[论文解读] Polarization diversity and equalization of frequency selective channels in telemetry environment for 16APSK

Farah Arabian, Rice, Michael|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2019

Satellite Communication Systems参考文献 6被引用 6

一句话总结

该论文提出在遥测环境中对接收机的垂直（V）和水平（H）偶极子信号进行最优合并，针对16APSK调制，证明了对这种最优合并信号进行均衡的性能优于对右旋圆极化（RHCP）、左旋圆极化（LHCP）或同相合并信号进行均衡。对V和H偶极子的最优合并可实现与RHCP和LHCP信号最优合并相当的性能，显著改善在存在多径和天线旋转效应的频率选择性衰落信道中的误比特率（BER）。

ABSTRACT

Providing RHCP and LHCP outputs from the antennas vertical (V) and horizontal (H) dipoles in the resonant cavity within the antenna feeds is the current practice of ground-based station receivers in aeronautical telemetry. The equalizers on the market, operate on either LHCP or RHCP alone, or a combined signal created by co-phasing and adding the RHCP and LHCP outputs. In this paper, we show how to optimally combine the V and H dipole outputs and demonstrate that an equalizer operating on this optimally-combined signal outperforms an equalizer operating on the RHCP, LHCP, or the combined signals. Finally, we show how to optimally combine the RHCP and LHCP outputs for equalization, where this optimal combination performs as good as the optimally combined V and H signals.

研究动机与目标

• 研究接收机是否能通过直接访问V和H偶极子信号，实现相对于标准RHCP/LHCP合成的系统性能提升。
• 解决由于航空遥测信道中动态飞机旋转引起的多径衰落导致的符号间干扰（ISI）。
• 开发并评估V/H偶极子与RHCP/LHCP信号的最优合并技术，以最小化BER。
• 在真实的频率选择性信道条件下，比较在V/H、RHCP/LHCP或同相合并信号上运行的均衡器的性能。
• 证明V/H偶极子的最优合并可实现与RHCP/LHCP信号最优合并相当的BER性能。

提出的方法

• 使用Forney观测模型（FOM）对遥测信道进行建模，为V和H偶极子以及RHCP和LHCP分量建立离散时间等效信道。
• 基于几何传播和天线方向，推导V和H偶极子（h_y' 和 h_z'）以及RHCP和LHCP（h_RHCP 和 h_LHCP）的信道冲击响应。
• 对V和H偶极子信号以及RHCP和LHCP信号应用最大似然（ML）合并，形成最优合并输入。
• 对最优合并信号使用最小均方误差（MMSE）均衡，通过谱分解和矩阵求逆计算均衡器系数。
• 在不同飞机偏航、俯仰和滚转角度下，仿真真实频率选择性信道中的BER性能。
• 比较五种配置的BER性能：V/H ML合并、RHCP/LHCP ML合并、独立的RHCP和LHCP信号，以及使用90°混合耦合器的同相合并信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 与标准的RHCP/LHCP均衡相比，V和H偶极子输出的最优合并是否能改善频率选择性遥测信道中的BER性能？
• RQ2 在相同环境下，V和H偶极子的最优合并性能是否与RHCP和LHCP信号的最优合并性能相当？
• RQ3 在最优合并的V/H信号上运行的均衡器，其BER性能与在单独的RHCP、LHCP或同相合并信号上运行的均衡器相比如何？
• RQ4 飞机旋转（偏航、俯仰、滚转）在多大程度上影响RHCP和LHCP分量之间的功率不平衡？这种不平衡是否可用于分集增益？
• RQ5 当接收机通常从这些分量合成RHCP和LHCP时，直接访问V和H偶极子信号对系统性能有何影响？

主要发现

• 在所有评估配置中，V和H偶极子的最优合并实现了最佳的BER性能。
• 最优V/H合并的BER性能与最优RHCP/LHCP合并相当，证实了两种最优合并策略的等效性。
• 在最优合并的V/H信号上运行的均衡器，优于在单独的RHCP或LHCP信号上运行的均衡器，也优于在同相合并信号上运行的均衡器。
• 使用90°混合耦合器将RHCP和LHCP信号同相合并并未实现最优性能，尽管其性能仍优于单独的RHCP或LHCP均衡。
• 在非零俯仰和滚转角条件下，最优合并的性能增益最为显著，此时RHCP和LHCP信号变得不平衡，从而可实现分集增益。
• 仿真结果证实，V/H偶极子的最优合并为在动态信道条件下提升实际遥测系统的BER性能提供了切实可行的路径。