PCMA信號分離解調(diào)技術(shù)研究

葛　蕾

(中國電子科技集團公司第五十四研究所， 河北 石家莊 050081)

PCMA信號分離解調(diào)技術(shù)研究

葛蕾

(中國電子科技集團公司第五十四研究所， 河北 石家莊 050081)

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

關鍵詞PCMA；參數(shù)估計；干擾抵消；信號分離

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個地球站均可接收到由本地信號成分(自干擾信號)與對方信號成分(有用信號)組成的下行混合信號，由于用戶已知自身發(fā)射信號的內(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[2]。由此可見，PCMA系統(tǒng)的關鍵技術(shù)在于自干擾信號的參數(shù)估計與抑制，實現(xiàn)信號分離。

對PCMA系統(tǒng)建模的基礎上，詳細分析了PCMA自干擾信號的捕獲及參數(shù)估計方法。針對不同的信號參數(shù)特征，采用有效的參數(shù)估計算法，并對最為關鍵的時延估計，通過消除載波頻偏對相關特性的影響，提高了時延估計的準確性，從而實現(xiàn)了對PCMA信號的準確分離及有用信號的可靠解調(diào)。

1PCMA系統(tǒng)模型

PCMA系統(tǒng)是一個自干擾系統(tǒng)，在解調(diào)之前首先需要進行自干擾信號的抵消，實現(xiàn)信號分離。PCMA系統(tǒng)解調(diào)處理過程示意圖[3]如圖1所示，其中τ為時延、f為載波頻率、φ為載波相位、A為信號幅度。

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可表示為：

r(t)=s(t)+J(t)+n(t)。

(1)

式中，s(t)為有用信號；J(t)為自干擾信號；n(t)為系統(tǒng)引入的高斯白噪聲，單邊功率譜密度為N0。考慮復基帶模型，當自干擾信號為PSK數(shù)字調(diào)制信號時，干擾信號可表示為：

(2)

式中，A為自干擾信號的幅度；θ(t)為載波瞬時相位(含頻偏)；τ為信號傳輸時延；a(n)為發(fā)送的符號序列；T為符號周期；h(t)為信道脈沖響應。為了重構(gòu)自干擾信號，需要對自干擾信號的幅度、載波瞬時相位、信號傳輸時延進行估計。重構(gòu)的自干擾信號可以表示為：

(3)

2PCMA信號分離解調(diào)關鍵技術(shù)

2.1　PCMA自干擾信號時延估計

PCMA自干擾信號時延估計采用差分共軛相關算法。設本地序列為c(t)，其碼元寬度為τ0，則它與自身延遲的相關函數(shù)可以表示為:

(4)

當c(t)長度為N時，

(5)

由相關檢測的公式可以看出，當本地序列與接收序列對齊時相關值最大，而其他情況相關值很小。

2.2　PCMA自干擾信號頻率估計

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

(6)

式中，Lp為相關計算的符號長度；M為設計參數(shù)，其值不超過Lp/2；zk為第k個接收符號；ck為第k個本地參考信號。

M&M算法頻率估計表達式為：

(7)

式中，lm為平滑因子，

(8)

2.3　PCMA自干擾信號載波相位估計

對PCMA自干擾信號載波相位進行估計時，可先忽略有用信號的影響(或?qū)⒂杏眯盘柕刃樵肼?[7]，則PCMA接收信號可表示為：

r(t)=J(t)+n(t)。

(9)

對接收信號進行匹配濾波，得到統(tǒng)計獨立的樣本：

rk=Jk+nk=Aakejθk+nk。

(10)

應用以下算法對載波相位進行估計[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自干擾信號幅度估計

對PCMA信號進行頻偏及時延校正，并根據(jù)估計得到的自干擾信號載波相位對本地參考信號進行重新調(diào)制，得到本地參考信號為[9]：

(14)

忽略有用信號的影響(或?qū)⒂杏眯盘柕刃樵肼?，對接收信號進行匹配濾波，得到統(tǒng)計獨立的樣本：

rk=Jk+nk=Aakejθk+nk。

(15)

將接收信號與本地參考信號進行共軛相乘，得到：

(16)

(17)

2.5　PCMA有用信號解調(diào)

PCMA有用信號采用相干解調(diào)方式，首先對I/Q兩路信號進行濾波，然后對中頻信號進行下變頻濾波(對零中頻信號可以跳過此步驟)，接著進行碼元同步、載波同步，然后進行判決，最后得到數(shù)字碼流。

3信號分離解調(diào)算法仿真

以QPSK調(diào)制信號對PCMA信號分離解調(diào)算法進行仿真。QPSK信號參數(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個信號參數(shù)一致。將其中一個信號作為PCMA自干擾信號，應用差分共軛相關算法估計自干擾信號時延得到的相關峰[10]如圖2所示。

圖2　信號時延估計相關峰

由圖2中的峰值位置即可得到接收信號中自干擾信號的時延估計，找到自干擾信號與本地信號的對齊位置。

對自干擾信號進行頻偏估計并校正后的自干擾信號載波相位估計值如圖3所示。

圖3　自干擾信號載波相位估計值

根據(jù)估計得到的自干擾信號時延、頻偏、載波相位及幅度對本地參考信號進行重調(diào)制，對應抵消后的信號時域波形及信號頻譜如圖4所示。

圖4　信號抵消后時域波形及頻譜

由圖4可以看出，應用自干擾信號干擾抵消算法后，信號時域波形幅度明顯降低，得到有用信號，對有用信號進行解調(diào)后的信號星座圖如圖5所示。

圖5　有用信號解調(diào)后的信號星座

由圖5可以看出，對于PCMA信號，采用自干擾信號抵消算法后，可以實現(xiàn)對有用信號的正確解調(diào)，從而驗證了在自干擾信號參數(shù)估計方面，差分共軛相關、M&M和匹配濾波等算法的有效性，相對于基于參數(shù)量化的最大似然估計算法，該方法更為簡單，易于工程實現(xiàn)。

4結(jié)束語

利用PCMA系統(tǒng)中本地信號與對方信號的弱相關性，對PCMA自干擾信號參數(shù)估計方法進行了研究。基于不同的信號參數(shù)特征，采用差分共軛相關、M&M和匹配濾波等算法，通過理論推導獲得參數(shù)估計的表達式，并在相位估計中通過理論分析求得最佳觀測長度，最后通過解調(diào)后的仿真結(jié)果驗證了方法的有效性，在工程實踐中具有很好的應用價值。

參考文獻

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葛蕾女,(1981—)，工程師。主要研究方向：數(shù)字信號處理。

作者簡介

基金項目：國家部委基金資助項目。

收稿日期：2015-05-08

中圖分類號TN911

文獻標識碼A

文章編號1003-3106(2015)08-0039-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.08.11

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