基于NCLMS的QPSK-PCMA系统仿真分析

黄 波

(南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003)

基于NCLMS的QPSK-PCMA系统仿真分析

黄 波

(南京邮电大学 通信与信息工程学院，江苏 南京 210003)

载波成对多址接入(Paired Carrier Multiple Access，PCMA)允许卫星通信上下行链路在时域和频域完全重叠，从而大幅提升卫星频谱利用效率，在卫星通信中具有非常重要的研究价值和意义。考虑到QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)调制方式在卫星通信中的广泛应用，将归一化复数最小均方滤波器(Normalized Complex Least Mean Square，NCLMS)用于PCMA自干扰抵消，将划分频率槽技术以及超前、即时、滞后精确时延估计技术分别用于频率和时延的粗捕和精捕阶段，重点研究了NCLMS学习步长和NCLMS环路有限抽头响应滤波器FIR(Finite Impulse Response)抽头阶数对自干扰抵消结果的影响，并进行了Matlab仿真验证。仿真结果表明：NCLMS自适应学习步长对自干扰抵消结果影响较大，学习步长取2-12与学习步长取2-16相比，信噪比恶化约1.5 dB；5阶抽头NCLMS环路FIR滤波器即可达到很好的自干扰抵消性能，继续增加FIR滤波器抽头阶数意义不大。

卫星通信；载波成对多址接入；自干扰抵消；归一化最小均方误差

0 引 言

载波成对多址接入技术(Paired Carrier Multiple Access,PCMA)允许双向卫星通信链路在时间和频谱上进行重叠，对提高卫星频谱资源利用率具有非常重要的意义，因而在卫星通信系统中得到了大量的研究和应用。

PCMA系统的关键是自干扰抵消，也就是利用自身发射的信息构建抵消信号，抵消接收到的下行信号中返回的自己发射的信号。1998年，ViaSat公司的Mark Dankberg等提出了PCMA的思想[1]，并申请了自干扰抵消技术相关的专利[2-3]。该公司的Blount等也申请了系列关于自干扰抵消的技术专利[4-6]，并在ViaSat公司的相应产品中得到了应用[7]。

最小均方滤波器(Least Mean Square，LMS)以其成熟、稳定和实现简单性，在自干扰消除技术中应用广泛[8-20]。考虑到QPSK调制技术在卫星通信应用中的广泛性，QPSK生成的是I、Q两路信号合成的正交复信号，在文献[8]的自干扰抵消系统架构基础上，文中将归一化复数最小均方滤波器(Normalized Complex Least Mean Square，NCLMS)用于PCMA的自干扰抵消中，并重点研究了NCLMS算法中学习步长以及NCLMS环路FIR(Finite Impulse Response)滤波器抽头阶数对QPSK调制下的PCMA自干扰抵消效果的影响。

1 基于NCLMS的自干扰抵消方案

1.1 系统总体设计方案

QPSK调制方式下，借鉴文献[8]，基于NCLMS的PCMA系统框图如图1所示。

图1 基于NCLMS的自干扰抵消系统

从射频(Radio Frequency，RF)通过下变频变换过来的零中频(Zero Intermediate Frequency，ZIF)I/Q两路正交模拟信号经过A/D采样后，产生接收的复信号R(t)；本地产生的I/Q两路基带数字信号，经过数字采样后，合成一路复信号L0(t)；R(t)和L0(t)两路信号输入时延/频偏联合估计模块，经过粗捕和精捕过程，获得较为精确的初始时延和频偏；L0(t)经过延时单元，获得经过延时的本地第一级复现信号L1(t)。

初始化NCLMS环路FIR滤波器，启动数字锁相环(DPLL)，开始频差和相位的联合捕获与跟踪，获得经过频率和相位调整之后的复现信号L2(t)和L3(t)。当DPLL锁定之后，启动NCLMS自适应跟踪，启动延时跟踪单元进行精细的时延、相位和幅度的跟踪。

接收信号R(t)减去本地复现的信号L3(t)，得到自干扰抵消后的信号S(t)，S(t)经过解调，获得对方发送过来的数据。

NCLMS自适应滤波器能够借助FIR群时延，完成小于一个采样间隔的延时调整，而且能够完成更加精细的幅度和相位的跟踪；DPLL能够完成精确的频率和相位的跟踪工作。精确的时延、频率和相位估计，是获得良好自干扰抵消的基础。

1.2 NCLMS环路设计方案

将NCLMS自适应滤波器环路从图1中剥离出来，如图2所示。

其中，5阶的FIR滤波器在n时刻的输出为：

yn=w-2xn+2+w-1xn+1+w0xn+w1xn-1+w2xn-2(1)

图2 NCLMS自适应滤波器环路

因为采用的是QPSK调制方式，L3(t)和R(t)都是复信号。因此在实际中，采用的是归一化复数LMS，简写为NCLMS，算法步骤参见文献[19-20]，限于篇幅不再讲述。

1.3 时延和频差的联合估计设计方案

时延和频差的捕获是一个二维搜索过程，两者中任何一个偏差过大，信号都不会表现出很好的相关性。

而时延和频差的联合估计常用的算法是相关函数的自然推广，也就是求解下面的模糊函数[8]：

(2)

(1)粗捕。

粗捕过程提供初始的参数估计，以进入精确的捕获过程或者说跟踪过程。在粗捕阶段，采用划分频率槽的方法，用短的预检测积分时间，并采用非相干求和方法，获取有效的信噪比。

(2)精捕。

在频率粗估计和延迟估计的基础上，通过对接收信号R(t)取超前、即时、滞后相对延迟，与本地复现信号相干累加，能够得到不同的相干值，存储这些相干值分别形成序列，其包络将反映频率估计的剩余分量。通过FFT处理，可以求出频率精细值，这就是频率精确估计的基本过程。精确捕获过程如图3所示。

图3 频差的精确估计

2 基于Matlab的系统仿真分析

采用Matlab R2012b作为系统仿真工具，仿真中调制方式为QPSK，数据速率设置为1 Mbps，码成型滤波器采用的是升余弦滚降滤波器，接收端采用了相应的匹配滤波器。

2.1 仿真系统总体架构

仿真系统的整体架构如图4所示。

图4 系统仿真架构

整个仿真系统分为三大模块：自干扰抵消模块、ZIF信号R(t)模拟产生模块以及性能指标评价模块。

2.2 自干扰对消仿真结果及分析

当DPLL锁定之后，启动NCLMS自适应滤波器环路，完成时延的精细化跟踪，并完成对消过程。在不同的信噪比条件下，更改FIR抽头数、学习步长，仿真结果见表1。

根据表1，不难得出以下结论：

(1)FIR抽头数为5时，自干扰抵消的结果已经能达到理想的效果。再增加滤波器长度，对消结果几无差别，意义不大。

(2)对学习步长比较敏感。2-12到2-16变化，引起的对消前后信噪比之差在1.5 dB左右。

(3)滤波器长度和学习步长确定之后，随着信噪比的降低，对消前后信噪比之差稍微变小，也就是自干扰抵消后影响更小。

表1 仿真结果统计表

3 结束语

针对QPSK调制下的PCMA卫星通信系统，采用NCLMS进行自干扰对消，并将时延和频差的联合估计过程分为粗捕和精捕两个阶段。粗捕阶段采用划分频率槽技术，精捕阶段采用超前、即时和滞后精确时延确定技术。Matlab仿真结果表明，当NCLMS环路FIR抽头数为5，学习步长取2-16时，能达到较好的对消效果，对消之后引入的信噪比恶化低于0.5 dB，并且随着接收信号信噪比的降低，对消之后引入的信噪比恶化越来越小。

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Simulation and Analysis of NCLMS-based QPSK-PCMA System

HUANG Bo

(College of Telecommunications & Information Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China)

PCMA (Paired Carrier Multiple Access) allows up and down links to use the same spectrum at the same time,which can greatly improve the spectrum efficiency and has important significance in satellite communications.As QPSK is commonly used in satellite communications,a self-interference cancellation method based on NCLMS (Normalized Complex Least Mean Square) is proposed.The dividing frequency slot technique and the Early-Prompt-Late technique for accurate time delay estimation are used respectively in the coarse and precise estimation stages of the frequency and time delay.The effect of NCLMS learning step and NCLMS loop FIR (Finite Impulse Response) taps number on self-interference cancellation is mainly investigated and simulated with Matlab.The simulation results show that the step length for NCLMS self-adaptive learning will impress the results of self-interference cancellation,comparing with 216the step length of 212having made SNR deteriorated about 1.4 dB,and that PCMA performance is good enough for self-interference cancellation with five NCLMS loop FIR filter taps,thus there is no need to increase filter taps number.

satellite communications;PCMA;self-interference cancellation;NCLMS

2016-04-26

2016-08-12

时间：2017-02-17

江苏省产学研前瞻性研究项目(BY2015011-01)；南京邮电大学引进人才启动基金(NY211036)

黄 波(1975-)，男，讲师，博士，研究方向为卫星通信与导航。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170217.1630.060.html

V443

A

1673-629X(2017)03-0155-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.03.032