基于FPGA的APCMA信號接收的設計與實現

楊偉　韓星　閆紅超

0引言

成對載波多址接入（Paired Carrier Multiple Access，PCMA）技術由美國ViaSat公司的Mark Dankberg在1998年首次提出。PCMA技術主要針對的是采用透明轉發器以自環模式工作的雙向衛星通信系統，該技術允許雙向衛星通信鏈路在時域和頻域上完全重疊。基于PCMA技術可以節省接近一半的寬帶資源，同時具有較強的抗截獲能力，因此在衛星通信系統中得到廣泛應用。

APCMA信號是成對載波多址技術在非對稱模式下的一種應用，大帶寬、高功率的主站強信號疊加了多路小帶寬，低功率的小站弱信號，并且所有小站弱信號的頻譜不重疊且全部處于主站強信號頻帶中。

自適應濾波器能夠在輸入信號統計特性未知或者變化的情況下，通過調整自身參數，對輸入信號進行持續跟蹤。經過近幾十年發展，自適應濾波器在系統辨識、信道均衡、回音消除和干擾抵消等場景得到廣泛應用。

在非協作通信中，由于小站信號完全在主站信號頻帶內，導致常規的信號接收方案失效。本文在分析APCMA信號特點的基礎上，結合波形重構思想和自適應抵消思想設計了APCMA信號接收方案，并在FPGA上進行了測試驗證。經過實際測試，具有較好的接收效果。

1信號模型及已有盲分離算法

1.1信號模型

考慮到衛星信道參數是緩慢時變的，在一定時間段內可看作是非時變的。假設信道為高斯信道，APCMA信號包含主站強信號和一個小站弱信號，APCMA信號模型可表示為：

1.2已有盲分離算法

對于非協作通信方，APCMA信號的偵收處理實際上是信號的盲分離過程。廖燦輝等從信號檢測角度出發，將經過定時同步和載波同步的混合信號，直接減去強信號的硬判決值后，再利用時域和頻域相關特征參數，實現強信號掩蓋中弱信號的檢測。但由于只涉及弱信號的檢測，對分離性能沒有進行更深入的分析。黃強等提出基于軟信息聯合修正的APCMA盲分離算法，該算法利用強弱信號解調相互的影響，通過嘗試修正高出錯概率的強信號接收符號，降低強弱信號解調誤碼率。但是該算法計算繁瑣，不適用于FPGA實現。付迪等借鑒多用戶檢測技術中串行干擾抵消的思想，先將小站弱信號看作對強信號的干擾，對強信號進行解調，然后利用強信號的解調數據、幅度、頻率、相位和時域信息對強信號波形重構，從原信號中減去重構后的強信號，再對弱信號分別解調。但是幅度估計方法需要較高信噪比和較長觀測時間。

2 APCMA信號接收方案

在已有算法基礎上，結合自適應抵消思想，設計了實現簡單、性能良好的APCMA盲分離方案。包括主站強信號解調、主站強信號重構和自適應抵消3個部分，APCMA信號接收流程圖如圖1所示。

2.1主站強信號解調

基于強弱信號的功率差異特性，可以將小站弱信號看作對強信號的干擾。首先對主站強信號進行解調處理，主要包括信道化、AGC、定時同步和載波同步等。其中，AGC模塊完成輸入功率的跟蹤與調整。定時同步完成主站強信號的符號同步，此時輸出采樣率變為強信號符號速率，載波同步完成剩余載波和相位的跟蹤和補償。小站弱信號全部在主站強信號帶內，因此整個過程對于小站弱信號相當于進行了一次采樣率變換和低通濾波處理，同步后的信號模型可表示為：

式中，T₁為主站強信號的符號周期。

2.2主站強信號重構

主站強信號重構主要包括信號重構和延時處理。主站強信號的解調過程實際已經完成了對主站強信號的頻率同步和相位同步，因此主站強信號的重構只需得到解調信息和幅度信息即可。解調信息可以通過星座點判決直接得到。幅度信息直接取解調基準點，而不是采用幅度估計的方法。由于主站強信號解調過程的AGC處理，可以保證輸入信號功率的基本穩定，而且小站弱信號功率一般小于主站強信號，因此實際幅度信息和解調基準點幅度偏差不會太大。通過后級的自適應抵消可以實現幅度差異的補償。同時需要對解調數據進行延時處理，保證解調數據與重構信號對齊。

重構信號可表示為：

2.3自適應抵消處理

將解調后的主站強信號和重構信號送入自適應抵消器，實現強弱信號的分離。通過自適應濾波器不斷調節，保證了重構信號在幅度和相位上對主站強信號的持續跟蹤與補償。與主站強信號和重構信號直接做差相比，有更好的分離效果。

3自適應抵消器

參數估計的好壞直接影響盲分離性能，由于信道的緩慢時變特性以及重構參數的估計誤差存在，使得重構波形與混合信號的主站強信號波形并非完全一致。因此需要經過一級自適應抵消器完成對幅度和相位的持續精細跟蹤，從而提高抵消性能。

采用經典的LMS算法，該算法運算簡單，魯棒性好，易于實現。基于LMS的自適應抵消器如圖2所示。

為了節省FPGA的乘法器資源，采用符號化LMS算法。結合仿真和文獻，確定濾波器階數為8。同時，步長μ選取2的冪次方，從而能夠通過簡單移位實現步長調整，自適應抵消器的實現如圖3所示。

4算法仿真及實現

4.1算法驗證

主站強信號和小站弱信號的調制類型均為QPSK，其中主站強信號符號速率2 Msps，小站弱信號符號速率1 Msps，強弱信號功率比為10 dB，仿真波形圖如圖4所示。從圖中可以看出，經過自適應抵消處理，能夠較好地恢復小站弱信號。

4.2 FPGA實現

本方案最終在FPGA上進行了測試驗證，芯片型號：xc7vx690tffg1761，開發環境：vivado 2017.4。具體資源占用如表1所示，方案占用資源較少，滿足后續功能拓展的資源需求。

本文以小站弱信號的解調性能損失來衡量APCMA信號接收性能，分別測試在疊加強信號和不疊加強信號時，小站弱信號的解調誤比特率并進行對比，如圖5所示。主站強信號和小站弱信號的調制類型均為QPSK，其中主站強信號符號速率2 Msps，小站弱信號符號速率1 Msps，強弱信號功率比為10 dB。小站弱信號的E_b/N₀范圍為2～9dB。

由圖5可以看出，抵消后的小站弱信號解調性能損失不高于0.6dB，滿足實際信號接收需求。

5結束語

針對APCMA信號接收問題，設計了完整的接收方案，并在FPGA上進行了測試驗證。該方案基于波形重構原理，結合自適應抵消思想，在簡化了信號重構過程的同時，提高了分離性能。相比傳統接收方案，只需很少額外邏輯，即可實現功能拓展。成本低、改動小，易于維護和升級。針對實際衛星通信系統，可以通過添加信道譯碼以降低主站解調誤碼率，進一步提高抵消性能。