交叉極化干擾對消的研究及仿真

操禮長，謝學東，王志超

(西安衛星測控中心，陜西 西安 710043)

0 引言

當前，航天遙感數據接收信道正由單點頻、單極化、低碼率向雙點頻、雙極化、高碼率方向發展，衛星下傳數據正由1×150,1×450 Mb/s向4×1.5,4×2 Gb/s方向提速，即一方面，單個通道的傳輸速率在迅速提升；另一方面，利用不同的極化方式，實現數據的多通道傳輸，盡可能發揮航天遙感數據接收信道的效益[1]。理想情況下，星上發送端水平、垂直2種極化方式的信號通過正交極化方式，被完全隔離開來，每個極化波都作為一個獨立的電磁波而被地面設備所接收，其間沒有干擾。但實際上，在信號傳輸過程中，從發送端、空間無線傳輸信道，再到地面接收端，由于發射機及接收機的饋電系統中極化分離裝置無法實現完全隔離，發射天線、接收天線本身的非理想性，電磁波傳播的多徑效應，雨、雪、灰塵造成的散射等原因，使得電磁波的極化方向要發生偏轉，從而造成2種極化間的相互干擾，即交叉極化干擾，導致傳輸信道的誤碼率增大，嚴重時將造成信號中斷[2-3]。

為解決極化復用引起的干擾問題，一般可在射頻、中頻和基帶中實現。中頻或射頻抵消需在輸入端估計檢測，并進行信號抵消，會破壞信號本身的特征[4-5]。交叉極化傳輸的雙通道數據均為有效數據，一般不推薦從輸入端進行抵消處理，本文選擇在基帶中實現。目前對于XPIC的研究主要使用最小均方根(LMS)算法和RLS算法[6]。LMS算法性能穩定、實現簡單，但收斂速度較慢，跟蹤性能較難適應跟蹤信道的快速變化，會導致抵消器輸出比特誤碼率性能下降[7-9]。RLS算法的跟蹤性能好，收斂速度快，但其計算復雜程度高，資源消耗較高[10]。本文在信道中增加XPIC模塊，運用LMS算法與橫模(CMA)算法[11]相結合的方法，在LMS粗均衡的基礎上，再進行CMA的細均衡，可有效對消交叉極化所產生的干擾，充分利用LMS算法和CMA算法的優點，降低地面接收信道的誤碼率。

1 XPIC工作機理

在接收信道的輸入端，除了收到與發射端相同極化的主信號之外，其他極化的干擾信號也一并進入了輸入端。為此，可通過主信號的解調環路，對其他極化的干擾信號進行下變頻和重采樣，提取干擾信號；再通過調整濾波器的系數，盡可能地抵消主信號中的交叉極化干擾信號。

XPIC可在射頻、中頻和基帶等環節實現。通過比較可知，盡管基帶XPIC對數字電路的運算能力要求較高，但其性能穩定，而且隨著軟件無線電技術的發展和大規模及超大規模集成電路運算能力的提高，使得在基帶進行XPIC易于實現[12-14]?；鶐PIC的組成如圖1所示。

圖1 基帶XPIC組成框圖Fig.1 Composition block diagram of baseband XPIC

為敘述方便，以水平極化(H)為例，說明基帶XPIC的工作機理。由于垂直極化(V)與水平極化的處理方式完全類似，所以，以下結論對垂直極化同樣適用。

在圖1中，r(H)為地面接收信道水平極化天線所接收的信號。由于存在交叉極化干擾，r(H)中除了包含星上水平極化天線發射的信號s(H)之外，還包含有星上垂直極化天線發射的信號s(V)，即交叉極化干擾信號。為了消除此干擾信號s(V)，除了主解調器解出水平極化的信號s(H)外，還需要增加一個輔助解調器，解出進入的干擾信號s(V)。當這2路信號經過XPIC模塊后，恢復出大小與干擾信號相同、極性卻完全相反的干擾抵消信號d(H)，再將此抵消信號d(H)與水平極化天線收到的信號r(H)合成，即可獲得已經消除了交叉極化干擾的水平極化信號。

由于橫向FIR濾波器的系數是由自適應控制器進行動態調整的，因此，可采用橫向FIR濾波器作為均衡器，以實現自動均衡。常用的自適應均衡器算法主要有LMS，CMA等。為了提高XPIC的性能，可將這2種算法組合起來，即通過LMS實現粗均衡，再加上CMA進行細均衡。為了使判決器對輸入信號進行正確的判決，需對輸入信號的頻率和相位誤差進行校正，以恢復載波。判決器與鑒相器共同組成了誤差檢測器，當來自誤差檢測器的誤差信號經過環路濾波后，控制著數控振蕩器；再把數控振蕩器產生的相位旋轉因子與收入信號相乘，在環路收斂的情況下，此相位旋轉因子恰好抵消了輸入信號的相位誤差。

2 XPIC算法設計

XPIC的輸入信號首先通過LMS，進行粗均衡；再經過CMA，進行細均衡[15]。LMS與CMA的代價函數分別為：

J=E[(x(H)-d(H))2]，

(1)

J=E[(|x(H)|-d(H))2]，

(2)

式中，x(H)為已經消除了垂直極化干擾的水平極化信號；d(H)為經過判決器之后的輸出信號。

鑒相器的輸出為：

e(n)=Im[x(n)/d(n)]=α·Im[x(n)·d(n)*]，

(3)

利用x(H)提取的定時同步信息，控制x(V)的符號同步,XPIC的數學模型為：

(4)

經過計算，LMS，CMA的誤差函數分別為：

ε=2ejΦH(x(H)-d(H))，

(5)

ε=4ejΦH(x(H)-d(H))·x(H)。

(6)

采用XPIC模塊的目的是使式(5)和式(6)的誤差最小化。通過迭代，進行降階，即可導出水平、垂直極化均衡器的系數更新方程，分別為：

cH(n+1)=cH(n)-μcH·ε·r(H)，

(7)

cV(n+1)=cV(n)+μcV·ejΦV·ε·r(V)。

(8)

3 仿真結果

用XPD表示交叉極化鑒別率[16]。地面接收信道中無交叉極化干擾以及存在不同程度的交叉極化干擾時，XPIC處理前后的誤碼率曲線如圖2所示。

圖2 不同XPD對應的誤碼率曲線Fig.2 BER curves of different XPD

圖2中，當信道存在交叉極化干擾時，經過XPIC處理后，可獲得一定的處理增益。設誤碼率為1×10-7，通過對有無經過XPIC處理的信號進行比較，發現Eb/N0相差較大，具體結果如表1所示。

表1 不同XPD對應的XPIC處理結果

從表1中可以看出，在誤碼率1×10-7情況下，當XPD為8 dB時，經過XPIC處理后，系統可獲得10 dB的增益；當XPD為12 dB時，經過XPIC處理后，系統可獲得5 dB的增益；當XPD為15 dB時，經過XPIC處理后，系統可獲得2.6 dB的增益。

下面以Eb/N0為10 dB、XPD為8 dB為例，對XPIC處理前后的信號星座圖進行仿真，結果如圖3所示。

從圖3的仿真結果可以看出，在信道中存在交叉極化干擾且信道畸變嚴重的情況下，未經過XPIC處理的信號，星座圖發散，誤碼率約為1.8×10-2；但經過XPIC處理后，信號的星座圖收斂效果就比較明顯，誤碼率大幅降低，約為9.2×10-7。

(a) 未經XPIC處理

選取QPSK調制體制、碼速率為450 Mb/s、極化隔離度為7 dB時，解調信號經過XPIC處理前后的測試效果如圖4所示。

(a) 未經過XPIC處理

從圖4中可以看出，此時的交叉極化干擾對消作用明顯，星座圖收斂效果較好，Eb/N0值得到大幅提高。

8PSK、16QAM體制下，航天遙感高速數據地面接收信道中有無進行XPIC處理的實測效果，如圖5和圖6所示。

(a) 未經過XPIC處理

(a) 未經過XPIC處理

由圖5和圖6可以看出，經過交叉極化干擾對消處理，星座圖的收斂效果比較明顯，Eb/N0值也得到了提高，實測數據如表2所示。由表2可以看出，交叉極化干擾對消模塊可有效消除干擾的極化信號，能改善極化復用系統的信噪比，在航天遙感數據下傳與地面接收信道中有廣泛的應用前景。

表2 有無進行XPIC處理的實測數據

4 結束語

隨著航天遙感應用領域越來越廣，基于極化復用的高速數據傳輸信道將會大幅度地推廣應用，極化交叉干擾在所難免。與此同時，數字集成電路運算能力以及工作頻率也在不斷提高，再加上現代軟件無線電的應用場景越來越廣，都為極化交叉干擾對消的實現提供了技術支撐。若將復雜的數字化傳輸系統分解為若干個功能模塊，然后，就像搭積木一樣，組成各種不同功能的集成電路就可抵消更為復雜的交叉極化干擾信號，有效減小交叉極化干擾帶來的誤碼率惡化，確保高速數據的快速、可靠傳輸。