時(shí)域交叉極化干擾對消方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種時(shí)域交叉極化干擾對消方法，旨在提供一種簡單可靠，復(fù)雜度低的對消方法。本發(fā)明通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn):首先，將經(jīng)同一A/D采樣時(shí)鐘的兩路信號I和Q送入相位搜索單元，平移I、Q中的一路，使兩路信號依次產(chǎn)生m個(gè)相位差，并在相關(guān)系數(shù)計(jì)算單元中計(jì)算I、Q信號的相關(guān)系數(shù)，完成m次相關(guān)系數(shù)計(jì)算后，取相關(guān)系數(shù)最大值對應(yīng)的相位作為相位搜索單元的信號輸出，完成I、Q信號的相位對齊；然后，將對齊位置兩路信號的相關(guān)系數(shù)c乘一個(gè)根據(jù)實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的系數(shù)k，對一路信號滲透到另一路中的極化干擾分量強(qiáng)度進(jìn)行估計(jì)；最后，在干擾對消單元中對Q路信號減去c*k*I，消除Q路中滲透的I路干擾，同理可消除I路中滲透的Q路干擾。
【專利說明】
時(shí)域交叉極化干擾對消方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于高速率接收解調(diào)器中的干擾對消類，主要涉及一種適用于高速衛(wèi)星通信系統(tǒng)領(lǐng)域的交叉極化干擾對消方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著對地觀測技術(shù)的發(fā)展，獲取的遙感信息容量呈幾何級數(shù)增長，將衛(wèi)星獲取的原始數(shù)據(jù)傳回到地面變得越來越困難。星地鏈路需要傳輸?shù)男畔⑺俾试絹碓礁?，占用的帶寬也越來越寬，寬帶高速傳輸已?jīng)成為星地?cái)?shù)據(jù)傳輸發(fā)展的必然趨勢。占用更寬的頻帶和提高頻譜資源利用率是提高傳輸速率的兩個(gè)技術(shù)途徑，顯然提高頻譜資源利用率是更值得研究和使用的技術(shù)途徑。提高頻譜資源利用率主要有兩種方法:一是采用多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制(包括幅度、頻率、相位及其聯(lián)合調(diào)制)體制，提高單位帶寬或者每符號的傳輸比特?cái)?shù);另一種方法是采用頻率復(fù)用(也稱為極化復(fù)用)技術(shù)，即在同一頻帶利用一對正交的極化波同時(shí)傳送2個(gè)載波信號，實(shí)現(xiàn)傳輸容量加倍，這是提高頻譜資源利用率的一種既實(shí)用又經(jīng)濟(jì)的方法。但是在高速衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，極化復(fù)用技術(shù)有一個(gè)不可避免的問題就是由于傳輸信道的非理想特性、電離層去極化、天線物理誤差等因素導(dǎo)致兩路正交信號之間存在一定程度的交叉極化干擾，即同時(shí)傳輸?shù)膬陕氛粯O化信號會(huì)有部分功率泄露到另外一個(gè)極化方向上，造成交叉極化干擾，使通信系統(tǒng)性能惡化。為了消除兩個(gè)極化方向上的交叉干擾，要么提高天線的極化隔離度，要么采用交叉極化干擾消除技術(shù)。由于提高天線的隔離度會(huì)大大增加天線的制造成本，并且提高幅度有限；因此，極化干擾對消技術(shù)(XPIC，CrossPolarizat1n Interference Cancellat1n)成為高速衛(wèi)星通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。
[0003]交叉極化干擾的消除一般采用極化干擾對消器(XPIC)4PIC的結(jié)構(gòu)一般有多種:第I種是基于LMS/RLS的橫向?yàn)V波器均衡對消結(jié)構(gòu)，該方法需要兩個(gè)極化信號是同步的，包括各自的載波、符號同步、以及兩路的信號延遲保持一致，對消的性能才能得以保證，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度相對較大。第2種是基于極化合并的均衡對消結(jié)構(gòu)，其復(fù)雜度更大，由于它將干擾分量提取出來，疊加到有用的支路上，使檢測性能得以增強(qiáng)，得到分集合并增益。第3種是基于信號相關(guān)性對消的思路，由于兩路信號是獨(dú)立的隨機(jī)過程，當(dāng)干擾存在時(shí)，具有一定相關(guān)性，干擾信號乘以相關(guān)系數(shù)，便是主信道中的干擾分量。
[0004]從對消器的位置來看，XPIC可以是A/D之后基于采樣的對消器，也可以是接收機(jī)同步以后基于符號間隔或過采樣符號間隔的對消器。因此極化干擾量(XPI ,CrossPolarizat1n Interference)的估計(jì)可以是基于判決的誤差提取技術(shù)，也可以是基于相關(guān)的干擾提取技術(shù)。
[0005]上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處有三:
一是極化干擾對消器的工作條件要求苛刻。例如基于LMS/RLS的橫向?yàn)V波器均衡對消器方法要求兩個(gè)極化信號必須是同步的，包括各自的載波同步和符號同步、以及兩路的信號延遲必須保持一致，才能保證對消器的工作性能。
[0006]二是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度較大，對資源要求高。為滿足第一點(diǎn)要求，需要對XPIC模塊進(jìn)行較復(fù)雜的設(shè)計(jì)，例如:低通濾波器的設(shè)計(jì)，并行接收機(jī)的多相濾波結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，需要大量的乘法器資源，因此對實(shí)現(xiàn)算法的FPGA資源要求也較高。
[0007]三是干擾對消器的適應(yīng)性。目前大部分XPIC對消器放置于接收機(jī)同步以后，基于符號間隔或過采樣符號間隔，其無法處理信號因?yàn)闃O化干擾導(dǎo)致接收機(jī)無法進(jìn)行同步的情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了克服現(xiàn)有交叉極化對消器技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種簡單可靠、復(fù)雜度低、不要求信號載波同步、解調(diào)和判決誤差提取等操作，對于不同調(diào)制和編碼通信傳輸模式下具有一致性的交叉極化干擾對消方法。
[0009]本發(fā)明的上述目的通過以下措施來達(dá)到。首先，將一對經(jīng)過同一A/D采樣時(shí)鐘采樣的基帶正交極化信號，分別記為I路和Q路，送入相位搜索單元，相位搜索單元搜索1、Q兩路信號的對齊位置，通過平移1、Q兩路信號中的一路，使兩路信號依次產(chǎn)生m個(gè)相位差，并在相關(guān)系數(shù)計(jì)算單元中計(jì)算1、Q兩路信號的相關(guān)系數(shù)，對每個(gè)平移相位差計(jì)算一次1、Q信號的相關(guān)系數(shù)，完成m次信號相關(guān)系數(shù)計(jì)算后，取相關(guān)系數(shù)最大值對應(yīng)的相位作為相位搜索單元的信號輸出，完成1、Q兩路信號的相位對齊;然后，將對齊位置兩路信號的相關(guān)系數(shù)c乘以一個(gè)根據(jù)實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的系數(shù)k，對一路信號滲透到另一路信號中的極化干擾分量強(qiáng)度X進(jìn)行估計(jì);最后，在干擾對消單兀中，對Q路?目號減去c*k*I，可消除Q路彳目號中滲透的I路?目號干擾;同理消除I路信號中Q路的滲透干擾，其中，m為搜索相位總數(shù)且，η為自然數(shù)。
[0010]本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)方法的有益效果是:
簡單可靠、復(fù)雜度低。本發(fā)明直接基于A/D采樣樣本進(jìn)行時(shí)域交叉極化干擾對消，所有計(jì)算均在時(shí)域上進(jìn)行。相關(guān)系數(shù)計(jì)算單元采用依次串聯(lián)的并行乘法器、并行加法器、積分清零濾波器IDF(Integrate and Dump Filter)和滑動(dòng)平均器MA(Moving Average)構(gòu)成級聯(lián)結(jié)構(gòu)替代了低通濾波器，避免了并行接收機(jī)的多相濾波結(jié)構(gòu)，簡化了算法設(shè)計(jì)。在FPGA實(shí)現(xiàn)中，相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)構(gòu)除了使用相關(guān)乘法器外，無須多相濾波結(jié)構(gòu)和大量乘法器資源，大大節(jié)省了 FPGA資源，在兼顧干擾對消器性能的同時(shí)大大簡化了算法的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。
[0011]不要求信號載波同步、解調(diào)和判決誤差提取等操作，在不同調(diào)制和編碼通信模式下，具有一致性。本發(fā)明的交叉極化干擾對消方法緊接在A/D采樣之后和載波同步之前，僅使用A/D采樣信號進(jìn)行極化干擾的估計(jì)和消除，屬于一種檢前極化對消方案，因此不要求載波同步、解調(diào)和判決誤差提取等操作。同時(shí)由于整個(gè)極化干擾的估計(jì)和消除過程與信號的調(diào)制方式和編碼方式無關(guān)，僅取決于信號之間的相關(guān)性，因此該方法在不同調(diào)制和編碼通信模式下具有一致性，避免了由于調(diào)制和編碼通信模式的不同而需要使用不同的極化干擾消除方法或需要進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。
[0012]本發(fā)明適用于航天測控、衛(wèi)星遙感等采用同頻極化信道復(fù)用的接收機(jī)設(shè)備。可廣泛應(yīng)用于寬帶衛(wèi)星信號傳輸、遙感和高速無線信號處理。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明時(shí)域交叉極化干擾對消器的總體連接框圖。
[0014]圖2是圖1相位搜索單元的工作原理圖。
[0015]圖3是相關(guān)系數(shù)計(jì)算單元工作原理圖。
[0016]圖4是圖1干擾對消單元工作原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本方法進(jìn)一步說明。
[0018]參閱圖1<J、Q兩路信號被認(rèn)為是獨(dú)立的隨機(jī)過程，因此僅當(dāng)1、Q間存在交叉極化干擾時(shí)，1、Q兩路信號間才會(huì)存在一定的相關(guān)性，該相關(guān)性來源于1、Q兩路信號互相滲透的交叉干擾，此相關(guān)性可由相關(guān)系數(shù)計(jì)算單元計(jì)算出來。由于1、Q兩路信號在傳輸和采樣等過程中可能會(huì)產(chǎn)生相位偏移，因此需利用相位搜索單元搜索并校正1、Q之間的相位偏移。令I(lǐng)和Q為一對經(jīng)過下變頻至基帶的正交信號，1、Q之間存在互相滲透的交叉極化干擾，以下以消除I路信號對Q路信號的極化干擾為例。采用同樣的方法可消除Q路信號對I路信號的極化干擾。
[0019]首先，將一對基帶正交極化信號使用同一采樣頻率進(jìn)行A/D采樣，分別記為I路信號和Q路信號，送入相位搜索單元進(jìn)行信號對齊，通過在設(shè)定范圍內(nèi)遍歷搜索的方式搜索兩路信號的對齊位置，以補(bǔ)償1、Q路信號之間由于信號傳輸過程的非理想特性導(dǎo)致的信號相位偏移。在相位搜索單元中，采用滑動(dòng)一路信號，另一路信號保持相位不變的搜索方式，將一路信號分別向前或向后滑動(dòng)m/2或m/2-l次(m=2n)，其中m為搜索相位總數(shù)，η為自然數(shù)，η的取值根據(jù)兩路信號可能產(chǎn)生的相位偏移進(jìn)行確定，典型值為6。以消除I路信號對Q路信號的極化干擾為例，保持I路信號相位不變，Q路信號進(jìn)行滑動(dòng)，對Q路信號的每一次滑動(dòng)，都計(jì)算并記錄一個(gè)I路和Q路信號的相關(guān)系數(shù)，在一次輪尋中可獲得兩路信號在m個(gè)不同離散相位位置的相關(guān)系數(shù)，在一輪中相關(guān)系數(shù)最大值對應(yīng)的相位即是1、Q兩路信號相位當(dāng)前對齊的位置。將Q路信號平移至相關(guān)系數(shù)最大值對應(yīng)的相位后和I路信號一起輸出，即消除了1、Q兩路信號的相位偏移。然后，將對齊位置兩路信號的相關(guān)系數(shù)c乘以一個(gè)根據(jù)實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的系數(shù)k，對一路信號滲透到另一路信號中的干擾分量強(qiáng)度X進(jìn)行估計(jì);在干擾對消單元中，對Q路信號減去c*k*I，即可消除Q路信號中滲透的I路信號干擾；同理可消除I路信號中Q路的滲透干擾。上述信號對齊過程是一個(gè)循環(huán)，為了跟蹤信道特性的變化，相位搜索單元在每進(jìn)行m次相關(guān)系數(shù)計(jì)算后，根據(jù)新的最大相關(guān)系數(shù)對應(yīng)相位對Q路信號的平移相位進(jìn)行修正。其中，相位搜索單元的信號相關(guān)系數(shù)通過相關(guān)系數(shù)計(jì)算單元進(jìn)行計(jì)算。相關(guān)系數(shù)計(jì)算單元采用依次串聯(lián)的并行乘法器、并行加法器、積分清零濾波器IDF和滑動(dòng)平均器MA構(gòu)成的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，計(jì)算兩路信號對應(yīng)位置的離散信號值相乘后再求和，即可獲得兩路信號的相關(guān)系數(shù)值;最后，對齊位置兩路信號的相關(guān)系數(shù)c乘以一個(gè)根據(jù)實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的估計(jì)系數(shù)k，對一路信號滲透到另一路信號中的干擾分量強(qiáng)度X進(jìn)行估計(jì);在干擾對消單元中，對Q路信號減去c*k加權(quán)的I路信號，即可消除Q路中滲透的I路信號干擾；同樣的方法，可消除I路信號中Q路信號的滲透干擾。
[0020]參閱圖2。相位搜索單元的目標(biāo)是尋找1、Q兩路信號的相位對齊位置，以消除1、Q路信號之間的相位偏移，以便于后續(xù)的干擾消除步驟。相位搜索單元設(shè)定的搜索相位總數(shù)為m，m = 2n，n為自然數(shù)，并分配m個(gè)相關(guān)系數(shù)存儲(chǔ)空間，用于存儲(chǔ)每個(gè)相位對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)，相位搜索在這m個(gè)相位中進(jìn)行。搜索過程中I路相位保持不變，Q路以其原始相位為中心向前平移獲得m/2個(gè)前向相位，向后平移獲得m/2-l個(gè)后向相位。每個(gè)相位位置1、Q信號的相關(guān)系數(shù)均通過相關(guān)系數(shù)計(jì)算單元計(jì)算，并存儲(chǔ)，直到m個(gè)相位遍歷完成。以1、Q信號的相關(guān)系數(shù)作為判據(jù)，通過比較獲得m個(gè)相關(guān)系數(shù)中的最大值，該相關(guān)系數(shù)最大值即對應(yīng)1、Q路信號對齊的相位，將Q路信號平移至該相位輸出，即取得1、Q兩路信號的對齊;然后，將對齊位置兩路信號的相關(guān)系數(shù)c乘以一個(gè)根據(jù)實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的系數(shù)k，對一路信號滲透到另一路信號中的干擾分量強(qiáng)度X進(jìn)行估計(jì);在干擾對消單元中，對Q路信號減去c*k*I，可消除Q路信號中滲透的I路信號干擾；同理可消除I路信號中Q路的滲透干擾。為了跟蹤衛(wèi)星信道特性的變化，即在信號傳輸過程中1、Q路的相位偏移會(huì)隨著時(shí)間緩慢變化，因此上述相位搜索過程是一個(gè)循環(huán)，每進(jìn)行一次輪尋，即m次相位搜索后，對Q路的輸出相位進(jìn)行一次更新。
[0021]參閱圖3。合理的積分清零濾波器IDF和滑動(dòng)平均器MA的長度選擇是相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果平滑，同時(shí)又能及時(shí)反應(yīng)信號相關(guān)關(guān)系變化的保證。相關(guān)系數(shù)計(jì)算單元采用順次串聯(lián)的并行乘法器、并行加法器、積分清零濾波器IDF和滑動(dòng)平均器MA構(gòu)成級聯(lián)結(jié)構(gòu)，計(jì)算1、Q兩路數(shù)字信號對應(yīng)位置信號值相乘后求和。其中，滑動(dòng)平均器MA的實(shí)現(xiàn)基于累加器和延遲的相減操作。積分清零濾波器在每次累加完成設(shè)定長度的數(shù)據(jù)以后，輸出累加結(jié)果，并清零累加器以進(jìn)行下一次的累加運(yùn)算，功能類似于一個(gè)低通濾波器。積分清零濾波器的輸出結(jié)果，送到滑動(dòng)平均器MA，進(jìn)一步進(jìn)行滑窗濾波操作。
[0022]參閱圖4<J、Q兩路信號相位對齊以后，使用當(dāng)前相位位置的相關(guān)系數(shù)c乘以一個(gè)估計(jì)系數(shù)k(k需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行設(shè)定和調(diào)整)，對干擾信號I滲透到被干擾信號Q中的干擾分量強(qiáng)度X進(jìn)行估計(jì)。在干擾對消單元中對被干擾信號Q減去c*k加權(quán)的I路信號，即可消除I路信號滲透到Q路信號中的極化干擾。使用同樣的方法，可消除Q路信號滲透到I路信號中的極化干擾。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種時(shí)域交叉極化干擾對消方法，其特征在于包括如下步驟:首先，將一對經(jīng)過同一A/D采樣時(shí)鐘采樣的基帶正交極化信號，分別記為I路和Q路，送入相位搜索單元，相位搜索單元搜索1、Q兩路信號的對齊位置，通過平移1、Q兩路信號中的一路，使兩路信號依次產(chǎn)生m個(gè)相位差，并在相關(guān)系數(shù)計(jì)算單元中計(jì)算1、Q兩路信號的相關(guān)系數(shù)，對每個(gè)平移相位差計(jì)算一次1、Q信號的相關(guān)系數(shù)，完成m次信號相關(guān)系數(shù)計(jì)算后，取相關(guān)系數(shù)最大值對應(yīng)的相位作為相位搜索單元的信號輸出，完成1、Q兩路信號的相位對齊;然后，將對齊位置兩路信號的相關(guān)系數(shù)c乘以一個(gè)根據(jù)實(shí)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)設(shè)定的系數(shù)k，對一路信號滲透到另一路信號中的極化干擾分量強(qiáng)度X進(jìn)行估計(jì);最后，在干擾對消單元中，對Q路信號減去c*k*I，可消除Q路信號中滲透的I路信號干擾；同理消除I路信號中Q路的滲透干擾.，其中，m為搜索相位總數(shù)且，η為自然數(shù)。2.如權(quán)利要求1所述的時(shí)域交叉極化干擾對消方法，其特征在于:在相位搜索單元中，采用滑動(dòng)一路信號，另一路信號保持相位不變的方式，將一路信號分別向前或向后滑動(dòng)m/2或m/2-l次，并以1、Q信號的相關(guān)系數(shù)作為判據(jù)，比較m個(gè)相位位置的相關(guān)系數(shù)，遍歷獲取相關(guān)系數(shù)最大值。3.如權(quán)利要求2所述的時(shí)域交叉極化干擾對消方法，其特征在于:Q路信號的每一次滑動(dòng)，均計(jì)算并記錄一個(gè)1、Q兩路信號的相關(guān)系數(shù)，獲得兩路信號在m個(gè)順次離散相位差位置的相關(guān)系數(shù)，其中m為搜索相位總數(shù)且m=2n，n為自然數(shù)，η的取值根據(jù)兩路信號可能產(chǎn)生的相位偏移進(jìn)行確定，典型值為6。4.如權(quán)利要求1所述的時(shí)域交叉極化干擾對消方法，其特征在于:當(dāng)m個(gè)相關(guān)系數(shù)計(jì)算出來以后，最大的相關(guān)系數(shù)對應(yīng)的相位位置為1、Q兩路信號真實(shí)的對齊位置，此時(shí)，相位搜索單元將Q路信號平移至該位置，即完成1、Q兩路信號的相位對齊，并保持到下一輪m個(gè)相關(guān)系數(shù)重新計(jì)算完畢。5.如權(quán)利要求4所述的時(shí)域交叉極化干擾對消方法，其特征在于:相關(guān)系數(shù)計(jì)算單元采用順次串聯(lián)的并行乘法器、并行加法器、積分清零濾波器IDF和滑動(dòng)平均器MA構(gòu)成級聯(lián)結(jié)構(gòu)，計(jì)算1、Q兩路數(shù)字信號對應(yīng)位置信號值相乘后求和。6.如權(quán)利要求4所述的時(shí)域交叉極化干擾對消方法，其特征在于:積分清零濾波器在每次累加完成設(shè)定長度的數(shù)據(jù)以后，輸出累加結(jié)果，并清零累加器以進(jìn)行下一次的累加運(yùn)算，功能類似于一個(gè)低通濾波器。7.如權(quán)利要求1所述的時(shí)域交叉極化干擾對消方法，其特征在于:積分清零濾波器的輸出結(jié)果，送到滑動(dòng)平均器MA，進(jìn)一步進(jìn)行滑窗濾波操作。8.如權(quán)利要求1所述的時(shí)域交叉極化干擾對消方法，其特征在于:相位搜索單元設(shè)定的搜索相位總數(shù)為m，并分配m個(gè)相關(guān)系數(shù)存儲(chǔ)空間，用于存儲(chǔ)每個(gè)相位位置對應(yīng)的相關(guān)系數(shù)，相位搜索在這m個(gè)相位中進(jìn)行。9.如權(quán)利要求1所述的時(shí)域交叉極化干擾對消方法，其特征在于:相位搜索單元對每m次Q路滑動(dòng)，更新一次輸出的Q路相位。10.如權(quán)利要求1所述的時(shí)域交叉極化干擾對消方法，其特征在于:在干擾對消單元中對被干擾信號Q減去c*k加權(quán)的I路信號，即可消除I路信號滲透到Q路信號中的極化干擾。
【文檔編號】H04L27/38GK105933052SQ201610340886
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月20日
【發(fā)明人】林勤, 王宇舟
【申請人】中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所