TDRSS接收機碼分多址干擾抑制方案設計*

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TDRSS接收機碼分多址干擾抑制方案設計*

保駿**,汪遠玲

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

摘要：為了在跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(TDRSS)中實現(xiàn)碼分多址(CDMA)應用,需要完成多用戶檢測(MUD)及碼分多址干擾(MAI)抑制。采用減性多級迭代對消算法,在數(shù)字信號處理芯片中完成信號再生、延時校正、時域相減對消,可以完成至少12通道的多用戶檢測,并能將多址干擾抑制至最小1 dB以內(nèi)。該算法可作為通用MUD算法的有效補充,并能應用于各類非最優(yōu)的CDMA系統(tǒng)中,具有迭代級數(shù)可選、通道擴展性強、工程實現(xiàn)性好的優(yōu)點。

關鍵詞：跟蹤數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)；測控通信系統(tǒng)；碼分多址；多用戶檢測；碼分多址干擾；迭代對消

1引言

擴頻體制具有支持多目標的特點,但基于航天應用特點,測控系統(tǒng)設計更偏重于抗干擾、抗偵收、高精度等方面,這必然難以兼顧多目標應用特性的碼正交性、碼片同步性、用戶終端功率可控性等方面的要求。因此,如果需要在測控通信系統(tǒng)中完成多目標任務,碼分多址(CDMA)系統(tǒng)的幾個原生缺陷將較通用地面通信系統(tǒng)更為明顯,多用戶聯(lián)合檢測、干擾抑制的成熟算法也不能直接應用。目前為止,多用戶檢測(MUD)技術(shù)的研究大多集中在地面CDMA移動通信系統(tǒng)中,而對于衛(wèi)星測控通信中的應用則很少,在我國現(xiàn)有的中繼衛(wèi)星測控通信系統(tǒng)中尚無多用戶檢測技術(shù)應用方面的文獻報道。

本文以跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(TDRSS)單波束天線中的多目標應用為背景,以CDMA移動通信系統(tǒng)并行干擾對消算法的基本思想為基礎,結(jié)合擴頻測控通信系統(tǒng)信號特點,針對中繼衛(wèi)星S頻段單址(SSA)返向擴頻系統(tǒng)完成多目標擴頻系統(tǒng)碼分多址干擾(MAI)抑制算法設計,并在現(xiàn)有終端硬件平臺上完成算法實現(xiàn)。

2TDRSS系統(tǒng)中碼分多址干擾抑制需求分析

2.1TDRSS中的碼分多址應用需求

TDRSS利用位于地球同步軌道衛(wèi)星進行中繼傳輸,可以覆蓋中、低軌航天器,具有較高的測控通信覆蓋率。美國中繼星配置了兩副Ku/Ka頻段3～5 m的高增益自跟蹤天線和一副S頻段相控陣多波束天線,結(jié)合碼分多址技術(shù),能對數(shù)十個目標同時測控通信。但鑒于目前我國的實際情況，在現(xiàn)階段的應用中迫切需要充分利用單波束天線的波束覆蓋范圍,實現(xiàn)多目標測控通信任務。由于單址天線中繼系統(tǒng)架構(gòu)的限制,很難克服碼分多址干擾等CDMA系統(tǒng)的原生缺陷,目前即使有多目標的應用,僅能進行較低數(shù)據(jù)速率傳輸,目標數(shù)也不大于3個[1]。當前需要在中繼單址天線波束范圍內(nèi)同時跟蹤至少12個碼分目標,多址干擾抑制至最小1 dB以內(nèi)。

2.2碼分多址信噪比惡化分析

系統(tǒng)中受多址干擾的影響,信噪比惡化和擴頻增益、多址路數(shù)滿足下式的關系[2]：

(1)

式中,Eb/N0為單路信號信噪比,Eb/N0j為惡化后信噪比,K為多址路數(shù),N為擴頻增益。

如表1所示,隨著擴頻增益降低,路數(shù)增加,信噪比惡化非常嚴重。

表1　多路信噪比惡化

如果不采取抑制干擾的處理方法,MAI將導致較高的信噪比惡化。按照任務需求,我們進行仿真分析的條件如下：

(1)調(diào)制方式：BPSK；

(2)信道編碼：無;

(3)信息速率：1 kb/s、10 kb/s、50 kb/s;

(4)用戶數(shù)量分別選取1個、4個、8個、12個用戶目標;

(5)選用的擴頻碼之間近似滿足如下的相關關系：

(2)

式中,Ci(t)Cj(t)為各用戶目標擴頻碼序列。

仿真結(jié)果如圖1~4所示。從仿真結(jié)果可以看出,當信息速率為1 kb/s時,每個數(shù)據(jù)符號內(nèi)有整數(shù)周期個擴頻碼序列,可以滿足式(2)的條件,因此12個用戶帶來的多址干擾影響很小,其接收性能與單用戶相當；而當信息速率提高為10 kb/s或50 kb/s時,每個數(shù)據(jù)符號內(nèi)不是整數(shù)周期個擴頻碼序列,不滿足式(2)的條件,因此12個用戶會帶來嚴重的多址干擾問題。

圖1未采取干擾抑制時單用戶不同速率接收性能

Fig.1 1user performance of different data rate

without interference suppression

圖2未采取干擾抑制時4個用戶不同速率接收性能

Fig.2 4 users performance of different data rate

without interference suppression

圖3未采取干擾抑制時8個用戶不同速率接收性能

Fig.3 8 users performance of different data rate

without interference suppression

圖4未采取干擾抑制時12個用戶不同速率接收性能

Fig.4 12 users performance of different data rate

without interference suppression

綜上所述，可得出如下結(jié)論：

(1)單用戶時,接收性能與數(shù)據(jù)速率無關,如圖1所示;

(2)用戶數(shù)的增多或數(shù)據(jù)速率的提高均會導致接收性能的下降,如圖2~4所示;

(3)當信息速率與擴頻碼片速率滿足每個數(shù)據(jù)符號周期內(nèi)有整數(shù)周期個擴頻碼序列的條件時,多用戶比單用戶性能會有輕微的下降,否則多址干擾嚴重。

3TDRSS系統(tǒng)碼分多址干擾抑制方案設計

3.1中繼衛(wèi)星系統(tǒng)與移動通信碼分多址系統(tǒng)技術(shù)差別

(1)擴頻碼型及信息速率選擇

移動通信碼分多址系統(tǒng)選取的擴頻碼是碼長較短、具有嚴格自相關特性的OVSF碼,能夠保證碼分多址系統(tǒng)的最優(yōu)性。TDRSS因測控通信需要,選擇的擴頻碼不能保證信息速率和擴頻碼速率(及周期)的整倍數(shù)關系。因此,此碼分多址通信系統(tǒng)不是最優(yōu)的。

(2)接收端擴頻碼正交性同步控制

移動通信碼分多址系統(tǒng)為保證收端的擴頻碼在相位上正交,需要對接收信號做時間上的同步處理,而TDRSS的多路用戶終端信號的到達時間相互獨立,系統(tǒng)沒有同步的保證,因此無法滿足擴頻碼的正交性。

(3)碼分多址系統(tǒng)遠近效應控制

移動通信碼分多址系統(tǒng)均具有用戶終端的功率控制手段以保證到達接收端的各路信號功率相差足夠小(通?？刂圃? dB以內(nèi)),TDRSS沒有對用戶終端的功率控制手段。

根據(jù)上述描述,TDRSS不是一個最優(yōu)的碼分多址通信系統(tǒng),將產(chǎn)生較大的干擾,不能直接利用成熟的多用戶檢測技術(shù),需要針對此系統(tǒng)的特點設計相應的多用戶檢測及多址干擾抑制方案。

3.2減性多級迭代對消方案

本文提出一種減性多級迭代對消方案,算法設計中擬采用再生相減對消算法完成多用戶檢測并對碼分多址干擾(MAI)做抑制處理。

此方案中的每路接收機需要在干擾對消之前完成PN碼、載波的捕獲跟蹤,并能提取出位同步時鐘?；谏鲜鰲l件,完成對該路信號的重新生成之后,送其余11路接收機進行延時消除。當所有路信號均完成信號再生之后,通過延時相消即可完成對碼分多址干擾信號的消除[3-4],如圖5所示。

對于多個用戶直接序列擴頻系統(tǒng)假設第i個用戶的擴頻碼為Ci(t),傳輸信息為xi(t),接收端收到的信號可表示為[5-7]

(3)

圖5碼分多址干擾消除原理框圖

Fig.5 Block diagram of MAI cancellation

式中,Ai為接收到第i個用戶的幅度大小,τi表示不同用戶到達接收機的時間,n(t)為加性高斯白噪聲。

在下述應用場景中,采用多級迭代對消后,可以較好地抑制多址干擾。

(1)用戶數(shù)量≤12；

(2)各路信號功率差別不大于6 dB,即滿足

{20lg[max(Ai)]-20lg[min(Ai)]}≤6 dB;

(4)

(3)各路信號的到達時間τi為在當前仿真時間內(nèi)均勻分布的隨機變量。

在此應用場景下進行仿真分析,結(jié)果如圖6~9所示。

圖6　2個用戶不同速率接收性能對比

圖7　4個用戶不同速率接收性能對比

圖8　8個用戶不同速率接收性能對比

圖9　12個用戶不同速率接收性能對比

根據(jù)仿真結(jié)果可得到如下結(jié)論：

(1)使用多級迭代對消方法可以在數(shù)據(jù)速率較低或用戶數(shù)較少時得到與單用戶時較為接近的接收性能;

(2)可以通過增加迭代級數(shù)獲得更好的誤碼率性能；

(3)當數(shù)據(jù)速率較高同時用戶數(shù)量也較多時,多級迭代對消方法會由于干擾不能完全抵消而產(chǎn)生錯誤平層(無噪聲影響時也不能解調(diào)正確);

(4)采用適當?shù)男诺谰幋a方式可以獲得更好的誤碼率性能。

3.3對消信號延時處理

在本系統(tǒng)中采用了LDPC編譯碼,由于編譯碼存在整幀的延時[8],因此對消的延時處理需要選擇合適的儲存容量。下面按照存儲容量最大需求設計信號延時存儲器。

根據(jù)目前TDRSS中應用的LDPC編譯碼情況,LDPC編譯碼參數(shù)如下時,數(shù)據(jù)幀周期最長：

(1)LDPC編碼編碼率：R=1/2；

(2)LDPC編碼碼長：N=8192 b；

(3)LDPC編碼信息序列長度：K=4096 b；

(4)幀同步字長度：ASM=128 b。

根據(jù)式(1),編碼前速率最低19 kb/s時需要干擾對消,考慮編碼率,則編碼后最低38 kb/s需要干擾對消,幀周期計算可得

T=(1/38000)×(8192+128)=0.219 s=219 ms。

(5)

因此,可以按最大延時220 ms考慮延時存儲器。

如果A/D采樣時鐘為110 MHz,則220 ms時間采樣點數(shù)為

0.22×110×106=24 200 000,

(6)

可得到存儲器深度至少為25 Mb,考慮12位A/D采樣,圖5中各級存儲容量為

(1)Ta存儲器：12×25 Mb；

(2)Te與Ta近似相等：12×25 Mb；

(3)Tb、Tc、Td可以通過各通道相互對消后的積分值進行自動測量。

4硬件實現(xiàn)及抑制效果分析

4.1硬件設計

在硬件方案設計中,擬采用FPGA+DSP的硬件平臺實現(xiàn)。在設備中我們選擇了美國Altera公司生產(chǎn)的Stratix系列FPGA和美國TI公司生產(chǎn)的C6000系列DSP作為主要數(shù)字信號處理芯片。圖10為平臺硬件板卡實物圖,圖11為CPCI工控機結(jié)構(gòu)示意圖。

圖10接收處理板實物圖

Fig.10 The board of receiver

圖11　CPCI平臺外觀圖

該板卡可實現(xiàn)下行兩路信號同時接收,在CPCI總線結(jié)構(gòu)工控機中共用6塊板卡實現(xiàn)12通道的接收,限于硬件資源的限制,在設備的應用中僅采取了一級對消。

4.2驗證測試結(jié)果

分別測試兩目標條件下不同編碼方式、不同信息速率的對消結(jié)果，如表2~4所示。

表2測試條件為：信道編碼方式為不編碼，信息速率512 kb/s，擴頻碼速率9.6 MHz。

表2　不編碼兩目標干擾對消測試結(jié)果

從表2測試結(jié)果可以看出,在不編碼的條件下采用對消后可將誤碼率提高一個數(shù)量級。

表3測試條件為：信道編碼方式為2/3 LDPC編碼，信息速率512 kb/s,擴頻碼速率9.6 MHz。表4的測試條件為: 信道編碼方式為2/3LDPC編碼，信息速率87.5 kb/s,擴頻碼速率9.6 MHz。

表3　2/3 LDPC編碼條件下兩目標干擾

表4　2/3 LDPC編碼條件下兩目標干擾對消

從表3和表4的測試結(jié)果可以看出,LDPC編碼條件下在傳輸最高512 kb/s信息速率時可基本消除兩路信號MAI帶來的多址干擾。

5結(jié)束語

本文以CDMA移動通信系統(tǒng)并行干擾對消算法的基本思想為基礎,結(jié)合擴頻測控通信系統(tǒng)信號特點,針對中繼衛(wèi)星系統(tǒng)特點完成多目標擴頻系統(tǒng)碼分多址干擾抑制算法設計,并在現(xiàn)有終端硬件平臺上完成算法實現(xiàn)。該方法是對碼分多址系統(tǒng)多用戶檢測的補充,可以解決非最優(yōu)CDMA系統(tǒng)的多用戶檢測和碼分多址干擾抑制問題,且易于工程實現(xiàn)。隨著技術(shù)發(fā)展,可以考慮配合用戶終端進行功率控制,通過減小遠近效應進一步抑制多址干擾。

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保駿(1977—),男,四川廣元人,分別于2000年和2010年獲電子科技大學學士學位和碩士學位,現(xiàn)為高級工程師,主要研究方向為航天測控信號處理;

BAO Jun was born in Guangyuan,Sichuan Province,in 1977. He received the B.S. degree and the M.S. degree from University of Electronic Science and Technology of China in 2000 and 2010,respectively.He is now a senior engineer.His research concerns aerospace TT&C signal processing.

Email：tbaojun@139.com

汪遠玲(1964—),女,四川人，研究員,主要研究方向為航天測控信號處理。

WANG Yuanling was born in Sichuan Province,in 1964.She is now a senior engineer of professor. Her research concerns aerospace TT&C signal processing.

引用格式：保駿,汪遠玲.TDRSS接收機碼分多址干擾抑制方案設計[J].電訊技術(shù),2015,55(5):533-538.[BAO Jun,WANG Yuanling.Scheme Design of Multiple Access Interference Suppression in TDRSS Receiver[J].Telecommunication Engineering,2015,55(5):533-538.]

Scheme Design of Multiple Access Interference

Suppression in TDRSS Receiver

BAO Jun,WANG Yuanling

(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

Abstract：For the purpose of using the Code Division Multiple Access(CDMA) in the Tracking and Data Relay Satellite System(TDRSS),the Multi-user Detection(MUD) and the suppression of Multiple Access Interference(MAI) need to be completed. This paper proposes multilevel subtract iterative cancellation method to realize at least 12-channel MUD through the signal regeneration,time delay correction,cancellation in time domain in digital signal processing(DSP) chip,and suppress the MAI within 1 dB. This algorithm can be used as an effective supplement of MUD algorithm,and can be applied to all non-optimal CDMA systems.It has the advantages of setting iteration level by resource capacity,expanding signal channel easily,and applying to engineering easily.

Key words：tracking and data relay satellite system;TT&C system;code division multiple access;multi-user detection;multiple access interference;iterative cancellation

作者簡介：

中圖分類號：TN927；V556.8

文獻標志碼：A

文章編號：1001-893X(2015)05-0533-06

通訊作者：**tbaojun@139.comCorresponding author：tbaojun@139.com

收稿日期：*2014-11-14；修回日期：2015-04-24Received date:2014-11-14；Revised date：2015-04-24

doi:10.3969/j.issn.1001-893x.2015.05.012