葛　蕾

(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)

PCMA信號(hào)分離解調(diào)技術(shù)研究

葛蕾

(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)

摘要成對(duì)載波多址(Paired Carry Multiple Access，PCMA)是一種新興的頻率重用技術(shù)，通過對(duì)自干擾信號(hào)的重構(gòu)和抑制能夠有效提高系統(tǒng)容量，其關(guān)鍵技術(shù)在于自干擾信號(hào)的參數(shù)估計(jì)。通過分析PCMA自干擾信號(hào)抵消原理，建立PCMA系統(tǒng)傳輸模型，并在此基礎(chǔ)上提出了PCMA自干擾信號(hào)的參數(shù)估計(jì)方法，包括時(shí)延估計(jì)、頻率估計(jì)、相位估計(jì)和幅度估計(jì)。對(duì)PCMA信號(hào)進(jìn)行了分離解調(diào)仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了算法的可行性。

關(guān)鍵詞PCMA；參數(shù)估計(jì)；干擾抵消；信號(hào)分離

Study on Technology of Separation and Demodulation for PCMA Signals

GE Lei

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractThe paired Carrier Multiple Access(PCMA)is a newly-emerged frequency re-use technology and the technology can efficiently increase the system capacity by rebuilding and suppressing the self-interference signal.The key technology lies in the estimation of the self-interference signal parameters.The transfer model of PCMA system is established in the paper by analyzing the cancellation principle of self-interference signal and the parameter estimation methods are proposed,which includes time delay estimation,frequency estimation,phase estimation and amplitude estimation.Finally,the effectiveness of the algorithms is verified by the separation demodulation simulation results and the algorithms provide the theoretical basis for practical application.

Key wordsPCMA;parameter estimation;interference cancellation;signal separation

0引言

PCMA技術(shù)是1998年由美國(guó)Viasat公司提出的一種新的衛(wèi)星通信多址接入技術(shù)[1]。PCMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用透明轉(zhuǎn)發(fā)器，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)后，2個(gè)地球站均可接收到由本地信號(hào)成分(自干擾信號(hào))與對(duì)方信號(hào)成分(有用信號(hào))組成的下行混合信號(hào)，由于用戶已知自身發(fā)射信號(hào)的內(nèi)容，因此可以采用干擾抵消算法在一定程度上消除自干擾信號(hào)[2]。由此可見，PCMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于自干擾信號(hào)的參數(shù)估計(jì)與抑制，實(shí)現(xiàn)信號(hào)分離。

對(duì)PCMA系統(tǒng)建模的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了PCMA自干擾信號(hào)的捕獲及參數(shù)估計(jì)方法。針對(duì)不同的信號(hào)參數(shù)特征，采用有效的參數(shù)估計(jì)算法，并對(duì)最為關(guān)鍵的時(shí)延估計(jì)，通過消除載波頻偏對(duì)相關(guān)特性的影響，提高了時(shí)延估計(jì)的準(zhǔn)確性，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)PCMA信號(hào)的準(zhǔn)確分離及有用信號(hào)的可靠解調(diào)。

1PCMA系統(tǒng)模型

PCMA系統(tǒng)是一個(gè)自干擾系統(tǒng)，在解調(diào)之前首先需要進(jìn)行自干擾信號(hào)的抵消，實(shí)現(xiàn)信號(hào)分離。PCMA系統(tǒng)解調(diào)處理過程示意圖[3]如圖1所示，其中τ為時(shí)延、f為載波頻率、φ為載波相位、A為信號(hào)幅度。

圖1　PCMA系統(tǒng)解調(diào)處理過程

高斯信道下，地球站接收到的下行信號(hào)可表示為：

r(t)=s(t)+J(t)+n(t)。

(1)

式中，s(t)為有用信號(hào)；J(t)為自干擾信號(hào)；n(t)為系統(tǒng)引入的高斯白噪聲，單邊功率譜密度為N0?？紤]復(fù)基帶模型，當(dāng)自干擾信號(hào)為PSK數(shù)字調(diào)制信號(hào)時(shí)，干擾信號(hào)可表示為：

(2)

式中，A為自干擾信號(hào)的幅度；θ(t)為載波瞬時(shí)相位(含頻偏)；τ為信號(hào)傳輸時(shí)延；a(n)為發(fā)送的符號(hào)序列；T為符號(hào)周期；h(t)為信道脈沖響應(yīng)。為了重構(gòu)自干擾信號(hào)，需要對(duì)自干擾信號(hào)的幅度、載波瞬時(shí)相位、信號(hào)傳輸時(shí)延進(jìn)行估計(jì)。重構(gòu)的自干擾信號(hào)可以表示為：

(3)

2PCMA信號(hào)分離解調(diào)關(guān)鍵技術(shù)

2.1　PCMA自干擾信號(hào)時(shí)延估計(jì)

PCMA自干擾信號(hào)時(shí)延估計(jì)采用差分共軛相關(guān)算法。設(shè)本地序列為c(t)，其碼元寬度為τ0，則它與自身延遲的相關(guān)函數(shù)可以表示為:

(4)

當(dāng)c(t)長(zhǎng)度為N時(shí)，

(5)

由相關(guān)檢測(cè)的公式可以看出，當(dāng)本地序列與接收序列對(duì)齊時(shí)相關(guān)值最大，而其他情況相關(guān)值很小。

2.2　PCMA自干擾信號(hào)頻率估計(jì)

PCMA自干擾信號(hào)頻率估計(jì)采用經(jīng)典的M&M算法。M&M算法通過求接收信號(hào)采樣值的自相關(guān)函數(shù)相位增量來獲得頻偏估計(jì)值[6]，自相關(guān)函數(shù)表達(dá)式為：

(6)

式中，Lp為相關(guān)計(jì)算的符號(hào)長(zhǎng)度；M為設(shè)計(jì)參數(shù)，其值不超過Lp/2；zk為第k個(gè)接收符號(hào)；ck為第k個(gè)本地參考信號(hào)。

M&M算法頻率估計(jì)表達(dá)式為：

(7)

式中，lm為平滑因子，

(8)

2.3　PCMA自干擾信號(hào)載波相位估計(jì)

對(duì)PCMA自干擾信號(hào)載波相位進(jìn)行估計(jì)時(shí)，可先忽略有用信號(hào)的影響(或?qū)⒂杏眯盘?hào)等效為噪聲)[7]，則PCMA接收信號(hào)可表示為：

r(t)=J(t)+n(t)。

(9)

對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行匹配濾波，得到統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的樣本：

rk=Jk+nk=Aakejθk+nk。

(10)

應(yīng)用以下算法對(duì)載波相位進(jìn)行估計(jì)[8]：

(11)

(12)

(13)

式中，f為載波剩余頻差；T為采樣周期；fT為歸一化剩余載波頻率偏差。

2.4　PCMA自干擾信號(hào)幅度估計(jì)

對(duì)PCMA信號(hào)進(jìn)行頻偏及時(shí)延校正，并根據(jù)估計(jì)得到的自干擾信號(hào)載波相位對(duì)本地參考信號(hào)進(jìn)行重新調(diào)制，得到本地參考信號(hào)為[9]：

(14)

忽略有用信號(hào)的影響(或?qū)⒂杏眯盘?hào)等效為噪聲)，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行匹配濾波，得到統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的樣本：

rk=Jk+nk=Aakejθk+nk。

(15)

將接收信號(hào)與本地參考信號(hào)進(jìn)行共軛相乘，得到：

(16)

(17)

2.5　PCMA有用信號(hào)解調(diào)

PCMA有用信號(hào)采用相干解調(diào)方式，首先對(duì)I/Q兩路信號(hào)進(jìn)行濾波，然后對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行下變頻濾波(對(duì)零中頻信號(hào)可以跳過此步驟)，接著進(jìn)行碼元同步、載波同步，然后進(jìn)行判決，最后得到數(shù)字碼流。

3信號(hào)分離解調(diào)算法仿真

以QPSK調(diào)制信號(hào)對(duì)PCMA信號(hào)分離解調(diào)算法進(jìn)行仿真。QPSK信號(hào)參數(shù)如下：Fs：200×106；Rs：25×106；Eb/N0=15dB；成型濾波器滾降系數(shù)：0.35；2個(gè)信號(hào)參數(shù)一致。將其中一個(gè)信號(hào)作為PCMA自干擾信號(hào)，應(yīng)用差分共軛相關(guān)算法估計(jì)自干擾信號(hào)時(shí)延得到的相關(guān)峰[10]如圖2所示。

圖2　信號(hào)時(shí)延估計(jì)相關(guān)峰

由圖2中的峰值位置即可得到接收信號(hào)中自干擾信號(hào)的時(shí)延估計(jì)，找到自干擾信號(hào)與本地信號(hào)的對(duì)齊位置。

對(duì)自干擾信號(hào)進(jìn)行頻偏估計(jì)并校正后的自干擾信號(hào)載波相位估計(jì)值如圖3所示。

圖3　自干擾信號(hào)載波相位估計(jì)值

根據(jù)估計(jì)得到的自干擾信號(hào)時(shí)延、頻偏、載波相位及幅度對(duì)本地參考信號(hào)進(jìn)行重調(diào)制，對(duì)應(yīng)抵消后的信號(hào)時(shí)域波形及信號(hào)頻譜如圖4所示。

圖4　信號(hào)抵消后時(shí)域波形及頻譜

由圖4可以看出，應(yīng)用自干擾信號(hào)干擾抵消算法后，信號(hào)時(shí)域波形幅度明顯降低，得到有用信號(hào)，對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行解調(diào)后的信號(hào)星座圖如圖5所示。

圖5　有用信號(hào)解調(diào)后的信號(hào)星座

由圖5可以看出，對(duì)于PCMA信號(hào)，采用自干擾信號(hào)抵消算法后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)有用信號(hào)的正確解調(diào)，從而驗(yàn)證了在自干擾信號(hào)參數(shù)估計(jì)方面，差分共軛相關(guān)、M&M和匹配濾波等算法的有效性，相對(duì)于基于參數(shù)量化的最大似然估計(jì)算法，該方法更為簡(jiǎn)單，易于工程實(shí)現(xiàn)。

4結(jié)束語

利用PCMA系統(tǒng)中本地信號(hào)與對(duì)方信號(hào)的弱相關(guān)性，對(duì)PCMA自干擾信號(hào)參數(shù)估計(jì)方法進(jìn)行了研究。基于不同的信號(hào)參數(shù)特征，采用差分共軛相關(guān)、M&M和匹配濾波等算法，通過理論推導(dǎo)獲得參數(shù)估計(jì)的表達(dá)式，并在相位估計(jì)中通過理論分析求得最佳觀測(cè)長(zhǎng)度，最后通過解調(diào)后的仿真結(jié)果驗(yàn)證了方法的有效性，在工程實(shí)踐中具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

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葛蕾女,(1981—)，工程師。主要研究方向：數(shù)字信號(hào)處理。

作者簡(jiǎn)介

基金項(xiàng)目：國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目。

收稿日期：2015-05-08

中圖分類號(hào)TN911

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1003-3106(2015)08-0039-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.08.11

引用格式：葛蕾.PCMA信號(hào)分離解調(diào)技術(shù)研究[J].無線電工程,2015,45(8):39-42.