一种卫星TDMA信号解调的方法

赵 倩

国家新闻出版广电总局九五一台，河北石家庄 050407

0 引言

卫星TDMA通信系统中，转发器处于单载波工作状态，不存在FDMA方式的互调问题，卫星功率利用率可达90%以上，频带几乎可以全部利用，易于实现星上交换，信息速率高低适用，便于数字技术实现。因此卫星TDMA方式应用越来越广泛。本文设计了一种TDMA信号的接收解调方法，对此类信号的接收及解调技术具有一定的参考价值。

突发信号的数字相干解调需要载频同步快速。信号突发时隙具有导频信号的特征。利用导频信号可以完成载波的快速捕获同步。FFT达到的频率分辨率并不能满足数字载频同步环路所需要的精度，这样就需要做载频频率的精细测量，频域分析已经不能满足，可以在时域进行测量，对信号进行差分检测和一定时间内积分平均滤除噪声影响，可以获得较高的频率测量精度。

1 TDMA时隙信号检测

TDMA分帧帧头一般有用于载波恢复和码元同步的特殊码元。码元为全‘1’码型，或‘0’和‘1’循环码型。在频域表现为单频。所以通过检测单频来确认时隙信号的出现时刻，通过精确测量单频的频率值，可以估计载频频率值。低轨卫星通信系统的多普勒频移变化率不大于1kHz/s，可见在几毫秒内载频的多普勒频移约几个赫兹，可以忽略多普勒效应的影响。

估计出TDMA实现信号的载频频率和起始时刻后，将该信道的突发时隙数字下变频，附带频道号、起始时刻缓存后等待解调。

2 数字AGC

由于数字载波同步环路受信号幅度影响，解调器输入信号要求稳定在2dB以内。TDMA信号的突发特性和解调器的多信道接收解调体制，决定了AGC的方式只能是数字AGC模式，所以需要进行数字AGC控制，使环路工作在最佳状态。AGC的控制依据是信号搜索得到的信号幅度，数字解调前的信号幅度可以达到正负1db精度。

本设计的数字AGC实现框图如图1所示，信号检测模块，在检测信号突发时刻和载频频率的同时，可以得到信号电平，其精度可达到2db以内，将检测的信号电平与门限比较，得到误差信号，误差信号经过简单的查表，就可以得到数字增益，将缓存器中的数据完成数字增益控制，以待解调。

图1 AGC实现框图

3 数字下变频

数字下变频如图2所示，与模拟中频通道的功能一样，主要有混频，滤波，AGC，采样率变换。关键部件是滤波器，通过合理的设计使滤波器和采样率变换相结合，保证滤波性能的前提下消耗最小的硬件资源。数字AGC可以弥补模拟AGC增益控制范围不够大的弊病，并能保证采样数据的精度，得到最佳的解调效果。

4 多普勒频移估计

由于多普勒频移较大，对频率的测量分为粗测和精测两步，粗测是在信号检测到后，取其单频部分做FFT，搜索FFT峰值确定信号频率，实现大频率偏移的校正，精测是用粗测得到的频率对信号做正交数字下变频及滤波抽取，然后重复利用单频部分数据，用LP算法进行频率精测。

信号采样速率表示为fs， fd表示多普勒频移的估计值，D为延迟的采样点数，N为参与平均处理的数据点数。LP算法频率估计的范围F由fs和D决定，估计精度由输入信号的信噪比（SNR）、D和N决定，估计误差与延时D和SNR成反比。

图2 数字下变频实现框图

图3 码匹配处理

5 解调处理

解调TDMA信号时，载波已经由TDMA时隙检测模块精确估计给出。所以载波快速同步锁定。锁相环的捕获带大于最大多普勒频移和载波估计的误差，即可以满足要求。

5.1 载波恢复算法

数字解调器中的载波恢复算法主要分为非判决反馈载波恢复法和判决反馈载波恢复法。由于判决反馈的方法性能优于非判决反馈方法，所以本设计采用判决反馈方法来进行载波恢复。

解调器将中频信号经数字下变频转为基带信号后存在载波相位误差，实现解调需要消除这部分偏差。可证明其载波相位误差的鉴相特性曲线为正弦函数，相位误差经环路滤波器后进入数控振荡器，数控振荡器产生相位估计值对输入信号进行相位误差补偿。其中环路滤波采用二阶数字滤波器。

对于TDMA信号，要达到高性能的解调效果，须对载波频差、相差进行快速捕获跟踪，并且环路锁定后还要保持较小的稳态误差。为此，开始解调时，应设置较大的环路参数，待锁定后要减小环路参数。

5.2 判决时刻提取

TDMA信号具有起始同步字的特征。利用这个特征做码元的定时估计。其基本原理是码字相关，I、Q两路相关器的输出求模，峰值检测得到最佳判决时刻。

在本设计中，同步字是12个码元，采样倍数为12倍，所以相关匹配滤波器的阶数为144阶。其实现结构如图3所示。

确保成功检测实现信号的关键是特殊字相关，相关的结果完成定时误差的检测和校正的同时，I、Q相关器输出，在最佳判决时刻的相位，用来做数字载波同步环路的相位模糊校正，得到信号的数字解调结果。

6 结论

通过对卫星TDMA信号的分析，提出了应用TDMA信号时隙检测，多普勒频移测量，载波恢复和判决时刻提取等方法，实现对卫星TDMA信号的解调，并在基于FPGA信号处理平台上进行实现，完成了TDMA分帧信号的接收解调处理，系统具有高度的灵活性和可扩展性，对类似信号的处理有一定的参考价值。

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