在長途通信及數字同頻直放站中，由于發射天線和接收天線之間的物理位置關系加上地面折射和反射,接收端會收到很強的多徑回波，嚴重影響信號通信質量。這些回波是輸出信號經過多路衰減信道衰減后返回到輸入端而得到的同頻干擾信號。傳統的雙工器或者濾波器可以濾除工作頻帶外的干擾信號，對工作頻帶中的同頻干擾信號難以濾除，為此需要設計專門的回波抵消系統來消除回波對系統的影響。

    實現回波抵消的基本思路是系統通過偽信道將輸出信號和誤差信號引回到濾波器，先估計出實際衰減信道，調整濾波器的參數，在濾波器內部產生一個與回波相近的信號來抵消回波。回波抵消的程度顯然要受到信道估計精度的影響，信道估計需要采用估計序列，要求這個序列與其他信號的互相關性和不同時刻的自相關性越小越好[1]。一般系統中往往利用輸入信號自身作為估計序列進行信道估計[2]，由于輸入信號的相關性并不理想，致使信道估計精度差一些，因此很多研究人員提出利用相關性較好的PN序列估計信道 [3-5]。現有文獻研究了采用PN序列估計信道方法的可行性，以及與各種自適應算法相結合的效果，沒有具體分析估計序列對信道估計精度影響的問題。本文把PN序列與自適應算法相結合，詳細分析了PN序列的作用機理及影響信道估計精度的原因，并應用到回波抵消系統中，通過輸入OFDM信號進行仿真和實際運行，驗證了采用PN序列估計信道能有效提高信道估計的精度，改善了回波抵消的效果，使通信質量得到提高。
1 回波抵消原理
    在數字直放站進行信道估計與回波抵消的原理如圖1所示。其中，回波衰減序列為hH(n)，輸入信號為s(n)，濾波器輸出的回波估計信號的值為y(n)。

    由圖可知，輸入信號s(n)與回波干擾echo疊加在一起與濾波器產生的估計值相減，由于y(n)是對echo的估計值，它們很接近，因此相減后的值e(n)就是一個很接近輸入信號s(n)的值。估計序列發生器產生的估計序列，一路進入權系數更新模塊，與e(n)作用來不斷更新濾波器每階的權系數；另一路與e(n)疊加后作為輸出信號u(n) 發射出去，同時u(n)引入到自適應算法模塊進行回波估算，估算值y(n)與下一時刻的d(n)相減產生e(n)，如此循環下去，不斷抵消回波干擾。濾波器的一階權系數可以模擬一個衰減信道來抵消回波，權系數階數設計的越多對回波的抵消效果越好。由于硬件資源有限，并考慮到48個衰減信道以后的回波干擾比較微弱，因此系統設計時把權系數的階數定為48階。
    自適應濾波器的算法可采用最小均方算法LMS[5-6]， LMS算法的公式表示為：

    如果用x(n)作為估計序列，x(n)不具備隨機性，則輸入信號與其他信號或自身不同時刻信號相乘時相關性不夠小，對式(13)作類比分析可知，權系數波動會很大，會降低衰減信道估計精度，影響回波抵消效果。
3 仿真分析
    OFDM是多載波調制技術,廣泛用于各種數字傳輸和通信中[7]。采用MATLAB進行仿真，輸入的OFDM信號采用“歸一化”的方法，這樣使得各項的值都在正負1以內。根據上述原理和式(5)～式(8)編寫M文件,建立仿真模型,用PN序列估計信道的仿真結果如圖2～圖6所示。

    圖2為OFDM調制信號功率譜圖。可以看出經OFDM調制后的信號帶內平坦度好，帶寬比較寬，信號平穩，帶外毛刺很小。信號經過傳輸后，OFDM調制信號會受到干擾。在仿真時可以取兩個絕對值小于1的數作為衰減系數，本設計選用的是0.5和0.51，輸出信號經延時再乘以這兩個衰減系數后相加來模擬回波，得到的回波干擾功率譜如圖3所示。圖4為受到圖3所示回波干擾而未加處理的OFDM調制信號。由圖4可以看出，OFDM調制信號嚴重失真，這樣會影響通信質量，因此，必須對回波干擾信號進行處理。
    消除回波干擾需要采用回波抵消的方式，采用PN序列作為估計序列，它產生的估計回波如圖5所示。可以看出它與圖3很接近，抵消處理后的信號與要接收的信號s(n)的趨近效果見圖6。由圖6(a)可以看出，處理后的信號e(n)逐漸趨近s(n)，由它的后端放大圖（圖6(b)）可以看出趨近效果非常好。
    為了進一步觀察用PN估計信道的效果，可以與用輸入信號作估計序列的估計結果進行比較。用輸入自身作估計序列時，回波抵消后的信號e(n)與要接收的信號s(n)的趨近效果見圖7，與圖6相比，可以看出采用PN序列估計信道的效果更好。

4 回波抵消的實現與調試
    回波抵消電路可以用FPGA實現，編寫程序下載到FPGA中，在FPGA內部生成一個自適應濾波器，產生與回波相似的信號來抵消回波。PN序列可以采用MATLAB生成的MIF文件，存入FPGA內部生成的ROM核中，再讀出來加到信號源上。
    圖8是用輸入信號自身作為估計序列時的輸出信號調試結果圖，圖9是用PN序列作為估計序列時的輸出信號調試結果圖。由圖8和圖9可以看出，用PN序列估計信道獲得的信號回波干擾更小一些。表1是用輸入信號自身作為估計序列和用PN作為估計序列的技術指標對比。

    從表1中可以看出，用PN作為估計序列后，系統的隔離度增加了，這是由于對回波的抵消效果增強，回波干擾小了，使得輸出對輸入的影響減小，輸出功率可以增大，隔離度提高。由于采用PN序列估計信道后提高了估計精度，增強了濾波器的濾波效果，因此帶波動和帶外雜散減小了，這同前面仿真提到的用PN估計信道后毛刺大大減小，信號變的平穩一致，說明系統的性能達到了預期的效果。
    回波抵消效果要受到信道估計精度的影響，信道估計精度要受到估計序列相關性的影響。PN序列具有良好的自相關性和互相關性，基于PN序列信道估計的回波抵消方法，可以提高信道估計精度，有效地改善回波的抵消效果。該方法用于長途通信或數字同頻直放站中的回波抵消，可獲得高質量的通信信號。
參考文獻
[1] Zhou Yongqin, Ji Shuzhi, Wang Xudong, et al. Echo cancellation Technology based on PN Sequences,2010:25-26.
[2] Hong Jinkyu, SUH Y W, CHOI JY,et al. Echo canceller for On-Channel Repeaters in T-DMB System[J].Feb.17-20, 2008 ICACT 2008:1735-1738.
[3] Song Bowei, Gui Lin, Guan Yunfeng,et al. On channel estimation and equalization in TDS-OFDM based Terrestrial  HDTV Broadcasting System[J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics, 2005,51(3):790-797.
[4] 白皓東.基于PN序列的OFDM無線信道估計方法研究[D].華北電力大學碩士學位論文,2008.
[5] 王立輝,孫楓,季強,等. LMS自適應濾波算法在FOG數據處理中的應用[J].系統工程與電子技術,2010,32(05):
1047-1050.
[6] 李元杰,楊綠溪,何振亞.基于隱訓練序列的信道估計與跟蹤[J].通信學報，2004,25(12):1-7.
[7] Wang Xiaodong. OFDM and its application to 4 G[J].International Conference on Wireless and Optical Communication, 2005(4):69-74.