CN101867546B - 一种测量和补偿卫星通信链路载波频偏的方法 - Google Patents

Abstract

一种测量和补偿卫星通信链路载波频偏的方法，首先对基带数据进行匹配滤波和去调制，然后将基带数据与多路正交载波进行相关运算，将最大相关峰对应的频率值作为载波频偏的粗估计值；随后对粗估计值附近的频点进行细分，重新设定多路正交载波的频率参数，生成新的正交载波重新进行相关运算，由此循环，直至找到满足精度要求的最大相关峰所对应的频率值和相位作为载波频偏的精确估计值。最后利用正弦查找表根据精确频偏信息产生两路正交单载波，并通过复数乘法器与基带数据流相乘，得到去除频偏后的数据流。本发明方法能够满足MF-TDMA方式下突发数据接收的实时性要求，占用硬件资源少，附加延迟小，且实现简便。

Description

一种测量和补偿卫星通信链路载波频偏的方法

技术领域

本发明涉及一种卫星通信链路载波频率偏差的计算方法，用于MF-TDMA方式下发送的数据进行接收并去除通信链路中的载波频偏。

背景技术

数字卫星通信系统目前在国内外应用都相当广泛，尤其是欧美国家大量使用数字卫星通信系统作为地面通信系统的补充和延伸，其用户涉及银行、交通、娱乐、购物、邮政、电视直播等。近年来，我国的卫星应用业务飞速发展，建设了很多卫星通信系统，尤其是交互式电视服务系统和卫星电视直播业务也正在大力推广之中。卫星通信作为现代通信技术的重要组成部分，在国家信息基础设施建设和国家信息安全战略中具有重要地位。

在卫星通信系统中，频分多址和时分多址是最常用的两种多址方式，它们各有利弊，而MF-TDMA(多频时分多址)能够将二者的优点相结合，时隙分配可以动态改变，载波的频率也可以动态跳变。这样，就能够以较低的成本组建起高容量的卫星通信网络。因此，采用MF-TDMA方式的卫星通信系统得到了迅猛发展，成为卫星通信的重要发展方向之一。

在影响卫星通信系统性能的诸多因素之中，多普勒频移是比较重要的一个。多普勒频移是由于卫星和地面站之间的相对移动所产生的。此外，发射机与接收机的本振也并不会严格相等，这也会带来接收载波频率的偏差。

在采用MF-TDMA方式的通信系统中，数据是以突发的方式进行传送的，因此使用AFC(自动频率控制环路)环路来对下行数据进行捕获和载波频率跟踪几乎是无法实现的。这是因为突发数据持续的时间通常很短，环路收敛又需要一定时间，于是常常出现有效数据已经到来，而环路还未收敛的情况。这就需要找出一种方法，既能够对突发数据进行有效的捕获和频偏估计与补偿，又不能占用太多资源，增加太多的链路延迟。目前，比较常用的方法是由发送端在突发数据头部加入伪随机序列，同时在接收端对去调制后的数据流进行FFT运算，这种方法对数据处理的实时性要求很强，算法复杂度高，实现难度非常大。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种占用硬件资源少，附加链路延迟小，且实现简便的测量和补偿卫星通信链路载波频偏的方法。

本发明的技术解决方案是：一种测量和补偿卫星通信链路载波频偏的方法，步骤如下：

(1)对接收到的载波信号中的I、Q两路基带信号进行匹配滤波和去调制处理；

(2)将去调制处理后的基带信号分别与不同频率的正交载波信号分别进行相关运算，求取基带信号与各个频率正交载波信号的滑动内积，由此得到相关度s[n]和w[n]分别为基带信号和正交载波信号；

(3)找出步骤(2)相关运算结果中相关度的极大值点，并对所述极大值点附近的频率进行细分，以细分后的频率重新构建不同频率的正交载波并进行相关运算；

(4)重复步骤(2)和(3)的相关运算，直至找到相关度的最大值点，所述最大值点对应的频率作为载波频偏的大小；

(5)根据步骤(4)得到的载波频偏的大小分别产生I、Q两路单频补偿信号，利用所述补偿信号对步骤(1)中接收到的初始基带信号进行频率补偿。

所述步骤(2)中正交载波信号初始值的确定方法是：根据对载波频偏捕获范围的要求，在捕获范围内等间隔的设置正交载波信号的初始值。

所述步骤(5)中单频补偿信号的产生方法为：预先将1/4周期的正弦或者余弦信号波形存储至正余弦查找表，然后设置正余弦查找表的地址增量，根据载波频偏值和查找表地址增量之间的对应关系，通过正余弦查找表产生出与载波频偏大小相等的正弦信号或者余弦信号，并将其作为单频补偿信号。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明方法采用N路正交载波和M级相关运算对链路中的数据包进行捕获，并对其频偏进行估计，测量结果的准确度很高，频率分辨率可达1/(N^M)，能够极大地减轻后续处理的压力，尤其能够简化载波跟踪环路的设计，使其能够迅速收敛。另外，由于避免对输入信号进行复杂的FFT运算，减小了数据链路的传输延迟；

(2)本发明方法采用的多级相关运算可以通过将数据多次导入同一个相关运算单元来实现，使得本发明的实现非常简便，不仅频率分辨精度高，而且极大地节约了硬件资源；

(3)本发明方法频偏测量中用于相关运算的多路正交载波可以由直接频率合成(DDS)技术产生，绝大多数硬件描述语言都能够提供DDS核或可用的DDS模块，这有利于提高硬件程序的通用性，同时也缩短了开发周期；

(4)本发明方法频偏测量的精度不仅与相关运算的级数有关，还取决于DDS输出信号的位宽，因此在不同的应用场合可根据实际需求和硬件资源情况灵活掌握，以实现不同的测量精度。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图；

图2为本发明方法中频偏计算的实现流程图；

图3为本发明方法中相关运算的实现流程图；

图4为本发明方法中频率补偿的实现流程图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明方法的流程框图。本发明方法主要包括频偏测量和频率补偿两大部分。频偏测量对卫星链路中的突发数据进行捕获和频偏估计，随后通过频率补偿对卫星链路中的突发数据进行频偏补偿。

频偏测量主要涉及信号预处理、正交载波波形发生、频偏计算三个方面。信号预处理即对接收到的基带数据流进行匹配滤波，并利用预先约定好的前导码对滤波后的数据进行去调制处理。正交载波波形发生即产生多路正交载波信号。通常采用八路正交载波和两次相关运算即可满足精度要求，增加载波路数和相关运算的级数都可以提高频偏估计的分辨精度，但载波路数越多，占用硬件资源也越多，而相关运算的级数越多，链路延迟就越大，因此在中等规模及运算速度的FPGA和DSP应用中，实现八路正交载波和两次相关运算即可满足一般要求。频偏计算即将经过预处理后的数据与在缺省参数下产生的多路正交载波进行相关运算，当运算结果出现相关峰时，表明有效数据到来，此时记录最大的相关峰所对应的频率值(极大值点)，作为载波频偏的粗估计值；随后根据载波频偏的粗估计值对多路正交载波的频率参数进行重新设定，生成一组新的正交载波，重新进行一次相关运算，并记录最大的相关峰所对应的频率值和初始相位信息，由此循环，直至找到满足精度要求的最大相关峰所对应的频率值和初始相位信息(最大值点)作为载波频偏的精确估计值。

频率补偿由一个正弦查找表和一个复数乘法器完成，正弦查找表根据频偏测量结果传递过来的精确频偏信息产生两路正交的单载波，并通过复数乘法器与经过预处理的基带数据流相乘，于是得到去除频偏后的数据流，进入后续处理。

图2给出了本发明中频偏计算的实现流程。

首先对数据流，进行相关运算，使其分别与N路不同频率的正交载波进行相关运算。数据流的数学表达形式为

其中h[n]为成型滤波器的窗函数(和匹配滤波器相同，其数学表达式如下：

n＝0，...M-1，M为窗函数的长度)，a[n]为基带信号。这N路载波的频率可以根据分辨精度的要求而任意指定，通常做法是参考所依据的标准对载波频偏捕获范围的要求，在捕获范围内等间隔的设置正交载波信号的初始值。例如：IESS308要求载波捕获频率范围为正负3.5kHz，在接收128K速率传输基带数据的设备中，可以采用八路正交载波，一次相关运算的频率分辨率可达500Hz。N路正交载波可用如下数学表达式描述：

m＝0，...N-1，f₀为正交载波的基频。

然后对运算结果进行相关峰检测和相关峰比较，当有相关峰出现时，选取峰值极大值点的信号所对应的载波频率，以该频率为中心，在附近一个更小的频率范围内重新产生N路分辨率更高的正交载波，同之前缓存的输入数据一起进入下一级相关运算。相关运算的级数M可以根据精度要求来确定，一般情况下，两次相关运算的结果就已经能够达到相当高的分辨精度了。例如：IESS308要求载波捕获频率范围为正负3.5kHZ，在接收128K速率传输基带数据的设备中，采用八路正交载波，一次相关运算的频率分辨率可达500Hz，两次相关运算的频率分辨率可达62.5Hz。

图3给出了本发明中相关运算的实现流程。

相关运算需要将输入数据与N路正交载波分别进行相关运算，其中每路相关运算都需要获取输入数据与正交载波的滑动内积，即将输入数据与正交载波进行按位复数乘法后再相加，数学表达式为：相关度

s[n]和w[n]分别为基带信号和正交载波信号。在首级相关运算中，N路正交载波的产生受默认值控制；而在第二级相关运算中，N路正交载波的产生则受上一级相关运算结果的控制，且其分辨率要高于上一级载波的分辨率。

图4给出了本发明中频率补偿的实现流程。

频率补偿首先根据频偏计算结果给出的频偏信息，利用sin/cos查找表实现波形的发生，以产生I、Q两路正交单频信号，并与输入的I、Q两路数据进行复数乘法，以去除频偏。经频率补偿后的I、Q两路信号频偏已经足够小，可以直接进入AFC环路进行后续处理。

sin/cos查找表中预先存储1/4周期的正弦或者余弦信号波形，该波形可以使用MATLAB等软件方便的得到。对查找表地址增量进行预先设置，通过设置不同的地址增量，就可以设置读取预先存储1/4周期的正弦或者余弦信号波形时的相位和频率，从而利用一个查找表产生出多种频率的正弦或余弦波形，由此建立起载波频偏值和查找表地址增量之间的对应关系。设接收机接收到的含有频偏的基带信号表达式为其中f_c为载波频偏，而经过频偏计算后得出载波频偏的估计值为f_e，那么频偏补偿的过程可以表述为

其中s″[n]即为经过频偏补偿的基带信号，其频偏降低为f_c-f_e。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.一种测量和补偿卫星通信链路载波频偏的方法，其特征在于步骤如下：

(1)对接收到的载波信号中的I、Q两路基带信号进行匹配滤波和去调制处理；

(2)将去调制处理后的基带信号分别与不同频率的正交载波信号分别进行相关运算，求取基带信号与各个频率正交载波信号的滑动内积，由此得到相关度

s[n]和w[n]分别为基带信号和正交载波信号；

(3)找出步骤(2)相关运算结果中相关度的极大值点，并对所述极大值点附近的频率进行细分，以细分后的频率重新构建不同频率的正交载波并进行相关运算；

(4)重复步骤(2)和(3)的相关运算，直至找到相关度的最大值点，所述最大值点对应的频率作为载波频偏的大小；

(5)根据步骤(4)得到的载波频偏的大小分别产生I、Q两路单频补偿信号，产生I、Q两路单频补偿信号的方法为：预先将1/4周期的正弦或者余弦信号波形存储至正余弦查找表，然后设置正余弦查找表的地址增量，根据载波频偏值和查找表地址增量之间的对应关系，通过正余弦查找表产生出与载波频偏大小相等的正弦信号或者余弦信号，并将其作为单频补偿信号；利用产生的单频补偿信号对步骤(1)中接收到的初始基带信号进行频率补偿。

2.根据权利要求1所述的一种测量和补偿卫星通信链路载波频偏的方法，其特征在于：所述步骤(2)中正交载波信号初始值的确定方法是：根据对载波频偏捕获范围的要求，在捕获范围内等间隔的设置正交载波信号的初始值。

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