王宇舟,鐘 瑜,劉金山

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所共性技術(shù)部,四川成都610036;

2.中國人民解放軍95899部隊(duì),北京100085)

一種高速衛(wèi)星通信交叉極化干擾對消技術(shù)仿真

王宇舟1,鐘 瑜1,劉金山2

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所共性技術(shù)部,四川成都610036;

2.中國人民解放軍95899部隊(duì),北京100085)

給出了一種適用于高速衛(wèi)星通信系統(tǒng)的交叉極化對消技術(shù);該技術(shù)直接采用基于A/D采樣樣本進(jìn)行對消,不要求信號載波同步、定時(shí)同步和基于判決誤差提取等處理過程,簡化了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn);對消算法的基本思想是:實(shí)時(shí)計(jì)算兩路極化信號的相關(guān)性,求出其相關(guān)系數(shù),據(jù)此可以得到干擾分量的大小,然后從被干擾支路扣除干擾分量即可;實(shí)現(xiàn)上采用IDF、MA級聯(lián)結(jié)構(gòu)替代了低通濾波器,避免了并行接收機(jī)的多相濾波結(jié)構(gòu)和大量乘法器資源,簡化了算法實(shí)現(xiàn)。同其它方案相比,對消性能沒有損失,提高了干擾適應(yīng)度,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度大大降低。

交叉極化干擾對消XPIC 基于采樣樣本 相關(guān)系數(shù) 對消性能

0 引 言

高速衛(wèi)星通信系統(tǒng)為了提高系統(tǒng)頻譜效率,增加系統(tǒng)容量,一般采用雙極化傳輸技術(shù),但兩個正交的極化分量由于傳輸信道的非理想特性(電離層去極化、天線物理誤差),導(dǎo)致交叉極化干擾,嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。交叉極化干擾一般采用對消器XPIC來進(jìn)行消除[1-5]。

XPIC的結(jié)構(gòu)一般有多種:

第1種是基于LMS/RLS的橫向?yàn)V波器均衡對消結(jié)構(gòu)[2],該方法需要兩個極化信號是同步的,包括各自的載波、符號同步、以及兩路的信號延遲保持一致,對消的性能才能得以保證,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜相對比較大。

第2種是基于極化合并的均衡對消結(jié)構(gòu),其復(fù)雜對更大,由于它將干擾分量提取出來,疊加到有用的支路上,使檢測性能得以增強(qiáng),得到分集合并增益。

第3種是基于相關(guān)對消的思路[1],由于兩路信號是獨(dú)立的隨機(jī)過程,當(dāng)干擾存在時(shí),具有一定相關(guān)性,干擾信號乘以相關(guān)系數(shù),便是主信道中的干擾分量。從對消器的位置來看,XPIC可以是A/D之后基于采樣的對消器,也可以是接收機(jī)同步以后基于符號間隔或過采樣符號間隔的對消器?？梢?干擾量XPD的估計(jì):可以是基于判決的誤差提取技術(shù),也可以是基于相關(guān)的干擾提取技術(shù)。

文中采用基于采樣樣本的相關(guān)對消技術(shù),為了適應(yīng)高速衛(wèi)星通信的并行接收機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)用,在文獻(xiàn)[1]的基礎(chǔ)上,將相關(guān)、積分器和低通濾波器,簡化為乘累加器,并采用IDF多窗口平滑技術(shù)策略,根據(jù)高速系統(tǒng)采樣樣本多,衛(wèi)星信道XPI時(shí)變性信道變化緩慢的特點(diǎn),能夠使實(shí)時(shí)性達(dá)到us量級。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是:易于在高速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn),基于A/ D采樣樣本進(jìn)行對消,而無需像基于判決的均衡結(jié)構(gòu),需要進(jìn)行載波同步、定時(shí)同步、與符號判決等要求,大大的簡化了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),對于1 000 Mb/s左右的高速衛(wèi)星通信系統(tǒng),易于工程實(shí)現(xiàn)。

1 極化干擾信道模型

衛(wèi)星通信中,雙極化信號由于電離層去極化影響(法拉第旋轉(zhuǎn)),以及天線物理誤差[3](非理想的OMT隔離),造成兩路正交信號的極化干擾,雙極化干擾的信道模型[3]如下:

式中,Rl、Rr分別是接收機(jī)接收到的,被極化干擾的左、右旋信號;Tl、Tr是發(fā)射機(jī)發(fā)射的正交左、右旋信號;hll、hlr、hrl、hrr分別是左右旋收、發(fā)天線相應(yīng)的信道傳輸增益(函數(shù))。對于正交調(diào)制信號,基帶形式的Rl、Rr、Tl、Tr均為復(fù)數(shù)。

交叉極化干擾的采用XPD(交叉極化區(qū)分因子)表示,其定義如下:

根據(jù)信道的不同,XPD的取值在5～40 dB的范圍之內(nèi),具體由傳輸無線信道、天線設(shè)備不理想、及其它因素決定的。

2 XPIC對消算法

不失一般性,令干擾極化信道為對稱信道,即:

則,歸一化的干擾信道矩陣簡化為:

則,接收到的雙極化信號分別為:

式中,T1(t)、T2(t)為發(fā)射的兩路正交信號,兩者為相互獨(dú)立隨機(jī)過程,而且各自都是隨機(jī)的用戶數(shù)據(jù)符號,R1(t)、R2(t)為接收機(jī)收到的含極化干擾信號。則,兩者的互相關(guān)函數(shù)可以表示為:

由T1(t),T2(t)的獨(dú)立性,上式右邊第1、4項(xiàng)為0;則上簡化為:

不失一般性,衛(wèi)通常用的MPSK調(diào)制信號、如BPSK、QPSK、8PSK等信號,自相關(guān)函數(shù)可以歸一化為一個常數(shù)E/2,則上式變?yōu)?

式中,xcorr(t)可以利用輸入樣本進(jìn)行估計(jì),E是一個與實(shí)現(xiàn)無關(guān)的常數(shù),因此可由式(2),估計(jì)出γ。則,干擾對消的過程可以表示為:

由上式可見,干擾信道得到了消除。

由式(3)進(jìn)行對消操作,導(dǎo)致了信號幅度降低,造成的信噪比損失可以表示為:

由于γ一般取值為-5～-40 dB,利用上式可以計(jì)算,當(dāng)γ為-5 dB、-8 dB、-10 dB、-20 dB時(shí),信噪比損失分別為:0.915 1、0.221 0、0.087 3、0.000 8。對于衛(wèi)星通信一般γ小于-10 dB,可見,相關(guān)操作導(dǎo)致的SNR損失小于0.22 dB,從后面該操作的對消增益(3～5 dB)比較,可以忽略。

3 實(shí)現(xiàn)問題

由上面的分析可見,采用式(2)進(jìn)行γ估計(jì),特別是其中xcorr(t)的估計(jì)是算法的關(guān)鍵。算法實(shí)現(xiàn)[1]一般采用乘法單元,后續(xù)級聯(lián)積分器、低通濾波處理模塊,但在高速接收機(jī)中,由于FPGA時(shí)鐘限制,一般會將A/D采樣以后的數(shù)據(jù)并行成多路進(jìn)行降速,并行度一般為4、8、16等,甚至更高。導(dǎo)致傳統(tǒng)的積分器、低通濾波器需要采用復(fù)雜的多相濾波來結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。FPGA資源消耗非常巨大。

為了適應(yīng)高速應(yīng)用需要,文中仿真采用基于乘累加器的結(jié)構(gòu),并利用積分清零器,再加上移動平均MA的結(jié)構(gòu)來進(jìn)行相關(guān)系數(shù)估計(jì)。實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 相關(guān)估計(jì)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)Fig.1 Implementation structure of correlation estimation

圖1中采用并行乘法器結(jié)構(gòu),之后是并行求和,數(shù)據(jù)變成單路數(shù)據(jù),之后的積分清零IDF是清零累加器,每次累加完成規(guī)定的數(shù)據(jù)以后,輸出累加結(jié)果,并清零累加器進(jìn)行下次累加運(yùn)算,其功能類似于一個低通濾波器;IDF的輸出結(jié)果,送到移動平滑單元MA,進(jìn)一步進(jìn)行滑窗濾波操作,其實(shí)現(xiàn)也是基于累加器以及延遲的相減操作?？梢姶私Y(jié)構(gòu)除了相關(guān)的乘法器,無須多相濾波結(jié)構(gòu),也無須濾波單元的乘法器,節(jié)省了FPGA資源,簡化實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。

此結(jié)構(gòu)相當(dāng)于兩級低通濾波結(jié)構(gòu),根據(jù)濾波理論分析[6],級聯(lián)濾波(IDF、MA)的帶外抑制可以達(dá)到26 dB以上,可以滿足相關(guān)估計(jì)實(shí)際應(yīng)用的要求。

4 仿真結(jié)果分析

Matlab仿真的基本仿真參數(shù)如下:

2)采用平均器代替低通濾波器和積分器組合。

3)平均窗口:8 192。

4)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)每個結(jié)果的仿真數(shù)據(jù)樣本數(shù)1.6384e6點(diǎn)。

5)SNR/XPI掃描間距0.25 dB。

(1)信號信噪比掃描仿真

本次仿真取固定值A(chǔ)dB=10 dB。信噪比從0 dB開始掃描到18 dB,仿真的誤碼性能曲線如圖2所示,性能曲線給出了有XPIC的性能和沒有XPIC兩種情況。

圖2 信噪比從0到18 dB掃描變化時(shí)的性能仿真曲線Fig.2 Simulation performance curve with SNR scanning from 0 to 18 dB

可見,對消導(dǎo)致的誤碼率改善性能增益在3～5 dB左右不等。同文獻(xiàn)[1]的仿真分析結(jié)果是一致的。

(2)XPI掃描仿真

本次仿真取固定值snr=11 dB。AdB從3 dB開始掃描到43 dB,仿真的誤碼性能曲線如圖3所示。

圖3 XPD從3到45dB掃描變化時(shí)性能仿真曲線Fig.3 Simulation performance curve of XPD scanning from 3 to 45 dB

從圖3可知:

1)當(dāng)極化干擾衰減大于3.5 dB時(shí),XPIC器失效;

2)當(dāng)極化干擾衰減達(dá)到8 dB時(shí),對消效果達(dá)到最好,同很大的衰減情況一致;

3)當(dāng)極化干擾衰減達(dá)到30 dB時(shí)及其后,幾乎沒有了對消的效果。

同文獻(xiàn)[1]比較,由于本方案采用更長的平滑時(shí)間窗口,XPD可以降低到3.5 dB,而不是文獻(xiàn)[1]的10 dB左右。

5 結(jié) 語

從仿真結(jié)果中的兩種情況分析可見,文中采用的IDF、MA級聯(lián)濾波方案,節(jié)省了FPGA實(shí)現(xiàn)資源,簡化了高速并行接收機(jī)XPIC的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度,性能與傳統(tǒng)串行實(shí)現(xiàn)方法相同,由于其具有較長的平滑時(shí)間(可以靈活控制),使XPD可以降低到3.5 dB,具有明顯的優(yōu)勢。

[1] ViaSat Inc..Digital Cross-Polar Interference Canceller [EB/OL].(2008-12-20)[2013-10-25]http:// www.patentfish.com/cross-polarization-interferencecanceller-using.

[2] 呂殿基.用于WCDMA上行系統(tǒng)的并行干擾對消算法[J].通信技術(shù),2009,42(07):125-128.

LU Dian-Ji,Application of Parallel Interference Cancellation in WCDMA Uplinks[J],Communication Technology,2009,42(07):125-128.

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[6] 胡廣書.數(shù)字信號處理-理論、算法與實(shí)現(xiàn)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003:305.

HU Guang-shu.Digital Signal Processing—Theory,Algorithm and Implementation[M].Beijing:Qing Hua University Press,2003:305.

WANG Yu-zhou(1970-),male,Ph.D., senior engineer,majoring in aero-space communication,telemetry&command,and signal processing.

鐘 瑜(1979-),男,碩士,高級工程師,主要研究方向?yàn)楹娇蘸教焱ㄐ?、測控、信號處理;

ZHONG Yu(1979-),male,M.Sci.,senior engineer, majoring in signal processing,aero-space communication and telemetry&command.

劉金山(1963-),男,碩士,高級工程師,主要研究方向?yàn)橥ㄐ?、航空?shù)據(jù)鏈。

LIU Jin-Shan(1963-),male,M.Sci.,senior engineer, majoring in communication and aero data link.

Simulation of High-Speed Satellite Communication Cross-Polar Interference Canceller Technology

WANG Yu-zhou1,ZHONG Yu1,LIU Jin-shan2
(1.Signal Processing Key Lab,No.10 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610036,China; 2.Unit 95899 of PLA,Beijing 100085,China)

A kind of XPIC(Cross-Polar Interference Canceller)technology for high-speed satellite communication system is presented.This technology,with direct A/D sampling-based samples to complete interference cancelling,requires no signal carrier synchronization,timing synchronization,and determinationbased error retrieving processing procedure,thus simplifying system implementation.The basic idea of this technology is to make real-time calculation of the correlation of two branch polar signals,and further acquire their correlation parameters and the interference components,and finally cancel the last interference from main branch.With cascaded IDF and MA structures in replacement of low pass filters,the multiphase filtering structure and plenty of multipliers in parallel receiver could be avoided,thus simplifying the algorithm implementation.As compared with other schemes,it has no loss in performance,and could fairly improve the interference-adaptable capability while enormously reducing the implementation complexity.

XPIC;sampling-based samples;correlation parameter;cancelling performance

TN911.4

A

1002-0802(2014)02-0141-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.02.004

王宇舟(1970-),男,博士,高級工程師,主要研究方向?yàn)楹娇蘸教焱ㄐ?、測控、信號處理;