王萬玉，陳金樹（1.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京100094；.清華大學(xué)電子工程系，北京100084）

交叉極化干擾消除技術(shù)研究?

王萬玉1，??，陳金樹2
（1.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所，北京100094；2.清華大學(xué)電子工程系，北京100084）

針對雙極化頻率復(fù)用系統(tǒng)中的交叉極化干擾問題，提出了全數(shù)字交叉極化干擾消除器的設(shè)計方案，研制了具有交叉極化干擾消除、解調(diào)功能的一體化工程樣機。測試結(jié)果表明，該設(shè)備對交叉極化干擾的消除效果明顯。

星地數(shù)據(jù)傳輸；頻率復(fù)用；解調(diào)器；交叉極化干擾消除；自適應(yīng)濾波器

1 引言

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)成為星地數(shù)據(jù)傳輸發(fā)展的必然趨勢。

占用更寬的頻帶、提高頻譜資源利用率是提高傳輸速率的兩個技術(shù)途徑。提高頻譜利用率的方法主要有兩種：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數(shù)；另外一種方法就是采用頻率復(fù)用技術(shù)。頻率復(fù)用（極化復(fù)用）技術(shù)是提高頻譜利用率的一種既實用又經(jīng)濟(jì)的方法，在國內(nèi)外遙感衛(wèi)星高碼速數(shù)據(jù)傳輸中也得到越來越多的應(yīng)用，如WorldView1＆2、Geoeye-1、ZY-3、GF系列衛(wèi)星等。

采用雙圓極化頻率復(fù)用技術(shù)的極軌衛(wèi)星對地數(shù)傳采用點波束，且衛(wèi)星（含星上天線）和地面接收站天線是不斷運動的，星地天線的對準(zhǔn)偏差造成星地合成軸比下降［1］，加之空間傳播鏈路對電磁波去極化的影響（空間傳播鏈路對Ka頻段去極化的影響尤為嚴(yán)重）［2－3］，使得星、空間傳輸鏈路、地合成軸比下降，導(dǎo)致交叉極化干擾。因此，在衛(wèi)星和地面天饋系統(tǒng)設(shè)計時，需盡可能提高天饋系統(tǒng)的軸比。同時，在地面接收系統(tǒng)設(shè)計時需采用交叉極化干擾消除技術(shù)，降低交叉極化干擾的影響。

提高天線的隔離度會大大增加天線制造的成本，而且提高幅度有限，因此研究有效且可工程實現(xiàn)的極化干擾消除技術(shù)是提高星地傳輸速率的重要保障。

2 交叉極化干擾分析

雙圓極化頻率復(fù)用技術(shù)指在相同的頻率范圍內(nèi)，利用相互正交的兩個極化波同時傳輸兩路獨立的信號，如使用水平線極化、垂直線極化或者左旋圓極化、右旋圓極化。利用雙圓極化頻率復(fù)用技術(shù)可以使傳輸容量加倍，大大提高了頻譜利用效率。在頻譜資源如此緊張的今天，雙圓極化頻率復(fù)用技術(shù)是提高頻譜利用率的一種既實用又很經(jīng)濟(jì)的方法。

然而，極化復(fù)用技術(shù)有一個問題，就是它不可避免地會帶來一定程度的交叉極化干擾，如圖1所示，即傳輸?shù)膬陕氛粯O化信號會有部分功率泄露到另外一個極化方向上，造成交叉極化干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)性能惡化。

引起交叉極化干擾的原因主要有以下幾個方面：

（1）星載天線的極化鑒別率；

（2）傳輸路徑去極化效應(yīng)（如降雨、冰晶、沙暴、塵暴的影響）；

（3）接收站天線的極化鑒別率；

（4）星、地天線的指向誤差。

一般情況下，在X頻段，星載天線的極化鑒別率為26.7 dB，接收站天線的極化鑒別率為30.5 dB，由于各種惡劣因素的影響，星、空間鏈路及地的合成極化鑒別率可能會降低到13 dB左右；而在Ka頻段，星載天線的極化鑒別率為23.2 dB，接收站天線的極化鑒別率為30.5 dB，由于各種惡劣因素的影響，星、空間鏈路及地的合成極化鑒別率可能會降低到8 dB左右。由于交叉極化干擾的影響，系統(tǒng)的性能會急劇下降。

3 交叉極化干擾消除基本原理

為了消除兩個極化方向上的干擾，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)。提高天線的隔離度會大大增加天線制造的成本，而且提高幅度有限，因此研究有效且可工程實現(xiàn)的極化干擾消除技術(shù)是提高星地傳輸速率的重要保障。

如圖2所示，極化干擾消除技術(shù)基本原理是：用一路信號減去另一路信號經(jīng)過濾波器后的信號，然后采用相關(guān)算法來得到誤差信號，從而將干擾消除，得到干凈信號。極化干擾消除可以在射頻、中頻或者基帶進(jìn)行。就目前而言，由于在射頻段有一些不可控因素，大多數(shù)的極化干擾消除操作是在中頻［4］或者基帶［5－6］進(jìn)行的。

中頻的極化干擾消除是中頻模擬信號經(jīng)過AD采樣變成中頻數(shù)字信號，然后經(jīng)過交叉極化干擾消除器，消除極化干擾得到干凈的水平和垂直路信號，然后分別送給兩個解調(diào)模塊進(jìn)行解調(diào)等后續(xù)操作?；鶐У臉O化干擾消除是在信號經(jīng)過載波同步和碼元同步后進(jìn)行的，通過對垂直和正交的兩路基帶信號進(jìn)行處理得到的。

基于全數(shù)字高碼速解調(diào)器具備：中頻直接采樣的全數(shù)字化處理技術(shù)，滿足高速數(shù)據(jù)傳輸、交互的超高速器件和接口技術(shù)；強大的DSP信號處理、并行處理技術(shù)等，極化干擾消除大多作為模塊插入解調(diào)器中，或利用解調(diào)器自身的資源與解調(diào)器進(jìn)行一體化設(shè)計。

4 交叉極化消除技術(shù)方案

基于清華大學(xué)現(xiàn)有的全數(shù)字解調(diào)器自身的資源，并分析了中頻和基帶交叉極化消除技術(shù)需求，確定在基帶實現(xiàn)了交叉極化干擾消除功能?？紤]到主路和干擾路的信號同步問題，采用在載波同步后進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，如圖3所示。

基帶極化干擾消除器設(shè)計如圖4所示。

圖4 中只顯示了一路干擾的消除過程，另外一路也用同樣的原理進(jìn)行干擾消除。在圖中使用橫向濾波器來作為自適應(yīng)濾波器，通過使得系統(tǒng)輸出功率最小為準(zhǔn)則來調(diào)節(jié)橫向濾波器的系數(shù)，從而使得輸出信噪比達(dá)到最大。

利用LMS算法來得到濾波器系數(shù)迭代公式為

為了簡化計算，節(jié)約資源，用x（n－k）e（n）來代替E［x（n－k）e（n）］，即上式可表示為

在上述系統(tǒng)中，系數(shù)迭代公式如下：

依據(jù)上述方案，將交叉極化干擾消除功能與解調(diào)器進(jìn)行一體化設(shè)計，實現(xiàn)了具有交叉極化干擾消除、解調(diào)功能的工程化樣機。

5 性能測試

將兩路450 Mb／s、OQPSK信號經(jīng)過衰減器和不同長度傳輸線后疊加到另外一路上來模擬帶極化干擾的信道環(huán)境，其中，用衰減器對信號幅度進(jìn)行衰減，傳輸線用來引入群時延偏差。交叉極化干擾消除性能測試圖如圖5所示。

（1）無白噪聲情況分析

極化干擾為8 dB，測試無或有交叉極化干擾消除器時的信噪比及誤碼率，測試結(jié)果如表1所示。

（2）有白噪聲情況分析

加入白噪聲，使得信噪比為18 dB，極化干擾為8 dB，測試無或有交叉極化干擾消除器時的信噪比及誤碼率，測試結(jié)果如表2所示。

測試結(jié)果表明，交叉極化干擾消除器對交叉極化干擾有明顯的消除。

6 結(jié)論

本文研究了交叉極化干擾消除技術(shù)，提出了在基帶實現(xiàn)交叉極化干擾消除的方案，利用清華大學(xué)現(xiàn)有的全數(shù)字高碼速多功能解調(diào)器自身的資源，將交叉極化干擾消除功能與解調(diào)器進(jìn)行一體化設(shè)計，研制了具有交叉極化干擾消除、解調(diào)功能的工程化樣機。測試的結(jié)果表明，在－8 dB的極化干擾下，加入交叉極化干擾消除器后信干比可以提高6～8 dB。

［1］沈民誼，蔡鎮(zhèn)元.衛(wèi)星通信天線、饋源、跟蹤系統(tǒng)［M］.北京：人民郵電出版社，1993：9－10. SHEN Min-yi，GAI Zhen-yuan.Satellite Communications Antenna，F(xiàn)eed and Tracking System［M］.Beijing：The People′s Posts＆Telecommunications Press，1993：9－10.（in Chinese）

［2］Vassear H.Degradation of Availability Performance in Dual-Polarized Satellite Communications System［J］.IEEE Transactions on Communications，2000，48（3）：465－472.

［3］張寶全，弓樹宏，王萬玉，等.Ka頻段雨致極化失配特性研究［J］.無線通信，2012（2）：1－6. ZHANG Bao-quan，GONG Shu-hong，WANGWan-yu，etal. Study on the Characteristics of Rain-Induced Polarization Mismatch Factor at Ka Bands［J］.Wireless Communications，2012（2）：1－6.（in Chinese）

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WANGWan-yu was born in Dangtu，Anhui Province，in 1962.He received the M.S.degree in 1990.He is now a senior engineer of professor and also the instructor ofgraduate students.His research direction is signal and information processing.

Email：wywang＠ceode.ac.cn

陳金樹（1968—），男，福建龍海人，1993年于清華大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為副教授，主要研究方向為信息與通信系統(tǒng)。

CHEN Jin-shu was born in Longhai，F(xiàn)ujian Province，in 1968.He received the M.S.degree froMTsinghua University in 1993.He is now an associate professor.His research concerns communication and information systems.

Email：chenjs＠tsinghua.edu.cn

Study on Cross-polarization Interference Cancellation Technology

WANGWan-yu1，CHEN Jin-shu2
（1.Institute of Remote Sensing and Digital Earth，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100094，China；2.Departmentof Electronic Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

To remove the cross-polarization interference of dual-polarized system，an all-digital cross-polarization interference canceller is designed as amodule of a demodulator.An engineering prototype is accomplished with cross-polarization interference cancellation and demodulation，and is experimentally verified.

satellite-ground data transmission；frequency reuse；cross-polarization interference cancellation；demodulator；adaptive filter

date：2013－05－03；Revised date：2013－06－16

??通訊作者：wywang＠ceode.ac.cn Corresponding author：wywang＠ceode.ac.cn

TN919.3；TN76

A

1001－893X（2013）06－0707－04

王萬玉（1962—），男，安徽當(dāng)涂人，1990年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為研究員、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為信號與信息處理；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.06.006

2013－05－03；

2013－06－16