一種高速衛星通信交叉極化干擾對消技術仿真

王宇舟,鐘 瑜,劉金山

(1.中國電子科技集團公司第十研究所共性技術部,四川成都610036;

2.中國人民解放軍95899部隊,北京100085)

一種高速衛星通信交叉極化干擾對消技術仿真

王宇舟1,鐘 瑜1,劉金山2

(1.中國電子科技集團公司第十研究所共性技術部,四川成都610036;

2.中國人民解放軍95899部隊,北京100085)

給出了一種適用于高速衛星通信系統的交叉極化對消技術;該技術直接采用基于A/D采樣樣本進行對消,不要求信號載波同步、定時同步和基于判決誤差提取等處理過程,簡化了系統實現;對消算法的基本思想是:實時計算兩路極化信號的相關性,求出其相關系數,據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;實現上采用IDF、MA級聯結構替代了低通濾波器,避免了并行接收機的多相濾波結構和大量乘法器資源,簡化了算法實現。同其它方案相比,對消性能沒有損失,提高了干擾適應度,實現復雜度大大降低。

交叉極化干擾對消XPIC 基于采樣樣本 相關系數 對消性能

0 引 言

高速衛星通信系統為了提高系統頻譜效率,增加系統容量,一般采用雙極化傳輸技術,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),導致交叉極化干擾,嚴重影響系統性能。交叉極化干擾一般采用對消器XPIC來進行消除[1-5]。

XPIC的結構一般有多種:

第1種是基于LMS/RLS的橫向濾波器均衡對消結構[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,實現復雜相對比較大。

第2種是基于極化合并的均衡對消結構,其復雜對更大,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,得到分集合并增益。

第3種是基于相關對消的思路[1],由于兩路信號是獨立的隨機過程,當干擾存在時,具有一定相關性,干擾信號乘以相關系數,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,也可以是接收機同步以后基于符號間隔或過采樣符號間隔的對消器。可見,干擾量XPD的估計:可以是基于判決的誤差提取技術,也可以是基于相關的干擾提取技術。

文中采用基于采樣樣本的相關對消技術,為了適應高速衛星通信的并行接收機結構應用,在文獻[1]的基礎上,將相關、積分器和低通濾波器,簡化為乘累加器,并采用IDF多窗口平滑技術策略,根據高速系統采樣樣本多,衛星信道XPI時變性信道變化緩慢的特點,能夠使實時性達到us量級。該結構的特點是:易于在高速系統設計中實現,基于A/ D采樣樣本進行對消,而無需像基于判決的均衡結構,需要進行載波同步、定時同步、與符號判決等要求,大大的簡化了系統的實現,對于1 000 Mb/s左右的高速衛星通信系統,易于工程實現。

1 極化干擾信道模型

衛星通信中,雙極化信號由于電離層去極化影響(法拉第旋轉),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分別是接收機接收到的,被極化干擾的左、右旋信號;Tl、Tr是發射機發射的正交左、右旋信號;hll、hlr、hrl、hrr分別是左右旋收、發天線相應的信道傳輸增益(函數)。對于正交調制信號,基帶形式的Rl、Rr、Tl、Tr均為復數。

交叉極化干擾的采用XPD(交叉極化區分因子)表示,其定義如下:

根據信道的不同,XPD的取值在5～40 dB的范圍之內,具體由傳輸無線信道、天線設備不理想、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)為發射的兩路正交信號,兩者為相互獨立隨機過程,而且各自都是隨機的用戶數據符號,R1(t)、R2(t)為接收機收到的含極化干擾信號。則,兩者的互相關函數可以表示為:

由T1(t),T2(t)的獨立性,上式右邊第1、4項為0;則上簡化為:

不失一般性,衛通常用的MPSK調制信號、如BPSK、QPSK、8PSK等信號,自相關函數可以歸一化為一個常數E/2,則上式變為:

式中,xcorr(t)可以利用輸入樣本進行估計,E是一個與實現無關的常數,因此可由式(2),估計出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)進行對消操作,導致了信號幅度降低,造成的信噪比損失可以表示為:

由于γ一般取值為-5～-40 dB,利用上式可以計算,當γ為-5 dB、-8 dB、-10 dB、-20 dB時,信噪比損失分別為:0.915 1、0.221 0、0.087 3、0.000 8。對于衛星通信一般γ小于-10 dB,可見,相關操作導致的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 實現問題

由上面的分析可見,采用式(2)進行γ估計,特別是其中xcorr(t)的估計是算法的關鍵。算法實現[1]一般采用乘法單元,后續級聯積分器、低通濾波處理模塊,但在高速接收機中,由于FPGA時鐘限制,一般會將A/D采樣以后的數據并行成多路進行降速,并行度一般為4、8、16等,甚至更高。導致傳統的積分器、低通濾波器需要采用復雜的多相濾波來結構實現。FPGA資源消耗非常巨大。

為了適應高速應用需要,文中仿真采用基于乘累加器的結構,并利用積分清零器,再加上移動平均MA的結構來進行相關系數估計。實現結構如圖1所示。

圖1 相關估計實現結構Fig.1 Implementation structure of correlation estimation

圖1中采用并行乘法器結構,之后是并行求和,數據變成單路數據,之后的積分清零IDF是清零累加器,每次累加完成規定的數據以后,輸出累加結果,并清零累加器進行下次累加運算,其功能類似于一個低通濾波器;IDF的輸出結果,送到移動平滑單元MA,進一步進行滑窗濾波操作,其實現也是基于累加器以及延遲的相減操作?？梢姶私Y構除了相關的乘法器,無須多相濾波結構,也無須濾波單元的乘法器,節省了FPGA資源,簡化實現復雜度。

此結構相當于兩級低通濾波結構,根據濾波理論分析[6],級聯濾波(IDF、MA)的帶外抑制可以達到26 dB以上,可以滿足相關估計實際應用的要求。

4 仿真結果分析

Matlab仿真的基本仿真參數如下:

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)統計數據每個結果的仿真數據樣本數1.6384e6點。

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AdB=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,對消導致的誤碼率改善性能增益在3～5 dB左右不等。同文獻[1]的仿真分析結果是一致的。

(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)當極化干擾衰減大于3.5 dB時,XPIC器失效;

2)當極化干擾衰減達到8 dB時,對消效果達到最好,同很大的衰減情況一致;

3)當極化干擾衰減達到30 dB時及其后,幾乎沒有了對消的效果。

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

5 結 語

從仿真結果中的兩種情況分析可見,文中采用的IDF、MA級聯濾波方案,節省了FPGA實現資源,簡化了高速并行接收機XPIC的實現復雜度,性能與傳統串行實現方法相同,由于其具有較長的平滑時間(可以靈活控制),使XPD可以降低到3.5 dB,具有明顯的優勢。

[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上行系統的并行干擾對消算法[J].通信技術,2009,42(07):125-128.

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

[3] NOEL P,PROKOPTSOV M,KLEMES M,et al.The Design,Development and Implementation of a Cross Ploarization Interference Cancellation System for Point-to-Point Digital Microwave Radio System[C]//Electrical and Computer Engineering(CCECE),2011 24th Canadian Conference.USA:IEEE:1365-1369.

[4] CUSANI R,BACCARELLI E.A Simple Polarization-Recovery Algorithm for Dual-Polarized Cellular Mobile-Radio Systems in Time-Variant Faded Environments[J]. IEEE Transactions on VechicularTechnology,2000, 49(01):220-228.

[5] TAKAHASHI M,TAKANASHI H,TANAKA T.Cross Polarization Interference Canceler for Microcellular Mobile Communications Systems[C]//‘Gateway to Globalization',1995 IEEE International Conference.USA: IEEE,1995:910-914.

[6] 胡廣書.數字信號處理-理論、算法與實現[M].北京:清華大學出版社,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,主要研究方向為航空航天通信、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,主要研究方向為通信、航空數據鏈。

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,主要研究方向為航空航天通信、測控、信號處理;