卫星移动通信信号处理同步技术研究

2018-07-04,,

计算机测量与控制 2018年6期

(西北工业大学电子信息学院，西安 710129)

0 引言

随着近年来自然灾害的频发，地面蜂窝移动通信网对边远区域以及应急、灾害情况下的用户覆盖范围存在不足，而卫星移动通信具有通信距离远、覆盖区域广、抗毁性强、传输容量大以及组网方式灵活等优势；卫星移动通信能弥补地面移动通信的不足，我国现阶段正在进行拥有自主专利的天通一号卫星移动通信系统建设，研究卫星移动通信信号处理关键技术对促进我国卫星移动通信系统建设有着积极作用。

卫星移动通信终端发起和接收呼叫，发送并接收业务数据，是通信的信源和信宿，其对数据的信号处理能力是影响终端性能的关键之一。卫星通信终端侧的信号处理技术，主要解决卫星弱信号检测、同步、跟踪、调制解调、信道编解码以及交织和去交织等问题，其突发信号解调正确的关键技术主要集中在突发信号同步技术上[1]。

基带信号的同步过程通常分成三部分：接收设备最初处于信号检测状态，通过合适检测算法，检测是否有信号到达；当检测到信号后立即启动参数估计程序进行频偏、相位、时钟误差等参数的估计；最后根据得到的参数后进行同步校正，并对相应的参数继续跟踪处理以提高性能。本文针对卫星移动通信系统中突发信号符号长度短、独特码少的特点，提出一种改进的相位同步算法及一种频偏估计方法。

1 信号处理同步技术

1.1 相位同步关键技术

虽然卫星移动通信接收终端会对接收信号做频偏估计及补偿，但终究频偏估计的精度是有限的，补偿后的信号或多或少还是存在着残留频偏，这时就需要使用相位估计与补偿来最大程度的减少残留频偏的影响。

现阶段，常用的相位估计算法是线性相位内插算法，也即FFML方法[2]。此方法利用帧结构中已知的导频信息进行去调制处理，而后估计出各段导频的相位，利用各段导频相位之间的线性关系对导频段之间的数据进行线性插值补偿处理，因而，此方法对导频段相位估计的精度要求比较高。

经过大量仿真可知，一般导频段的数据个数要求在8个符号以上，这段导频的相位估计精度才可以达到FFML算法的性能要求。但是在卫星移动通信部分物理信道帧结构中导频段符号个数均小于8个符号时，导频段的估计精度难以达到FFML算法要求。例如物理信道DC10，其突发帧结构见表1。

表1 DC10信道突发定义

从表1可以看出，导频段的数据个数均为7个符号，这时，帧结构就对相位估计FFML算法造成了一定的性能影响。

1.2 频率同步关键技术

由于卫星移动通信中部分突发结构中多个导频段的导频符号个数总和不是很多，因而使用导频段数据做有数据辅助的频偏估计，性能会大大折扣，估计精度不满足系统要求。例如DC10信道，其所有导频段符号的个数总和为21个符号，而导频段符号个数在96个以上，使用二次插值的FFT频域频偏估计算法才能达到频偏估计精度要求[3]，因而利用突发帧结构中的已知导频段进行频偏估计，会使估计性能急剧恶化，以至于频偏估计的精度很难达到后续处理的要求精度，因而需要更多的已知数据去做频偏估计。由于帧结构中已知的各段导频个数以及所有导频个数总和偏少，导致频率估计性能受到影响，所以需要找到一种在较少的导频段数据情况下频偏估计精度达到系统要求的方法。

2 同步算法

2.1 相位同步算法

2.1.1 线性相位内插算法

线性相位内插(FFML)算法的实现如图1所示。

图1 相位恢复模块实现框图

算法具体内容如下：

1)对帧结构中内插的各段独特码字进行最大似然相位估计，估计结果为θ(i),i=1,2,…,P，其中P是独特码字段的个数。

2)计算各个码字段相位估计值θ(i)的之间的相位差Δθ(i)=θ(i)-θ(i-1),i=2,3,…,P，对Δθ(i)做SAW函数处理，SAW函数的表达式为:

(1)

SAW函数的函数图形如图2所示。

图2 SAW函数图

3)根据θ(i)及经过SAW函数的Δθ(i)值，对数据段内的数据相位进行线性均匀内插处理以弥补残留频偏带来的相位误差，相对应的线性内插公式为：

(2)

其中:L表示两导频之间的间隔(导频+数据段)，θ(i)为第i个导频的频偏估计，θ(k)为两导频间第k个符号的相位补偿[4]。

以上就是传统的基于最大似然准则的线性内插算法，但是这个算法对每段独特码字的个数有最低要求。根据仿真测试，在每段独特码字符号个数不小于8个符号的情况下，传统算法可以保持很好的相位同步性能，但是在每段码字符号个数小于8个符号的情况下，算法性能会急剧恶化。对于卫星移动通信系统中，有很多信道的独特码字段符号个数都小于8，因此为了使卫星移动通信系统正常工作，必须对传统算法做改进。

2.2 频率同步算法

在突发通信中，频率同步算法根据参数修正方式，主要分为开环前馈法和闭环反馈法；按照辅助手段分为数据辅助、非数据辅助和编码辅助3种方式[5]；针对不同的调制方式，常采用不同的频率同步方法。QAM调制常采用非数据辅助方式下的闭环算法，MSK调制常采用非数据辅助方式下的开环算法，而QPSK调制多采用数据辅助方式下的开环算法。常用的有数据辅助的频偏估计算法有Kay算法、Fitz算法、L&R算法、M&M算法及二次插值FFT频域频偏估计算法等[5]；其中Kay算法估计范围与导频符号数无关，估计精度随导频符号数增大而增大，但对信噪比要求很高；Fitz算法和L&R算法估计范围较小，且估计范围与估计精度互相制约；M&M算法估计范围与导频符号数无关，估计精度随导频符号数增大而增大，但估计范围有限；FFT算法估计范围很大，结构简单易于实现，估计精度受导频符号数限制；

以上所有的算法估计精度都受到导频符号数的影响，针对卫星移动通信中的部分突发结构，已知的导频段个数总和太少，以至于频偏估计的精度很难达到后续处理的要求精度，因而我们需要更多的已知数据去做频偏估计。

2.2.1 二次插值FFT频偏估计算法

FFT即快速傅立叶变换，其实质是DFT(Discrete Fourier Transform)的一种快速算法。原始的FFT估计算法是频域中的一种估计算法，主要方法是搜索周期图的峰值，峰值的位置即对应于载波频偏[6]。FFT算法是频域中一种估计范围大的估计算法，可以达到±50%的符号速率，而且能在很低的信噪比下工作。此外由于可以使用FFT变换，实现方法简单，在实际系统中得到了普遍应用。DFT频域估计算法，可以表示如式(3)所示，式(4)和式(5)分别为频率和相位估计公式：

(3)

(4)

(5)

图3 DFT频域估计算法

(6)

(7)

图4 二次插值频域估计算法

3 同步算法改进

3.1 线性相位内插算法的改进

由于卫星移动通信系统中突发信号符号长度短，独特码在突发帧结构中占有的比重较少，且每一个独特码组的长度很短[9]，导致采用常规FFML算法在计算独特码平均相位时，受到噪声的干扰较大，导致算法的SNR损失较大。这里对传统算法做了改进，改进的地方主要集中在传统算法第一步中计算出的各个独特码字段估计的相位值θ(i)上。

利用噪声平均化的原则，将一段段的独特码组看成一个整体，码字的加长受到噪声的干扰就会变小。假设有3段独特码，他们的相位分别为phase1，phase2，phase3。

1)按照线性的方式，可以通过phase1，phase3计算出phase2_1，再通过phase2_1与phase2求平均后得到输出相位phase2_out；

2)通过phase2_out 与 phase1按照线性的方式计算出phase3_1，然后通过phase3与phase3_1求平均后得到输出相位phase3_out；

3)通过phase2_out 与 phase3_out按照线性的方式计算出phase1_1，然后通过phase1与phase1_1求平均后得到输出相位phase1_out；

4)最后将phase1_out、phase2_out、phase3_out替代FFML算法中的phase1、phase2、phase3，然后进行相位同步。

使用改进的相位估计算法后，可以使符号个数小于8的独特码相位估计值受噪声的影响明显减小。仿真结果表明改进的相位估计算法可以提高系统整体性能。

3.2 频率同步算法改进

由于在卫星移动通信信道发送流程中，发送信息均做了CRC校验[10]，因此我们可以利用解码后的数据做CRC校验，若解码信息完全正确，则可利用数据段信息和导频段信息整体做频偏估计，这样大大增加了数据量，也即保证了频偏估计的精度。在系统各个信道之间接入方式为TDMA时，因而改进的频偏估计策略为本帧数据进行解码且CRC校验正确无误后，可以用本帧整体的数据做频偏估计，这样估计的频偏准确。在两个时隙距离不是很大的情况下，可以用本帧的频偏估计结果给下一帧使用，因为短时间内，信道频偏不会剧烈变化。