楊偉　韓星　閆紅超

0引言

成對(duì)載波多址接入（Paired Carrier Multiple Access，PCMA）技術(shù)由美國(guó)ViaSat公司的Mark Dankberg在1998年首次提出。PCMA技術(shù)主要針對(duì)的是采用透明轉(zhuǎn)發(fā)器以自環(huán)模式工作的雙向衛(wèi)星通信系統(tǒng)，該技術(shù)允許雙向衛(wèi)星通信鏈路在時(shí)域和頻域上完全重疊?；赑CMA技術(shù)可以節(jié)省接近一半的寬帶資源，同時(shí)具有較強(qiáng)的抗截獲能力，因此在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

APCMA信號(hào)是成對(duì)載波多址技術(shù)在非對(duì)稱(chēng)模式下的一種應(yīng)用，大帶寬、高功率的主站強(qiáng)信號(hào)疊加了多路小帶寬，低功率的小站弱信號(hào)，并且所有小站弱信號(hào)的頻譜不重疊且全部處于主站強(qiáng)信號(hào)頻帶中。

自適應(yīng)濾波器能夠在輸入信號(hào)統(tǒng)計(jì)特性未知或者變化的情況下，通過(guò)調(diào)整自身參數(shù)，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行持續(xù)跟蹤。經(jīng)過(guò)近幾十年發(fā)展，自適應(yīng)濾波器在系統(tǒng)辨識(shí)、信道均衡、回音消除和干擾抵消等場(chǎng)景得到廣泛應(yīng)用。

在非協(xié)作通信中，由于小站信號(hào)完全在主站信號(hào)頻帶內(nèi)，導(dǎo)致常規(guī)的信號(hào)接收方案失效。本文在分析APCMA信號(hào)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合波形重構(gòu)思想和自適應(yīng)抵消思想設(shè)計(jì)了APCMA信號(hào)接收方案，并在FPGA上進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，具有較好的接收效果。

1信號(hào)模型及已有盲分離算法

1.1信號(hào)模型

考慮到衛(wèi)星信道參數(shù)是緩慢時(shí)變的，在一定時(shí)間段內(nèi)可看作是非時(shí)變的。假設(shè)信道為高斯信道，APCMA信號(hào)包含主站強(qiáng)信號(hào)和一個(gè)小站弱信號(hào)，APCMA信號(hào)模型可表示為：

1.2已有盲分離算法

對(duì)于非協(xié)作通信方，APCMA信號(hào)的偵收處理實(shí)際上是信號(hào)的盲分離過(guò)程。廖燦輝等從信號(hào)檢測(cè)角度出發(fā)，將經(jīng)過(guò)定時(shí)同步和載波同步的混合信號(hào)，直接減去強(qiáng)信號(hào)的硬判決值后，再利用時(shí)域和頻域相關(guān)特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)信號(hào)掩蓋中弱信號(hào)的檢測(cè)。但由于只涉及弱信號(hào)的檢測(cè)，對(duì)分離性能沒(méi)有進(jìn)行更深入的分析。黃強(qiáng)等提出基于軟信息聯(lián)合修正的APCMA盲分離算法，該算法利用強(qiáng)弱信號(hào)解調(diào)相互的影響，通過(guò)嘗試修正高出錯(cuò)概率的強(qiáng)信號(hào)接收符號(hào)，降低強(qiáng)弱信號(hào)解調(diào)誤碼率。但是該算法計(jì)算繁瑣，不適用于FPGA實(shí)現(xiàn)。付迪等借鑒多用戶(hù)檢測(cè)技術(shù)中串行干擾抵消的思想，先將小站弱信號(hào)看作對(duì)強(qiáng)信號(hào)的干擾，對(duì)強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，然后利用強(qiáng)信號(hào)的解調(diào)數(shù)據(jù)、幅度、頻率、相位和時(shí)域信息對(duì)強(qiáng)信號(hào)波形重構(gòu)，從原信號(hào)中減去重構(gòu)后的強(qiáng)信號(hào)，再對(duì)弱信號(hào)分別解調(diào)。但是幅度估計(jì)方法需要較高信噪比和較長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間。

2 APCMA信號(hào)接收方案

在已有算法基礎(chǔ)上，結(jié)合自適應(yīng)抵消思想，設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、性能良好的APCMA盲分離方案。包括主站強(qiáng)信號(hào)解調(diào)、主站強(qiáng)信號(hào)重構(gòu)和自適應(yīng)抵消3個(gè)部分，APCMA信號(hào)接收流程圖如圖1所示。

2.1主站強(qiáng)信號(hào)解調(diào)

基于強(qiáng)弱信號(hào)的功率差異特性，可以將小站弱信號(hào)看作對(duì)強(qiáng)信號(hào)的干擾。首先對(duì)主站強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理，主要包括信道化、AGC、定時(shí)同步和載波同步等。其中，AGC模塊完成輸入功率的跟蹤與調(diào)整。定時(shí)同步完成主站強(qiáng)信號(hào)的符號(hào)同步，此時(shí)輸出采樣率變?yōu)閺?qiáng)信號(hào)符號(hào)速率，載波同步完成剩余載波和相位的跟蹤和補(bǔ)償。小站弱信號(hào)全部在主站強(qiáng)信號(hào)帶內(nèi)，因此整個(gè)過(guò)程對(duì)于小站弱信號(hào)相當(dāng)于進(jìn)行了一次采樣率變換和低通濾波處理，同步后的信號(hào)模型可表示為：

式中，T₁為主站強(qiáng)信號(hào)的符號(hào)周期。

2.2主站強(qiáng)信號(hào)重構(gòu)

主站強(qiáng)信號(hào)重構(gòu)主要包括信號(hào)重構(gòu)和延時(shí)處理。主站強(qiáng)信號(hào)的解調(diào)過(guò)程實(shí)際已經(jīng)完成了對(duì)主站強(qiáng)信號(hào)的頻率同步和相位同步，因此主站強(qiáng)信號(hào)的重構(gòu)只需得到解調(diào)信息和幅度信息即可。解調(diào)信息可以通過(guò)星座點(diǎn)判決直接得到。幅度信息直接取解調(diào)基準(zhǔn)點(diǎn)，而不是采用幅度估計(jì)的方法。由于主站強(qiáng)信號(hào)解調(diào)過(guò)程的AGC處理，可以保證輸入信號(hào)功率的基本穩(wěn)定，而且小站弱信號(hào)功率一般小于主站強(qiáng)信號(hào)，因此實(shí)際幅度信息和解調(diào)基準(zhǔn)點(diǎn)幅度偏差不會(huì)太大。通過(guò)后級(jí)的自適應(yīng)抵消可以實(shí)現(xiàn)幅度差異的補(bǔ)償。同時(shí)需要對(duì)解調(diào)數(shù)據(jù)進(jìn)行延時(shí)處理，保證解調(diào)數(shù)據(jù)與重構(gòu)信號(hào)對(duì)齊。

重構(gòu)信號(hào)可表示為：

2.3自適應(yīng)抵消處理

將解調(diào)后的主站強(qiáng)信號(hào)和重構(gòu)信號(hào)送入自適應(yīng)抵消器，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)弱信號(hào)的分離。通過(guò)自適應(yīng)濾波器不斷調(diào)節(jié)，保證了重構(gòu)信號(hào)在幅度和相位上對(duì)主站強(qiáng)信號(hào)的持續(xù)跟蹤與補(bǔ)償。與主站強(qiáng)信號(hào)和重構(gòu)信號(hào)直接做差相比，有更好的分離效果。

3自適應(yīng)抵消器

參數(shù)估計(jì)的好壞直接影響盲分離性能，由于信道的緩慢時(shí)變特性以及重構(gòu)參數(shù)的估計(jì)誤差存在，使得重構(gòu)波形與混合信號(hào)的主站強(qiáng)信號(hào)波形并非完全一致。因此需要經(jīng)過(guò)一級(jí)自適應(yīng)抵消器完成對(duì)幅度和相位的持續(xù)精細(xì)跟蹤，從而提高抵消性能。

采用經(jīng)典的LMS算法，該算法運(yùn)算簡(jiǎn)單，魯棒性好，易于實(shí)現(xiàn)?；贚MS的自適應(yīng)抵消器如圖2所示。

為了節(jié)省FPGA的乘法器資源，采用符號(hào)化LMS算法。結(jié)合仿真和文獻(xiàn)，確定濾波器階數(shù)為8。同時(shí)，步長(zhǎng)μ選取2的冪次方，從而能夠通過(guò)簡(jiǎn)單移位實(shí)現(xiàn)步長(zhǎng)調(diào)整，自適應(yīng)抵消器的實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

4算法仿真及實(shí)現(xiàn)

4.1算法驗(yàn)證

主站強(qiáng)信號(hào)和小站弱信號(hào)的調(diào)制類(lèi)型均為QPSK，其中主站強(qiáng)信號(hào)符號(hào)速率2 Msps，小站弱信號(hào)符號(hào)速率1 Msps，強(qiáng)弱信號(hào)功率比為10 dB，仿真波形圖如圖4所示。從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)自適應(yīng)抵消處理，能夠較好地恢復(fù)小站弱信號(hào)。

4.2 FPGA實(shí)現(xiàn)

本方案最終在FPGA上進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，芯片型號(hào)：xc7vx690tffg1761，開(kāi)發(fā)環(huán)境：vivado 2017.4。具體資源占用如表1所示，方案占用資源較少，滿(mǎn)足后續(xù)功能拓展的資源需求。

本文以小站弱信號(hào)的解調(diào)性能損失來(lái)衡量APCMA信號(hào)接收性能，分別測(cè)試在疊加強(qiáng)信號(hào)和不疊加強(qiáng)信號(hào)時(shí)，小站弱信號(hào)的解調(diào)誤比特率并進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。主站強(qiáng)信號(hào)和小站弱信號(hào)的調(diào)制類(lèi)型均為QPSK，其中主站強(qiáng)信號(hào)符號(hào)速率2 Msps，小站弱信號(hào)符號(hào)速率1 Msps，強(qiáng)弱信號(hào)功率比為10 dB。小站弱信號(hào)的E_b/N₀范圍為2～9dB。

由圖5可以看出，抵消后的小站弱信號(hào)解調(diào)性能損失不高于0.6dB，滿(mǎn)足實(shí)際信號(hào)接收需求。

5結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)APCMA信號(hào)接收問(wèn)題，設(shè)計(jì)了完整的接收方案，并在FPGA上進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。該方案基于波形重構(gòu)原理，結(jié)合自適應(yīng)抵消思想，在簡(jiǎn)化了信號(hào)重構(gòu)過(guò)程的同時(shí)，提高了分離性能。相比傳統(tǒng)接收方案，只需很少額外邏輯，即可實(shí)現(xiàn)功能拓展。成本低、改動(dòng)小，易于維護(hù)和升級(jí)。針對(duì)實(shí)際衛(wèi)星通信系統(tǒng)，可以通過(guò)添加信道譯碼以降低主站解調(diào)誤碼率，進(jìn)一步提高抵消性能。