唐婷

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川成都 610036）

未來通信衛(wèi)星將逐步發(fā)展為性能全面的大衛(wèi)星，在數(shù)據(jù)采集、導(dǎo)航、通信等方面實(shí)現(xiàn)高性能、高效率。為滿足高速數(shù)據(jù)傳輸需求，提升通信系統(tǒng)容量常用的技術(shù)手段包括高階調(diào)制體制[1-5]、雙極化傳輸[6-10]等。

雙極化傳輸是利用水平極化和垂直極化，在同一頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)兩路信號(hào)的傳輸。理想情況下兩路極化信號(hào)相互正交，完全獨(dú)立互不干擾。然而由于信道非理想特性、雨衰、天線隔離度等因素，雙極化傳輸?shù)膬陕沸盘?hào)不再完全正交，非正交的兩路信號(hào)相互混疊干擾，被稱之為交叉極化干擾（XPI，Cross-Polarization Interference）[10]。

極化交叉干擾信號(hào)的存在導(dǎo)致主信號(hào)信噪比降低，性能惡化。交叉極化干擾對(duì)消（XPIC，Crosspolarization Interference Canceller）技術(shù)[11-12]通過對(duì)接收到的兩路信號(hào)進(jìn)行處理，消除干擾信號(hào)，提高接收信號(hào)質(zhì)量。隨著極化復(fù)用技術(shù)在數(shù)傳領(lǐng)域中的應(yīng)用，交叉極化干擾對(duì)消技術(shù)開始應(yīng)用于數(shù)傳接收機(jī)。交叉極化干擾對(duì)消技術(shù)可分為射頻、中頻、基帶三種技術(shù)途徑，射頻XPIC 需要增加復(fù)雜的射頻電路，導(dǎo)致天線設(shè)計(jì)難度增加、系統(tǒng)復(fù)雜度提高，目前并未被廣泛應(yīng)用。中頻XPIC 對(duì)消通過乘累加器、積分清零器和移動(dòng)平均MA 的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)系數(shù)估計(jì)。該方案的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)無需載波恢復(fù)和時(shí)鐘同步，缺點(diǎn)是運(yùn)算量較大，特別適用于全數(shù)字高速解調(diào)器[13]?；鶐PIC 由于簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)得到廣泛研究[14-16]。文獻(xiàn)[16]介紹了一種基帶極化對(duì)消方案，解調(diào)后的基帶信號(hào)通過自適應(yīng)算法訓(xùn)練濾波器系數(shù)，達(dá)到消除干擾的目的。該方案可對(duì)不同頻率、調(diào)制方式的信號(hào)實(shí)現(xiàn)極化對(duì)消。但當(dāng)接收鏈路的下變頻本振頻率不同源時(shí)，卻無法實(shí)現(xiàn)交叉極化對(duì)消。

該文針對(duì)實(shí)際接收鏈路中存在的本振頻率不同源現(xiàn)象，對(duì)文獻(xiàn)[16]方案進(jìn)行改進(jìn)，在交叉極化對(duì)消模塊前面增加頻率補(bǔ)償模塊，通過頻率補(bǔ)償模塊消除參考信號(hào)與干擾信號(hào)間的頻差，使得進(jìn)入極化對(duì)消模塊的干擾信號(hào)與參考信號(hào)頻率相同，從而利用干擾信號(hào)和參考信號(hào)二者無頻差消除干擾信號(hào)的目的，該方法無需下變頻本振頻率同源，可通過交叉極化干擾對(duì)消有效減少交叉極化干擾帶來的誤碼率惡化。

1 極化干擾模型

極化發(fā)射天線發(fā)射兩個(gè)相互正交的極化信號(hào)，接收端極化分路器對(duì)雙極化信號(hào)進(jìn)行分離。理想情況下水平極化與垂直極化信號(hào)在傳輸過程中相互正交。但在實(shí)際通信時(shí)，受無線信道非理想特性、天線隔離度等因素影響，導(dǎo)致極化信號(hào)方向發(fā)生偏移，在同極化方向上也存在交叉極化信號(hào)的分量，稱之為XPI[5]。

如圖1 所示，Vt是發(fā)射的垂直極化信號(hào)，Ht是發(fā)射的水平極化信號(hào)，Vr是接收的垂直極化信號(hào)，Hr是接收的水平極化信號(hào)，F(xiàn)HV和FVH為交叉極化干擾的傳輸函數(shù)。

圖1 交叉極化干擾模型

接收信號(hào)表示為：

理想情況下，Vr中包含的信號(hào)分量只有Vt信號(hào)，Vt中包含的信號(hào)分量只有Vr，即FHV=0、FVH=0 ；實(shí)際通信中，Vr包含了Vt和Ht信號(hào)分量，同時(shí)Hr也包含了Vt和Ht信號(hào)分量，即FHV≠0、FVH≠0。

Vt、Ht為BPSK、QPSK、8PSK 等調(diào)制信號(hào)，可表示為：

其中，ω1是Vt的中心頻率，ω2是Ht的中心頻率，θ1(t)是Vt的相位調(diào)制信息，θ2(t)是Ht的相位調(diào)制信息。

天線接收到信號(hào)后對(duì)信號(hào)進(jìn)行分離，分別將兩路信號(hào)送至不同的下變頻鏈路，變頻至中頻。設(shè)下變頻鏈路1 的變頻頻率為ω3，下變頻鏈路2 的變頻頻率為ω4，下變頻獲得中頻信號(hào)x1(t)和x2(t)，表達(dá)式如下：

2 極化對(duì)消設(shè)計(jì)

高速解調(diào)器通常為用于寬帶調(diào)制信號(hào)的接收設(shè)備，對(duì)于無極化干擾的信號(hào)，分別對(duì)x1(t)和x2(t)進(jìn)行獨(dú)立解調(diào)，即可獲得接收數(shù)據(jù)。對(duì)于具有XPI 的信號(hào)，受XPI 信號(hào)的影響，解調(diào)性能下降，需要采用XPIC 技術(shù)對(duì)XPI 進(jìn)行消除，以降低極化干擾的影響。

具備XPIC 功能模塊的高速解調(diào)器如圖2 所示，x1(t)是解調(diào)主信號(hào)，x2(t)是解調(diào)參考信號(hào)，對(duì)x1(t)信號(hào)進(jìn)行正常解調(diào)。x1(t)模擬中頻信號(hào)首先通過高速ADC 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，解調(diào)功能在數(shù)字域處理完成，包含數(shù)字下變頻、載波恢復(fù)環(huán)路、時(shí)鐘同步環(huán)路，獲得基帶主信號(hào)。x2(t)的處理流程包含數(shù)字下變頻1、數(shù)字下變頻2、內(nèi)插三個(gè)步驟，獲得基帶參考信號(hào)。其中數(shù)字下變頻1 與x1(t)的數(shù)字下變頻處理完全相同，其作用是將中頻信號(hào)搬移到基帶；數(shù)字下變頻2 的變頻頻率來源于x1(t)的載波恢復(fù)環(huán)路，頻率隨著環(huán)路變化，其作用是保持參考信號(hào)與干擾信號(hào)載波頻率的一致性；內(nèi)插時(shí)鐘來源于x1(t)的時(shí)鐘同步環(huán)路，時(shí)鐘隨著環(huán)路變化，其作用是保持參考信號(hào)與干擾信號(hào)采樣時(shí)刻的一致性。

圖2 交叉極化干擾對(duì)消設(shè)計(jì)框圖

圖3 改進(jìn)的交叉極化干擾對(duì)消設(shè)計(jì)框圖

交叉極化對(duì)消模塊通常采用盲均衡算法搜索對(duì)消系數(shù)，首先構(gòu)造代價(jià)函數(shù)，然后利用基于Bussgang技術(shù)的盲均衡算法反饋調(diào)整對(duì)消系數(shù)，逼近代價(jià)函數(shù)極小值，從而達(dá)到消除XPI 的目的。

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，結(jié)合式（3），進(jìn)入交叉極化干擾對(duì)消模塊的信號(hào)為：

其中，nTb是采樣判決點(diǎn)。

如果下變頻本振同源，即ω3=ω4，則x2(n) 表示為：

對(duì)比式（5）與式（4），x1(n)中的干擾與x2(n)參考信號(hào)相同，因此通過自適應(yīng)濾波算法計(jì)算對(duì)消系數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)極化干擾對(duì)消。

如果下變頻本振不同源，即ω3≠ω4，則對(duì)比式（5）與式（4），x1(n)中的干擾與x2(n)參考信號(hào)不相同，無法通過自適應(yīng)濾波算法計(jì)算對(duì)消系數(shù)，達(dá)到對(duì)消目的。

3 改進(jìn)的極化對(duì)消設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

XPIC 的前提條件是x1(n)的干擾與x2(n)參考信號(hào)相同，如果系統(tǒng)沒有進(jìn)行同源設(shè)計(jì)，則ω3與ω4具有一定的頻差，對(duì)于Ka 頻段衛(wèi)星信號(hào)，頻差可能達(dá)到幾十兆赫茲。由于x1(n)的干擾與x2(n)參考存在頻差，因此無法通過x2(n)直接消除x1(n)中的干擾信號(hào)，上節(jié)中的方案將失效。

該設(shè)計(jì)采用頻率搜索的方式獲取頻差ωd。頻率搜索如式（7）所示：

頻率搜索功能實(shí)現(xiàn)包含頻率產(chǎn)生模塊、積分模塊、搜索模塊各一個(gè)。頻率產(chǎn)生模塊作用是產(chǎn)生步進(jìn)為ωΔ的頻率信號(hào)；積分模塊的作用是對(duì)進(jìn)行積分；搜索模塊的作用是搜索最大積分功率。當(dāng)kωΔ=ω4-ω3時(shí)，積分功率最大。

搜索完成后，獲得積分功率最大時(shí)的頻率，將該頻率送入頻率補(bǔ)償模塊，消除參考與干擾之間的頻差，此時(shí)x2(n) 中的參考信號(hào)與式（5）表達(dá)式一致。此時(shí)進(jìn)入極化對(duì)消模塊，可實(shí)現(xiàn)XPIC。

高速解調(diào)器實(shí)現(xiàn)選用ADC+FPGA 架構(gòu)，ADC 選用E2V 公司的EV10AQ190VTPY 芯片，該芯片支持最高5 Gsps 采樣速率，采樣精度10 bit，可支持800 Msps 寬帶信號(hào)解調(diào)。解調(diào)FPGA 選用深圳國(guó)微的SMQ7VX690TFFG192。主信號(hào)x1(t) 正常進(jìn)行載波恢復(fù)和時(shí)鐘同步[13]，參考信號(hào)通過下變頻、內(nèi)插、頻率搜索、頻率補(bǔ)償?shù)饶K處理，最后進(jìn)入交叉極化干擾對(duì)消模塊。

交叉極化干擾對(duì)消選用CMA+LMS 算法，根據(jù)代價(jià)函數(shù)取值自動(dòng)切換兩種算法，具體方法是代價(jià)函數(shù)判決設(shè)置兩個(gè)判決門限R1和R2，當(dāng)代價(jià)函數(shù)取值大于R1時(shí)，選用CMA 算法；當(dāng)代價(jià)函數(shù)取值小于R2時(shí)，選用LMS 算法。FPGA 資源消耗如圖4所示。

圖4 FPGA資源消耗

4 測(cè)試結(jié)果

搭建測(cè)試環(huán)境，對(duì)上述高速解調(diào)器進(jìn)行性能測(cè)試，如圖5 所示。通過兩個(gè)信號(hào)源分別模擬垂直極化信號(hào)和水平極化信號(hào)，信號(hào)源輸出的中頻信號(hào)經(jīng)上變頻器搬移到射頻。垂直極化射頻信號(hào)通過分路器分為兩路，一路直接送至合路器，一路衰減后送至水平極化鏈路。水平極化射頻信號(hào)進(jìn)行同等處理。合路器1 將垂直極化信號(hào)和衰減后的水平極化信號(hào)合成，產(chǎn)生具有極化干擾的垂直極化鏈路信號(hào)；合路器2 將水平極化信號(hào)和衰減后的垂直極化信號(hào)合成，產(chǎn)生具有極化干擾的水平極化鏈路信號(hào)。其中，信號(hào)源、上變頻器、下變頻均不同源。

圖5 測(cè)試環(huán)境框圖

測(cè)試1：設(shè)置信號(hào)源1 輸出QPSK 1 000 Mbsp、中心頻率1.2 GHz、數(shù)據(jù)源為PN11；信號(hào)源2 輸出QPSK 1 000 Mbsp、中心頻率1.2 GHz、數(shù)據(jù)源為PN31；衰減器衰減為10 dB。圖6 是QPSK 的測(cè)試誤碼率曲線圖，從圖中可知在上述測(cè)試環(huán)境下文獻(xiàn)[16]方案與無XPIC 情況相比，誤碼率無明顯改善；極化對(duì)消改進(jìn)設(shè)計(jì)（該文方法）與無XPIC 情況相比，誤碼率有明顯改善；與XPD=0 相比，惡化約0.5 dB。

圖6 QPSK誤碼率曲線

測(cè)試2：設(shè)置信號(hào)源1 輸出OQPSK 800 Mbsp、中心頻率1.2 GHz、數(shù)據(jù)源為PN11；信號(hào)源2 輸出OQPSK 800 Mbsp、中心頻率1.2 GHz、數(shù)據(jù)源為PN31；衰減器衰減為10 dB。圖7 是OQPSK 的測(cè)試誤碼率曲線圖，從圖中可知在上述測(cè)試環(huán)境下文獻(xiàn)[16]方案與無XPIC 情況相比，誤碼率無明顯改善。極化對(duì)消改進(jìn)設(shè)計(jì)（該文方法）與無XPIC 情況相比，誤碼率有明顯改善；與XPD=0 相比，惡化約0.7 dB。

圖7 OQPSK誤碼率曲線

測(cè)試3：設(shè)置信號(hào)源1 輸出8PSK 1 500 Mbsp、中心頻率1.2 GHz、數(shù)據(jù)源為PN11；信號(hào)源2 輸出8PSK 1 500 Mbsp、中心頻率1.2 GHz、數(shù)據(jù)源為PN31；衰減器衰減為13 dB。圖8 是8PSK 的誤碼率曲線圖，從圖中可知在上述測(cè)試環(huán)境下文獻(xiàn)[16]方案與無XPIC情況相比，誤碼率無明顯改善；極化對(duì)消改進(jìn)設(shè)計(jì)（該文方法）與無XPIC 情況相比，誤碼率有明顯改善；與XPD=0 相比，惡化約1.2 dB。

圖8 8PSK誤碼率曲線

5 結(jié)論

該文介紹了一種改進(jìn)的交叉極化干擾對(duì)消方法，該方法增加了頻率搜索模塊，用于計(jì)算不同本振引入的頻差，并通過頻率補(bǔ)償模塊進(jìn)行補(bǔ)償。測(cè)試結(jié)果表明，與無XPIC 的解調(diào)方案相比，該方法可有效提升交叉極化干擾信號(hào)的解調(diào)性能。

同時(shí)從測(cè)試結(jié)果可知XPIC 不能完全消除交叉極化干擾帶來的性能惡化，如何進(jìn)一步降低交叉極化干擾對(duì)信號(hào)解調(diào)的影響，將是下一步研究的重點(diǎn)。