基于FPGA的PCMA解调器设计与实现

权 安，刘春冉

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

基于FPGA的PCMA解调器设计与实现

权 安，刘春冉

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

针对现有卫星转发器带宽资源紧张的问题，在对成对载波多址技术(Paired Carrier Multiple Access，PCMA)的工作原理、关键技术和实现方式研究的基础之上，提出了一种基于FPGA的PCMA信号解调器实现方案。详细介绍了干扰抵消过程中所采用的参数估计等关键技术，并且利用迟早门电路进行了简化设计，给出了相应的ModelSim仿真和实现资源占用情况。通过卫星通信测试验证了该方案的可行性。

PCMA；参数估计；干扰抵消；FPGA

0 引言

成对载波多址接入(PCMA)技术是一种特殊的卫星通信多址接入技术，1998年由美国ViaSat公司提出，针对的是采用透明转发器以自环模式工作的双向卫星通信系统，例如：VAST卫星通信系统[1]。PCMA技术具有3个显著的优点：① 信道资源利用率提高一倍；② 下行信号抗截获能力强；③ 可以与其他多址方式结合使用[2]。

目前，ViaSat公司已有多款采用PCMA技术的产品，例如：VAST系统的Calypso III和Calypso IV子载波终端[3]。国内同类文献中几乎都处于技术探讨和可行性层面，对于参数估计、干扰重构等具体算法在PCMA系统中的实际应用还有待进一步研究。本文从硬件实现的角度出发，分析、对比了自干扰信号参数的估计算法以及PCMA信号解调器的实现方式，并进行了优化设计，降低了算法的实现难度，从而完成了对PCMA信号的准确分离和对目标信号的正确解调。

1 PCMA系统工作原理

PCMA系统组成如图1所示。

图1 PCMA系统组成

相互通信的两地面站发射的信号在频域和时域上完全重叠，地面站同时收到对方发射的信号和本方发射的、经过透明转发后返回本站的信号，本方需要先对返回的本站信号进行抵消才能解调出对方发射的信号[4]。

与传统通信信号解调相比，PCMA信号解调需要先进行自干扰信号抵消，再进行常规解调[5]。具体处理流程如图2所示，经过下变频的PCMA信号先经过相关检测完成捕获[6]，再利用本地发送信息估计出自干扰信号的定时、频率、相位和幅度，从而恢复出本地信号进行干扰抵消。最后，将经过干扰抵消的PCMA信号进行常规解调。

图2 PCMA信号解调处理流程

2 PCMA信号解调关键技术

在高斯信道下，经过下变频处理后，己方接收到的PCMA信号r(t)表示为：

r(t)=s(t)+j(t)+n(t)。

(1)

式中，s(t)为目标信号，即对方发送的信号；j(t)为自干扰信号；n(t)为系统中的高斯白噪声。

目前卫星通信系统中多采用PSK调制方式，因此，假设自干扰信号j(t)也是PSK信号，该信号可以表示为：

(2)

式中，A为信号幅度；ω为载波剩余频偏；θ为载波瞬时相位；a(n)为发送的符号序列；h(t)为信道冲击响应；T为符号周期；τ为传输时延。

为了在本地恢复自干扰信号j′(t)，需要对自干扰信号j(t)的定时、频率、相位和幅度进行估计。

因此一方面对新建、改建110kV及以上的线路参数，要求按照有关基建工程验收规程的规定，在设备投入运行前进行实际参数测试；二方面进一步加强全网主变中性点接地方式的管理；三方面根据双侧电源复杂电网的线路零序电流保护中，零序电流I段作为速动段保护，对于超短线路（2km以下）及短线路（10km以下）宜退出运行的规定，建议将110千伏乃嘎I线、夺城线、柳西双线等长度15km以内共计12条线路的零序电流I段保护功能退出运行。

首先，采用差分共轭相关算法进行定时捕获和传输时延估计，该方法可以消除载波频偏对相关检测的影响[7]。将经过下变频处理后的基带信号与延时一个符号的基带信号共轭相乘，经过低通滤波得到差分信号；本地信息序列经过差分处理，再经过与接收信号相同的数字调制；将接收到的差分信号与本地产生的差分调制信号进行滑动相关运算，如果出现的峰值大于预设门限，则认为完成定时捕获，并根据峰值位置获得传输时延的估计值τ′[8]。

由于本地信息序列是已知的，经过定时捕获后，可以通过式(3)消除数字调制对频率估计的影响[9]，并利用zk自相关函数的增量进行频偏估计[10]。

(3)

式中，rk为PCMA信号；ck为本地信号。

频偏估计的表达式为：

(4)

式中，T为符号周期；R(i)为zk自相关函数；w(i)为窗函数，其表达式为：

(5)

假设观测长度为L=2N+1，可以通过下式获得相位估计值[11]：

(6)

本地信号ck可以表示为：

(7)

在对PCMA信号的定时和频率校正的基础上，将PCMA信号与本地信号共轭相乘，可得

(8)

考虑到sk、nk与ck都是统计独立的，自干扰信号j(t)的幅度估计值可以通过式(9)得到[12]：

(9)

利用参数估计获得的定时、频率、相位和幅度信息，对本地发送信息进行数字调制，从而恢复出本地信号。再通过将接收到的PCMA信号与本地恢复信号相减完成自干扰信号抵消，将抵消后的信号进行常规解调即可获得对方发送的信息[13]。

3 PCMA的实现方式

PCMA是一个自干扰系统，PCMA信号解调基本上都是采用先抵消后解调的思路，但是在具体实现时，主要有2种不同的实现方式：PCMA调制解调器结构和PCMA干扰抵消器结构，下面将分别进行介绍[14]。

3.1 PCMA调制解调器结构

PCMA调制解调器结构中包含2个调制器，一个用于产生发射出去的干扰信号，另一个用于恢复接收到的干扰信号，其结构如图3所示。接收信号先经过下变频到基带，一路进行信号检测和参数估计，控制本地干扰信号的产生和参数调整；另一路经过延时处理，与本地干扰信号进行抵消。最后，将经过抵消处理后的基带数据送入常规解调器。

图3 PCMA调制解调器结构

3.2 PCMA干扰抵消器结构

PCMA干扰抵消器作为独立设备串接在信道设备和调制解调器之间，其结构如图4所示。PCMA干扰抵消器将中频数据一路发射出去，将另一路进行解调，解调结果作为本地参考。本地信号抵消器结构与PCMA调制解调器中的基本相同，区别在于进行抵消处理的是中频信号。

图4 PCMA干扰抵消器结构

2种结构中，PCMA干扰抵消器虽然可以直接与现有信道设备和调制解调器相连，使用简单，但需要先对本站发送的中频信号进行解调，再利用解调结果作为本地参考进行干扰抵消，而且需要输出抵消后的中频信号，中间环节多、设备复杂且成本高。而PCMA调制解调器可以采用一体化设计、集成度高、实现复杂度低，可以在单个FPGA芯片中实现，有利于降低成本，所以这里选用PCMA调制解调器结构实现方式。

4 PCMA信号解调的FPGA实现

随着FPGA的片上资源和处理速度不断增长，使得在单个FPGA芯片中实现PCMA信号解调成为可能。在FPGA片内主要需要实现：数字调制单元、相关检测单元、参数估计单元和常规数字解调单元。同时，在数字板卡设计时，需要在板卡上使用AD和DA芯片，以满足同时发送和接收信号的要求。

为了降低自干扰信号参数估计在FPGA实现中的复杂度，这里采用了迟早门电路进行参数调整，如图5所示。输入数据经过早门和迟门处理，与原数据一起送入比较器，根据选定的准则判断向早门或者迟门方向调整环路参数，使得环路输出为最优值[15]。虽然环路收敛需要一定的时间，但是PCMA信号属于连续信号，因此这部分时间对系统功能而言可以忽略不计。

图5 迟早门电路示意

在信干比为0 dB条件下，即干扰信号和目标信号功率相同，对符号速率为2 Msps、调制样式为QPSK的PCMA信号进行解调的ModelSim仿真波形图如图6所示。

图6 PCMA信号解调ModelSim仿真波形

图6中第1个信号为叠加了目标信号和干扰信号的PCMA信号；第2个信号为本地恢复出的干扰信号；第3个信号为目标信号；第4个信号为经过干扰抵消后恢复出的目标信号。从图6中可以看出，恢复出的目标信号与原信号基本相同，抵消效果良好。

本方案设计的PCMA解调器和常规解调器接收PCMA信号时的星座图如图7所示。从图7中可以看出，常规解调器的星座点很分散，无法对PCMA信号正确解调；本方案设计的PCMA解调器恢复出的星座点汇聚情况比较好，基本消除了干扰信号的影响。

图7 2种解调器对PCMA信号解调的星座图

以Xilinx公司V6系列315T型FPGA芯片为例，该方案的资源占用情况如表1所示。从表1中可以看出，该方案的资源占用量少，为随后进行的信道译码、CRC校验等功能预留了足够的资源，易于扩展。

表1 资源占用表

5 结束语

本文利用PCMA系统中自干扰信号与目标信号的弱相关性，对PCMA自干扰信号参数估计方法和实现方式进行了研究，提出了一种经过优化的硬件实现方案。该方案已经通过了地球同步轨道卫星通信测试，运行稳定，抵消效果良好。在单个FPGA芯片中实现PCMA信号解调，不仅降低了解调器的硬件成本，而且有利于实现设备的小型化，在工程实践中具有良好的应用价值。

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权 安 男，(1983—)，工程师。主要研究方向：数字信号处理。

刘春冉 女，(1983—)，高级工程师。主要研究方向：无线通信。

Design and Implementation of PCMA Demodulator Based on FPGA

QUAN An，LIU Chun-ran

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

Considering the spectrum resource shortage of transponders in satellite communication,a demodulator design based on FPGA is proposed by analyzing the operating principle,key technologies and implementing methods of Paired Carrier Multiple Access(PCMA).A detailed description of parameter estimation for interference cancelling is given.The early-late gates loop is introduced for simplifying this design.The ModelSim simulation and hardware resource occupation of this design are shown in this paper.Finally,the effectiveness of this design is verified by a series of satellite communication tests.

PCMA;parameter estimation;interference cancellation;FPGA

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.05.27

权 安,刘春冉.基于FPGA的PCMA解调器设计与实现[J].无线电工程,2017,47(5):111-114.[QUAN An,LIU Chunran.Design and Implementation of PCMA Demodulator Based on FPGA[J].Radio Engineering,2017,47(5):111-114.]

2017-02-10

国家部委基金资助项目。

TN911

A

1003-3106(2017)05-0111-04