交叉极化干扰抵消在非线性干扰下的性能

宋伟男， 昂志敏

（合肥工业大学 计算机与信息学院，安徽 合肥 230009）

0 引 言

为了解决无线通信需求和有限无线频谱资源之间的矛盾，人们研究了多种传输方式来提高频谱利用率，其中一种称为交叉极化传输（Co－Channel Dual Polarization，简称CCDP）［1］。该方式对发送信号进行极化隔离处理，可以在同一频道上同时发送2束无线电波。但是在信号传输的过程中遇到如降雨、多径传播、设备不符合要求等不利因素，将会导致交叉极化干扰的产生。因此，为了解决交叉极化干扰所带来的问题，交叉极化干扰抵消技术（Cross－polarization Interference Cancelation，简称XPIC）［2］应运而生。XPIC技术现已成为实现正交载波多路传输的关键技术，而实现交叉极化抵消的最好方法就是采用含有干扰抵消的自适应信道均衡器［3－4］。

1 CCDP系统

本文仿真所使用的CCDP系统模块如图1所示。系统分为5个模块：① 发送端模块；②Saleh非线性模块［5］；③ 交叉极化干扰信道模块；④ 接收端模块；⑤ 误比特率检测模块。信号在发送端采用256QAM调制方式进行调制，Saleh非线性模块对调制信号进行非线性干扰，经过非线性干扰后的信号通过信道传输到接收端，接收端对所接收的信号进行一系列处理后恢复出理想信号。

图1 CCDP仿真系统

1.1 发送端

发送端向接收端发送周期性的帧信号，帧信号由帧头部分和数据部分组成。为了实现交叉极化传输，发送端采用2路独立的信道用于水平极化和垂直极化传输。

帧头信号采用正交相移键控（Quadrature Phase Shift Keying，简称QPSK）方式进行调制，数据信号采用256QAM方式进行调制，并由Saleh非线性模块添加非线性干扰。

1.2 Saleh非线性模块

Saleh函数结构简洁，如图2所示，用较少的参数能够实现数据的较好拟合。

图2 Saleh无记忆非线性模块

采用基于Saleh函数的非线性模块，将其置于系统的发送端和信道之间，从而达到在调制信号中添加非线性干扰的目的。本文所使用的无记忆Saleh函数模块表达式如下：

其中，r为输入信号分离出的幅度值；αx、βx为AM／AM 变换产生 X（r）的拟合参量；αy、βy为AM／PM变换产生Y（r）的拟合参量。

Saleh无记忆非线性模块对发送端输出的信号进行如下处理：

（1）输入信号与输入增益相乘。

（2）将复杂信号分离成幅度和相位信息。

（3）对信号的幅度进行AM／AM变换，产生出输出信号的幅度。

（4）对信号的相位进行AM／PM变换，所得结果与输入信号的角度相加，从而产生输出信号相移。

（5）将新的幅度与相位信息复合成一个新的复杂信号，然后与输出增益相乘，该增益由线性增益参量控制。

1.3 交叉极化干扰信道模块

交叉极化干扰信道模块如图3所示。

输入信号为从Saleh非线性模块输出的信号InputV和InputH。在图3所示的黑色点划线上方InputV信号进入信道后会产生多径衰落［4］，其多径衰落模型为CVV（KVVi；TVVi；exp（jωVVi）），其中i＝1，2，…，n；KVVi、TVVi和exp（jωVVi）分别为InputV信号的第i条路径的幅度衰减、延时和相位偏移［6］。位于中间的一条路径，其幅度增益为KV1，延时和相位偏移均为0，信号直达。同理，InputH信号对于InputV信号的干扰信号也会产生多径衰落，其衰落模型为 CHV（KHVi；THVi；exp（jωHVi）），其中i＝1，2，…，n；来自InputV的干扰信号和来自InputH的干扰信号相叠加后乘以exp（jφV）产生相位偏移，并叠加高斯白噪声，最后输出的信号OutputV即为含有交叉极化干扰和非线性干扰的信号。由于InputH信号与InputV信号具有对称性，可以对InputH信号采取相同的处理来得到含有交叉极化干扰的OutputH信号。

图3 交叉极化干扰信道模块

1.4 接收端模块

本文仿真所使用的接收端的解调模块如图4所示。

中间虚线将整个接收端的解调模块划分为2套XPIC解调系统，一套用于V路极化信号，另一套用于H路极化信号。系统要抽取H路极化信号送至V路的解调系统中用于抵消V路极化信号的交叉极化干扰。同理，系统也要抽取V路极化信号送至H路的解调系统中用于抵消H路极化信号的交叉极化干扰。

图4 接收端解调模块

以V路极化信号的解调为例，V路信号经过A／D采样后进入解调器，通过下变频、低通滤波器、内插滤波器、内部AGC、符号同步、自适应均衡器和载波恢复等模块输出后，进入XPIC，进行交叉极化干扰抵消处理后，对信号进行信道解码，最后可以得到理想的V路信号。同理，由于对称性，H路交叉极化信号也要进行相同的处理来得到理想的H路信号。

仿真中所运用的基于恒模－判决引导最小均方算法（CMA－DDLMS）［7－8］的自适应 XPIC 模块如图5所示。

CMA－DDLMS算法通过评估均方误差值的大小，使算法在恒模算法（CMA）和判决引导－最小均方算法（DD－LMS）之间切换，当误差输出小于某一阈值时，认为CMA算法已经完成工作，即剩下的误差较小，可以切换到DD－LMS算法；同时，若信道有了突变，即干扰突然变大，可以由DD－LMS切换到CMA重新进行迭代，直到误差再落回到DD－LMS算法范围之内。

由于CMA算法的实现简单、收敛迅速以及收敛以后的稳定性，再加上DD－LMS算法对于小的干扰波动具有良好的跟踪性能，这2种算法的结合使用，能够节省硬件资源并且提高系统的运算速度。

图5 CMA－DDLMS算法自适应XPIC模块

2 XPIC性能测试

工程上常用交叉极化改善度，即在相同信噪比的条件下，没有经过XPIC处理的信号的交叉极化鉴别度（Cross Polarization Discrimination，简称XPD）值与经过XPIC处理后信号的XPD值之差来衡量XPIC在通信系统中的性能。本文为了探究XPIC在非线性干扰下的性能，在误码率BER＝10－6情况下，采集了以下4种情况下的仿真数据：① 无非线性干扰、无XPIC模块的情况；② 无非线性干扰、有XIPC模块的情况；③ 有非线性干扰、无XPIC模块的情况；④ 有非线性干扰、有XPIC模块的情况。

通过对仿真数据的处理，比较在不同条件下的信号的交叉极化改善度。仿真数据经过处理所得SNR－XPD曲线如图6所示。

图6 4种情况下256QAM信号的SNR－XPD曲线

从图6中可看出，无论是否存在非线性干扰，经过XPIC处理过的信号，其SNR－XPD曲线相对于未经过XPIC处理的信号均向左发生了一定的偏移，表明XPIC模块对接收信号中所存在的交叉极化干扰起到了抵消作用。在没有非线性干扰存在的情况下，随着XPD值的增大，SNR值的衰减有所放缓，在SNR为40dB时，没有使用XPIC模块的情况下XPD为31.5dB，使用XPIC模块的情况下XPD为5.8dB，所以在SNR为40 dB时，信号的交叉极化改善度为25.7dB。当非线性干扰存在时，在SNR为40dB时，没有使用XPIC模块的情况下XPD为35dB，使用XPIC模块的情况下XPD为15.5dB，则此时XPIC模块对信号的交叉极化改善度为19.5dB。

因此在没有非线性干扰存在情况下，XPIC模块对于信号中存在的交叉极化干扰有很好的抵消作用，达到了排除干扰的效果；即使存在非线性干扰的情况下，XPIC模块仍可以对信号中存在的交叉极化干扰起到很好的抵消作用，信号经过均衡器的补偿后同样可以获得理想的解调信号。

3 结束语

为了探究XPIC在有非线性干扰存在的情况下的性能表现，本文在所使用的CCDP仿真系统中加入基于Selah函数的非线性模块，从而在发送的256QAM调制信号引入非线性干扰。在接收端模块所使用的是一种基于CMA－DDLMS算法的自适应XPIC模块，其结合了CMA算法和DD－LMS算法各自的优越性，可以根据误差值的大小自动选择与之相适应的算法，从而保证了XPIC的性能，使系统更为高效地运行。从仿真数据的对比可以看出，基于CMA－DDLMS算法的自适应XPIC在没有非线性干扰存在的情况下，其抵消信号中干扰的效果比较理想，即使在非线性干扰存在的情况下，其性能虽然有所降低，但仍在通信系统性能的可接受范围之内。

［1］Glauner M，Biester M.Performance of co－channel dual polarized systems with moden antenna design：influence of antenna－XPD and XPIC－improvement factor［C］／／SBMO International Microwave Conference，Vol 1，Brazil，1993：167－172.

［2］Chamberlain J.Receiver techniques for microwave digital radio［J］.IEEE Communications Magazine，1986，24：43－54.

［3］李 华，林 峰，汪 欣.协同通信系统中改进并行干扰消除算法［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2010，33（7）：988－992.

［4］Ha ykin S.自适应滤波器原理［M］.郑宝玉，译.第4版.北京：电子工业出版社，2010：284－389.

［5］靖 锏，朱 江，王立松.基于Saleh模型的DRSS信道建模与仿真［J］.现代电子技术，2010，33（11）：35－37.

［6］Lankl B，Nossek J，Sebald G.Cross－polarization interference cancellation in the presence of delay effects［C］／／International Conference on Communications，1988：1355－1361.

［7］侯 鹏，舒 勤，李 成.LMS算法自适应均衡性能分析［J］.通信技术，2009，42（11）：61－62.

［8］潘立军，刘泽民.两种改进的盲均衡算法［J］.电路与系统学报，2006，11（2）：141－144.