三種PCMA返回信號(hào)捕獲方案分析與比較

潘申富

(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)

0 引言

PCMA衛(wèi)星通信[1]是指在采用透明轉(zhuǎn)發(fā)器的衛(wèi)星通信中,相互通信的2個(gè)用戶的信號(hào)占用同一頻帶進(jìn)行傳輸,其信號(hào)在時(shí)域和頻域上重疊。

在PCMA系統(tǒng)中,通信雙方在信號(hào)帶寬內(nèi)都收到2路信號(hào),其中一路為對(duì)方發(fā)射的經(jīng)透明轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)后的信號(hào)(定義為有用信號(hào)),另一路為本站發(fā)射的經(jīng)透明轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)后的返回信號(hào)(定義為干擾信號(hào))。為了解調(diào)對(duì)端信號(hào),接收機(jī)在解調(diào)有用信號(hào)之前先要捕獲并消除本站返回信號(hào)。返回信號(hào)的捕獲是其中的關(guān)鍵技術(shù)之一。

對(duì)3種典型的捕獲方式,即直接捕獲方式、基于時(shí)間窗的捕獲方式以及基于前導(dǎo)碼引導(dǎo)的捕獲方式進(jìn)行了詳細(xì)的分析,分析結(jié)果表明第3種方式可以獲得最短的捕獲時(shí)間。

1 信號(hào)模型

考慮基帶模型,以PSK調(diào)制信號(hào)為例,地球站接收到的PCMA信號(hào)可以表示為:

式中,sa(t)和sb(t)分別表示為:

上式中v(t)為高斯白噪聲;A為接收到的A站發(fā)射信號(hào)幅度;B為接收到的B站發(fā)射信號(hào)幅度;a(n)為A站發(fā)射信號(hào)的調(diào)制符號(hào);b(n)為B站發(fā)射信號(hào)的調(diào)制符號(hào);ha(t)為對(duì)應(yīng)于A站發(fā)射信號(hào)的信道脈沖響應(yīng);hb(t)為對(duì)應(yīng)于B站發(fā)射信號(hào)的信道脈沖響應(yīng);Ta為A站發(fā)射信號(hào)的符號(hào)周期;Tb為B站發(fā)射信號(hào)的符號(hào)周期;τa為A站發(fā)射信號(hào)的信道延時(shí);τb為B站發(fā)射信號(hào)的信道延時(shí);ωa為對(duì)應(yīng)于A站發(fā)射信號(hào)的載波頻率;ωb為對(duì)應(yīng)于B站發(fā)射信號(hào)的載波頻率;θa為對(duì)應(yīng)于A站發(fā)射信號(hào)的載波初始相位;θb為對(duì)應(yīng)于B站發(fā)射信號(hào)的載波初始相位。

在后續(xù)的分析中,假定2路信號(hào)功率差異最大為6 dB,返回信號(hào)符號(hào)信噪比最低為2 dB,返回信號(hào)的載波頻差最大為±8kHz,符號(hào)速率按最低64 ksps考慮。

2 PCMA返回信號(hào)捕獲

2.1 基本假設(shè)

在分析中,假定利用匹配濾波器[2]捕獲PCMA返回信號(hào)。匹配濾波器抽頭數(shù)為2 048(對(duì)應(yīng)1 024個(gè)調(diào)制符號(hào)),輸入為按每符號(hào)周期取樣2個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù),同步判決量相干積分長(zhǎng)度取32個(gè)符號(hào),非相干累積次數(shù)取32次。匹配濾波器采用單門限判決的方式判斷是否捕獲到本站返回信號(hào)。這里還假定捕獲時(shí)定時(shí)誤差為符號(hào)周期的1/4,返回信號(hào)符號(hào)信噪比為2 dB,有用信號(hào)比返回信號(hào)高6 dB。載波頻率掃描步進(jìn)為符號(hào)速率的1/64,捕獲時(shí)載波頻差按符號(hào)速率的1/128考慮。通過仿真得到同步狀態(tài)和失步狀態(tài)的判決量如圖1所示。由圖1可知,通過選擇合適的門限,在虛警基本可以忽略的情況下,正確檢測(cè)的概率可以達(dá)到95%。

圖1 匹配濾波器輸出同步判決量仿真結(jié)果

后續(xù)部分將在下述假設(shè)的前提下對(duì)平均捕獲時(shí)間進(jìn)行估計(jì):虛警概率0,同步點(diǎn)上單次檢測(cè)概率95%;載波頻差8 kHz,符號(hào)速率64 ksps(符號(hào)周期Ts=1/64 000);載波頻率掃描從-8 kHz開始,步進(jìn)為符號(hào)速率的1/64,即1 kHz;要求的捕獲概率為99.9%。通過計(jì)算,地球站與同步衛(wèi)星之間的雙向延時(shí)最大為Ta=0.27 808 s,最小為Tb=0.23 867 s。

2.2 PCMA信號(hào)的直接捕獲

直接捕獲是一種最簡(jiǎn)單的捕獲方式,該方法利用當(dāng)前的本地發(fā)符號(hào)序列對(duì)匹配濾波器裝載,捕獲返回信號(hào)。假定衛(wèi)星信道雙向延時(shí)最長(zhǎng)為Ta,則如果匹配濾波在Ta時(shí)間內(nèi)捕獲不到返回信號(hào),需要再次裝載當(dāng)前的發(fā)符號(hào)序列,重新捕獲。

忽略匹配濾波器的裝載時(shí)間和處理延時(shí),在要求捕獲概率為99.9%時(shí)的平均捕獲時(shí)間可近似表示為:

式中,Tsp為單個(gè)頻點(diǎn)駐留時(shí)間;N為掃描頻點(diǎn)數(shù);L為掃描圈數(shù);Pf為最終要求的捕獲概率;Ps為單次捕獲概率。可見直接捕獲方式需要較長(zhǎng)的平均捕獲時(shí)間,主要原因是在單個(gè)頻點(diǎn)上需要較長(zhǎng)的駐留時(shí)間。

2.3 基于時(shí)間窗的返回信號(hào)捕獲

考慮到衛(wèi)星信道雙向延時(shí)在一定范圍內(nèi)可預(yù)測(cè),最小為Tb,最大為Ta,因此可以將本站發(fā)調(diào)制符號(hào)延時(shí)Tb后匹配濾波器裝載,這樣單個(gè)頻點(diǎn)上的駐留時(shí)間理論上只需要Ta-Tb=0.03 941 s。由于符號(hào)速率較低,此時(shí)還需要考慮匹配濾波器的裝載時(shí)間,因此單個(gè)頻點(diǎn)上的駐留時(shí)間應(yīng)按Ta-Tb+1 024Ts=0.05 541 s考慮。需要的平均捕獲時(shí)間可近似表示為:

可見基于返回信號(hào)到達(dá)時(shí)間窗的先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行捕獲可以大大縮短同步時(shí)間。

由于中頻環(huán)條件下的信號(hào)傳輸延時(shí)明顯小于衛(wèi)星環(huán)條件下的傳輸延時(shí),因此采用上述方法進(jìn)行捕獲時(shí),需要分別設(shè)定中頻環(huán)和衛(wèi)星環(huán)的捕獲時(shí)間窗口,設(shè)計(jì)和使用時(shí)都需要特別注意。

2.4 基于前導(dǎo)碼輔助的返回信號(hào)捕獲

第3種方法是本站先發(fā)送周期為1 024的偽碼,抵消器捕獲到返回信號(hào)后通知發(fā)端先發(fā)送調(diào)制有獨(dú)特字的偽碼序列,然后再發(fā)送用戶數(shù)據(jù),并將用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。接收端捕獲到前導(dǎo)偽碼后,搜索獨(dú)特字(可采用差分解調(diào)的方式),搜索到獨(dú)特字后再?gòu)木彺嬷凶x取發(fā)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)返回信號(hào)的同步。采用這種方式時(shí)單個(gè)匹配濾波器只需要裝載一次,而單個(gè)頻點(diǎn)上的駐留時(shí)間只需要32×32Ts=0.016 s,捕獲到前導(dǎo)序列后最多需要經(jīng)過一個(gè)雙向信道延時(shí)Ta才能捕獲到獨(dú)特字。假定獨(dú)特字占用2 048個(gè)調(diào)制符號(hào),則平均同步時(shí)間可近似表示為:

可見相對(duì)于前2種捕獲方式,采用前導(dǎo)碼引導(dǎo)可以獲得最短的平均捕獲時(shí)間。但采用這種方式需要通信雙方發(fā)送不同的前導(dǎo)碼,否則可能出現(xiàn)誤捕的情況。

3 結(jié)束語(yǔ)

盡量縮短返回信號(hào)捕獲時(shí)間對(duì)提升PCMA系統(tǒng)性能具有重要意義。通過對(duì)多種返回信號(hào)捕獲方案的分析和比較,探索最優(yōu)的解決方案。雖然分析過程中所做的假設(shè)不是特別嚴(yán)謹(jǐn),對(duì)平均捕獲時(shí)間的估計(jì)也做了一些近似,但這并不影響對(duì)各種方案平均捕獲時(shí)間的比較。初步研究結(jié)果表明,相對(duì)于其他捕獲方式,采用前導(dǎo)碼輔助可以獲得更短的平均捕獲時(shí)間。

[1]DANKBERG M.Paired Carrier Multiple Accessfor satellite communications[C].Honolulum Hawaii:First Presented at Pacific Telecommunications Conference,1998:10-20.

[2]沈業(yè)兵,安建平,王愛華.數(shù)字匹配濾波器的遞歸折疊實(shí)現(xiàn)[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006(8):733-736.