器，用于对上变频模块所输出的信号进行带通滤波；功率放大器，用于对发射带通滤波器所输出的信号进行功率放大并输出至环路器。
进一步地，接收通道电路包括：低噪声放大模块，用于对于环路器接收到的信号进行功率放大；接收带通滤波器，用于对低噪声放大模块输出的信号进行带通滤波；加法器，用于使接收带通滤波器所输出的信号与自扰消除电路所输出的自扰消除信号求和；下变频模块，用于根据动态频率生成模块改变加法器所输出的信号的频率；模数转换模块，用于将下变频模块输出的模拟信号转换为数字信号输出至解调电路。
进一步地，动态频率生成模块包括：频率寄存器，用于生成变化的数值序列；
频率合成器，用于根据频率寄存器所生成的数值生成对应的载波频率并输出至发射通道电路或/和接收通道电路，频率接入控制模块连接至频率寄存器以控制频率寄存器。
进一步地，自扰消除电路包括：延迟线池，用于将输入的信号进行衰减并延迟一段时间后输出；延迟线池设有多路延迟时间不等且能动态调整衰减系数的延迟线，延迟线池根据控制器中的自扰消除模块的指令选择衰减系数，延迟线池中各延迟线的最小延迟时间根据发射通道电路到接收通道电路的信号延迟时间确定，延迟线池中各延迟线的最大延迟时间根据外部反射信号经由天线进入接收通道电路的信号延迟时间确定。
本发明的有益之处在于：
提供了一种能有效消除自扰信号并具有变频能力的抗干扰全双工通信装置。
附图说明
图1是本发明的抗干扰全双工通信装置的一个优选实施例的结构示意框图；
图2是图1中控制器的结构示意框图；
图3是图1中发射通道电路的结构示意框图；
图4是图1中接收通道电路的结构示意框图；
图5是图1中动态频率生成模块结构示意框图；
图6是图1中自扰消除电路；
图7是图1中延迟线池的原理示意框图；
图8是图1所示的实施例采用双天线方案时的结构示意图框图；
图9是本发明的抗干扰全双工通信装置的另一个优选实施例的结构示意框图。
具体实施方式
如图1至图6所示，抗干扰全双工通信装置包括：天线，发射通道电路，接收通道电路，环路器，自扰消除电路，动态频率生成模块和控制器。
其中，天线用于发送和接收信号；发射通道电路用于生成射频信号；接收通道电路用于接收外部馈入的信号；环路器用于减弱发射通道电路泄露到接收通道电路的信号的强度；自扰消除电路能产生用于抑制接收通道电路中的自扰信号的自扰消除信号；动态频率生成模块用于生成变化的载波频率并输出至发射通道电路或/和接收通道电路；控制器用于控制发射通道电路，接收通道电路，自扰消除电路和动态频率生成模块。
如图1所示，作为具体的方案，控制器控制发射通道电路和接收通道电路以使发射通道电路与接收通道电路在相同的信道下实现信号的发射和接收；控制器控制自扰消除电路产生一个能部分抵消发射通道电路所发射的信号的抑制信号至接收通道电路；控制器控制动态频率生成模块在满足预设条件时更改输出至发射通道电路或/和接收通道电路的频率。
为了实现上述系统，如图1所示，天线连接至环路器，环路器分别与发射通道电路和接收通道电路相连接；自扰消除电路以及动态频率生成模块分别电性连接至发射通道电路和接收通道电路相连接；控制器分别与发射通道电路，接收通道电路，自扰消除电路和动态频率生成模块相连接。
需要说明的是，这里所指的全双工是指同时、同频全双工。即在进行通信时，存在两条并发的信道，从而发送方到接收方的信道成为数据信道，用于传输数据分组，从接收方到发送方的信道称为控制信道，用于传输即时反馈频谱分组。两个信道的频谱相同，但是调制方式和数据速率不必相同。
另外，本发明也可以采用如图7所示的双天线的方案而不局限图1所示的单天线的方案。对于全双工通信而言，关键在于消除自扰信号。
因为收发均采用相同的信道，所以发射通道的信号经泄露、反射等途径进入接收通道后形成自扰信号，需要将自扰信号的能量衰减值噪声水平，才能在同时、同频的情况下处理对端接收机发出的信号。
需要说明的是，自扰信号是指发射通道的信号经泄露、反射等途径进入接收通道后形成的干扰信号。干扰信号是指非发送端机和接收端机的第三方实施的用于干扰发送端机和接收端机通信的干扰信号。
在采取单天线的方案中，环路器能够隔离不同输入端之间的信号，环路器也称为环行器，能将进入其任一端口的入射波，按照由静偏磁场确定的方向顺序传入下一个端口的多端口器件。环行器是有数个端的非可逆器件。比如：从1端口输入信号，信号只能从2端口输出，同样，从2端口输入的信号只能从3端口输出。环路器的突出特点是单向传输高频信号能量。它控制电磁波沿某一环行方向传输。这种单向传输高频信号能量的特性，多用于高频功率放大器的输出端与负载之间,起到各自独立,互相“隔离”的作用。所以采用环路器分别使发射通道电路单向向天线传递信号，而使接收通道电路从天线单向接收信号从而实现衰减由发射通道电路泄露到接收通道电路的信号的强度。
在采取双天线的方案中，发射天线和接收天线分别连接至发射通道和接收通道，调整发射天线和接收天线的位置，使它们之间的距离恰好为半波长，两者信号相加即可抵消发射信号对接收通道的自扰。
如图2所示，作为具体的方案，控制器包括：编码模块，信号调制模块，译码模块，自扰与干扰估计模块，模拟自扰消除模块，数字自扰消除模块，频率接入控制模块。
其中，编码模块用于根据控制器中的应用软件生成编码，信号调制模块，用于根据编码模块生成的编码生成调制信号并输出至发射通道电路。
与之相对的，信号解调模块用于对接收通道电路所接收的信号进行解调从而产生解调信号；译码模块用于对信号解调模块的解调信号进行解码，然后根据解码信息向应用软件反馈信息。
自扰与干扰估计模块至少用于估计自扰信号的特征，即从环路器泄露的信号或/和经由天线发射进而反射回来的信号的特征，进一步而言，自扰与干扰估计模块也用于估计干扰信号。
具体而言，自扰与干扰估计模块工作时要求抗干扰全双工通信系统只有一个设备发射信号，其余设备处于“静默”状态。处于活跃状态的设备通过接收通道电路所收到的信号只包含自扰与干扰信号，进而估计自扰与干扰信号的参数特征。
自扰信号参数估计针对两种类型的信号：由环路器泄露和环境反射所引入的线性自扰信号以及由功率放大器的非线性所造成的自扰信号。估计自扰信号建模为所发射信号的线性组合，即
y(n)＝hkx(n-k)+hk-1x(n-k+1)+…+h-k+1x(n+k-1)
其中，k表示自扰信号与当前正在发射的前后k个符号的信号相关；x(n-i)表示当前发射的前i个符号，是已知量；hi表示对应的衰减系统，是待估计参数。自扰与干扰信号估计模块利用最小二乘法得到hi的估计值。需要指出的是，在信号处理领域还存在其他多种有效手段得到hi的估计值。
非线性自扰信号建模为发射信号的高阶线性组合，即
干扰信号估计模块采用能量估计法，即检测自扰信号消除后所接收信号的强度。能量检测器对所采样的i、q两路信号的采样值分别平方相加而得到统计检测量。当接收信号强度超过设定的阈值时，报告存在干扰信号；否则，认为不存在干扰信号。
模拟自扰消除模块根据自扰与干扰估计模块的估计结果设定自扰消除电路中包括但不限于延迟、衰减和相移的参数。
数字自扰消除模块根据自扰与干扰估计模块的估计结果以软件的方式消除从环路器泄露的信号或/和经由天线发射进而反射回来的信号所带来的干扰。频率接入控制模块，用于向动态频率生成模块发送切换频率的指令。
其中，编码模块与信号调制模块构成连接；译码模块与信号解调模块构成连接；自扰与干扰估计模块分别与数字自扰消除模块，模拟自扰消除模块，译码模块，频率接入控制模块分别连接。
如图3所示，发射通道电路包括：数模转换模块，上变频模块，发射带通滤波器，功率放大器。
其中，数模转换模块用于将信号调制模块输出的数字信号转化为模拟信号；上变频模块用于改变数模转换模块所输出的模拟信号的频率；发射带通滤波器用于对上变频模块所输出的信号进行带通滤波；功率放大器用于对发射带通滤波器所输出的信号进行功率放大并输出至环路器。
如图4所示，接收通道电路包括：低噪声放大模块，接收带通滤波器，加法器，下变频模块，模数转换模块。
低噪声放大模块用于对于环路器接收到的信号进行功率放大；接收带通滤波器用于对低噪声放大模块输出的信号进行带通滤波；加法器用于使接收带通滤波器所输出的信号与自扰消除电路所输出的自扰消除信号求和；下变频模块用于根据动态频率生成模块改变加法器所输出的信号的频率；模数转换模块用于将下变频模块输出的模拟信号转换为数字信号输出至解调电路。
如图5所示，动态频率生成模块包括：频率寄存器，频率合成器。
其中，频率寄存器用于生成变化的数值序列；频率合成器，用于根据频率寄存器所生成的数值生成对应的载波频率并输出至发射通道电路或/和接收通道电路，频率接入控制模块连接至频率寄存器以控制频率寄存器。
如图6和图7所示，自扰消除电路包括：延迟线池，用于将输入的信号进行衰减并延迟一段时间后输出；延迟线池设有多路延迟时间不等且能动态调整衰减系数的延迟线，延迟线池根据控制器中的自扰消除模块的指令选择衰减系数，延迟线池中各延迟线的最小延迟时间根据发射通道电路到接收通道电路的信号延迟时间确定，延迟线池中各延迟线的最大延迟时间根据外部反射信号经由天线进入接收通道电路的信号延迟时间确定。
更具体而言，每条延迟线的电路由不同的器件组成，具有不同的延迟时间和衰减系数，控制器可以通过控制延迟线池中的电子开关使不同的延迟线组成所需电路从而获得指定的延时和衰减系数。
图1至6所示的抗干扰全双工通信装置中，控制器通过自扰消除电路以及自身的软件算法对自扰信号进行消除以实现同时、同信道的全双工通信，在受到外部干扰时，控制器根据误码率判断是否需要跳转至另一个信道进行通信。
需要说明的是，由于外部环境的变化，自扰信号本身会发生变化，作为接收方时，抗干扰全双工通信装置可使发射放暂时停止发出信号，而自己通过发出信号来判断自扰信号的特征，这样动作可以定义为自扰信号检测，在进行通信时可以不时地进行这样的动作，但是如果过于频繁进行这样的检测动作，通信的效率容易降低。
如图7所示的抗干扰全双工通信装置包括一个陀螺仪，该陀螺仪连接至控制器，陀螺仪用于检测抗干扰全双工通信装置是否发生位置变化，如果发生较大的位置变化，或者即以发生位置变化作为触发条件，一旦发生未知变化则进行一次自扰信号检测。进一步地，如图7所示的抗干扰全双工通信装置包括一个标准检测电路，该标准检测电路可以发射固定频谱的信号，这样一来控制器可以控制标准检测电路发出信号以检测当前环境对信号发射的影响，如果标准检测电路发出的信号所带来的反射信号被接收通道电路接收后发现没有变化，则证明环境没有发生较大变化，则不必进行自扰信号检测。
以下结合以上硬件基础，介绍一种抗干扰全双工通信方法。该抗干扰全双工通信方法包括如下步骤：
发送方的通信装置在预设的通信信道上以半双工的方式向接收方发送建立链路请求信息；
接收方的通信装置在收到发送方的通信装置的建立链路请求信息后，以半双工的方式向发送方的通信装置发出建立链路应答信息；
发送方的通信装置向接收方的通信装置发送信号以传输数据信息；
接收方的通信装置在接收到发送方的通信装置所发送数据信息的第一个编码块之后，进入全双工通信模式；
接收方的通信装置利用并发的反向链路向发送方的通信装置传输控制信息；
发送方的通信装置根据来自接收方的通信装置的控制信息更新本机可用频率集合，调整数据链路的传输带宽，编码以及调制方式；
接收方的通信装置判断当前通信是否受到干扰，如果受到干扰，接收方的通信装置通过控制信息告知发送方的通信装置，发送方的通信装置发出频率切换请求；
等待一个预设时延之后，发送方的通信装置和接收方通信装置的将通信频率重置为候选频率；
发送方的通信装置和接收方通信装置在候选频率上建立新的全双工通信链路，发送方的通信装置从新传输受到干扰的数据信息以及新生成数据信息。
具体而言，建立链路请求信息包括：本机可用信道集合、通信链路的调制参数集合。建立链路应答信息包括：选定的通信链路频率、带宽、调制参数。
发送方的通信装置在发送建立链路请求信息时同时设置本机的自扰消除电路的参数。对应地，接收方的通信装置在发送建立链路应答信息时同时设置本机的自扰消除电路的参数。
接收方的通信装置在接收到发送方的通信装置所发送数据信息的第一个编码块之后进入全双工通信模式中的编码快的取值大小为1至100比特。
接收方的通信装置的控制器根据误码率、信噪比、链路质量指标判断是否需要切换频率。
当通信链路中断时，发送方和接收方的通信装置均切换至备用信道上重新建立连接。发送方和接收方的通信装置均切换至备用信道上之前需要等待一段时间。
另外，为自扰消除电路产生的自扰消除信号设置一个延时后在输出至接收通道电路。
需要说明的是，动态频谱接入的关键技术是空闲频谱检测和频率捷变。其中，空闲频谱检测包括基于信号能量的检测方法、基于信号波形的检测方法等为本领域人员所熟知的技术。
频谱捷变指的是发送方和接收方能够快速协商并同步切换载波频率的候选频率进行传输。其实现方式有很多也不限于某一种方式。
发送方和接收方各自维持可用信道的集合fi和fj，这里的信道指的是具有一定带宽的频谱。在初始状态下，双方的可用信道是预先设定的，称为备用信道fb。双方建立通信链路后，利用反馈信道交换可用信道集合，两个集合的交集就是双方的候选信道集合f＝{f1,f2,f3,……}。双方根据频谱检测的结果(例如，各信道的空闲率、带宽、载噪比等指标)对候选信道集合进行排序，并从中选择最优频率。在频率切换后，若出现信号同步或捕获的异常而导致通信链路中断，双方都应在等待一段超时间隔后切换到备用信道上重新建立连接。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
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