交叉极化干扰对消的研究及仿真

操礼长，谢学东，王志超

(西安卫星测控中心，陕西 西安 710043)

0 引言

当前，航天遥感数据接收信道正由单点频、单极化、低码率向双点频、双极化、高码率方向发展，卫星下传数据正由1×150,1×450 Mb/s向4×1.5,4×2 Gb/s方向提速，即一方面，单个通道的传输速率在迅速提升；另一方面，利用不同的极化方式，实现数据的多通道传输，尽可能发挥航天遥感数据接收信道的效益[1]。理想情况下，星上发送端水平、垂直2种极化方式的信号通过正交极化方式，被完全隔离开来，每个极化波都作为一个独立的电磁波而被地面设备所接收，其间没有干扰。但实际上，在信号传输过程中，从发送端、空间无线传输信道，再到地面接收端，由于发射机及接收机的馈电系统中极化分离装置无法实现完全隔离，发射天线、接收天线本身的非理想性，电磁波传播的多径效应，雨、雪、灰尘造成的散射等原因，使得电磁波的极化方向要发生偏转，从而造成2种极化间的相互干扰，即交叉极化干扰，导致传输信道的误码率增大，严重时将造成信号中断[2-3]。

为解决极化复用引起的干扰问题，一般可在射频、中频和基带中实现。中频或射频抵消需在输入端估计检测，并进行信号抵消，会破坏信号本身的特征[4-5]。交叉极化传输的双通道数据均为有效数据，一般不推荐从输入端进行抵消处理，本文选择在基带中实现。目前对于XPIC的研究主要使用最小均方根(LMS)算法和RLS算法[6]。LMS算法性能稳定、实现简单，但收敛速度较慢，跟踪性能较难适应跟踪信道的快速变化，会导致抵消器输出比特误码率性能下降[7-9]。RLS算法的跟踪性能好，收敛速度快，但其计算复杂程度高，资源消耗较高[10]。本文在信道中增加XPIC模块，运用LMS算法与横模(CMA)算法[11]相结合的方法，在LMS粗均衡的基础上，再进行CMA的细均衡，可有效对消交叉极化所产生的干扰，充分利用LMS算法和CMA算法的优点，降低地面接收信道的误码率。

1 XPIC工作机理

在接收信道的输入端，除了收到与发射端相同极化的主信号之外，其他极化的干扰信号也一并进入了输入端。为此，可通过主信号的解调环路，对其他极化的干扰信号进行下变频和重采样，提取干扰信号；再通过调整滤波器的系数，尽可能地抵消主信号中的交叉极化干扰信号。

XPIC可在射频、中频和基带等环节实现。通过比较可知，尽管基带XPIC对数字电路的运算能力要求较高，但其性能稳定，而且随着软件无线电技术的发展和大规模及超大规模集成电路运算能力的提高，使得在基带进行XPIC易于实现[12-14]。基带XPIC的组成如图1所示。

图1 基带XPIC组成框图Fig.1 Composition block diagram of baseband XPIC

为叙述方便，以水平极化(H)为例，说明基带XPIC的工作机理。由于垂直极化(V)与水平极化的处理方式完全类似，所以，以下结论对垂直极化同样适用。

在图1中，r(H)为地面接收信道水平极化天线所接收的信号。由于存在交叉极化干扰，r(H)中除了包含星上水平极化天线发射的信号s(H)之外，还包含有星上垂直极化天线发射的信号s(V)，即交叉极化干扰信号。为了消除此干扰信号s(V)，除了主解调器解出水平极化的信号s(H)外，还需要增加一个辅助解调器，解出进入的干扰信号s(V)。当这2路信号经过XPIC模块后，恢复出大小与干扰信号相同、极性却完全相反的干扰抵消信号d(H)，再将此抵消信号d(H)与水平极化天线收到的信号r(H)合成，即可获得已经消除了交叉极化干扰的水平极化信号。

由于横向FIR滤波器的系数是由自适应控制器进行动态调整的，因此，可采用横向FIR滤波器作为均衡器，以实现自动均衡。常用的自适应均衡器算法主要有LMS，CMA等。为了提高XPIC的性能，可将这2种算法组合起来，即通过LMS实现粗均衡，再加上CMA进行细均衡。为了使判决器对输入信号进行正确的判决，需对输入信号的频率和相位误差进行校正，以恢复载波。判决器与鉴相器共同组成了误差检测器，当来自误差检测器的误差信号经过环路滤波后，控制着数控振荡器；再把数控振荡器产生的相位旋转因子与收入信号相乘，在环路收敛的情况下，此相位旋转因子恰好抵消了输入信号的相位误差。

2 XPIC算法设计

XPIC的输入信号首先通过LMS，进行粗均衡；再经过CMA，进行细均衡[15]。LMS与CMA的代价函数分别为：

J=E[(x(H)-d(H))2]，

(1)

J=E[(|x(H)|-d(H))2]，

(2)

式中，x(H)为已经消除了垂直极化干扰的水平极化信号；d(H)为经过判决器之后的输出信号。

鉴相器的输出为：

e(n)=Im[x(n)/d(n)]=α·Im[x(n)·d(n)*]，

(3)

利用x(H)提取的定时同步信息，控制x(V)的符号同步,XPIC的数学模型为：

(4)

经过计算，LMS，CMA的误差函数分别为：

ε=2ejΦH(x(H)-d(H))，

(5)

ε=4ejΦH(x(H)-d(H))·x(H)。

(6)

采用XPIC模块的目的是使式(5)和式(6)的误差最小化。通过迭代，进行降阶，即可导出水平、垂直极化均衡器的系数更新方程，分别为：

cH(n+1)=cH(n)-μcH·ε·r(H)，

(7)

cV(n+1)=cV(n)+μcV·ejΦV·ε·r(V)。

(8)

3 仿真结果

用XPD表示交叉极化鉴别率[16]。地面接收信道中无交叉极化干扰以及存在不同程度的交叉极化干扰时，XPIC处理前后的误码率曲线如图2所示。

图2 不同XPD对应的误码率曲线Fig.2 BER curves of different XPD

图2中，当信道存在交叉极化干扰时，经过XPIC处理后，可获得一定的处理增益。设误码率为1×10-7，通过对有无经过XPIC处理的信号进行比较，发现Eb/N0相差较大，具体结果如表1所示。

表1 不同XPD对应的XPIC处理结果

从表1中可以看出，在误码率1×10-7情况下，当XPD为8 dB时，经过XPIC处理后，系统可获得10 dB的增益；当XPD为12 dB时，经过XPIC处理后，系统可获得5 dB的增益；当XPD为15 dB时，经过XPIC处理后，系统可获得2.6 dB的增益。

下面以Eb/N0为10 dB、XPD为8 dB为例，对XPIC处理前后的信号星座图进行仿真，结果如图3所示。

从图3的仿真结果可以看出，在信道中存在交叉极化干扰且信道畸变严重的情况下，未经过XPIC处理的信号，星座图发散，误码率约为1.8×10-2；但经过XPIC处理后，信号的星座图收敛效果就比较明显，误码率大幅降低，约为9.2×10-7。

(a) 未经XPIC处理

选取QPSK调制体制、码速率为450 Mb/s、极化隔离度为7 dB时，解调信号经过XPIC处理前后的测试效果如图4所示。

(a) 未经过XPIC处理

从图4中可以看出，此时的交叉极化干扰对消作用明显，星座图收敛效果较好，Eb/N0值得到大幅提高。

8PSK、16QAM体制下，航天遥感高速数据地面接收信道中有无进行XPIC处理的实测效果，如图5和图6所示。

(a) 未经过XPIC处理

(a) 未经过XPIC处理

由图5和图6可以看出，经过交叉极化干扰对消处理，星座图的收敛效果比较明显，Eb/N0值也得到了提高，实测数据如表2所示。由表2可以看出，交叉极化干扰对消模块可有效消除干扰的极化信号，能改善极化复用系统的信噪比，在航天遥感数据下传与地面接收信道中有广泛的应用前景。

表2 有无进行XPIC处理的实测数据

4 结束语

随着航天遥感应用领域越来越广，基于极化复用的高速数据传输信道将会大幅度地推广应用，极化交叉干扰在所难免。与此同时，数字集成电路运算能力以及工作频率也在不断提高，再加上现代软件无线电的应用场景越来越广，都为极化交叉干扰对消的实现提供了技术支撑。若将复杂的数字化传输系统分解为若干个功能模块，然后，就像搭积木一样，组成各种不同功能的集成电路就可抵消更为复杂的交叉极化干扰信号，有效减小交叉极化干扰带来的误码率恶化，确保高速数据的快速、可靠传输。