一种高速卫星通信交叉极化干扰对消技术仿真

王宇舟,钟 瑜,刘金山

(1.中国电子科技集团公司第十研究所共性技术部,四川成都610036;

2.中国人民解放军95899部队,北京100085)

一种高速卫星通信交叉极化干扰对消技术仿真

王宇舟1,钟 瑜1,刘金山2

(1.中国电子科技集团公司第十研究所共性技术部,四川成都610036;

2.中国人民解放军95899部队,北京100085)

给出了一种适用于高速卫星通信系统的交叉极化对消技术;该技术直接采用基于A/D采样样本进行对消,不要求信号载波同步、定时同步和基于判决误差提取等处理过程,简化了系统实现;对消算法的基本思想是:实时计算两路极化信号的相关性,求出其相关系数,据此可以得到干扰分量的大小,然后从被干扰支路扣除干扰分量即可;实现上采用IDF、MA级联结构替代了低通滤波器,避免了并行接收机的多相滤波结构和大量乘法器资源,简化了算法实现。同其它方案相比,对消性能没有损失,提高了干扰适应度,实现复杂度大大降低。

交叉极化干扰对消XPIC 基于采样样本 相关系数 对消性能

0 引 言

高速卫星通信系统为了提高系统频谱效率,增加系统容量,一般采用双极化传输技术,但两个正交的极化分量由于传输信道的非理想特性(电离层去极化、天线物理误差),导致交叉极化干扰,严重影响系统性能。交叉极化干扰一般采用对消器XPIC来进行消除[1-5]。

XPIC的结构一般有多种:

第1种是基于LMS/RLS的横向滤波器均衡对消结构[2],该方法需要两个极化信号是同步的,包括各自的载波、符号同步、以及两路的信号延迟保持一致,对消的性能才能得以保证,实现复杂相对比较大。

第2种是基于极化合并的均衡对消结构,其复杂对更大,由于它将干扰分量提取出来,叠加到有用的支路上,使检测性能得以增强,得到分集合并增益。

第3种是基于相关对消的思路[1],由于两路信号是独立的随机过程,当干扰存在时,具有一定相关性,干扰信号乘以相关系数,便是主信道中的干扰分量。从对消器的位置来看,XPIC可以是A/D之后基于采样的对消器,也可以是接收机同步以后基于符号间隔或过采样符号间隔的对消器。可见,干扰量XPD的估计:可以是基于判决的误差提取技术,也可以是基于相关的干扰提取技术。

文中采用基于采样样本的相关对消技术,为了适应高速卫星通信的并行接收机结构应用,在文献[1]的基础上,将相关、积分器和低通滤波器,简化为乘累加器,并采用IDF多窗口平滑技术策略,根据高速系统采样样本多,卫星信道XPI时变性信道变化缓慢的特点,能够使实时性达到us量级。该结构的特点是:易于在高速系统设计中实现,基于A/ D采样样本进行对消,而无需像基于判决的均衡结构,需要进行载波同步、定时同步、与符号判决等要求,大大的简化了系统的实现,对于1 000 Mb/s左右的高速卫星通信系统,易于工程实现。

1 极化干扰信道模型

卫星通信中,双极化信号由于电离层去极化影响(法拉第旋转),以及天线物理误差[3](非理想的OMT隔离),造成两路正交信号的极化干扰,双极化干扰的信道模型[3]如下:

式中,Rl、Rr分别是接收机接收到的,被极化干扰的左、右旋信号;Tl、Tr是发射机发射的正交左、右旋信号;hll、hlr、hrl、hrr分别是左右旋收、发天线相应的信道传输增益(函数)。对于正交调制信号,基带形式的Rl、Rr、Tl、Tr均为复数。

交叉极化干扰的采用XPD(交叉极化区分因子)表示,其定义如下:

根据信道的不同,XPD的取值在5～40 dB的范围之内,具体由传输无线信道、天线设备不理想、及其它因素决定的。

2 XPIC对消算法

不失一般性,令干扰极化信道为对称信道,即:

则,归一化的干扰信道矩阵简化为:

则,接收到的双极化信号分别为:

式中,T1(t)、T2(t)为发射的两路正交信号,两者为相互独立随机过程,而且各自都是随机的用户数据符号,R1(t)、R2(t)为接收机收到的含极化干扰信号。则,两者的互相关函数可以表示为:

由T1(t),T2(t)的独立性,上式右边第1、4项为0;则上简化为:

不失一般性,卫通常用的MPSK调制信号、如BPSK、QPSK、8PSK等信号,自相关函数可以归一化为一个常数E/2,则上式变为:

式中,xcorr(t)可以利用输入样本进行估计,E是一个与实现无关的常数,因此可由式(2),估计出γ。则,干扰对消的过程可以表示为:

由上式可见,干扰信道得到了消除。

由式(3)进行对消操作,导致了信号幅度降低,造成的信噪比损失可以表示为:

由于γ一般取值为-5～-40 dB,利用上式可以计算,当γ为-5 dB、-8 dB、-10 dB、-20 dB时,信噪比损失分别为:0.915 1、0.221 0、0.087 3、0.000 8。对于卫星通信一般γ小于-10 dB,可见,相关操作导致的SNR损失小于0.22 dB,从后面该操作的对消增益(3～5 dB)比较,可以忽略。

3 实现问题

由上面的分析可见,采用式(2)进行γ估计,特别是其中xcorr(t)的估计是算法的关键。算法实现[1]一般采用乘法单元,后续级联积分器、低通滤波处理模块,但在高速接收机中,由于FPGA时钟限制,一般会将A/D采样以后的数据并行成多路进行降速,并行度一般为4、8、16等,甚至更高。导致传统的积分器、低通滤波器需要采用复杂的多相滤波来结构实现。FPGA资源消耗非常巨大。

为了适应高速应用需要,文中仿真采用基于乘累加器的结构,并利用积分清零器,再加上移动平均MA的结构来进行相关系数估计。实现结构如图1所示。

图1 相关估计实现结构Fig.1 Implementation structure of correlation estimation

图1中采用并行乘法器结构,之后是并行求和,数据变成单路数据,之后的积分清零IDF是清零累加器,每次累加完成规定的数据以后,输出累加结果,并清零累加器进行下次累加运算,其功能类似于一个低通滤波器;IDF的输出结果,送到移动平滑单元MA,进一步进行滑窗滤波操作,其实现也是基于累加器以及延迟的相减操作。可见此结构除了相关的乘法器,无须多相滤波结构,也无须滤波单元的乘法器,节省了FPGA资源,简化实现复杂度。

此结构相当于两级低通滤波结构,根据滤波理论分析[6],级联滤波(IDF、MA)的带外抑制可以达到26 dB以上,可以满足相关估计实际应用的要求。

4 仿真结果分析

Matlab仿真的基本仿真参数如下:

2)采用平均器代替低通滤波器和积分器组合。

3)平均窗口:8 192。

4)统计数据每个结果的仿真数据样本数1.6384e6点。

5)SNR/XPI扫描间距0.25 dB。

(1)信号信噪比扫描仿真

本次仿真取固定值AdB=10 dB。信噪比从0 dB开始扫描到18 dB,仿真的误码性能曲线如图2所示,性能曲线给出了有XPIC的性能和没有XPIC两种情况。

图2 信噪比从0到18 dB扫描变化时的性能仿真曲线Fig.2 Simulation performance curve with SNR scanning from 0 to 18 dB

可见,对消导致的误码率改善性能增益在3～5 dB左右不等。同文献[1]的仿真分析结果是一致的。

(2)XPI扫描仿真

本次仿真取固定值snr=11 dB。AdB从3 dB开始扫描到43 dB,仿真的误码性能曲线如图3所示。

图3 XPD从3到45dB扫描变化时性能仿真曲线Fig.3 Simulation performance curve of XPD scanning from 3 to 45 dB

从图3可知:

1)当极化干扰衰减大于3.5 dB时,XPIC器失效;

2)当极化干扰衰减达到8 dB时,对消效果达到最好,同很大的衰减情况一致;

3)当极化干扰衰减达到30 dB时及其后,几乎没有了对消的效果。

同文献[1]比较,由于本方案采用更长的平滑时间窗口,XPD可以降低到3.5 dB,而不是文献[1]的10 dB左右。

5 结 语

从仿真结果中的两种情况分析可见,文中采用的IDF、MA级联滤波方案,节省了FPGA实现资源,简化了高速并行接收机XPIC的实现复杂度,性能与传统串行实现方法相同,由于其具有较长的平滑时间(可以灵活控制),使XPD可以降低到3.5 dB,具有明显的优势。

[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] 吕殿基.用于WCDMA上行系统的并行干扰对消算法[J].通信技术,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] 胡广书.数字信号处理-理论、算法与实现[M].北京:清华大学出版社,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.

钟 瑜(1979-),男,硕士,高级工程师,主要研究方向为航空航天通信、测控、信号处理;

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

刘金山(1963-),男,硕士,高级工程师,主要研究方向为通信、航空数据链。

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,高级工程师,主要研究方向为航空航天通信、测控、信号处理;