同时同频全双工LTE射频自干扰抑制能力分析及实验验证

徐 强 全 欣 潘文生 邵士海 唐友喜



同时同频全双工LTE射频自干扰抑制能力分析及实验验证

徐 强 全 欣 潘文生 邵士海*唐友喜

(电子科技大学通信抗干扰技术国家级重点实验室 成都 611731)

同时同频全双工本地发射信号会对本地接收信号产生强自干扰，为了使信号能够通过射频接收通道及模数转换器件，需要在射频前端进行自干扰抑制。在自干扰为直射路径的条件下，该文采用直接射频耦合法，对长期演进(LTE)同时同频全双工自干扰抑制进行实验测试；分析推导了自干扰功率、带宽及线缆、幅度、相位调整误差对射频自干扰抑制能力的影响；得到了射频自干扰抑制能力的闭合表达式。分析表明对于20 MHz带宽，−10 dBm接收功率的LTE射频自干扰信号，理论上能抑制54 dB的射频自干扰，而实验测试结果表明能抑制51.2 dB。

无线通信；全双工；自干扰；射频抑制；长期演进(LTE)

1 引言

同时同频全双工(CCFD)是指设备的发射机和接收机占用相同的频率资源同时进行工作，使移动通信上、下行可以在相同时间使用相同的频率，突破了现有的频分双工和时分双工[1]模式，理论最大频谱效率可以提升一倍；近三年来，CCFD得到了业界的广泛关注[2,3]。

射频自干扰抑制可以分为直接射频耦合干扰抑制[6,7,12,13]和数字辅助射频干扰抑制[2,14]，并且已经得到了初步工程验证[6,7,15,16]。直接射频耦合干扰抑制的典型方法如文献[6]和文献[7]。文献[6]将发射信号经过可变衰减、可变延时处理后，得到干扰重建信号，将接收信号与干扰重建信号相减，完成射频干扰抑制；经实验验证，对于10 MHz带宽的WiFi信号，可以抑制45 dB自干扰。文献[7]在文献[6]的基础上，对干扰重建方法进行了改进，将发射信号经过两路可变衰减器和固定延时器，得到干扰重建信号；经实验验证，对40 MHz带宽的OFDM信号，可以抑制45~50 dB自干扰。射频自干扰功率、带宽以及线缆长度、幅度、相位调整误差对射频自干扰抑制效果的影响，目前还没有分析和实验验证的报道。

本文采用直接射频耦合干扰抑制方法，对长期演进(LTE)信号同时同频全双工展开实验验证；在自干扰为直射路径的条件下，分析了实验中干扰抑制方法的原理模型和射频自干扰抑制能力；推导了自干扰功率、带宽及射频调整误差对射频自干扰抑制能力影响的闭合表达式；给出了射频自干扰抑制能力随干扰功率、干扰带宽变化的理论关系曲线和实验关系曲线；分析了实验关系曲线与理论关系曲线存在差距的原因，以及曲线变化趋势的依据。

本文内容安排如下：第2节给出了实验采用的干扰抑制方法的原理模型，对该方法的工程设计和实现进行分析，并给出理论分析结果；第3节介绍了实验验证采用的实验平台、实验条件、实验方法；第4节给出了干扰功率、带宽对射频自干扰抑制能力影响的实验曲线和理论曲线，并对实验结果进行分析；第5节是全文的总结。

2 实验设计原理

2.1 实验原理模型

其中为有用信号，为自干扰信号，为接收通路噪声。

一般情况下，本地发射天线与接收天线固定在同一设备上，收发天线间存在直射路径。直射径自干扰的能量远远高于其它散射路径，是造成ADC阻塞的主要原因，因此射频自干扰抑制目的是消除直射径自干扰。基于以上分析，仅考虑直射径自干扰，自干扰可以表示为[17]。

2.2 工程设计分析

工程实现中，考虑到大尺度可调时延器件的体积和成本问题，实验中采用长度可调的传输线缆和可调相位器件等效实现时延调整。

将式(15)代入式(7)，得到对应射频自干扰抑制能力为

根据式(11)，在最优解式(14)情况下，信号每个频点的干扰抑制情况可以用残余干扰与噪声的功率谱表示，即

2.3 误差分析

2.4 理论分析结果

2.4.1线缆长度误差 根据式(20)，可以得到不同带宽下射频自干扰抑制能力与线缆长度误差的变化关系。在幅度和相位调整不存在误差时，变化关系如图2所示。可以看出：(1)带宽固定时，射频自干扰抑制能力随线缆长度误差增加而下降；(2)线缆长度误差固定时，射频自干扰抑制能力随带宽增加而下降；(3)对线缆长度的精度要求随带宽增加而提高，对于带宽为5 MHz的信号，达到70 dB的抑制能力，线缆长度的允许误差约为10%(约为4.2 cm)，对于20 MHz带宽的LTE信号，线缆长度的允许误差需要在2.5%(约为0.1 cm)以下。

3 实验验证

利用自制实验平台验证射频自干扰抑制方法的有效性以及发射信号功率、带宽和射频调整误差对射频自干扰抑制能力的影响。

3.1实验平台

根据2.1节和2.2节的分析，实验采用发射与接收通道板、干扰重建板及数字信号处理板共同完成射频干扰抑制。其中，发射与接收通道板用于完成中频信号的发射和接收；干扰重建板用于重建自干扰信号；数字信号处理板对接收中频信号进行功率检测，控制幅度衰减因子和相位调整值。硬件组成框图如图6所示。

图2 不同带宽下射频自干扰抑制能力随线缆误差的变化

图3 不同线缆长度下功率谱的变化(中心频率为2.6 GHz)

图4 不同带宽下射频自干扰抑制能力随幅度误差的变化

图5 不同带宽下射频自干扰抑制能力随相位误差的变化

3.2 实验环境及条件

本节实验目的是验证自干扰功率和自干扰带宽对射频自干扰抑制能力的影响。实验在室内完成，采用的实验条件和理论分析条件如表1，表2所示。

4 实验结果及分析

4.1 实验结果

4.1.1干扰功率对射频自干扰抑制能力的影响 固定干扰带宽为20 MHz，在接收功率分别为−50 dBm, −40 dBm, −30 dBm, −20 dBm, −10 dBm时，记录射频自干扰抑制能力。实验结果与理论分析结果对比如图7，可以看出：(1) 实验结果与有工程误差理论分析结果存在1.5~4.5 dB的差距，并且差距随接收干扰功率的增加而减少；(2)随着接收干扰功率的增加，射频自干扰抑制能力在提高；(3)由于存在线缆、幅度、相位调整误差，有工程误差理论分析结果与无工程误差理论分析结果存在1~34 dB的差距，并且差距随接收干扰功率增加而增大；残余干扰可以由后续的数字干扰抑制进行弥补。

4.1.2干扰带宽对射频自干扰抑制能力的影响 固定接收干扰功率为−10 dBm，在自干扰带宽分别为5 MHz, 10 MHz, 15 MHz, 20 MHz时，记录射频自干扰抑制能力。实验结果与理论分析结果的对比如图8，可以看出：(1) 实验结果与有工程误差理论分析结果存在1.5~3.5 dB的差距，并且差距随干扰带宽增加而减少；(2)随着干扰信号带宽的增加，射频自干扰抑制能力在下降；(3)由于线缆、幅度、相位调整误差，有工程误差理论分析结果与无工程误差理论分析结果存在约34 dB的差距；残余干扰可以由后续的数字自干扰抑制进行弥补。

4.2 对比与分析

下面针对实验结果与理论分析结果的不同之处以及曲线变化趋势进行分析。

(1)实测结果与理论结果存在差距 图7是干扰带宽为20 MHz，不同干扰功率下射频自干扰抑制能力的实验测试曲线和理论分析曲线。图7中可以看出，实验结果与理论结果有1.5~4.5 dB左右的差距，差距会随着干扰功率增加而减少。存在差距的主要原因是干扰重建板引入的噪声以及实验平台的非理想特性[20]：

表1实验条件

参数名称参数值 发射信号格式LTE-OFDM 本地收发天线距离(cm)15 发射信号中心频率(GHz)2.6 接收干扰功率(dBm)−50, −40, −30, −20, −10 发射信号带宽(MHz)5, 10, 15, 20 噪声系数(dB)3

表2理论分析条件

参数名称参数值 线缆误差(cm)5 幅度调整误差(dB)0.005 相位调整误差()0.05 接收干扰功率(dBm)−50, −40, −30, −20, −10 发射信号带宽(MHz)5, 10, 15, 20 噪声系数(dB)3

图6 实验平台的组成

图7 不同接收干扰功率下的射频自干扰抑制能力

图8 不同干扰带宽下的射频自干扰抑制能力

(a)抑制前干扰功率高于−30 dBm时，射频自干扰抑制能力的实验数据与理论数据的差距基本一致(1.5 dB左右)。由于理论残余干扰功率在−83 dBm以上，比−98 dBm的底噪高出15 dB以上，根据式(7)，可以忽略底噪对实际射频自干扰抑制能力的影响，因此存在差距的主要原因是实验平台的非理想特性。

(b)抑制前干扰功率为−50 dBm时，理论射频自干扰抑制能力为46.9 dB，即抑制后干扰残余功率为−96.9 dBm。考虑到实验平台的底噪为−98 dBm，抑制后残余干扰功率与底噪相近，根据式(7)，底噪水平的高低会影响实际射频自干扰抑制能力。由于干扰重建板会引入3 dBm的噪声，使底噪水平抬升至−95 dBm，使射频自干扰抑制能力最大只能达到45 dB；同时实验平台存在非理想特性，导致实际射频自干扰抑制能力约为42.5 dB。

(c)干扰功率较小(低于−30 dBm)时，残余干扰功率与底噪水平接近，噪声和实验平台的非理想特性共同导致了实际射频自干扰抑制能力与理论射频自干扰抑制能力存在较大差距；随着干扰功率的增加，残余干扰功率与底噪的差距增大，实验平台的非理想特性成为存在差距的主要原因。因此，从总趋势来看，实际射频自干扰抑制能力与理论射频自干扰抑制能力的差距会随着干扰功率增加而减小。

图8是干扰功率为−10 dBm，不同干扰带宽下射频自干扰抑制能力的实验测试曲线和理论分析曲线。实验结果与理论结果存在差距，并且差距会随着干扰带宽、幅度调整误差、相位调整误差的增加而减少，存在差距的主要原因是实验平台的误差。随着干扰带宽的增加，根据式(20)，这些因素对实际射频自干扰抑制能力的影响比实验平台误差的影响更为明显，因此，实际射频自干扰抑制能力与理论射频自干扰抑制能力的差距会随着干扰带宽增加而减小。

(2)射频自干扰抑制能力随干扰能量变化 从图7可以看出，射频自干扰抑制能力的趋势是随着干扰信号能量的增加而增强，并且存在极限值。

值得说明的是，射频自干扰抑制能力强并不意味着残余干扰能量小。事实上，干扰信号能量越强，残余干扰能量越大，对有用信号解调的影响也越大。

(3)射频自干扰抑制能力随干扰带宽变化 图8可以看出，射频自干扰抑制能力的趋势是随着干扰信号带宽的增加而降低，主要原因在于用相位调整重建自干扰信号无法完全重建自干扰信号，带宽越宽，重建自干扰信号的误差越大。

存在线缆误差时，只能通过调整重建信号的相位使残余干扰能量最小。由式(14)可以看出，相位调整根据中心频率的相位变化而进行调整。干扰重建支路将所有频点经过同样相移得到干扰重建信号；而实际自干扰信号各频点的相位变化是不同的，带宽越大，相位变化差别越大。因此，带宽越大，干扰重建信号误差越大，射频自干扰抑制能力也会相应下降。

5 结束语

文本采用直接射频耦合干扰抑制方法，对LTE信号同时同频全双工进行了实验验证；在自干扰为直射路径的条件下，分析推导了射频自干扰抑制能力的闭合表达式；得到了射频自干扰抑制能力随干扰功率、干扰带宽的变化曲线。实验结果及理论分析结果表明：(1)射频自干扰抑制能力随干扰功率增加而变大，并且存在极限值；(2)射频自干扰抑制能力随干扰带宽增加而减小；(3)射频自干扰抑制能力的极限水平由线缆、幅度、相位调整精度决定。理论分析和实验测试为射频自干扰抑制的方法优化、系统器件选型提供了理论指导，相关实验测试为LTE同时同频全双工的工程应用提供了参考数据。

本文在分析和实验过程中仅考虑了直射径自干扰，且相位等效调整的方案对宽带自干扰信号的抑制能力有限，因此有待进一步探索研究的方向包括：(1)自干扰信号存在多径时的射频自干扰抑制方法；(2)带宽内平坦抑制自干扰的射频自干扰抑制方法。

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徐 强： 男，1983年生，助教，博士生，研究方向为全双工电路设计.

全 欣： 女，1988年生，博士生，研究方向为全双工自干扰抑制.

潘文生： 男，1975年生，博士生，研究方向为宽带射频设计.

邵士海： 男，1980年生，副教授，研究方向为多天线信号处理.

唐友喜： 男，1964年生，教授，博士生导师，研究方向为数字通信、扩频通信(包括CCFD, CDMA, OFDM)等.

Analysis and Experimental Verification of RF Self-interference Cancelation for Co-time Co-frequency Full-duplex LTE

Xu Qiang Quan Xin Pan Wen-sheng Shao Shi-hai Tang You-xi

(,,611731,)

Co-time Co-frequency Full-Duplex (CCFD) radio transmission will cause a strong self-interference in its receiver. To ensure the undistorted transmission in the Radio Frequency (RF) channel and effective sampling of the desired signal, the Self-Interference Cancellation (SIC) need to be applied to RF frontend. In this paper, the CCFD verification experiment is presented based on the Long Term Evolution (LTE) that adopts RF SIC with the coupled RF transmitted signal. Considering the direct path self-interference between transmit and receive antennas, the relationship among interference power, interference bandwidth, RF adjustment errors and SIC ability is analyzed. Consequently, the expression of SIC ability is derived. Analysis and experimental results show that the SIC abilities are 54 dB in theory and 51.2 dB in practice for a 20 MHz LTE signal with received power of −10 dBm.

Wireless communication; Full-Duplex (FD); Self-interference; RF cancellation; Long Term Evolution (LTE)

TN92

A

1009-5896(2014)03-0662-07

10.3724/SP.J.1146.2013.00717

2013-05-23收到，2013-09-03改回

国家自然科学基金(61271164, U1035002/L05, 61001087, 61101034)，国家科技重大专项(2014ZX03003001-002, 2012ZX 03003010-003, 2011ZX03001-006-01)和中国航天科技集团公司卫星应用研究院创新基金资助课题

邵士海 ssh@uestc.edu.cn