權(quán) 安，劉春冉

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

基于FPGA的PCMA解調(diào)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

權(quán) 安，劉春冉

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對(duì)現(xiàn)有衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬資源緊張的問(wèn)題，在對(duì)成對(duì)載波多址技術(shù)(Paired Carrier Multiple Access，PCMA)的工作原理、關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方式研究的基礎(chǔ)之上，提出了一種基于FPGA的PCMA信號(hào)解調(diào)器實(shí)現(xiàn)方案。詳細(xì)介紹了干擾抵消過(guò)程中所采用的參數(shù)估計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，并且利用遲早門電路進(jìn)行了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，給出了相應(yīng)的ModelSim仿真和實(shí)現(xiàn)資源占用情況。通過(guò)衛(wèi)星通信測(cè)試驗(yàn)證了該方案的可行性。

PCMA；參數(shù)估計(jì)；干擾抵消；FPGA

0 引言

成對(duì)載波多址接入(PCMA)技術(shù)是一種特殊的衛(wèi)星通信多址接入技術(shù)，1998年由美國(guó)ViaSat公司提出，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)，例如：VAST衛(wèi)星通信系統(tǒng)[1]。PCMA技術(shù)具有3個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：① 信道資源利用率提高一倍；② 下行信號(hào)抗截獲能力強(qiáng)；③ 可以與其他多址方式結(jié)合使用[2]。

目前，ViaSat公司已有多款采用PCMA技術(shù)的產(chǎn)品，例如：VAST系統(tǒng)的Calypso III和Calypso IV子載波終端[3]。國(guó)內(nèi)同類文獻(xiàn)中幾乎都處于技術(shù)探討和可行性層面，對(duì)于參數(shù)估計(jì)、干擾重構(gòu)等具體算法在PCMA系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究。本文從硬件實(shí)現(xiàn)的角度出發(fā)，分析、對(duì)比了自干擾信號(hào)參數(shù)的估計(jì)算法以及PCMA信號(hào)解調(diào)器的實(shí)現(xiàn)方式，并進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了算法的實(shí)現(xiàn)難度，從而完成了對(duì)PCMA信號(hào)的準(zhǔn)確分離和對(duì)目標(biāo)信號(hào)的正確解調(diào)。

1 PCMA系統(tǒng)工作原理

PCMA系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 PCMA系統(tǒng)組成

相互通信的兩地面站發(fā)射的信號(hào)在頻域和時(shí)域上完全重疊，地面站同時(shí)收到對(duì)方發(fā)射的信號(hào)和本方發(fā)射的、經(jīng)過(guò)透明轉(zhuǎn)發(fā)后返回本站的信號(hào)，本方需要先對(duì)返回的本站信號(hào)進(jìn)行抵消才能解調(diào)出對(duì)方發(fā)射的信號(hào)[4]。

與傳統(tǒng)通信信號(hào)解調(diào)相比，PCMA信號(hào)解調(diào)需要先進(jìn)行自干擾信號(hào)抵消，再進(jìn)行常規(guī)解調(diào)[5]。具體處理流程如圖2所示，經(jīng)過(guò)下變頻的PCMA信號(hào)先經(jīng)過(guò)相關(guān)檢測(cè)完成捕獲[6]，再利用本地發(fā)送信息估計(jì)出自干擾信號(hào)的定時(shí)、頻率、相位和幅度，從而恢復(fù)出本地信號(hào)進(jìn)行干擾抵消。最后，將經(jīng)過(guò)干擾抵消的PCMA信號(hào)進(jìn)行常規(guī)解調(diào)。

圖2 PCMA信號(hào)解調(diào)處理流程

2 PCMA信號(hào)解調(diào)關(guān)鍵技術(shù)

在高斯信道下，經(jīng)過(guò)下變頻處理后，己方接收到的PCMA信號(hào)r(t)表示為：

r(t)=s(t)+j(t)+n(t)。

(1)

式中，s(t)為目標(biāo)信號(hào)，即對(duì)方發(fā)送的信號(hào)；j(t)為自干擾信號(hào)；n(t)為系統(tǒng)中的高斯白噪聲。

目前衛(wèi)星通信系統(tǒng)中多采用PSK調(diào)制方式，因此，假設(shè)自干擾信號(hào)j(t)也是PSK信號(hào)，該信號(hào)可以表示為：

(2)

式中，A為信號(hào)幅度；ω為載波剩余頻偏；θ為載波瞬時(shí)相位；a(n)為發(fā)送的符號(hào)序列；h(t)為信道沖擊響應(yīng)；T為符號(hào)周期；τ為傳輸時(shí)延。

為了在本地恢復(fù)自干擾信號(hào)j′(t)，需要對(duì)自干擾信號(hào)j(t)的定時(shí)、頻率、相位和幅度進(jìn)行估計(jì)。

因此一方面對(duì)新建、改建110kV及以上的線路參數(shù)，要求按照有關(guān)基建工程驗(yàn)收規(guī)程的規(guī)定，在設(shè)備投入運(yùn)行前進(jìn)行實(shí)際參數(shù)測(cè)試；二方面進(jìn)一步加強(qiáng)全網(wǎng)主變中性點(diǎn)接地方式的管理；三方面根據(jù)雙側(cè)電源復(fù)雜電網(wǎng)的線路零序電流保護(hù)中，零序電流I段作為速動(dòng)段保護(hù)，對(duì)于超短線路（2km以下）及短線路（10km以下）宜退出運(yùn)行的規(guī)定，建議將110千伏乃嘎I線、奪城線、柳西雙線等長(zhǎng)度15km以內(nèi)共計(jì)12條線路的零序電流I段保護(hù)功能退出運(yùn)行。

首先，采用差分共軛相關(guān)算法進(jìn)行定時(shí)捕獲和傳輸時(shí)延估計(jì)，該方法可以消除載波頻偏對(duì)相關(guān)檢測(cè)的影響[7]。將經(jīng)過(guò)下變頻處理后的基帶信號(hào)與延時(shí)一個(gè)符號(hào)的基帶信號(hào)共軛相乘，經(jīng)過(guò)低通濾波得到差分信號(hào)；本地信息序列經(jīng)過(guò)差分處理，再經(jīng)過(guò)與接收信號(hào)相同的數(shù)字調(diào)制；將接收到的差分信號(hào)與本地產(chǎn)生的差分調(diào)制信號(hào)進(jìn)行滑動(dòng)相關(guān)運(yùn)算，如果出現(xiàn)的峰值大于預(yù)設(shè)門限，則認(rèn)為完成定時(shí)捕獲，并根據(jù)峰值位置獲得傳輸時(shí)延的估計(jì)值τ′[8]。

由于本地信息序列是已知的，經(jīng)過(guò)定時(shí)捕獲后，可以通過(guò)式(3)消除數(shù)字調(diào)制對(duì)頻率估計(jì)的影響[9]，并利用zk自相關(guān)函數(shù)的增量進(jìn)行頻偏估計(jì)[10]。

(3)

式中，rk為PCMA信號(hào)；ck為本地信號(hào)。

頻偏估計(jì)的表達(dá)式為：

(4)

式中，T為符號(hào)周期；R(i)為zk自相關(guān)函數(shù)；w(i)為窗函數(shù)，其表達(dá)式為：

(5)

假設(shè)觀測(cè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)=2N+1，可以通過(guò)下式獲得相位估計(jì)值[11]：

(6)

本地信號(hào)ck可以表示為：

(7)

在對(duì)PCMA信號(hào)的定時(shí)和頻率校正的基礎(chǔ)上，將PCMA信號(hào)與本地信號(hào)共軛相乘，可得

(8)

考慮到sk、nk與ck都是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的，自干擾信號(hào)j(t)的幅度估計(jì)值可以通過(guò)式(9)得到[12]：

(9)

利用參數(shù)估計(jì)獲得的定時(shí)、頻率、相位和幅度信息，對(duì)本地發(fā)送信息進(jìn)行數(shù)字調(diào)制，從而恢復(fù)出本地信號(hào)。再通過(guò)將接收到的PCMA信號(hào)與本地恢復(fù)信號(hào)相減完成自干擾信號(hào)抵消，將抵消后的信號(hào)進(jìn)行常規(guī)解調(diào)即可獲得對(duì)方發(fā)送的信息[13]。

3 PCMA的實(shí)現(xiàn)方式

PCMA是一個(gè)自干擾系統(tǒng)，PCMA信號(hào)解調(diào)基本上都是采用先抵消后解調(diào)的思路，但是在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，主要有2種不同的實(shí)現(xiàn)方式：PCMA調(diào)制解調(diào)器結(jié)構(gòu)和PCMA干擾抵消器結(jié)構(gòu)，下面將分別進(jìn)行介紹[14]。

3.1 PCMA調(diào)制解調(diào)器結(jié)構(gòu)

PCMA調(diào)制解調(diào)器結(jié)構(gòu)中包含2個(gè)調(diào)制器，一個(gè)用于產(chǎn)生發(fā)射出去的干擾信號(hào)，另一個(gè)用于恢復(fù)接收到的干擾信號(hào)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。接收信號(hào)先經(jīng)過(guò)下變頻到基帶，一路進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)和參數(shù)估計(jì)，控制本地干擾信號(hào)的產(chǎn)生和參數(shù)調(diào)整；另一路經(jīng)過(guò)延時(shí)處理，與本地干擾信號(hào)進(jìn)行抵消。最后，將經(jīng)過(guò)抵消處理后的基帶數(shù)據(jù)送入常規(guī)解調(diào)器。

圖3 PCMA調(diào)制解調(diào)器結(jié)構(gòu)

3.2 PCMA干擾抵消器結(jié)構(gòu)

PCMA干擾抵消器作為獨(dú)立設(shè)備串接在信道設(shè)備和調(diào)制解調(diào)器之間，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。PCMA干擾抵消器將中頻數(shù)據(jù)一路發(fā)射出去，將另一路進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)結(jié)果作為本地參考。本地信號(hào)抵消器結(jié)構(gòu)與PCMA調(diào)制解調(diào)器中的基本相同，區(qū)別在于進(jìn)行抵消處理的是中頻信號(hào)。

圖4 PCMA干擾抵消器結(jié)構(gòu)

2種結(jié)構(gòu)中，PCMA干擾抵消器雖然可以直接與現(xiàn)有信道設(shè)備和調(diào)制解調(diào)器相連，使用簡(jiǎn)單，但需要先對(duì)本站發(fā)送的中頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，再利用解調(diào)結(jié)果作為本地參考進(jìn)行干擾抵消，而且需要輸出抵消后的中頻信號(hào)，中間環(huán)節(jié)多、設(shè)備復(fù)雜且成本高。而PCMA調(diào)制解調(diào)器可以采用一體化設(shè)計(jì)、集成度高、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低，可以在單個(gè)FPGA芯片中實(shí)現(xiàn)，有利于降低成本，所以這里選用PCMA調(diào)制解調(diào)器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方式。

4 PCMA信號(hào)解調(diào)的FPGA實(shí)現(xiàn)

隨著FPGA的片上資源和處理速度不斷增長(zhǎng)，使得在單個(gè)FPGA芯片中實(shí)現(xiàn)PCMA信號(hào)解調(diào)成為可能。在FPGA片內(nèi)主要需要實(shí)現(xiàn)：數(shù)字調(diào)制單元、相關(guān)檢測(cè)單元、參數(shù)估計(jì)單元和常規(guī)數(shù)字解調(diào)單元。同時(shí)，在數(shù)字板卡設(shè)計(jì)時(shí)，需要在板卡上使用AD和DA芯片，以滿足同時(shí)發(fā)送和接收信號(hào)的要求。

為了降低自干擾信號(hào)參數(shù)估計(jì)在FPGA實(shí)現(xiàn)中的復(fù)雜度，這里采用了遲早門電路進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，如圖5所示。輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)早門和遲門處理，與原數(shù)據(jù)一起送入比較器，根據(jù)選定的準(zhǔn)則判斷向早門或者遲門方向調(diào)整環(huán)路參數(shù)，使得環(huán)路輸出為最優(yōu)值[15]。雖然環(huán)路收斂需要一定的時(shí)間，但是PCMA信號(hào)屬于連續(xù)信號(hào)，因此這部分時(shí)間對(duì)系統(tǒng)功能而言可以忽略不計(jì)。

圖5 遲早門電路示意

在信干比為0 dB條件下，即干擾信號(hào)和目標(biāo)信號(hào)功率相同，對(duì)符號(hào)速率為2 Msps、調(diào)制樣式為QPSK的PCMA信號(hào)進(jìn)行解調(diào)的ModelSim仿真波形圖如圖6所示。

圖6 PCMA信號(hào)解調(diào)ModelSim仿真波形

圖6中第1個(gè)信號(hào)為疊加了目標(biāo)信號(hào)和干擾信號(hào)的PCMA信號(hào)；第2個(gè)信號(hào)為本地恢復(fù)出的干擾信號(hào)；第3個(gè)信號(hào)為目標(biāo)信號(hào)；第4個(gè)信號(hào)為經(jīng)過(guò)干擾抵消后恢復(fù)出的目標(biāo)信號(hào)。從圖6中可以看出，恢復(fù)出的目標(biāo)信號(hào)與原信號(hào)基本相同，抵消效果良好。

本方案設(shè)計(jì)的PCMA解調(diào)器和常規(guī)解調(diào)器接收PCMA信號(hào)時(shí)的星座圖如圖7所示。從圖7中可以看出，常規(guī)解調(diào)器的星座點(diǎn)很分散，無(wú)法對(duì)PCMA信號(hào)正確解調(diào)；本方案設(shè)計(jì)的PCMA解調(diào)器恢復(fù)出的星座點(diǎn)匯聚情況比較好，基本消除了干擾信號(hào)的影響。

圖7 2種解調(diào)器對(duì)PCMA信號(hào)解調(diào)的星座圖

以Xilinx公司V6系列315T型FPGA芯片為例，該方案的資源占用情況如表1所示。從表1中可以看出，該方案的資源占用量少，為隨后進(jìn)行的信道譯碼、CRC校驗(yàn)等功能預(yù)留了足夠的資源，易于擴(kuò)展。

表1 資源占用表

5 結(jié)束語(yǔ)

本文利用PCMA系統(tǒng)中自干擾信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)的弱相關(guān)性，對(duì)PCMA自干擾信號(hào)參數(shù)估計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了研究，提出了一種經(jīng)過(guò)優(yōu)化的硬件實(shí)現(xiàn)方案。該方案已經(jīng)通過(guò)了地球同步軌道衛(wèi)星通信測(cè)試，運(yùn)行穩(wěn)定，抵消效果良好。在單個(gè)FPGA芯片中實(shí)現(xiàn)PCMA信號(hào)解調(diào)，不僅降低了解調(diào)器的硬件成本，而且有利于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化，在工程實(shí)踐中具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

[1] DANKBERG M.Paired Carrier Multiple Access(PCMA) forSatellite Communication[C]∥First Presented At Pacific Telecommunication Conference,Honolulum Hawaii,1998:787-791.

[2] 汪春霆，潘申富，易克初.一種雙向鏈路頻譜重疊共享頻帶的衛(wèi)星通信系統(tǒng)[J].微波學(xué)報(bào)，2011，27(1)：83-86.

[3] 姚蒔霖，陳惠民.衛(wèi)星通信系統(tǒng)成對(duì)載波多址技術(shù)的應(yīng)用[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，10(3)：241-243.

[4] 馬計(jì)剛，劉同佩，陸健峰.PCMA衛(wèi)星系統(tǒng)中信號(hào)抑制與同步技術(shù)[J].電訊技術(shù)，2005(3)：152-154.

[5] 潘申富.三種PCMA返回信號(hào)捕獲方案分析與比較[J].無(wú)線電工程，2011，41(2)：13-15.

[6] 劉 征，汪春霆.一種實(shí)現(xiàn)PCMA信號(hào)快速捕獲的方法[J].無(wú)線電工程，2006，36(2)：17-19.

[7] 曾興雯，劉乃安，孫獻(xiàn)璞.擴(kuò)展頻譜通信及其多址技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

[8] 邵淑媛，張揚(yáng).成對(duì)載波多址系統(tǒng)中干擾信號(hào)延時(shí)的估計(jì)[J].信息與電子工程，2006，4(1)：49-52.

[9] BIAN Dong-ming,ZHANG Geng-xin.A Maximum Likelihood Based Carrier Frequency Estimation Algorithm[C]∥Signal Processing Proceedings,WCCC-ICSP,5th International Conference,2000:185-188.

[10] 公 博，郭 慶.PCMA系統(tǒng)自干擾頻率估計(jì)新算法[J].通信技術(shù)，2010，43(11)：37-39.

[11] CAOURAS N,MORAWSKI R,LE-NGOC T.FastCarrier Recovery for Burst-mode Coherent Demodulation Using Feed-forward Phase and Frequency Estimation Techniques[C]∥ Electrical and Computer Engineering,IEEE Canadian Conference,1999:79-83.

[12] 付 迪，高 勇.非對(duì)稱PCMA衛(wèi)星信號(hào)的截獲方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007(7)：28-30.

[13] 潘申富，白 棟，依那.成對(duì)載波多址系統(tǒng)中干擾信號(hào)幅度的估計(jì)[J].真空電子技術(shù)，2003(2)：21-24.

[14] 劉文峰.PCMA干擾抵消性能仿真[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2008.

[15] 田 耘，徐文波，張延偉.無(wú)線通信FPGA設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

權(quán) 安 男，(1983—)，工程師。主要研究方向：數(shù)字信號(hào)處理。

劉春冉 女，(1983—)，高級(jí)工程師。主要研究方向：無(wú)線通信。

Design and Implementation of PCMA Demodulator Based on FPGA

QUAN An，LIU Chun-ran

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

Considering the spectrum resource shortage of transponders in satellite communication,a demodulator design based on FPGA is proposed by analyzing the operating principle,key technologies and implementing methods of Paired Carrier Multiple Access(PCMA).A detailed description of parameter estimation for interference cancelling is given.The early-late gates loop is introduced for simplifying this design.The ModelSim simulation and hardware resource occupation of this design are shown in this paper.Finally,the effectiveness of this design is verified by a series of satellite communication tests.

PCMA;parameter estimation;interference cancellation;FPGA

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.05.27

權(quán) 安,劉春冉.基于FPGA的PCMA解調(diào)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].無(wú)線電工程,2017,47(5):111-114.[QUAN An,LIU Chunran.Design and Implementation of PCMA Demodulator Based on FPGA[J].Radio Engineering,2017,47(5):111-114.]

2017-02-10

國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目。

TN911

A

1003-3106(2017)05-0111-04