一种基于lms和变采样率的非对称载波多址通信方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于卫星通信领域，具体涉及一种将LMS算法与变采样率相结合实现 APCMA(非对称载波多址）技术的方法。
【背景技术】
[0002] 随着通信技术的发展以及人类社会生活对于信息需求的不断提升，有限的频谱资 源作为一种不可再生资源变得越来越珍贵。尤其是对于卫星通信系统，由于其空间传输 条件（轨道空间位置有限）的限制，所能利用的频谱资源就更为紧张。针对此问题，美国 ViaSat (美国卫讯全球有限公司）公司于1998年率先提出了一种用于双向卫星通信系统的 频率复用技术：成对载波多址（PCM)技术。该技术不同于一般的多址技术，它通过自干扰 信号的消除等技术手段，实现了两个不同的卫星地面站使用完全相同的上行和下行通信链 路，从而节省了一半的带宽。
[0003] 根据通信双方两路信号功率和带宽的关系，成对载波多址技术可分为对称和非对 称两类。非对称载波多址（APCM)技术的一种典型应用场景是直升机宽带卫星通信系统。 该系统中直升机的机载天线为甚小口径（VSAT)天线，尺寸远小于地面站雷达天线的尺寸， 因而发射功率也要远小于地面站天线的发射功率。卫星地面站只需要给直升机发送简单的 指令，而直升机则要发回给地面站探测的影像资料等信息，双方通信所需要的通信带宽是 不同的。因此本系统是功率非对称、带宽非对称的APCM系统。
[0004] APCMA技术实现的关键在于卫星地面站从接收的混合信号中提取出有用信号，即 自干扰信号的消除。这里自干扰信号是指卫星地面站自身发送信号经过卫星透明转发后又 返回到地面站的信号。常见的实现方法是分别估计自干扰信号的幅度、载波的频率相位以 及传输的延时等关键参数，并结合本地缓存的发送数据重构自干扰信号。但实际实现中这 些估计模块存在算法复杂、难以实现的问题，并不符合现阶段对于APCM技术实际应用实 现的需求。
【发明内容】
[0005] 针对以上问题，本发明提出了在卫星地面站利用变采样率模块与LMS算法相结合 的实现APCM技术的方法和装置。通过以LMS算法为核心的自适应滤波模块实现了自干扰 信号的重构。其滤波器系数综合模拟了本地数据在成型滤波、信道传输、返回接收过程中信 号幅度、相位和频率等的变化并在计算迭代中不断更新。该模块在迭代的过程中综合调整 了信号的幅度、频率、相位等参数，使得重构信号与期望信号的误差最小，相比于独立的参 数估计模块的实现方法极大简化了方法实现复杂度。此外利用变采样率模块调整LMS自适 应滤波器输入和输出信号的速率，降低了 LMS算法中矩阵的阶数，更利于APCM技术的实 现。
[0006] 本发明中装置的输入为卫星地面站本地缓存发送数据、接收到的混合信号，装置 的输出为自干扰消除后的有用信号。
[0007] 本发明的特征在于：是在由使用相同的上、下行通信链路但功率、带宽均非对称的 两个卫星地面站和空间卫星共同组成的非对称载波多址通信系统中依次按照以下步骤实 现的：
[0008] 步骤（1):在本地卫星地面站中构建一个基于最小均方值LMS算法，简称LMS和 变采样率的非对称载波多址技术，APCM的自干扰信号重构及形成装置，包括：时延调整用 的缓存单元，简称时延调整单元；重构自干扰信号用的LMS自适应滤波器，简称LMS滤波器； 升采样率作用的CIC插值滤波器；降采样率作用的CIC抽取滤波器和自干扰信号消除用的 减法器，简称减法器，其中：
[0009] 时延调整单元，输入为本地缓存的发送数据信号Sl和信号传输延时τ，单位为 秒，输出为时延调整到时刻η的本地缓存的发送数据信号X (η)，
[0010] 降采样率的CIC抽取滤波器，输入为作为接收方的本地卫星地面站收到的混合信 号S1+S2,所述混合信号d(η)包括所述本地卫星地面站发出的所述本地缓存的发送数据信 号Sl和所述卫星发出的，来自于发射方卫星地面站的有用信号S2,输出为降采样率倍数为 M的混合信号d (η)，
[0011] 升采样率的CIC插值滤波器，输入为经所述LMS滤波器重构的自干扰信号y (η)，输 出为经M倍升采样率处理后速率已与接收的所述混合信号S1+S2相匹配的重构自干扰信号 y (n)，LMS算法迭代收敛后再数值上等于所述的本地缓存的发送数据信号S1，
[0012] 减法器，输入为信号速率已经过所述升采样率CIC插值滤波器匹配的重构的所述 本地缓存的发送数据信号Sl和接收到的混合信号S1+S2共两个信号，输出为有用信号S2，
[0013] LMS滤波器，设有：最小均方值LMS算法软件，输入为经过时延调整的本地缓存的 发送数据信号x(n)和降采样率后的混合信号d(n)，输出为重构的自干扰信号y(N)，η = 1，2,3…Ν，Ν为迭代收敛时刻，y(N)为迭代收敛后的重构自干扰信号，N在数值上等于迭代 次数，
[0014] 步骤（2):所述基于LMS和变采样率的APCM多址技术的通信子系统依次按照以 下步骤实现所述的非对称载波多址通信：
[0015] 步骤（2. 1):所述LMS滤波器初始化，设定：
[0016] 所述LMS滤波器的阶数为K，K = M1XL，其中队为所述LMS滤波器的输入信号与 输出信号的速率比，L为量化位数，
[0017] 为所述LMS滤波器的系数，简称权系数，是一个复数矩阵。初始化;^为零，或为 至少包括BPSK或QPSK调制时用的成型滤波器的系数，
[0018] ε为误差e(n)变化幅度的门限值，是设定的在N次迭代过程中，e(n) = d(n) -y(n)，e(n)为降采样率后的接收混合信号d(n)与重构的自干扰信号y(n)在η时刻的差， 包含了降采样率后的有用信号以及误差信号，
[0019] 权系数的自适应更新公式：= _w(?:.-l) + 2//e(n-l)x(n-l)，其中μ为迭代步 长，是设定值，e(n-l) = d(n-l)-y(n-l)是时刻η - 1时的误差，d(n - I)、y(n - 1)分别是 时刻η - 1时的降采样率后的混合信号和重构自干扰信号，
[0020] 步骤（2. 2):初始时刻 η。= 0，、d(n。)、y(n。)、e(n。）皆为零，
[0021] 步骤（2.3):在时刻n，本地卫星地面站把从卫星接收到的混合信号SI (n)+S2 (η) 经降采样率处理后得到的混合信号d(n)，
[0022] 步骤（2. 4):所述LMS滤波器把输入的所述降采样率后的混合信号d(n)和经过时 延调整后的本地缓存的发送数据信号x(n)用LMS算法按以下步骤处理后输出一个重构过 程中的自干扰信号y(n):
[0023] 步骤（2. 4. 1):计算误差 e(n) = d(n)_y (η)，其中 = u, ，H 表示共辄 转置，= u'(/? -1) + 2//c(n-l)x(n- I)，
[0024] 步骤（2· 4· 2):判断[e(n)-e(n_l)]> ε 是否成立。若[e(n)-e(n_l)]> ε 成立， 则返回步骤（2. 3)，在时刻η+1时，重复步骤（2. 4)计算e (n+1) = d(n+l)-y (η+1)，其中： KH： Λ Λ )(/? +1) - η- (// +1) ·χ(η+ Γ) , η·(/7 + I) - u'(//) + 2//c(n)x(n),
[0025] 步骤（2· 4· 3):判断[e(n)-e(n_l)]> ε 是否成立，
[0026] 如此重复计算步骤（2. 4. 1)~步骤（2. 4. 3) -直到前后相邻的两个时刻误差e (η) 的变化幅度< ε为止，此时LMS算法收敛，迭代结束，输出重构的自干扰信号y (N)，
[0027] 步骤（2. 5):把步骤（2. 4)最后得到的重构自干扰信号y(N)经过升采样处理后的 得到所述经过重构的本地缓存的发送数据信号S1，
[0028] 步骤（2. 6):所述减法器对从卫星接收到的混合信号S1+S2和从所述升采样CIC 插值滤波器接收到的经过重构的本地缓存的发送数据信号Sl进行减法处理，得到有用信 号S2。
[0029] 基于以上描述的APCMA技术实现的方法，本发明还提供了实现该方法的一种装 置，包括：
[0030] (1)降采样率装置：该装置为一种级联积分-梳状滤波器，是CIC抽取滤波器。装置 输入为地面站接收到的混合信号，设置降采样率倍数为M，输出为降采样率后的混合信号。
[0031] (2)延时调整单元：该单元的输入为本地缓存的发送数据信号以及信号传输延时 τ (秒），输出为延时调整后的本地缓存发送数据信号。
[0032] (3)LMS算法自适应滤波器单元：用于自干扰信号的重构。其中包括了 Fir滤波 器、加法器和乘法器，输入为延时调整后的本地缓存的发送数据信号x(n)和降采样率后的 接收混合信号d (η)，输出为重构得到的自干扰信号y (N).
[0033] (4)升采样率装置：该装置同样为一种级联积分-梳状滤波器，是CIC插值滤波 器。装置的输入为重构的自干扰信号y (N)，设置升采样率倍数为M，输出为速率与接收的混 合信号匹配的重构自干扰信号。
[0034] (5)自干扰信号消除单元：单元输入为重构的自干扰信号以及接收到的混合信 号，两信号的速率已经通过升采样率装置进行了匹配。单元输出为有用信号。该单元主要 由减法器构成。
[0035] 本发明与现有的实现方案相比，优点在于：
[0036] (1)卫星地面站重构自干扰信号主要利用了 LMS自适应滤波器。将传统实现方法 中幅度、频率、相位等单独参数估计调整模块的功能集中到了一个自适应滤波器模块中实 现，需要使用AGC环，自动增益控制、锁相环等环路技术。而LMS算法中只包含了基本的乘 法和加法运算，因此算法复杂度低，实现简单。
[0037] (2)利用变采样率的方法调整匹配信号速率，减小了 LMS自适应滤波器的阶数，进 一步降低了计算复杂度，节约了实现成本。如上述发明中所述，如果滤波器阶数为K，降采 样率的倍数为M，升采样率倍数也为M。仅仅单独使用自适应滤波器其阶数为KX M，而加入 变采样率模块后自适应滤波器阶数变为K，减小了 M倍，极大地方便了系统的实际实现和使 用。
【附图说明】
[0038] 图1本发明所述基于LMS与变采样率的APCM方法实现流程图。
[0039] 图2本发明所述基于LMS与变采样率的APCM方法实现装置图。
[0040] 图3本发明所述实现方法实例仿真中自适应滤波器误差收敛曲线图。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合附图和实例对本发明做进一步详细说明。
[0042] 应用实例设置为直升机宽带卫星通信系统：地面站发送