隨著下一代5G無(wú)線通信在全球的普及，頻譜成為了非常寶貴的資源。一方面，新型無(wú)線通信應(yīng)用對(duì)于通信速度的需求與日俱增，無(wú)線通信負(fù)載的主要媒體已經(jīng)從2G時(shí)代的文字、3G時(shí)代的圖像進(jìn)化到4G時(shí)代的視頻，而在5G時(shí)代更可能會(huì)演進(jìn)到ARVR等更“高維”的媒體形式；另一方面，根據(jù)通信理論，信道容量與其占用的頻率帶寬成正比，因此有限的頻譜上與用戶對(duì)于通信速度需求的上升成為了一對(duì)主要矛盾。

在無(wú)線通信中，雙工（duplex）指的是收發(fā)機(jī)的接收（RX）部分和發(fā)送（TX）部分如何協(xié)同工作。在目前主流的無(wú)線通信協(xié)議中，通常會(huì)使用時(shí)分雙工（time-division duplex，TDD）或頻分雙工（frequency-division duplex，F(xiàn)DD）。TDD指的是把無(wú)線通信分割成多個(gè)時(shí)隙（time slot），在一個(gè)時(shí)隙中，僅允許TX或者RX中的一個(gè)工作，但是TX或者RX工作時(shí)，可以使用整個(gè)頻譜帶寬。FDD則是把頻譜分成兩份，給TX和RX各分配其中的一份，因此TX和RX可以同時(shí)工作，但是不能使用整個(gè)帶寬。

全雙工收發(fā)機(jī)想法的提出

如前所討論的，無(wú)論是FDD還是TDD，事實(shí)上都造成了通信帶寬的額外占用，因此都不是最理想的雙工方式。如果我們能同時(shí)取TDD和FDD的優(yōu)勢(shì)，即既能TX和RX同時(shí)通信，且TX和RX又能同時(shí)占用所有帶寬，那么就可以在通信碼率相同的情況下，把需要的頻率帶寬節(jié)省一半，換句話說(shuō)就是把頻譜效率提升了一倍。這樣的雙工方式我們稱之為全雙工（full duplex）。

然而，全雙工存在一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，就是自干擾。一個(gè)典型的收發(fā)機(jī)架構(gòu)如下圖所示，TX、RX和天線三者由三端口器件環(huán)流器circulator耦合在一起。Circulator保證TX到天線的信號(hào)衰減很小，且天線信號(hào)到RX的信號(hào)衰減很小，同時(shí)TX到RX則有很高的信號(hào)隔離，如50dB。這樣一來(lái)，TX的信號(hào)泄漏到RX端會(huì)經(jīng)過(guò)50dB的信號(hào)衰減。然而，當(dāng)TX發(fā)射功率較大時(shí)，泄漏到RX端的信號(hào)仍然會(huì)很大。舉例來(lái)說(shuō)，如果TX端的發(fā)射信號(hào)是0dBm（一個(gè)較典型的發(fā)射功率），那么泄漏到RX端的功率就會(huì)是-50dBm。相比之下，典型的RX接收信號(hào)功率可低至-70dBm（比TX泄漏信號(hào)的功率低100倍），因此在full duplex模式下TX和RX使用相同頻率且同時(shí)工作，那么RX接收信號(hào)就會(huì)被淹沒(méi)在TX的泄漏信號(hào)下。這也是傳統(tǒng)TDD和FDD嘗試避免的——TDD保證TX和RX不會(huì)同時(shí)工作，那么就不用擔(dān)心TX泄漏問(wèn)題；FDD則讓TX和RX工作在不同頻率，因此可以在RX端做下變頻和濾波的時(shí)候確保TX的泄漏信號(hào)不會(huì)干擾RX。

如何解決全雙工的自干擾問(wèn)題？斯坦福大學(xué)的Sachin Katti，Jung Il Choi和Mayank Jain在2010、2011年的論文［2-3］中給出了解決問(wèn)題的框架。其關(guān)鍵就在于，對(duì)于自干擾來(lái)說(shuō)，TX端的信號(hào)對(duì)于RX來(lái)說(shuō)是已知的，因此可以想辦法在RX端引入一個(gè)和TX泄漏信號(hào)極性相反的信號(hào)去抵消TX泄漏。在［2］中，作者給出了全雙工收發(fā)機(jī)抑制TX泄漏的一些機(jī)制：

天線抑制，即在引入抵消信號(hào)前，環(huán)流器對(duì)于TX信號(hào)的抑制，通常在30-50dB。射頻鏈路抑制，即在RX的射頻鏈路中引入一個(gè)和TX泄漏信號(hào)的抵消信號(hào)，用以抑制TX泄漏，通常等效抑制比在20-30dB。數(shù)字抑制，即在數(shù)字基帶中考慮TX的泄漏信號(hào)并在解調(diào)中予以抵消，抑制比通常在30-50dB左右。

這樣一來(lái)，總的抑制比可達(dá)90-110dB，對(duì)于一些場(chǎng)景已經(jīng)能用了。作者使用QHx220芯片來(lái)提供射頻鏈路抑制搭建了短距離ZigBee全雙工收發(fā)機(jī)，并且驗(yàn)證了全雙工收發(fā)機(jī)的中位吞吐率比半雙工（類(lèi)似TDD）高84%。

全雙工收發(fā)機(jī)具體實(shí)現(xiàn)與SOTA

作者使用了分立元件實(shí)現(xiàn)了全雙工無(wú)線通信系統(tǒng)，但是如果要讓全雙工通信真正落地大規(guī)模使用還是需要在集成電路中實(shí)現(xiàn)全雙工通信的各模塊。

全雙工通信的集成電路實(shí)現(xiàn)的挑戰(zhàn)和近幾年來(lái)的技術(shù)發(fā)展主要來(lái)自于TX泄漏的射頻鏈路抑制。主要原因在于（1）天線抑制主要來(lái)源于環(huán)流器的設(shè)計(jì)，而環(huán)流器在成本、尺寸等條件給定后能提升的空間有限，換句話說(shuō)天線抑制在整體抑制中可以認(rèn)為是一個(gè)給定的常量（2）TX泄漏的射頻鏈路抑制存在閾值效應(yīng)，即僅僅當(dāng)射頻鏈路抑制大于某個(gè)閾值時(shí)收發(fā)機(jī)才能正常工作，因此射頻鏈路抑制無(wú)法被數(shù)字抑制所取代。換句話說(shuō)，在天線抑制給定的情況下，射頻鏈路抑制10dB+數(shù)字抑制50dB和射頻鏈路抑制30dB+數(shù)字抑制30dB的兩種組合，很可能后者的RX信噪比SNR會(huì)遠(yuǎn)好于前者，甚至有可能前者根本無(wú)法工作。造成這個(gè)的原因主要是RX射頻鏈路中的電路非線性。例如，由于電路非線性，RX鏈路的增益相對(duì)于輸入信號(hào)功率并不是一個(gè)常數(shù)。當(dāng)輸入信號(hào)功率超過(guò)某個(gè)閾值之后，整個(gè)RX鏈路會(huì)因?yàn)樾盘?hào)飽和而增益下降。假設(shè)我們的RX鏈路的增益在輸入信號(hào)功率-70dBm的時(shí)候增益是70dB，而在-60dBm的時(shí)候增益是62dB。再假設(shè)RX輸入信號(hào)是-73dBm，TX泄漏信號(hào)經(jīng)過(guò)天線抑制是-50dBm。我們考慮兩種情況：

情況1：射頻鏈路抑制比是23dB，而數(shù)字抑制能完美抑制掉剩余的TX泄漏。這時(shí)候，RX輸入信號(hào)功率是-73dBm +（-50dBm – 23dB）= -70dBm，因此RX鏈路的增益是70dB，而RX信號(hào)經(jīng)過(guò)放大并去除剩余的TX泄漏信號(hào)后的輸出功率是-3dBm。情況2：射頻鏈路抑制比是10dB，而數(shù)字抑制能完美抑制掉剩余的TX泄漏。這時(shí)候，RX輸入信號(hào)功率是-73dBm +（-50dBm – 10dB）= -60dBm，因此RX鏈路的增益是62dB，而RX信號(hào)經(jīng)過(guò)放大并去除剩余的TX泄漏信號(hào)后的輸出功率是-11dBm。

在兩種情況下，TX泄漏信號(hào)都被完全去除了，但是情況2由于射頻鏈路抑制比不夠造成了RX鏈路增益下降，最后RX輸出信號(hào)比情況1低了8dB，這就降低了信噪比。除了增益下降之外，RX鏈路的非線性還會(huì)造成三階交調(diào)等問(wèn)題，限于篇幅這里不再分析，但是總體的結(jié)論就是為了保證RX鏈路的性能，射頻鏈路抑制必須要高于某個(gè)閾值且在到達(dá)這個(gè)閾值之前無(wú)法用數(shù)字抑制去代替射頻鏈路抑制。

如上圖所示，射頻鏈路抑制的基本原理是將TX端的信號(hào)送入canceller模塊，該canceller模塊會(huì)對(duì)輸入TX信號(hào)進(jìn)行相移和幅度衰減，以確保其輸出信號(hào)與TX泄漏信號(hào)幅度相等但是相位相反。因此，canceller設(shè)計(jì)實(shí)乃整個(gè)射頻鏈路抑制的核心，而該canceller設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)在于如何做到高帶寬。TX泄漏信號(hào)的相位和幅度在頻域上并不恒定，而canceller必須在信號(hào)帶寬的范圍內(nèi)都能做到追蹤TX泄漏信號(hào)的相位和幅度，因此并不容易。在該領(lǐng)域，哥倫比亞大學(xué)的Harish Krishnaswamy可以說(shuō)是權(quán)威。

在經(jīng)過(guò)數(shù)年的積累后，Krishnaswamy和他當(dāng)時(shí)的學(xué)生Jin Zhou在JSSC上發(fā)表了一篇該領(lǐng)域的經(jīng)典論文，在論文中提出了解決高帶寬信號(hào)全雙工收發(fā)機(jī)的射頻鏈路抑制解決方案。

該canceller的基本思想是使用多個(gè)中心頻率、增益和相移都可配置的帶通濾波器（BPF），每個(gè)BPF負(fù)責(zé)在目標(biāo)帶寬的一部分頻率范圍上能追蹤TX泄漏信號(hào)，從而能保證canceller能在整個(gè)帶寬范圍內(nèi)能做到抵銷(xiāo)TX泄漏信號(hào)。在具體設(shè)計(jì)上，每個(gè)BPF都使用了N-Path結(jié)構(gòu)——N-Path濾波器的概念出現(xiàn)在上世紀(jì)70年代（信號(hào)處理的黃金時(shí)代），并在2010年左右被荷蘭屯特大學(xué)的Bram Nauta在射頻電路中再次復(fù)興（當(dāng)年Nauta組憑借一塊芯片在頂會(huì)ISSCC上發(fā)表了兩篇論文，也算是創(chuàng)下了記錄），其主要的特點(diǎn)是品質(zhì)因數(shù)（Q）較高，且可配置性和線性度較好。N-Path有一個(gè)問(wèn)題是它對(duì)信號(hào)會(huì)有衰減，但是用在canceller的BPF上這個(gè)問(wèn)題就變得無(wú)關(guān)緊要，因?yàn)楸緛?lái)canceller就要對(duì)輸入的TX信號(hào)進(jìn)行衰減，因此在canceller BPF中使用N-Path也是一件非常漂亮的設(shè)計(jì)。在中，canceller的帶寬已經(jīng)可以做到20MHz，其射頻鏈路抑制比也可達(dá)到20dB。

哥倫比亞的Krishnaswamy組繼續(xù)在全雙工收發(fā)機(jī)芯片領(lǐng)域探索，去年年底在JSSC上發(fā)表的論文提出了對(duì)于MIMO優(yōu)化的全雙工收發(fā)機(jī)，器射頻抑制比可達(dá)45dB，而Jin Zhou在PhD畢業(yè)之后拿到了UIUC的教職并建立了wireless microsystems circuits group，他們最近的研究成功地把canceller的帶寬做到了100MHz，該研究將在今年的IMS上發(fā)表。
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