CN105847203B - 机载卫星通信多普勒频移高精度检测及补偿方法 - Google Patents
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Abstract
机载卫星通信多普勒频移高精度检测及补偿方法，其特征是采用基于FFT的Rife插值校正算法进行频差修正，即导频频率估计算法来检测卫星通信多普勒频移：由于FFT运算存在栅栏效应,当输入信号的频率不在FFT量化频率点处时,直接用FFT运算的最大谱线位置来估计正弦输入信号的频率,将存在量化误差,在0～T时间内，对加性高斯白噪声背景中单一频率正弦信号进行采样，得到采样序列：本发明通过基于频差修正的Rife导频频率估计算法来检测卫星通信多普勒频移，实现对下行信号的多普勒频移补偿。
Description
一.技术领域
本发明属于卫星通信领域，具体涉及到一种机载动中通卫星通信的多普勒频移检测与补偿方法。
二.背景技术
多普勒频移是由于发射源和接收机之间的相对运动引起的，飞机作为一种高速运动载体与卫星间的相对运动速度快，且卫星通信使用频段较高(如Ka或Ku频段)，机载卫通链路中会产生较大范围剧烈的多普勒频移变化，这将会导致接收机灵敏度低，系统误码率增加，因此必须对多普勒频移进行补偿。
设定光速为VC，多普勒频偏为Δfdoppler，相对运动速度向量V在收发连线方向的投影为VOS，则频率为fc的单载波由于载体运动所引起的多普勒频偏由下式表示：
目前针对多普勒频移进行估计的算法很多，但大多过于复杂，且首先需要实现符号同步，无法在多普勒频移超过符号速率的情况下进行检测与补偿。一般来说卫星天线接收一个已知频率(已考虑卫星频偏)的导频(单载波)信号，然后闭环计算导频信号的实际频率，两者之间的频差即为多普勒频差。导频信号的频率估计是多普勒频移检测的关键。频率估计的算法大多是基于FFT的频率估计算法，包括基于FFT的频谱细化法、基于FFT的插值校正法(Rife算法和Quinn算法)、基于FFT的最大似然估计算法等。
Rife插值算法在输入噪声为零时,能够得到精确的频率估计结果。在适当的信噪比条件下,当真实频率f位于两个FFT离散频率的中心区域(即δ的绝对值靠近0.5)时,Rife算法性能较好,其频率估计均方根误差接近克拉美-罗界(CRB)。在有噪声的情况下，当δ较小时，可能出现位于FFT频谱最大值另一侧(相对幅值次大处)第一旁瓣的幅度超过主瓣内次大值的情况，从而造成频率插值方向相反，引起较大的频率估计误差。
通过导频检测到多普勒频移后，实时调整接收机的本振频率，实现对下行信号的多普勒频移补偿。接收机的本振频率的调整大多是通知CPU修改信道频率来实现。
三.发明内容
本发明目的是，提出一种应用于卫星通信的多普勒频移检测与补偿方法。尤其是一种基于频差修正的Rife导频频率估计算法来检测卫星通信多普勒频移，实现对下行信号的多普勒频移补偿。
本发明技术方案是：机载卫星通信多普勒频移高精度检测及补偿方法，基于FFT的Rife插值(校正)算法；Rife插值算法在输入噪声为零时,能够得到精确的频率估计结果。在适当的信噪比条件下,当真实频率f位于两个FFT离散频率的中心区域(即δ的绝对值靠近0.5)时,Rife插值算法性能较好,其频率估计均方根误差接近克拉美-罗界(即CRB)。在有噪声的情况下，当δ较小时，可能出现位于FFT频谱最大值另一侧(相对幅值次大处)第一旁瓣的幅度超过主瓣内次大值的情况，从而造成频率插值方向相反，引起较大的频率估计误差。
具体方法是：基于频差修正的Rife插值(校正)算法即导频频率估计算法来检测卫星通信多普勒频移：由于FFT运算存在栅栏效应,当输入信号的频率不在FFT量化频率点处时,直接用FFT运算的最大谱线位置来估计正弦输入信号的频率,将存在量化误差,其误差范围[-fs/2N,fs/2N]，其中fs为采样频率,N为FFT点数；
在0～T时间内，对加性高斯白噪声背景中单一频率正弦信号进行采样，得到采样序列：
x(n)＝Acos(2πf0/fs+θ0)+z(n),n＝0,1,…,N-1
式中：A，θ0分别为正弦信号的幅度和相位；f0为待估计的信号频率；fs为采样频率；z(n)为零均值高斯白噪声；
x(n)的N点FFT记为X(k)，由于实序列FFT具有对称性，因此只考虑离散频谱的前N/2点，在加矩形窗情况下，有
X(k)在幅度最大值处的离散频率的序号记为m，Z(k)为z(n)的FFT；利用m可对信号的频率做粗略的估计：其中Δf为FFT的频率分辨率，Δf＝1/NT＝1/tp；当信号的频率不是Δf的整数倍时，X(k)在主瓣内有2条谱线，最大谱线的幅度为X0＝|X(m)|，次大谱线的位置记为m1，m1＝m±1，次大谱线的幅度X1＝|X(m1)|，则根据次大值与最大值的比值α(α＝X1/X0)可以得到信号的实际频率与估计频率之间的相对偏差δ为：
式中，δ＝[-0.5,0.5]；
通过插值修正，估算信号的频率为
当次大值在最大值的左边时，上式中±符号取减，当次大值在最大值的右边时，上式中±符号取加；通过导频信道估算频差即多普勒频移，然后在中频单元通过改变DDS输出频率(通过调整10MHz参考源)，后端的解调器无需对多普勒频差进行处理。
实际应用时，先FFT再Rife插值修正来进行频率的估计。这样FFT的点数N和采样时间T都可以降低，可以满足快速频率检测的要求。输入噪声为零时,Rife算法能够得到精确的频率估计结果。在适当的信噪比条件下,当f0位于两个离散频率的中心区域(即δ的绝对值靠近0.5)时,其频率估计均方根误差接近CRB,误差远小于FFT算法。
在中频段校正机载卫星通信多普勒频移的方法：通过导频信道估算频差，然后在中频单元通过改变DDS输出频率调整10MHz参考源，后端的解调器无需对多普勒频差进行处理。采用基于FFT的Rife插值(校正)算法：Rife插值算法在输入噪声为零时,能够得到精确的频率估计结果。在适当的信噪比条件下,当真实频率f位于两个FFT离散频率的中心区域(即δ的绝对值靠近0.5)时,Rife插值算法性能较好,其频率估计均方根误差接近克拉美-罗界(即CRB)。在有噪声的情况下，当δ较小时，可能出现位于FFT频谱最大值另一侧(相对幅值次大处)第一旁瓣的幅度超过主瓣内次大值的情况，从而造成频率插值方向相反，引起较大的频率估计误差。
加性高斯白噪声是随机无线噪声，其通信信道上的信号分布在很宽的频带范围内。"白"指功率谱恒定；高斯指幅度取各种值时的概率p(x)是高斯函数；加性高斯白噪声在通信领域中指的是一种各频谱分量服从均匀分布(即白噪声)，且幅度服从高斯分布的噪声信号。因其可加性、幅度服从高斯分布且为白噪声。
本发明中，经Rife导频频率估计算法估算出的频差预估值经过直接数字式频率合成器DDS+锁相环PLL电路校正后，使下次频差预估时δ的绝对值靠近0.5，其频率估计均方根误差接近CRB。
本发明方法实现了多普勒频差预估与频差校正的闭环；本次经Rife导频频率估计算法估算出的频差预估值经过直接数字式频率合成器DDS+锁相环PLL电路校正后，使下次频差预估时导频频率处于两相邻FFT量化频率之间的中心附近。如此闭环，经过多次循环使导频频率不断逼近两相邻FFT量化频率之间的中心，使用简单的Rife导频频率估计算法即可使频差均方根误差接近克拉美-罗界(CRB)。
进一步，本发明方法还包括：提供一种能够克服直升机旋翼遮挡的多普勒频差补偿方法；估算导频频率时，在FFT结果中剔除与直升机旋翼遮挡频率同频的点，再进行RIFE插值估算多普勒频差；
本发明有益效果：提出一种应用于卫星通信的多普勒频移检测与补偿方法。尤其是一种基于频差修正的Rife导频频率估计算法来检测卫星通信多普勒频移，实时调整接收机的本振频率，实现对下行信号的多普勒频移补偿。
四、附图说明
图1为本发明多普勒频移检测与补偿总体框图。
图2为基于频率校正的Rife算法框图。
五、具体实施方式
总体框图如图1所示。
1)、本发明提出了一种在中频段校正机载卫星通信多普勒频移的方法。该方法通过导频信道估算频差，然后在中频单元通过改变DDS输出频率调整10MHz参考源，后端的解调器无需对多普勒频差进行处理。
2)、本发明提出了一种基于频差修正的Rife导频频率估计算法来检测卫星通信多普勒频移，如图2所示。
由于FFT运算存在栅栏效应,当输入信号的频率不在FFT量化频率点处时,直接用FFT运算的最大谱线位置来估计正弦输入信号的频率,将存在量化误差,其误差范围[-fs/2N,fs/2N]，其中fs为采样频率,N为FFT点数。在0～T时间内，对加性高斯白噪声背景中单一频率正弦信号进行采样，得到采样序列：
x(n)＝Acos(2πf0/fs+θ0)+z(n),n＝0,1,…,N-1
式中：A，θ0分别为正弦信号的幅度和相位；f0为待估计的信号频率；fs为采样频率；z(n)为零均值高斯白噪声。
x(n)的N点FFT记为X(k)，由于实序列FFT具有对称性，因此只考虑离散频谱的前N/2点，在加矩形窗情况下，有
X(k)在幅度最大值处的离散频率的序号记为m，Z(k)为z(n)的FFT。利用m可对信号的频率做粗略的估计：其中Δf为FFT的频率分辨率，Δf＝1/NT＝1/tp。当信号的频率不是Δf的整数倍时，X(k)在主瓣内有2条谱线，最大谱线的幅度为X0＝|X(m)|，次大谱线的位置记为m1，m1＝m±1，次大谱线的幅度X1＝|X(m1)|，则根据次大值与最大值的比值α(α＝X1/X0)可以得到信号的实际频率与估计频率之间的相对偏差δ为
式中，δ＝[-0.5,0.5]。
通过插值修正，估算信号的频率为
当次大值在最大值的左边时，上式中±为减，当次大值在最大值的右边时，上式中±为加。
实际应用时，先FFT再Rife插值修正来进行频率的估计。这样FFT的点数N和采样时间T都可以降低，可以满足快速频率检测的要求。输入噪声为零时,Rife算法能够得到精确的频率估计结果。在适当的信噪比条件下,当f0位于两个离散频率的中心区域(即δ的绝对值靠近0.5)时,其频率估计均方根误差接近CRB,误差远小于FFT算法。
本发明中，经Rife导频频率估计算法估算出的频差预估值经过DDS+PLL电路校正后，使下次频差预估时δ的绝对值靠近0.5，其频率估计均方根误差接近CRB。
3)、该方法实现了多普勒频差预估与频差校正的闭环。本次经Rife导频频率估计算法估算出的频差预估值经过DDS+PLL电路校正后，使下次频差预估时导频频率处于两相邻FFT量化频率之间的中心附近。如此闭环，经过多次循环使导频频率不断逼近两相邻FFT量化频率之间的中心，使用简单的Rife导频频率估计算法即可使频差均方根误差接近克拉美-罗界(CRB)。
4)、本发明提供了一种能够克服直升机旋翼遮挡的多普勒频差补偿方法。估算导频频率时，在FFT结果中剔除与直升机旋翼遮挡频率同频的点，再进行RIFE插值估算多普勒频差。
5)、本发明提供了一种基于DDS和PLL的多普勒频移补偿方法。DDS具有频率分辨率高、频率改变速率快、输出相位连续和噪声低的优点，以及PLL具有的输出频率高和窄带滤波跟踪特性，因此可以实现高精度、快速率的频移补偿，且不会影响原有信号的相位特性。
本发明中，对DDS1和DDS2输出的10MHz参考源的不断的调整过程即为多普勒频差补偿的过程。由于调整的是10MHz参考源，在收支路设置PLL2以及发支路设置PLL3时无需考虑多普勒频移。
更具体实施方案为：
1)设置收支路DDS1输出10MHz参考，设置PLL1为已知的导频信道频率，使该信道在无多普勒频偏时为一个频率处于两相邻FFT量化频率中心的单频信号，记该频率为fc。通过普通Rife算法粗算导频f0的估算频率导频估算频率与已知频率fc之差即为多普勒频差估算值Δfdoppler。
2)保持PLL1不变，根据粗算的多普勒频移Δfdoppler调整DDS1，使导频的估算频率处于FFT量化频率中心fc附近。
3)通过Rife算法精确估算导频频率此时在fc附近，所以估算的多普勒频偏Δfdoppler均方根误差接近克拉美-罗界(CRB)。根据精算的多普勒频移Δfdoppler调整DDS1，使
4)根据收发频率的比例，在调整收支路DDS1的同时，按相应的比例调整发支路的DDS2。
5)重复步骤3、4。
Claims (4)
1.机载卫星通信多普勒频移高精度检测及补偿方法，其特征是,采用基于FFT的Rife插值校正算法，即导频频率估计算法来检测卫星通信多普勒频移：
由于FFT运算存在栅栏效应,当输入信号的频率不在FFT量化频率点处时,直接用FFT运算的最大谱线位置来估计正弦输入信号的频率,将存在量化误差,其误差范围[-fs/2N,fs/2N]，其中fs为采样频率,N为FFT点数；
在0～T时间内，对加性高斯白噪声背景中单一频率正弦信号进行采样，得到采样序列：
x(n)＝Acos(2πf0/fs+θ0)+z(n),n＝0,1,…,N-1
式中：A，θ0分别为正弦信号的幅度和相位；f0为待估计的信号频率；fs为采样频率；z(n)为零均值高斯白噪声；
x(n)的N点FFT记为X(k)，由于实序列FFT具有对称性，因此只考虑离散频谱的前N/2点，在加矩形窗情况下，有
X(k)在幅度最大值处的离散频率的序号记为m，Z(k)为z(n)的FFT；利用m对信号的频率做粗略的估计：其中Δf为FFT的频率分辨率，Δf＝1/NT＝1/tp；当信号的频率不是Δf的整数倍时，X(k)在主瓣内有2条谱线，最大谱线的幅度为X0＝|X(m)|，次大谱线的位置记为m1，m1＝m±1，次大谱线的幅度X1＝|X(m1)|，则根据次大值与最大值的比值α，α＝X1/X0，得到信号的实际频率与估计频率之间的相对偏差δ为：
式中，δ在如下范围[-0.5，0.5]；
通过插值修正，估算信号的频率为
当次大值在最大值的左边时，上式中±符号取减，当次大值在最大值的右边时，上式中±符号取加；
通过导频信道估算频差即多普勒频移，然后在中频单元改变直接数字式频率合成器DDS输出频率。
2.根据权利要求1所述的机载卫星通信多普勒频移高精度检测及补偿方法，其特征是经Rife导频频率估计算法估算出的频差预估值经过直接数字式频率合成器DDS+锁相环PLL电路校正后，使下次频差预估时δ的绝对值靠近0.5，其频率估计均方根误差接近CRB。
3.根据权利要求1所述的机载卫星通信多普勒频移高精度检测及补偿方法，其特征是实现多普勒频差预估与频差校正的闭环；经Rife导频频率估计算法估算出的频差预估值经过直接数字式频率合成器DDS加锁相环PLL电路校正后，使下次频差预估时导频频率处于两相邻FFT量化频率之间的中心附近。
4.根据权利要求1所述的机载卫星通信多普勒频移高精度检测及补偿方法，其特征是实现克服直升机旋翼遮挡的多普勒频差补偿；估算导频频率时，在FFT结果中剔除与直升机旋翼遮挡频率同频的点，再进行Rife插值估算多普勒频差。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20190531 |