基帶交叉極化干擾抵消技術研究

王毅 曹素莎

摘要：隨著移動計算設備、多媒體業務等通信業務的迅猛發展，頻譜擁擠問題越來越突出。為解決頻譜資源短缺，可以采用頻率復用技術，其中雙極化傳輸就是一種重要的頻率復用技術。對雙極化傳輸過程中產生的交叉極化干擾需要進行干擾抵消。對于快速變化的信道，當前的LMS-XPIC技術無法跟蹤信道的變化，提出了跟蹤性能更好的NIRLS-XPIC算法，并進行了仿真分析和比較。結果表明，NIRLS-XPIC收斂快，能跟蹤信道變化，且比RLS-XPIC計算復雜度低。

關鍵詞：雙極化復用；交叉極化干擾抵消；數值迭代；最小二乘法；跟蹤性能；誤碼率

中圖分類號：TN911.4文獻標志碼：A文章編號：1008-1739（2019）18-60-3

0引言

雙極化頻率復用技術（Co-Channel Dual-Polarization，CCDP）是在同一波道內采用相同的載波同時傳輸兩路正交極化波[1]。頻譜寬度不變，使頻譜利用率提高1倍，具有很好的應用前景。

由于不均勻大氣介質以及地物地貌對電波的散射反射，使得在同頻載波上傳輸的兩路正交極化波產生交叉極化干擾[2]。需要在通信系統接收端引入交叉極化干擾抵消器（Cross-polarization Interference Canceller，XPIC）來去除交叉極化干擾。目前對于XPIC的研究主要使用LMS-XPIC算法[3]，其性能穩定、實現簡單，但收斂速度較慢，跟蹤性能不夠好，當跟蹤性能不足以跟蹤信道的快速變化時，會導致抵消器輸出比特誤碼率性能下降，嚴重時甚至導致抵消器失效。

1原理

交叉極化干擾抵消可在基帶、中頻或射頻進行，本文選擇在基帶實現。在消除干擾時，既要考慮交叉極化信號對同極化信號的交叉干擾，又要考慮同極化方向的碼間干擾，所以XPIC采用均衡和抵消并行的結構[4]。

在進行干擾抵消時，無法事先得到輸入信號的統計特性，使用相關的自適應算法對抽頭系數等參數進行自動調整，使濾波器獲得最好的實現性能。交叉極化干擾抵消的過程是把接收的H路信號經過濾波器之后得到的干擾信號與V路信號相減，再把相減后得到的信號與期望的輸出信號相比較來調節濾波器的系數，使得相減得到的信號與期望信號最接近，實現交叉干擾抵消的目的。交叉極化鑒別度XPD是衡量算法優劣的重要指標，即本信號經信道傳輸后得到的主極化分量與另一信號經信道傳輸后產生的交叉極化分量之比[5]，如式（1）所示。

2.2 NIRLS-XPIC

傳統RLS算法對遞推更新計算引起的累計舍入誤差敏感，而累積誤差最小二乘算法在遞推更新過程中引入了另一個附加參數———累積誤差[7]，殘余誤差被累積到第次遞推更新過程中予以消除，從而消除了誤差。

根據累積誤差RLS算法對遞推更新計算引起的舍入誤差不敏感的特性，權衡迭代算法的復雜度，可以采用數值迭代方法（Max-CD算法[8]）來近似實現矩陣求逆，將近似矩陣求逆運算帶來的均衡器抽頭加權更新偏差作為累積誤差RLS算法的殘余誤差向量進行消除，保證了算法的收斂性能和跟蹤性能。因此，與數值迭代算法結合的累積誤差RLS算法性能不會存在大的損失，計算復雜度降低。這種算法就是數值迭代最小二乘（Numerical Iterative Recursive Least Square，NIRLS）算法。

3實驗仿真

為了驗證NIRLS算法的性能好壞，使用Matlab對LMS-XPIC，RLS-XPIC，NIRLS-XPIC三種算法進行了仿真分析比較，LMS-XPIC步長設置為2.2×10-2，RLS-XPIC和NIRLS遺忘因子設置為=0.98，橫向濾波器為11階。

3.1跟蹤性能分析

仿真信號采用QPSK，=10 dB，=20 dB，第2 000次迭代時，再次插入訓練序列來觀察算法跟蹤性能可以看出：NIRLS-XPIC， RLS-XPIC收斂后的均方誤差一直保持平穩，而LMS-XPIC收斂后的均方誤差出現發散現象。基于LMS算法的抵消器每次迭代的過程是找最相鄰的點，在有訓練序列時誤差減小，再次插入訓練序列時LMS-XPIC因為跟蹤性能差相位發生變化，均方誤差還小但誤碼率已經很高，導致誤差曲線出現凸起，需要再進行一次收斂過程，即LMS-XPIC算法跟蹤不上信道的變化，而NIRLS-XPIC算法和RLS-XPIC算法均能較好地跟蹤信道的變化。

3.2誤碼率分析

如圖2所示，是64QAM下誤碼率隨信噪比變化曲線圖，XPD為25， 15 dB。分析BER特性可以看出，XPI對信號誤碼率有嚴重影響，有XPIC的接收器明顯優于沒有XPIC的接收器；干擾越嚴重（XPD數值越大）抵消效果越明顯；與理想抵消相比，實際的XPIC后還殘余著一定干擾，當=10-6時，NIRLS-XPIC效果與RLS-XPIC效果相差不大，比LMS-XPIC有約0.3 dB的提升。

3.3交叉極化改善度分析

對于干擾抵消的效果好壞，一般是由信號通過XPIC前后的XPD值之差（交叉極化改善度）來作為衡量XPIC性能的指標。圖3為采用64QAM測試了=10-6情況下的交叉極化改善度，可以看出，XPD越大，交叉極化干擾對系統的影響越小；基于LMS算法進行XPIC的系統比沒有XPIC的系統的XPD改善約為20 dB；基于RLS算法和基于NIRLS算法進行XPIC的系統比沒有XPIC的系統的XPD改善約為23 dB，比LMS-XPIC提升了約3 dB，系統性能得到改善。

3.4計算復雜度分析

設橫向濾波器階數為，若以XPIC算法每次抽頭加權更新中復數乘法運算的次數表征算法的復雜度，計算可得：LMS-XPIC計算復雜度為2，RLS-XPIC計算復雜度為22+5，NIRLS-XPIC計算復雜度為7。NIRLS-XPIC算法與LMS-XPIC的復雜度都與成線性關系，容易硬件實現，而RLS-XPIC算法計算復雜度與呈平方關系，NIRLS-XPIC抵消算法復雜度高于LMS-XPIC算法，但遠遠低于傳統的RLS算法。與LMS-XPIC算法相比，NIRLS-XPIC算法增加了一定的計算復雜度，但得到了更好的收斂性能和跟蹤性能。

4結束語

利用CCDP+XPIC技術，一路信號工作在垂直極化，另一路信號工作在水平極化，XPIC有效地消除了交叉極化干擾。在有效降低了計算復雜度基礎上，與傳統的LMS-XPIC算法相比，NIRLS-XPIC收斂快速、收斂后誤差小、跟蹤性能好、交叉極化改善度高，使用NIRLS算法的交叉極化干擾抵消器性能更優良。

參考文獻

[1]黎盛泉，廖羽宇，陳寧.交叉極化干擾工程邊界條件分析[J].電子信息對抗技術，2016，31（4）：43-46.

[2]李師師.無線通信系統中XPIC及載波同步實現技術研究[D].成都：電子科技大學，2014.

[3] Peter N，Mikhail P，Marek K，et al.The Design，Development and Implementation of a Cross-Polarization Interference Cancellation System for Point-to-point Digital Microwave Radio Systems[J]. IEEE CCECE，2011：1365-1369.

[4]苑津津.極化調制信號的交叉極化鑒別度（XPD）補償算法研究[D].北京：北京郵電大學，2017.

[5] Hugo P，Nuno B C. Cross-Polarization Interference Cancelation （XPIC） Performance in Presence of Non-linear Effects[C]//IEEE INMMIC，2010.

[6] Herbig，P. A New Acquisition Technique for Carrier Recovery with QAM Signals[J].1993 Fourth European Conference on Radio Relay Systems，，1993：316-321.

[7] Cusani R，Baccarelli E，Di B G，et al.A Simple Polarization-Recovery Algorithm for Dual-polarized Cellular Mobile-radio Systems in Time-variant Faded Environments[J]. Vehicular Technology，IEEE Transactions on，2000，4（1）： 220-228.

[8]魏宗帥.高速數傳系統中的極化干擾抵消關鍵技術研究[D].長沙：國防科學技術大學，2015.