直放站在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中是必不可少的,，但是如果直放站的收發(fā)天線隔離度不夠,，整機(jī)增益偏大時(shí)，輸出信號(hào)經(jīng)延時(shí)后反饋到輸入端,，會(huì)使直放站輸出信號(hào)發(fā)生嚴(yán)重失真產(chǎn)生自激,。在無線通信系統(tǒng)的同頻直放站中，為了減小產(chǎn)品體積以及縮短建站成本,，收發(fā)天線常常放置在一起(或距離很近),。由于收發(fā)天線往往只存在方向角的不同，因此直放站的接收天線肯定會(huì)接收到其轉(zhuǎn)發(fā)天線所發(fā)送的經(jīng)過放大的信號(hào),，而對(duì)所期望接收的有用信號(hào)產(chǎn)生干擾,。如果不對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行處理，干擾和期望信號(hào)的疊加信號(hào)會(huì)再次被送進(jìn)功放，再進(jìn)行放大轉(zhuǎn)發(fā),，干擾信號(hào)的強(qiáng)度會(huì)一直積累,，最終使得直放站無法正常工作。這種正反饋式干擾(干擾信號(hào)與正常通信信號(hào)的調(diào)制參數(shù)和載波頻率是完全一致的,，使得接收機(jī)收到疊加有同頻干擾的混合信號(hào))還會(huì)對(duì)數(shù)字通信產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾,，從而阻礙正常的通信。在上,、下行鏈路中,，往往都存在著這種反饋式干擾，如圖1所示,。

　　干擾抵消是同頻直放站所必備的一項(xiàng)技術(shù),，也是信號(hào)處理領(lǐng)域一個(gè)非常重要的課題[1]。傳統(tǒng)上,，克服自激現(xiàn)象的方法有：(1)借助建筑物阻擋在發(fā)射和接收天線間;(2)增加直放站的施主和重發(fā)天線的空間隔離度,。垂直隔離度一般最好大于1m，水平隔離度可以在十幾米以上,。如果沒有垂直隔離的話,，那么水平隔離的距離幾乎達(dá)到200米;(3)降低直放站的增益：上行和下行按照比例，就是上下行鏈路平衡,，直至消除自激。

　　雖然上述三種辦法都可以在一定程度上降低干擾的影響,，但是在某些場(chǎng)合,，受到環(huán)境或系統(tǒng)性能的要求，這些方法并不可行,。因此,，利用自適應(yīng)干擾抵消器" title="干擾抵消器">干擾抵消器來減少直放站設(shè)備的同頻反饋干擾成為首選方案。在所有的自適應(yīng)方案中,，尤以頻域算法在性能和復(fù)雜度之間取得良好平衡,。

　　本項(xiàng)目以WCDMA系統(tǒng)為例，討論數(shù)字頻域" title="數(shù)字頻域">數(shù)字頻域自適應(yīng)干擾抵消技術(shù)的實(shí)現(xiàn),，并從功率譜密度和星座圖以及誤差向量幅度(EVM)等性能指標(biāo)對(duì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià),。在設(shè)計(jì)中，為了驗(yàn)證算法性能且保證接收端的正常工作,，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了WCDMA小區(qū)搜索的三步同步過程,，并通過PC機(jī)對(duì)輸入輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，驗(yàn)證方案性能,。

系統(tǒng)方案

　　完整的系統(tǒng)從數(shù)字下變頻后的基帶數(shù)據(jù)開始,，至數(shù)字上變頻的前端為止，包括系統(tǒng)同步和干擾抵消兩大組成模塊，系統(tǒng)框圖如圖2所示,，其簡(jiǎn)要介紹如下：

　　(1)在沒有干擾的情況下,，所采集的數(shù)據(jù)源從A點(diǎn)輸入，然后將其構(gòu)造為WCDMA信源,，作為頻域干擾抵消模塊的輸入,。為了使干擾抵消模塊正確運(yùn)轉(zhuǎn)，在本設(shè)計(jì)中的B點(diǎn)輸出信號(hào)為每個(gè)碼片4采樣,。

　　(2)為體現(xiàn)頻域干擾抵消的作用,，在系統(tǒng)中必須模擬一個(gè)干擾信號(hào)。本設(shè)計(jì)將D點(diǎn)的輸出經(jīng)過功放(PA)作為干擾信號(hào),。

　　(3)將干擾信號(hào)經(jīng)過多徑信道,，反饋到B點(diǎn)與WCDMA信號(hào)疊加，再進(jìn)入干擾抵消模塊,。為了抵消干擾,，將E點(diǎn)的輸出反饋到干擾抵消模塊作為參考信號(hào)。在下文中,，將此反饋支路稱為輔鏈路;而干擾抵消+功放的鏈路稱為主鏈路,。

　　(4)有干擾的信號(hào)經(jīng)過頻域干擾抵消模塊，輸出抵消后的無干擾信號(hào)給同步模塊,，即D點(diǎn),。同步模塊進(jìn)行三步搜索，得到幀頭以及擾碼信息,。對(duì)同步后的碼片信號(hào)進(jìn)行解擾解擴(kuò)后得到信息數(shù)據(jù),，如圖中G點(diǎn)輸出。

　　(5)在開關(guān)1處,，可以選擇：有干擾的信號(hào)(C點(diǎn))或者干擾抵消后的信號(hào)(D點(diǎn))輸入同步模塊,，并輸出顯示。

　　(6)在開關(guān)2處,，可以選擇：數(shù)據(jù)源直接顯示(A點(diǎn)),，或者是同步后解出的數(shù)據(jù)顯示(G點(diǎn))。

算法設(shè)計(jì)

　　頻域自適應(yīng)干擾抵消(AIC)模塊利用了頻域?qū)崿F(xiàn)的LMS算法[2,3],。該算法通過1/2重疊保留法的快速傅立葉變換(FFT),，在頻域以直接相乘的計(jì)算方式實(shí)現(xiàn)快速相關(guān)和快速卷積[4]。算法基本框圖如圖3,，其中A點(diǎn)為被干擾的信號(hào),，B為反饋鏈路的信號(hào)，C點(diǎn)為干擾被抵消后的輸出,。主要包括以下循環(huán)執(zhí)行的操作流程,，其中k表示第個(gè)k數(shù)據(jù)塊：

　　(1)對(duì)自適應(yīng)濾波器的M個(gè)頻域抽頭系數(shù)W(k)作初始化設(shè)置;

　　(2)將濾波器的時(shí)域連續(xù)輸入信號(hào)u(n)每個(gè)M組成一個(gè)塊，然后級(jí)聯(lián)兩個(gè)數(shù)據(jù)塊做N點(diǎn)離散快速傅立葉變換，使其轉(zhuǎn)換為頻域信號(hào)U(k),，并將此信號(hào)用作自適應(yīng)濾波器的輸入;其中N是該濾波器抽頭個(gè)數(shù)M的2倍,，即N=2M;

　　(3)將U(k)通過濾波器得到輸出信號(hào)Y(k)，然后進(jìn)行快速傅立葉逆變換(IFFT)處理,，使其轉(zhuǎn)換為時(shí)域信號(hào)y(k),，作為干擾的估計(jì)值;

　　(4)計(jì)算被干擾信號(hào)r(k)和y(k)的差值，即為干擾抵消后的信號(hào)d(k);再產(chǎn)生該期望信號(hào)的頻域值D(k)為下一次濾波器抽頭系數(shù)迭代所使用;

　　(5)利用頻域信號(hào)進(jìn)行最小均方誤差LMS計(jì)算,，即根據(jù)D(k)和U(k)對(duì)W(k)進(jìn)行更新,，并將此更新值返回到步驟(2)中使用。跳轉(zhuǎn)到步驟(2)進(jìn)行反復(fù)迭代,，直至干擾被抵消,。

　　與傳統(tǒng)的時(shí)域LMS算法相比，利用頻域LMS算法可以降低計(jì)算復(fù)雜度,。假設(shè)輸入為實(shí)信號(hào),，濾波器抽頭個(gè)數(shù)為?？梢缘玫?，頻域LMS和時(shí)域LMS的計(jì)算復(fù)雜度之比為。實(shí)際中,，干擾在空中傳輸?shù)臅r(shí)延會(huì)比反饋信號(hào)的時(shí)延大得多,，這時(shí)需要較大的抽頭個(gè)數(shù)才能抵消干擾。假設(shè)M=1024,，則頻域LMS算法可以比時(shí)域LMS算法的速度提高大約16倍,。為簡(jiǎn)化起見，在本文檔中取M=64,，利用頻域LMS算法，在計(jì)算量角度大約可以比時(shí)域LMS算法快1.5倍,。

　WCDMA同步算法

　　對(duì)于任何一個(gè)系統(tǒng),，要進(jìn)行正常的運(yùn)作都必須首先保證系統(tǒng)的同步。WCDMA的小區(qū)搜索分為三個(gè)階段,，即主同步,、輔同步和導(dǎo)頻搜索三個(gè)階段[5]。主同步利用PSC碼對(duì)接收到的主同步信道數(shù)據(jù)(PSCH)做相關(guān),，根據(jù)相關(guān)峰值的位置確定時(shí)隙頭,。在主同步完成之后，輔同步階段可以確定幀頭位置和當(dāng)前小區(qū)使用的擾碼組號(hào),。方法是用輔同步碼(SSC)去做相關(guān),。最后一個(gè)階段是導(dǎo)頻搜索，利用已經(jīng)得到的擾碼組號(hào)和幀頭信息，遍歷一個(gè)主擾碼組所有的8個(gè)可能主擾碼,，分別和導(dǎo)頻信道(CPICH)做相關(guān),。根據(jù)最大的相關(guān)值最終確定擾碼號(hào)?？梢?，經(jīng)過WCDMA的三步同步，就可以得到當(dāng)前小區(qū)的主擾碼號(hào)和幀同步信息,。三步同步的流程圖如圖4所示,。

　　由于同步模塊收到的信號(hào)為4采樣的，而同步模塊內(nèi)部的搜索過程只需利用單采樣的數(shù)據(jù),，因此先要對(duì)過采樣的信號(hào)進(jìn)行下采樣,。另外，為了對(duì)發(fā)送信號(hào)源進(jìn)行匹配,，將接收到的信號(hào)首先經(jīng)過根號(hào)升余弦匹配濾波器,，然后再下采樣到碼片速率，如B點(diǎn)所示,。

　　仿真和測(cè)試結(jié)果

　　仿真結(jié)果

　　首先,，經(jīng)過功率譜密度圖(PSD)驗(yàn)證，經(jīng)過AIC的輸出信號(hào)PSD曲線和發(fā)送信源PSD曲線基本一致,。圖5給出了信干比為-10dB時(shí)算法的定點(diǎn)仿真結(jié)果,。

　　具體而言，在沒有AIC的情況下,，輸出信號(hào)頻譜主瓣內(nèi)的波動(dòng)較大,，而且主瓣下降dB值減小。采用AIC后,，輸出信號(hào)頻譜主瓣內(nèi)的波動(dòng)基本得以改善,，并且下降dB值也基本等于原來輸入信源的下降dB值，表明AIC性能良好,。

其次,，通過量化指標(biāo)EVM進(jìn)行比較[3]，圖6給出了信干比為-10dB時(shí)的EVM指標(biāo),，可以看出,，AIC算法可有效抵消干擾，改善星座圖,。

　　硬件測(cè)試說明

　　在硬件實(shí)現(xiàn)時(shí),，利用的開發(fā)平臺(tái)為Virtex II Board。其中V2P30芯片FPGA" title="FPGA">FPGA具有136個(gè)硬核乘法器和塊RAM,，可滿足自適應(yīng)濾波算法以及大點(diǎn)數(shù)的FFT變換需要大量的乘法器和存儲(chǔ)器的需求,。此外,，大量的Slice可實(shí)現(xiàn)小區(qū)搜索模塊以及相關(guān)測(cè)試平臺(tái)的建立。

　　此外,，對(duì)于簡(jiǎn)易的視頻測(cè)試平臺(tái),，利用VGA接口完成測(cè)試平臺(tái)，進(jìn)行最終的測(cè)試驗(yàn)證,。XUP Virtex II PRO板卡帶有高精度的DAC芯片F(xiàn)MS3818,，能達(dá)到預(yù)期目的。軟件開發(fā)選用了ISE8.2.03i,，相應(yīng)的Chipscope為8.2版本,。

　　硬件系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)頻域AIC、小區(qū)同步搜索,、WCDMA信源發(fā)生器,、測(cè)試平臺(tái)4大模塊。其中AIC模塊可劃分為大點(diǎn)數(shù)的FFT變換以及相應(yīng)的串并,、并串轉(zhuǎn)換等主要功能,。將設(shè)計(jì)分為5個(gè)大的模塊：頂層模塊、AIC處理模塊,、信源發(fā)生器,、小區(qū)搜索以及測(cè)試平臺(tái)。FFT模塊利用賽靈思公司的IP Core(知識(shí)產(chǎn)權(quán)核)來完成;串并,、并串可以利用塊RAM實(shí)現(xiàn);數(shù)據(jù)處理模塊盡可能地使用SRL16結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn),，以節(jié)省資源。

　　系統(tǒng)測(cè)試按照由部分到整體的思路來完成,，首先對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試,，再將部分模塊組合起來完成測(cè)試，最后再對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,。這樣,，可以將錯(cuò)誤及早發(fā)現(xiàn)并將其消滅在起步階段。測(cè)試主要依靠ChipScope來完成,，利用其采集數(shù)據(jù),，再把數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB中，和定點(diǎn)仿真,、ModelSim輸出結(jié)果進(jìn)行比較，完成數(shù)據(jù)分析,，從而確保芯片的運(yùn)行結(jié)果和仿真結(jié)果是相同的,。在測(cè)試中，全部以方波測(cè)試平臺(tái)為基準(zhǔn),。