三种PCMA返回信号捕获方案分析与比较

潘申富

(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081)

0 引言

PCMA卫星通信[1]是指在采用透明转发器的卫星通信中,相互通信的2个用户的信号占用同一频带进行传输,其信号在时域和频域上重叠。

在PCMA系统中,通信双方在信号带宽内都收到2路信号,其中一路为对方发射的经透明转发器转发后的信号(定义为有用信号),另一路为本站发射的经透明转发器转发后的返回信号(定义为干扰信号)。为了解调对端信号,接收机在解调有用信号之前先要捕获并消除本站返回信号。返回信号的捕获是其中的关键技术之一。

对3种典型的捕获方式,即直接捕获方式、基于时间窗的捕获方式以及基于前导码引导的捕获方式进行了详细的分析,分析结果表明第3种方式可以获得最短的捕获时间。

1 信号模型

考虑基带模型,以PSK调制信号为例,地球站接收到的PCMA信号可以表示为:

式中,sa(t)和sb(t)分别表示为:

上式中v(t)为高斯白噪声;A为接收到的A站发射信号幅度;B为接收到的B站发射信号幅度;a(n)为A站发射信号的调制符号;b(n)为B站发射信号的调制符号;ha(t)为对应于A站发射信号的信道脉冲响应;hb(t)为对应于B站发射信号的信道脉冲响应;Ta为A站发射信号的符号周期;Tb为B站发射信号的符号周期;τa为A站发射信号的信道延时;τb为B站发射信号的信道延时;ωa为对应于A站发射信号的载波频率;ωb为对应于B站发射信号的载波频率;θa为对应于A站发射信号的载波初始相位;θb为对应于B站发射信号的载波初始相位。

在后续的分析中,假定2路信号功率差异最大为6 dB,返回信号符号信噪比最低为2 dB,返回信号的载波频差最大为±8kHz,符号速率按最低64 ksps考虑。

2 PCMA返回信号捕获

2.1 基本假设

在分析中,假定利用匹配滤波器[2]捕获PCMA返回信号。匹配滤波器抽头数为2 048(对应1 024个调制符号),输入为按每符号周期取样2个点的数据,同步判决量相干积分长度取32个符号,非相干累积次数取32次。匹配滤波器采用单门限判决的方式判断是否捕获到本站返回信号。这里还假定捕获时定时误差为符号周期的1/4,返回信号符号信噪比为2 dB,有用信号比返回信号高6 dB。载波频率扫描步进为符号速率的1/64,捕获时载波频差按符号速率的1/128考虑。通过仿真得到同步状态和失步状态的判决量如图1所示。由图1可知,通过选择合适的门限,在虚警基本可以忽略的情况下,正确检测的概率可以达到95%。

图1 匹配滤波器输出同步判决量仿真结果

后续部分将在下述假设的前提下对平均捕获时间进行估计:虚警概率0,同步点上单次检测概率95%;载波频差8 kHz,符号速率64 ksps(符号周期Ts=1/64 000);载波频率扫描从-8 kHz开始,步进为符号速率的1/64,即1 kHz;要求的捕获概率为99.9%。通过计算,地球站与同步卫星之间的双向延时最大为Ta=0.27 808 s,最小为Tb=0.23 867 s。

2.2 PCMA信号的直接捕获

直接捕获是一种最简单的捕获方式,该方法利用当前的本地发符号序列对匹配滤波器装载,捕获返回信号。假定卫星信道双向延时最长为Ta,则如果匹配滤波在Ta时间内捕获不到返回信号,需要再次装载当前的发符号序列,重新捕获。

忽略匹配滤波器的装载时间和处理延时,在要求捕获概率为99.9%时的平均捕获时间可近似表示为:

式中,Tsp为单个频点驻留时间;N为扫描频点数;L为扫描圈数;Pf为最终要求的捕获概率;Ps为单次捕获概率。可见直接捕获方式需要较长的平均捕获时间,主要原因是在单个频点上需要较长的驻留时间。

2.3 基于时间窗的返回信号捕获

考虑到卫星信道双向延时在一定范围内可预测,最小为Tb,最大为Ta,因此可以将本站发调制符号延时Tb后匹配滤波器装载,这样单个频点上的驻留时间理论上只需要Ta-Tb=0.03 941 s。由于符号速率较低,此时还需要考虑匹配滤波器的装载时间,因此单个频点上的驻留时间应按Ta-Tb+1 024Ts=0.05 541 s考虑。需要的平均捕获时间可近似表示为:

可见基于返回信号到达时间窗的先验知识进行捕获可以大大缩短同步时间。

由于中频环条件下的信号传输延时明显小于卫星环条件下的传输延时,因此采用上述方法进行捕获时,需要分别设定中频环和卫星环的捕获时间窗口,设计和使用时都需要特别注意。

2.4 基于前导码辅助的返回信号捕获

第3种方法是本站先发送周期为1 024的伪码,抵消器捕获到返回信号后通知发端先发送调制有独特字的伪码序列,然后再发送用户数据,并将用户数据进行缓存。接收端捕获到前导伪码后,搜索独特字(可采用差分解调的方式),搜索到独特字后再从缓存中读取发数据实现返回信号的同步。采用这种方式时单个匹配滤波器只需要装载一次,而单个频点上的驻留时间只需要32×32Ts=0.016 s,捕获到前导序列后最多需要经过一个双向信道延时Ta才能捕获到独特字。假定独特字占用2 048个调制符号,则平均同步时间可近似表示为:

可见相对于前2种捕获方式,采用前导码引导可以获得最短的平均捕获时间。但采用这种方式需要通信双方发送不同的前导码,否则可能出现误捕的情况。

3 结束语

尽量缩短返回信号捕获时间对提升PCMA系统性能具有重要意义。通过对多种返回信号捕获方案的分析和比较,探索最优的解决方案。虽然分析过程中所做的假设不是特别严谨,对平均捕获时间的估计也做了一些近似,但这并不影响对各种方案平均捕获时间的比较。初步研究结果表明,相对于其他捕获方式,采用前导码辅助可以获得更短的平均捕获时间。

[1]DANKBERG M.Paired Carrier Multiple Accessfor satellite communications[C].Honolulum Hawaii:First Presented at Pacific Telecommunications Conference,1998:10-20.

[2]沈业兵,安建平,王爱华.数字匹配滤波器的递归折叠实现[J].北京理工大学学报,2006(8):733-736.