專利名稱：用于同線電話中繼通信的自干擾消除的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種其中使用一中繼站幫助兩戶同線電話間通信的射頻或光通信系統，特別是涉及一種能夠更有效地使用可用信道資源的改進。
圖1中示出了兩個用一第三方中繼站物理地隔離的裝置之間的射頻或光通信。中繼站從兩個用戶裝置中的每一個接收信號，并一般在一個偏離接收頻道的頻道中把復合接收信號轉發回兩個用戶裝置。兩個例子是1.在兩個地球終端(地面，機載或船載終端)之間利用非處理“彎管”轉發器以線性模式衛星通信。
2.用一個中繼無線電臺(例如，一個系留飛行物或一個無線電天線塔)連接的兩個終端之間的地面視距內無線通信。
中繼站可以同時轉發比圖1中所示的兩個更多的信號。一般可以使用諸如頻分多址(FDMA)，時分多址(TDMA)，碼分多址(CDMA)之類的已知多址聯接技術的任何一種，或是組合使用一種以上的這類技術的混合技術分享中繼資源。在每一種這類技術中，中繼資源被有效地信道化，使得接收機可以通過在一個特定時間、利用一個特定編碼、或是利用它們的某種組合調諧在一個特定頻率上，把一個特定的接收信號與所有其它用戶的信號隔離。為了簡化說明，以下的討論將基于FDMA技術，盡管也可以使用利用TDMA，CDMA或混合多址聯接技術的裝置。
圖2顯示了一對在用戶1與用戶2之間頻域中隔離的信號。用戶1發送的信號具有f1Hz的中心頻率和W1Hz的帶寬。用戶2發送的信號具有f2Hz的中心頻率和W2Hz的帶寬。根據FDMA技術，支持從用戶對的同時傳輸所需的總帶寬是(W1+W2)Hz。轉播的其它信號被分配給其它非重疊帶寬。因此用戶的數量受到該中繼帶寬的限制。盡管這是一種多個用戶之間的中繼資源的直通式分割，但不需要最有效的使用。
在電話通信中，由于扭絞線對電路的帶寬是有限的，因此有必要更有效地利用可用帶寬，其中發送和接收信號共享同一帶寬。但是這種類型的通信并不是本發明所用詞匯意義上的中繼通信，而是點對點通信，盡管信號可以經過其路途中的幾個中間節點從源用戶路由選擇到目的用戶。由于發送和接收信號占據同樣的帶寬，因而使用被稱為混合型的裝置把兩條線路上的混合信號隔離成發送和接收部分。但是，這些位于兩個電話公司中心局的裝置不能完全隔離信號，其不良后果是產生回波。因此接收的信號將包含被發送信號的兩個回波，一個來自本地中心局的近回波，和一個來自遠端中心局的遠回波。
為了數據通信，用一種回波消除器消除這些回波，回波消除器從接收信號中減去發送信號的一個適當定標和延遲的復制品。由于信號不是轉播的，并且發送和接收信號之間不存在頻率偏移，因此可以用一種適合的濾波器方法完成回波消除器的功能。濾波器的系數可以用諸如LMS(最小均方值)算法之類的許多已知算法中的任何一種進行估算。但是，這種方法不能擴展到其中發送和接收頻率是顯著不同的中繼通信系統的場合。因此，必須使用一種不同的消除技術，以便中繼信號能夠共享同一帶寬。
需要一種機構來提供可用信道資源的更有效使用，以支持一組射頻或光終端之間的任何成對連接的雙向中繼通信。更具體地說，需要一種改進，它在使用中不依賴于多址聯接技術，不依賴于系統的調制和編碼，并且不利用任何數據壓縮技術，或不需要中繼站的專門設備。
根據本發明，在與發射機相關的接收機消除源發送信號，使得能夠從一復合接收信號提取希望的接收信號，該復合信號是由與來自用戶對中另一個用戶的希望的接收信號伴隨的從中繼站轉發的源發送信號，加上附加的噪聲構成的。本發明利用了每個用戶事先知道它的源發送信號的確切結構和能夠估算中繼站與它本身之間的信道特性的有利事實。在源信號起點的裝置利用這個知識幫助估算去和來自中繼站的來往傳播延遲。
中繼源信號對事先知道的源信號的相對信號幅度，載頻和相位。
一旦發送站的裝置確定了這些參量，它可以從來自中繼站的復合中繼(下行鏈路)信號中減去事先已知的發送信號的時間、頻率、相位和幅度調節方案。剩余信號包括希望的來自另一個用戶希望的信號，加上因通信信道造成的附加噪聲，以及時間、相位、頻率和幅度的殘余失準造成的誤差信號。
通過參考附圖和所附技術說明可以對本發明有更好的理解。
圖1是顯示中繼通信系統操作的示意圖；圖2是顯示現有全雙工通信所需帶寬的示意圖；圖3是顯示本發明全雙工通信所需帶寬的示意圖；圖4是說明自干擾消除技術的波形圖；圖5是對于源信息信號是數字性質的應用時根據本發明的干擾消除器與發射機/接收機的其它組件的關系的方框圖；圖6是對于源信息信號是模擬性質的應用時根據本發明的干擾消除器與發射機/接收機的其它組件的關系的方框圖；圖7是本發明的一個具體實施例的方框圖；圖8是說明本發明使用的一個可能的訓練序列的波形定時圖；圖9是說明一個延遲參數估算器的實施例的方框圖。
圖3示出了本發明的優點，即，通過信號重疊提高了可用帶寬的利用。使用本發明，用戶1和用戶2可以利用相同的中心頻率f1Hz同時發送。被該對信號占據的所得總帶寬是W1或W2Hz中較大的一個，與不用本發明的所需帶寬(W1+W2)Hz相比節約達50％。在TDMA環境中，用戶2和用戶2可以共用相同的時隙，為更多的用戶空出其它時隙。在CDMA系統中，用戶同樣可以共用相同的擴展碼。由于始發信號的裝置具有源信號的知識，并能夠估算信號的特性，因而本發明得以實現。
在圖4中示出了組合信號的概念。在圖形1中，表示組合信號S1+S2。圖形2示出了第一源信號S1。圖形3示出了第二源信號S2。中繼站總是發送組合信號。可以從組合信號中減去第一源信號以恢復第二源信號，即來自其它裝置的信號。盡管所示信號使用了振幅鍵控，但也可以使用其它調制方法。在本例中，可以看到在各時間兩個源信號，S1和S2，相互抵消，在組合信號S1+S2中產生零電位。應當特別注意，盡管組合信號可能不時地為零，但減去第一源信號S1仍然能恢復第二源信號S2，因而這種現象并不影響本發明的操作。
本發明可以通過處理硬件、固件或軟件的數字信號實現。它也可以大量地在模擬(線性)硬件中實現。應當認識到本發明可以對象圖5和6中所示的現有通信設備起到增強作用，應當根據具體應用選擇實施本發明。
圖5說明了對于源信息信號是數字性質的應用說利用本發明的發射機/接收機的配置。在這種場合，延遲，或存儲源信息信號而不是調制器的輸出更有效。因此，干擾消除器使用的源信號S1表示的是源信息信號。另一方面，如果源信息信號是模擬性質的，圖6所示的配置可能是最好的，其中調制器的輸出是干擾消除器使用的源信號的代表。如果往來于中繼站的往返傳播時間足夠小，那么可以任意選擇配置。
應當清楚，無論使用圖5的配置還是圖6的配置，通信雙方都必須利用本發明的發射機/接收機。為了簡化，僅對用戶1設備的操作進行說明。參考圖5，每個裝置100具有一個調制器102，一個發射機104，一個發射天線106或等同作用的信號輻射器，一個接收天線108，一個接收機110，一個干擾消除器112和一個解調器114。作為選擇，用戶裝置可以配置一個單個天線以及一個雙工器代替發射天線106和接收天線108。調制器102把源信息信號轉換成一種適于傳輸的格式。發射機104通過天線106把源信息信號S1發送到中繼站。通過接收天線108，接收機110接收復合信號S1′+S2′，干擾消除器比較代表復合信號S1′+S2′的一個信號，并根據對信道傳輸特性的估算以及包含在源信息信號中的代表S1的信號現有知識減去一個代表S1的信號，以獲得一個代表S2′的信號。解調器114從代表恢復的S2′信號的信號恢復希望的信息信號。圖6的配置與圖5的配置的不同之處僅在于干擾消除器獲得來自調制器102的輸出，而不是來自源信息信號的代表S1的信號的現有知識。
圖7顯示了干擾消除器112的一個實施例。它有五個元件一個用于存儲源信號代表的可變延遲元件20，一個調制器/混頻器元件22，一個可編程增益元件24，一個減法器26，和一個參數估算元件28。通過可變延遲元件20供給作為S1發送的源信號、或用于產生S1的源信息信號，接著在延遲后，經過調制器/混頻器元件22，并繼續經過可編程增益元件24進入減法器26。代表接收到的復合信號S1′+S2′的信號被輸入到參數估算元件28和減法器26中。參數估算元件28被動態編程，以便分別向可變延遲元件20、調制器/混頻器22和參數增益元件24提供時間、頻率、相位和增益校正。減法器26的輸出是接收信號的希望的組成部分。
更具體地講，干擾消除器112是由下列主要元件構成的可變延遲元件20用于把已知源信號延遲一段時間量τ，使它能夠與接收的復合信號的源信號分量在時間上正確地對準。
調制器/混頻器元什22用于調節已知源信號的頻率和相位，使它具有與接收的復合信號的源信號分量相同的頻率和相位。將延遲的已知源信號分量乘以ej(2πf0τ+φ)]]>，其中f0是估算的已知和接收信號之間的相對頻差，φ是估算的相對相位差。如果已知源信號是以源信息信號的形式存儲在延遲元件20中的，那么這個元件還必須重復調制器106的功能。
可編程增益元件24用于調節已知源信號的相對振幅，使其與復合接收信號的源信號分量的振幅相同。
減法器26用于從復合接收信號中線性地減去調節過的源信號。
參數估算元件28用于獲得調節參數，τ，f0，φ和G，它們中的每個都可以隨時間變化，并被用于使源信號與接收的復合信號的源信號分量正確地對準。
這些組件中的每一個都有一種或多種已知的現實方式。存在著多種可能的執行參數估算功能的方法，本發明并不依賴任何一種特定的方法。以下說明一種初始估算希望參數的方法的例子。
假設中繼信道是線性的，因而其它用戶的信號，S2，的存在或不存在將不會影響估算修改存儲的S1的代表以產生消除信號所需的四個參數(τ，f0，φ和G)中任何一個的可靠性。可以使用慣用的開環或閉環估算算法估算參數。例如，無論是否存在其它信號都可以使用相關技術，僅有的差別在于如果存在其它信號，那么它將作為一個大的噪聲分量出現于相關器，因此必須延長相關處理的持續時間。
如果需要四個參數的快速初始估算，可以使用如圖8所示的一種簡單訓練協議。在本實施例中，通過預先規定，用戶2在一個預定的時間周期中抑制其信號的發送。在這段時間中，用戶裝置1估算它的參數。然后用戶裝置1在一預定時間周期中抑制其信號，此時用戶裝置2估算它的參數。此后兩個用戶可以開始通信，利用估算的參數以初始化消除裝置。本發明可以利用多種不同的訓練協議。
在干擾消除裝置參數初始化之后，必須頻繁地更新(跟蹤)它們以使雙向通信過程中誤差信號分量最小。圖9中示出了用于產生一個誤差信號以跟蹤延遲參數的技術。它使用了一種“超前-滯后”選通技術以便有規律地確定稍微小一點還是稍微大一點的延遲可以改善一個本身事先已知的信號與從中繼站接收的復合信號的相關。誤差信號被用作向一個傳統的延遲鎖定環的輸出信號，以保持延遲參數τ的最佳估算。可以利用類似技術對載頻和相位參數進行跟蹤。
總之，本發明包括一種用于通過一個諸如衛星轉發器或一個地面中繼器之類的中繼站在一個第一裝置和一個第二裝置之間進行諸如無線或光通信之類的雙向中繼電磁通信的方法，該方法包括在每個裝置產生一源信號，存儲可以是源信號本身或由源信號輸送的源信息的源信號代表，估算從裝置至中繼站一往返路程的信道特性以獲得補償參數，向轉播所有信號的中繼站發送源信號，在每個裝置接收來自中繼站的包含來自該對發送裝置中每個的源信號的代表的復制信號的復合信號，利用補償參數修改存儲的代表以獲得一個消除信號，和從復合信號減去消除信號以恢復作為來自其它裝置的源信號的所希望信號等步驟。
該方法可以限于在一個第一共用發送頻道上發送和在一個第二共用接收頻道上接收使用，以優化帶寬利用。該方法也可以在分別共享時隙和擴展碼的時分多址系統或碼分多址系統中使用。此外，該方法可以在這些多址聯接技術(FDMA，TDMA和CDMA)的任何混合組合中使用。
根據本發明的一種設備用于一個通過一個中繼站進行雙向中繼通信的系統中的裝置，其中每個裝置包括一個調制器，一個發射機，一個接收機和一個解調器。該設備可以包括用于俘獲從調制器傳向發射機的源信號或源信息信號的裝置，用于存儲源信號的代表或源信息信號的裝置，用于估算至中繼站往返路徑的信道特性以獲得補償參數的裝置，用于從復合信號包含一個源信號的復制信號的接收機提取一個復合信號的裝置，耦合到估算器用于利用補償參數修改存儲信號以獲得一個消除信號的裝置，和耦合到修改裝置和提取裝置用于從復合信號減去消除信號以恢復一個作為來自其它裝置源信號的所希望信號的裝置的組合。
至此參考具體實施例說明了本發明。本發明的其它實施例對于熟悉本領域的一般技術人員是十分明顯的。因此，除了權利要求指出的范圍之外，本發明并不受特定實施例的限制。
權利要求
1.一種用于通過一個中繼站在一個第一裝置和一個第二裝置之間進行雙向中繼電磁通信的方法，包括步驟在每個所述第一和第二裝置產生一個源信號；在每個所述裝置存儲所述源信號的代表作為存儲信號；估算至所述中繼站的一往返路徑的信道特性以獲得用于每個裝置的補償參數；從每個所述裝置向所述中繼站發送所述源信號；在每個所述裝置從所述中繼站接收一個復合信號，所述復合信號包含來自每個所述裝置的所述源信號的一個復制信號；在每個所述裝置利用所述補償參數修改所述存儲信號以獲得一個用于每個所述裝置的相應消除信號；和在每個所述裝置從所述復合信號減去所述相應消除信號以恢復一個希望的信號，所述希望的信號是來自其它裝置的源信號。
2.如權利要求1所述的方法，其中每個所述裝置在一個第一共用發射頻道上發送和在一個第二共用接收頻道上接收。
3.如權利要求1所述的方法，其中每個所述裝置在一個共用發射時隙中發送和接收。
4.如權利要求1所述的方法，其中每個所述裝置使用一個共用擴展碼發送和接收一個擴展頻譜信號。
5.如權利要求1所述的方法，其中每個所述裝置利用一種混合多址聯接方案的一個共用信道分配發送和接收。
6.如權利要求1所述的方法，其中每個所述第一裝置和所述第二裝置在所述相應裝置中的另一個沒有進行發送的周期中發送一個訓練序列，以允許所述信號的快速分析。
7.如權利要求1所述的方法，其中每個所述第一裝置和所述第二裝置不利用訓練序列執行所述信道的分析。
8.在通過一個中繼站在一個第一裝置和一個第二裝置之間進行雙向中繼電磁通信的一個系統中，其中每個所述第一裝置和所述第二裝置包括一個調制器，一個發射機，一個接收機和一個解調器，一個在每個所述第一裝置和所述第二裝置用于允許所述系統共享共用通信信道的裝置，所述裝置包括用于俘獲從所述調制器傳向所述發射機的源信號或傳向所述調制器的源信息信號的裝置；用于存儲所述源信號的代表的裝置；用于估算至所述中繼站的一往返路徑的信道特性以獲得補償參數的裝置；用于從所述接收機提取復合信號的裝置，所述復合信號包含所述源信號的一個復制信號；耦合到所述估算裝置用于利用所述補償參數修改所述存儲信號以獲得一個消除信號的裝置；和耦合到所述修改裝置和所述提取裝置用于從所述復合信號中減去所述消除信號以獲得一個希望信號的裝置，所述希望信號是來自另一個裝置的源信號。
全文摘要
在與發射機(104)相關的接收機(110)消除一個源發送信號,因而可以從一個復合接收信號中提取希望的接收信號,該復合信號包括伴隨著來自通信對中的另一個用戶的希望的接收信號從中繼站(中繼裝置)轉播的源信號,加上附加的噪聲。本發明利用了每個用戶(用戶1,用戶2)事先知道它的源發送信號的確切結構和能夠估算中繼站與它本身之間的信道特性的有利事實。
文檔編號H04B7/015GK1192305SQ96195991
公開日1998年9月2日 申請日期1996年7月31日 優先權日1995年8月1日
發明者馬克·D·丹克伯格, 馬克·J·米勒, 邁克爾·G·馬利根 申請人:維爾塞特公司