交叉極化干擾消除技術(shù)研究?

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(duì)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(jì)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(jī)。測(cè)試結(jié)果表明，該設(shè)備對(duì)交叉極化干擾的消除效果明顯。

星地?cái)?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(duì)地觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，獲取的遙感信息容量呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，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俾试絹碓礁撸加玫膸捯苍絹碓綄?，寬帶高速傳輸已?jīng)成為星地?cái)?shù)據(jù)傳輸發(fā)展的必然趨勢(shì)。

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(gè)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(hào)的傳輸比特?cái)?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(shí)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(duì)地?cái)?shù)傳采用點(diǎn)波束，且衛(wèi)星（含星上天線）和地面接收站天線是不斷運(yùn)動(dòng)的，星地天線的對(duì)準(zhǔn)偏差造成星地合成軸比下降［1］，加之空間傳播鏈路對(duì)電磁波去極化的影響（空間傳播鏈路對(duì)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(jì)時(shí)，需盡可能提高天饋系統(tǒng)的軸比。同時(shí)，在地面接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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(huì)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(shí)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(gè)極化波同時(shí)傳輸兩路獨(dú)立的信號(hào)，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(shí)用又很經(jīng)濟(jì)的方法。

然而，極化復(fù)用技術(shù)有一個(gè)問題，就是它不可避免地會(huì)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(hào)會(huì)有部分功率泄露到另外一個(gè)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(gè)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(huì)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(huì)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(huì)急劇下降。

3 交叉極化干擾消除基本原理

為了消除兩個(gè)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(huì)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(shí)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(hào)減去另一路信號(hào)經(jīng)過濾波器后的信號(hào)，然后采用相關(guān)算法來得到誤差信號(hào)，從而將干擾消除，得到干凈信號(hào)。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(hào)經(jīng)過AD采樣變成中頻數(shù)字信號(hào)，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(hào)，然后分別送給兩個(gè)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(hào)經(jīng)過載波同步和碼元同步后進(jìn)行的，通過對(duì)垂直和正交的兩路基帶信號(hào)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(qiáng)大的DSP信號(hào)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(jì)。

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(shí)現(xiàn)了交叉極化干擾消除功能?？紤]到主路和干擾路的信號(hào)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(jì)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?yàn)V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?yàn)V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(jiǎn)化計(jì)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(jì)，實(shí)現(xiàn)了具有交叉極化干擾消除、解調(diào)功能的工程化樣機(jī)。

5 性能測(cè)試

將兩路450 Mb／s、OQPSK信號(hào)經(jīng)過衰減器和不同長(zhǎng)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(duì)信號(hào)幅度進(jìn)行衰減，傳輸線用來引入群時(shí)延偏差。交叉極化干擾消除性能測(cè)試圖如圖5所示。

（1）無白噪聲情況分析

極化干擾為8 dB，測(cè)試無或有交叉極化干擾消除器時(shí)的信噪比及誤碼率，測(cè)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(cè)試無或有交叉極化干擾消除器時(shí)的信噪比及誤碼率，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

測(cè)試結(jié)果表明，交叉極化干擾消除器對(duì)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(shí)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(jì)，研制了具有交叉極化干擾消除、解調(diào)功能的工程化樣機(jī)。測(cè)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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［5］Matsue H，Ohtsuka H，Murase T.Digitalized Cross-Polarization Interference Canceler For Multilevel Digital Radio［J］. IEEE Journal on Selected Areas in Communications，1987，5（3）：493－501.

［6］Bahamonde IR A，Romano JMT，Mota JCM.On the adaptive filtering for cross-polarization interference canceller［C］／／Proceedings of1990 SBT／IEEE International Telecommunications Symposium.Riode Janeiro：IEEE，1990：317－321.

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?yàn)樾畔⑴c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?yàn)樾盘?hào)與信息處理；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.06.006

2013－05－03；

2013－06－16