CN107135175A - 一种高速数传系统中同步均衡方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高速数传系统中同步均衡方法，包括：步骤1、首先对数字基带信号进行大频偏的估计和补偿；步骤2、对大频偏补偿过后的信号进行定时同步，定位最佳的采样时刻；步骤3、使用判决引导算法进行载波同步，以实现剩余载波频偏估计，同时把载波频偏信息反馈至定时同步模块之前，实现剩余频偏补偿纠正；步骤4、利用CMA算法对同步后的信号进行自适应盲宽带均衡。采用本发明的技术方案，减小了误码率和解调损失。
Description
技术领域
本发明属于高速数据传输卫星通信领域，尤其涉及一种高速数传系统中同步均衡方法，进一步涉及一种宽带卫星通信高速数传系统中的同步均衡方法。
背景技术
近年来，高速数据传输技术在深空通信、航天测控、遥感、卫星通信等领域受到高度重视，得到了快速发展和广泛的应用。随着信息技术的发展，各领域对信息传输速率的要求不断提高，相应的解调端的关键技术成为了发展的重点。在高速数传系统中，解调端的定时同步、载波同步及均衡技术是研究及工程实现的关键技术，三者之间即相互关联，又相互制约，如何合理地优化设计三者之间的解调架构和相应算法在研究及工程实践上都存在重要意义。
在高速数传系统中，传统的同步均衡解调架构通常把定时同步、载波同步和均衡技术相互独立设计，依据不同的应用情况，更多考虑的是三者之间的解调顺序关系。一种典型的联合设计方法是先进行定时同步得到接收信号的最佳采样时刻，再把定时同步后的信号进行载波同步消除载波频偏及相偏的影响，最后进行自适应盲均衡来减小或消除系统群时延及多径引起的码间干扰影响。然而，随着宽带卫星通信等各种应用的发展，对高速数传系统的同步均衡技术提出了更高的要求，要求更小的解调系统损失以得到更好的系统性能，要求更大的适用范围以满足不同应用需求等。因此，如何合理的对定时同步、载波同步和均衡技术进行联合优化设计，对提高解调性能及扩展应用范围来说是个重要且具有挑战性的问题。
与传统的高速数传系统中通常把定时同步、载波同步和均衡技术独立设计相比，本发明以宽带卫星通信为研究背景，考虑同步、均衡算法之间的内在关系，提出了一种联合优化解调架构，设计了同步均衡算法解调顺序，对载波同步模块进行大频偏估计和剩余频偏估计分步补偿，并进一步与定时同步进行联合反馈优化，从而利用更加有效的定时同步算法，减小了系统解调损失，提高了通信质量和应用适用范围。
发明内容
针对传统高速数传卫星通信系统对接收信号存在的同步均衡问题，本发明提供一种高速数传系统中同步均衡方法，即，解调端定时同步、载波同步和宽带均衡的联合优化技术，借鉴现有宽带卫星通信高速数传解调架构，从能够更准确的恢复出原始信号的角度出发，为宽带卫星通信中的高速数传系统提供一种系统优化性能更好的联合优化设计方法，有效提高了算法的适用性，减小了系统解调损失。
实现本发明方法的主要思路是：首先对数字基带信号进行大频偏的估计和补偿，使得剩余频偏范围控制在100kHz以内；然后对大频偏补偿过后的信号进行定时同步，定位最佳的采样时刻；再使用判决引导算法进行载波同步，以实现剩余载波频偏估计，同时把载波频偏信息反馈至定时同步模块之前，实现剩余频偏补偿纠正；最后利用CMA算法对同步后的信号进行自适应盲宽带均衡，以减小码间串扰，补偿系统群时延及多径效应等。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种高速数传系统中同步均衡方法，包括以下步骤：
步骤1、首先对数字基带信号进行大频偏的估计和补偿；
步骤2、对大频偏补偿过后的信号进行定时同步，定位最佳的采样时刻；
步骤3、使用判决引导算法进行载波同步，以实现剩余载波频偏估计，同时把载波频偏信息反馈至定时同步模块之前，实现剩余频偏补偿纠正；
步骤4、利用CMA算法对同步后的信号进行自适应盲宽带均衡。
作为优选，步骤1中，使得剩余频偏范围控制在100kHz以内。
作为优选，步骤2的定时同步中，接收端符号与原始符号之间存在同步误差ek的计算公式为：
其中，上标i、q分别表示信号的实虚部，xk代表当前符号最佳观察点，xk-1代表前一符号最佳观察点，而xk-1/2则为两个相邻符号间的次优最佳观察点。
作为优选，步骤3具体为：载波同步采用判决引导算法来实现对剩余频偏的估计，采用判决反馈锁相环，同时把剩余频偏估计值反馈至定时同步输入端，实现对输入信号的频偏补偿；
所述基于判决引导的载波同步算法通过判决器和鉴相器实现，其中，
所述判决器的工作原理为：
首先均衡器输入信号x(n)与估计得到的相偏进行复乘，
其中，I和Q分别表示信号的实部和虚部，y(n)代表补偿剩余频偏后信号。
判决器对y(n)进行判决，对应到星座点
其中，和分别为I和Q判决后星座点对应数值，代表y(n)对应的判决信号。
鉴相器的工作原理为：
计算y(n)与之间的相偏，
对于恒模QPSK信号，有得到，
其中，sgn(·)表示符号函数，
作为优选，步骤4具体为：依据卫星宽带通信不存在导频信号及信道实时变化特性，采用CMA自适应盲均衡算法来实现减少或消除码间干扰，降低误码率，
采用CMA自适应盲均衡算法时，代价函数设计为：
J＝E[(|y(n)|2-R2)]
其中，E[g]为求期望统计平均，y(n)为均衡器输出符号，R为理想信号包络；
均衡器均衡抽头系数更新如下：
W(n+1)＝W(n)+μe(n)x(n)
其中，x(n)表示均衡器输入信号，W(n)为均衡器抽头系数向量，μ为调整量增益系数，误差e(n)计算如下：
e(n)＝y(n)(R2-|y(n)|2)。
与传统的高速数传解调器同步均衡架构相比，本发明具有以下明显的优势和有益效果：
(1)本发明提出一种基于定时同步、载波同步和自适应盲均衡技术的联合算法设计，优化了解调器同步均衡架构，减小了解调损失，提高了联合算法的适用范围，减小了误码率。
(2)本发明依据现有同步技术存在的缺陷，把载波同步分为大频偏和剩余频偏估计补偿两部分来实现，极大地提高了频偏纠正的范围及估计精度；并且通过和定时同步可行的顺序设计及剩余频偏反馈补偿，实现了定时同步和载波同步联合设计及优化，进一步减小了解调损失。
附图说明
图1为本发明高速数传系统中同步均衡方法的设计架构示意图；
图2为本发明高速数传系统中同步均衡方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，以宽带卫星通信高速数传系统为研究对象，对本发明做进一步的描述。
如图1、2所示，本发明提供一种高速数传系统中同步均衡方法，包括以下步骤：
(1)大频偏估计及补偿
对数字基带信号，存在较大的频偏，由于传统载波同步算法总是存在频偏纠正范围受限或精度不够的问题，本发明方法采用大频偏估计及载波同步实现小频偏估计来实现对信号的频偏补偿。首先，在大频偏估计及补偿模块中，选择采用FFT算法进行大频偏估计，对于估计出的频偏，反馈到该模块的输入端进行补偿。经过FFT大频偏估计及补偿模块，将频偏范围控制在100kHz以内。
本发明中，对于频偏的处理分为两部分完成，即大频偏估计模块和剩余频偏估计模块。传统解调器中，对于频偏的处理集中在同一模块，总是存在频偏纠正范围受限或精度不够的问题，因此，本发明方法把频偏的处理分为两个模块进行来克服传统方法存在的缺陷。
首先，进行大频偏估计及补偿，选择采用FFT算法进行大频偏估计，对于估计出的频偏，反馈到该模块的输入端进行补偿。在该模块中，对N点输入信号做FFT运算，其中，N取2的指数次方，通过运算，得到输入信号的频域特性，取频域最大值对应位置即可得到频偏值估计，把频偏估计值反馈至本模块输入端即可实现对时域信号的补偿。采用N点FFT运算得到的频偏估计值精度为2Δf/N，其中，Δf为系统需要存在的频偏值，通过对N的合理取值，可以得到相应的估计精度，本发明方法通过FFT大频偏估计，把频偏估计精度控制在100kHz以内。
(2)定时同步
对步骤(1)中补偿了大频偏后的信号，随后进行定时同步。定时同步模块主要包括内插模块、匹配滤波模块、锁定检测模块、定时误差检测模块和环路滤波等模块，实现对信号最佳采样点位置的精确估计和信号抽取。
在宽带卫星通信高速数传系统中，虽然收发端的时钟都是高精度的，但是由于不是同源，必定会存在时差。这将导致接收端符号与原始符号之间存在定时偏差，造成采样点数据滑动的现象，即表现为丢失或重复一个符号，并且一定程度上造成信号畸变和损失。本发明方法定时同步采用Gardner算法，由内插模块、匹配滤波模块、定时误差检测模块、环路滤波器模块和NCO模块组成。由于该定时算法对频偏和相偏不敏感，因此将定时同步模块至于载波同步前。在定时同步中，其同步误差计算公式为：
式中，上标i、q分别表示信号的实虚部，xk代表当前符号最佳观察点，xk-1代表前一符号最佳观察点，而xk-1/2则为两个相邻符号间的次优最佳观察点。
在定时同步Gardner算法设计中，输入信号速率一般为符号速率的两倍。针对宽带卫星高速数传系统，为了获得较好的定时同步性能，本发明方法中，输入信号设计为符号速率的4倍，经过定时同步后，信号速率降为2倍。
(3)载波同步
通过步骤(1)和步骤(2)，对接收基带信号已完成了大频偏补偿和定时同步，此载波同步步骤将实现对剩余频偏的估计和补偿。载波同步采用精度较高的判决引导算法来实现对剩余频偏的估计，采用判决反馈锁相环，同时把剩余频偏估计值反馈至定时同步输入端，实现对输入信号的频偏补偿。
本发明采用无导频信号的判决引导算法的方法来实现载波同步，消除剩余载波频偏和相偏，采用基于判决反馈锁相环的反馈闭环结构。基于判决引导的载波同步算法，包括判决器、鉴相器、环路滤波器、NCO相位累加器和频偏纠正乘法运算5个部分，其中核心模块判决器和鉴相器原理如下：
判决器：
首先输入信号x(n)与估计得到的相偏进行复乘，
式中，I和Q分别表示信号的实部和虚部。
判决器对y(n)进行判决，对应到星座点
其中，和分别为I和Q判决后星座点对应数值。
鉴相器：
计算y(n)与之间的相偏，
对于恒模QPSK信号，有得到，
其中，sgn(·)表示符号函数，
(4)宽带自适应盲均衡
通过步骤(1)(2)和(3)后，数字基带信号已完成了载波同步和定时同步，但由群时延及多径等因素引起的码间干扰仍然存在，需要通过均衡技术来进行减少或消除。本步骤依据卫星宽带通信不存在导频信号及信道实时变化特性，采用自适应盲均衡技术设计来实现减少或消除码间干扰，降低误码率。
同步后的信号还存在码间干扰和群时延问题，针对这一问题，本发明在宽带均衡模块采用CMA高速自适应盲均衡技术。在CMA算法设计中，采用实际中广泛应用的基于Bussgang性质的盲均衡器。Bussgang性质盲均衡器是在自适应均衡器的基础上发展起来的，其显著特点是在不增加计算的复杂度的基础上，保持了传统自适应均衡器的简单性，物理概念清楚，易于实现。CMA自适应盲均衡包括卷积求和模块、判决器、误差计算模块及滤波器抽头更新模块4部分。
采用CMA自适应盲均衡算法时，代价函数设计为：
J＝E[(|y(n)|2-R2)]
式中，E[]为求期望统计平均，y(n)为均衡器输出符号，R为理想信号包络。
均衡器均衡抽头系数更新如下：
W(n+1)＝W(n)+μe(n)x(n)
其中，x(n)表示均衡器输入信号，W(n)为均衡器抽头系数向量，μ为调整量增益系数，误差e(n)计算如下：
e(n)＝y(n)(R2-|y(n)|2)
(5)联合优化技术模型分析与仿真验证
对于本发明提出的同步均衡联合设计方法，从系统性能损失和载波频偏纠正范围两方面来分析论证所提出方法的性能，通过与传统同步均衡算法进行比较，利用仿真实验来验证所提联合设计方法的科学性、可行性及性能优势。
目前宽带卫星通信的高速数传系统中，解调器的三大模块(定时同步、载波同步和宽带均衡)大都是独立进行设计的，系统性能及稳定性较差。为了验证本发明方法的有效性，以及与传统高速解调器中的同步均衡算法相比性能的优劣，进行了一组对比试验。
表1 本发明方法与传统解调器联合设计算法比较结果
由表1可以看出，运用本发明方法对接收信号进行同步均衡时系统性能损失约为0.5dB，比采用传统方法时的系统性能损失约为1.5dB相比，性能损失减少了约1dB；而且，采用本发明方法使对载波频偏的纠正范围不小于1MHz，与采用传统方法时的不大于100kHz相比，极大地扩大了联合算法的使用范围。
本发明涉及一种宽带卫星通信高速数传系统中的高速同步均衡方法。针对目前传统解调器中同步均衡技术处理数据的能力已经不能满足日益增长的数据传输率的要求问题，本发明借鉴现有宽带卫星通信高速数传解调技术，从能够更准确的恢复出原始信号及减小系统性能损失的角度出发，提出了一种联合优化解调架构，设计了同步均衡算法解调顺序，对载波同步模块进行大频偏估计和剩余频偏估计分步补偿，并进一步与定时同步进行联合反馈优化，从而利用更加有效的定时同步算法，减小了系统解调损失，提高了通信质量和应用适用范围。
Claims (5)
1.一种高速数传系统中同步均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、首先对数字基带信号进行大频偏的估计和补偿；
步骤2、对大频偏补偿过后的信号进行定时同步，定位最佳的采样时刻；
步骤3、使用判决引导算法进行载波同步，以实现剩余载波频偏估计，同时把载波频偏信息反馈至定时同步模块之前，实现剩余频偏补偿纠正；
步骤4、利用CMA算法对同步后的信号进行自适应盲宽带均衡。
2.如权利要求1所述的高速数传系统中同步均衡方法，其特征在于，步骤1中，使得剩余频偏范围控制在100kHz以内。
3.如权利要求1所述的高速数传系统中同步均衡方法，其特征在于，步骤2的定时同步中，接收端符号与原始符号之间存在同步误差ek的计算公式为：
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其中，上标i、q分别表示信号的实虚部，xk代表当前符号最佳观察点，xk-1代表前一符号最佳观察点，而xk-1/2则为两个相邻符号间的次优最佳观察点。
4.如权利要求1所述的高速数传系统中同步均衡方法，其特征在于，步骤3具体为：载波同步采用判决引导算法来实现对剩余频偏的估计，采用判决反馈锁相环，同时把剩余频偏估计值反馈至定时同步输入端，实现对输入信号的频偏补偿；
所述基于判决引导的载波同步算法通过判决器和鉴相器实现，其中，
所述判决器的工作原理为：
首先均衡器输入信号x(n)与估计得到的相偏进行复乘，
其中，I和Q分别表示信号的实部和虚部，y(n)代表补偿剩余频偏后信号。
判决器对y(n)进行判决，对应到星座点
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其中，和分别为I和Q判决后星座点对应数值，代表y(n)对应的判决信号。
鉴相器的工作原理为：
计算y(n)与之间的相偏，
对于恒模QPSK信号，有得到，
其中，sgn(·)表示符号函数，
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5.如权利要求4所述的高速数传系统中同步均衡方法，其特征在于，步骤4具体为：依据卫星宽带通信不存在导频信号及信道实时变化特性，采用CMA自适应盲均衡算法来实现减少或消除码间干扰，降低误码率，
采用CMA自适应盲均衡算法时，代价函数设计为：
J＝E[(|y(n)|2-R2)]
其中，E[]为求期望统计平均，y(n)为均衡器输出符号，R为理想信号包络；
均衡器均衡抽头系数更新如下：
W(n+1)＝W(n)+μe(n)x(n)
其中，x(n)表示均衡器输入信号，W(n)为均衡器抽头系数向量，μ为调整量增益系数，误差e(n)计算如下：
e(n)＝y(n)(R2-|y(n)|2)。
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