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一种用于卫星通信的空间分集信号合成方法

来源：电子技术应用2013年第12期

高超垒，宋振宇，战勇杰

北京卫星信息工程研究所，北京100086

摘要： 简要地介绍了卫星通信中宽带信号空间分集合成技术的信号处理方法。对合成方法、时域均衡等方面进行了分析研究。在现有的自适应判决反馈均衡器(DFE)的基础上，提出了一种改进的均衡结构，使其适用于高速数据的接收。提出了一种LMS算法来实现最大信噪比合成。此方法无需信噪比估计，可自适应地更新信号合成系数。仿真结果表明，通过该合成方法获得的合成效果与理论值相比存在0.3 dB以下的损失，但系统仍能在-3 dB信噪比的条件下正常工作。该合成方法可应用于高数据速率卫星通信中。

關(guān)鍵詞： 无线网络空间分集信号合成时域均衡

中圖分類號(hào): TN911.23
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2013)12-0111-03

Method of space diversity signal combination for satellite communication

Gao Chaolei, Song Zhenyu, Zhan Yongjie

Beijing Institute of Satellite Information Engineering, Beijing 100086，China

Abstract： This paper briefly introduces the signal process method of the broadband space diversity signal combining techniques for satellite communications. It analyzes the aspects of the method of signal combination and equalization techniques. It put forward an improved method based on DFE for equalization, in order to be applied in the condition of high data rate. It also put forward an MRC method by LMS algorithm for signal combination. It do not need to estimate the SNR of every signal, and could adaptively update coefficient of signal combination. Simulation results show that the signal combination effect by this method compared with the theoretical value has 0.3 dB loss, but the system can still work in the SNR is -3 dB conditions. This signal combination method can be applied to satellite communications with high data rate.

Key words : space diversity; signal combination; time domain equalization

空間分集技術(shù)可獲得較高分集增益，同時(shí)頻帶利用率高，在深空通信、高數(shù)據(jù)速率衛(wèi)星通信中具有明顯優(yōu)勢(shì)。時(shí)差估計(jì)[1-2]技術(shù)、信號(hào)合成技術(shù)、時(shí)域均衡技術(shù)等都是空間分集合成技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)?，F(xiàn)有的自適應(yīng)判決反饋均衡器[3-4](DFE)，由于存在反饋環(huán)路，在高數(shù)據(jù)速率情況下難以通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)有的最大比合并方法[5]要估計(jì)出信號(hào)的信噪比，往往計(jì)算量大，不適用于時(shí)變信號(hào)的合成。這給高數(shù)據(jù)速率情況下空間分集信號(hào)的合成帶來(lái)了困難。本文根據(jù)高數(shù)據(jù)速率的需要，提出了一種無(wú)反饋環(huán)路的均衡方法，與一種無(wú)需信噪比估計(jì)的LMS算法實(shí)現(xiàn)信號(hào)合并，以適用于高數(shù)據(jù)速率的空間分集合并方法。

1 空間分集合成方法
　以兩路衛(wèi)星信號(hào)的空間分集合成為例進(jìn)行分析研究?？紤]在基帶部分對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行合成，信號(hào)處理流程圖如圖1所示。

    由圖1中可以看出,在基帶對(duì)信號(hào)進(jìn)行合成時(shí)主要包括位同步、時(shí)域均衡、時(shí)差消除和最大信噪比合成等幾個(gè)處理流程。位同步采用內(nèi)插環(huán)路[6-7]的方法實(shí)現(xiàn)；時(shí)域均衡采用基于DFE的一種改進(jìn)方法實(shí)現(xiàn)；時(shí)差消除采用互相關(guān)方法實(shí)現(xiàn)；信號(hào)合成采用改進(jìn)的LMS算法實(shí)現(xiàn)最大信噪比合成。
2 時(shí)域均衡技術(shù)
    當(dāng)數(shù)據(jù)速率較高時(shí)，信號(hào)的帶寬也隨之不斷變寬。由于信道的非線性特性，諸如下變頻、載波跟蹤等部分存在一定的非線性特性。這些因素都會(huì)引起信號(hào)的碼間串?dāng)_(ISI)，從而使接收數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤碼。為了進(jìn)一步降低誤碼率提高信號(hào)合成的質(zhì)量，本方法在碼元同步后引入盲均衡技術(shù)[3-4]。
    一般盲均衡的實(shí)現(xiàn)采用DFE算法，包括前饋濾波和反饋濾波器，其原理如圖2所示。

    該算法需要把判決后的數(shù)據(jù)經(jīng)反饋濾波后去修正經(jīng)前饋濾波后的值，以消除數(shù)據(jù)前后碼元對(duì)其影響。因此，該算法需要在每一個(gè)新數(shù)據(jù)到來(lái)前必須完成前一個(gè)數(shù)據(jù)的計(jì)算和判決，才能保證計(jì)算的正確處理。
    現(xiàn)有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率最高為240 Mb/s，系統(tǒng)時(shí)鐘為120 MHz，并行8路，因此需要在4個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期內(nèi)完成8個(gè)數(shù)據(jù)的運(yùn)算和判決。同時(shí)，由于前一個(gè)數(shù)據(jù)的判決結(jié)果與當(dāng)前數(shù)據(jù)的運(yùn)算有關(guān)，無(wú)法進(jìn)行流水運(yùn)算，也無(wú)法采用簡(jiǎn)單的并行算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理。因此，該算法在FPGA實(shí)現(xiàn)上難度很大，考慮采用如圖3算法。該算法減少了反饋環(huán)節(jié)，使用輸入數(shù)據(jù)直接濾波得到修正結(jié)果，與帶反饋的算法相比，前端數(shù)據(jù)干擾的影響估值將不夠精確，會(huì)造成濾波的效果下降。但該算法沒(méi)有反饋環(huán)節(jié)，可以采用流水運(yùn)算，因此易于在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

4 仿真與驗(yàn)證
    根據(jù)第2節(jié)中提出的方法用Matlab搭建仿真環(huán)境，仿真中I路和Q路碼元的采樣點(diǎn)數(shù)均為8，故相當(dāng)于每路只有125 000個(gè)碼元。從系統(tǒng)在信噪比為-3 dB時(shí)已經(jīng)可以工作。從仿真結(jié)果來(lái)看，在信噪比達(dá)到-3 dB以上時(shí)，該方法能夠得到較好的合成增益。
4.1 時(shí)域均衡效果仿真
    仿真驗(yàn)證兩種算法的均衡效率如下。當(dāng)碼間干擾為[0,0,0.15,-0.2,0.1,0.4,1,0.3,0.1,0.25,0.1,-0.1,0]時(shí)，仿真數(shù)據(jù)量為1 000 000點(diǎn)，采用32階均衡濾波器，均衡效果如圖5所示?？梢钥闯觯?jīng)過(guò)改進(jìn)的DFE均衡方法(無(wú)反饋均衡算法)的均衡效果接近DFE均衡方法(帶反饋均衡算法)。]

的合成幅度均值為0.500 5，方差為0.021，滿足最大信噪比的合成要求，同時(shí)分集合成增益與理論增益之差小于0.25 dB。

本文提出的用于衛(wèi)星通信的高數(shù)據(jù)速率空間分集信號(hào)合成的實(shí)現(xiàn)方法，采用了DFE均衡算法的改進(jìn)算法和用LMS算法實(shí)現(xiàn)信號(hào)最大比合成的方法。均衡效果好、LMS算法收斂速度快且得到的合成權(quán)值接近理論值,能適應(yīng)450 Mb/s的數(shù)據(jù)速率。經(jīng)過(guò)仿真可得出如下結(jié)論：(1)采用改進(jìn)的DFE時(shí)域均衡方法，在高數(shù)據(jù)速率的情況下可明顯減少碼間串?dāng)_，降低誤碼率，性能接近DFE時(shí)域均衡方法。(2)LMS算法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的最大信噪比合成，無(wú)需信噪比估計(jì),計(jì)算量小,收斂速度較快,收斂值接近理論值,合成增益損失在0.3 dB以內(nèi),能滿足空間分集合成系統(tǒng)的要求。
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