CN108401582B - 一种适应tdma/fdma体制的geo卫星移动通信系统初始频率同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于GEO卫星移动通信领域TDMA/FDMA体制中的初始频率同步方法，用于预补偿发射信号的频率，使其到达卫星时的标称频率符合频率队列的要求，同时跟踪接收信号的频率实现有效解调。该方法包括天线，射频电路模块，A/D转换模块，数字下变频模块，低通滤波器模块，匹配滤波器模块，状态控制模块，chirp信号捕获模块和BCCH解调频率调整模块。其中chirp信号捕获模块不需要门限电平，在实际系统中的应用性能优越，对载波频率的估计准确，实现简单，BCCH解调频率调整模块可以针对不同突发长度自适应的去除相位偏差，实现频率同步，对于短数据，精度大的情况下的频率同步同样也能有效适用，特别适用于TDMA/FDMA体制的GEO卫星移动通信系统频率同步过程中使用。
Description
技术领域
本发明设计一种适应TDMA/FDMA体制的GEO卫星移动通信系统频率同步方法，它涉及适用于GEO卫星移动通信领域TDMA/FDMA体制中的初始频率同步方法，特别适用于TDMA/FDMA体制的GEO卫星移动通信中预补偿发射信号的频率，使其到达卫星时的标称频率符合频率队列的要求，同时跟踪接收信号的频率实现有效解调。
背景技术
全球卫星移动通信事业发展迅速，我国也在研制自己的卫星移动通信系统。
在卫星通信或其他无线通信过程中，如果通信双方中任何一方处于移动状态时，接收到的信号都会产生一个多普勒频移，多普勒频移是产生载波频差的一个重要原因。另外，由于通信双方载波振荡器以及传输过程中有关器件频率的精度所限，在接收信号与本地载波之间总会存在频差。因此，设计卫星移动通信系统频率同步方法尤为重要。
在卫星移动通信系统中，频率同步和定时同步是终端入网的先决条件。一般情况下，窄带系统中的校频信道采用chirp信号，由此来获得处理增益，而且可使终端同时估计频率误差和定时误差。
目前查到的chirp解调方法有两种，即时域匹配频域判决或者频域匹配时域判决。无论哪种方法都涉及到判决门限的计算和调整。移动信道存在多径衰落及多普勒频移，终端的接收电平和接收信噪比变化较大，采用门限判决比较复杂。
某些特定卫星移动通信突发数据短，精度大的特点，BCCH解调频率调整模块中去相差模块，传统去相差模块实现复杂，并且需要较长的数据进行计算，在所提卫星移动通信系统中难以实现很好的性能，因此在BCCH解调频率调整模块中设计针对性的去相差模块实现TDMA/FDMA体制的GEO卫星移动通信系统初始频率同步有重要作用。
对于卫星移动通信系统，采用π/4-CQPSK调制，以使卫星移动通信系统获得更好的性能，所以需要改进FFT频率估计模块以适应改动。
发明内容
本发明设计了一种适用于GEO卫星移动通信领域TDMA/FDMA体制中的初始频率同步方法，给出了硬件实现流程，并进一步做了改进，避免上述背景技术中的不足之处。
chirp信号捕获中，提出的新方法以信号本身上、下扫频信号峰值频率的变化规律作为同步依据，不需要门限，降低了实现的复杂度，同时降低增加判决条件，避免虚警、漏检。BCCH解调频率调整模块中去相差模块，不同于传统去相差模块，本专利中去相差模块针对TDMA/FDMA体制的GEO卫星移动通信系统初始频率同步中数据短，需要精度大的特点采用改进算法。短时间精确的实现，计算量小。对于采用π/4-CQPSK调制的卫星移动通信系统，对FFT频率估计模块进行了改动，增加了反旋转模块、4次方模块，以适应系统需求。
本发明的技术解决方案是：
一种适应TDMA/FDMA体制的GEO卫星移动通信系统的频率同步方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)射频电路模块将接收外部的GEO移动通信卫星射频信号进行射频处理后，再进行模数转换；
(2)数字下变频模块将模数转换后的信号进行数字下变频，将低中频信号转化为基带信号；
(3)下变频之后的基带信号分成两路，一路信号送至低通滤波器模块用于滤除高频分量，另一路信号送入匹配滤波器；
(4)状态控制模块将低通滤波器输出信号送至chirp信号捕获模块，状态控制模块将匹配滤波器输出信号送至BCCH解调频率调整模块；
(5)chirp信号捕获模块对状态控制模块输出的不带任何数据信息chirp信号进行捕获处理，建立定时和频率的初步同步，并将获得的频率误差信息进行对外输出和送入下变频模块；
(6)BCCH解调频率调整模块完成对状态控制模块输出信号的数据解调，得到软解调数据信息和频率信息；将软解调数据信息对外输出和将频率信息反馈给下变频模块。
其中，步骤(5)具体包括以下步骤：
(501)将状态控制模块发送的信号送入数据缓存；
(502)分别用本地上、下扫频信号和数据缓存中的数据做相关；
(503)对相关后的两路数据分别进行补零，以提高频率估计的分辨率，之后对两路信号分别进行快速傅里叶变换；
(504)对傅里叶变换后的两路数据各自进行模平方处理，之后将求解的两路数据的峰值频率放入缓存；
(505)同步判决：根据两个峰值频率及其变化规律完成定时同步，并求解频率误差信息；
(506)将获得的频率误差信息进行对外输出和送入下变频模块。
其中，步骤(6)具体包括以下步骤：
(601)对状态控制模块发送的信号进行下变频，转换为基带信号；
(602)定时估计模块根据步骤(601)提供的基带信号求取基带数据的定时信息；
(603)之后依据步骤(602)提供的定时信息，对步骤601提供的基带信号进行内插处理，形成最佳符号采样数据，并经过匹配模块确定信道类型；
(604)对最佳符号采样数据进行FFT频率估计，得到接收信道的频率信息，并频率信息反馈给下变频模块；
(605)对进行FFT频率估计后的信号去除信号中较小相位偏差信息，得到相位信息，并反馈给下变频模块；
(606)对去除较小相位偏差信息的信号经过反旋转，得到软解调数据信息和频率信息；
(607)将软解调数据信息对外输出和将频率信息反馈给下变频模块。
其中，步骤(604)中对最佳符号采样数据进行FFT频率估计得到接收信道的频率信息，包含以下步骤：
(6041)对步骤(603)提供的最佳符号采样数据进行数据反旋转，对数据进行4次方操作，去除调制信息；
(6042)对去除调制信息的数据进行FFT变换；
(6043)对进行FFT变换后的数据进行平方和运算求最大值，得到接收信道的频率信息。
其中，步骤(605)中对进行FFT频率估计后的信号去除信号中较小相位偏差信息，得到相位信息，包含以下步骤：
(6051)对进行FFT频率估计后的信号进行数据反旋转之后，再对数据进行4次方操作，去除调制信息；
(6052)对去除调制信息后的数据进行分段平均去除信号噪声环境下的抖动，然后累加平均用于差分信息的累加，提高精确度；
(6053)对累加平均后的数据进行求角度，得到相位信息。
其中，步骤(505)中的同步判决条件为：
a.上扫频支路计算出的峰值频率f1和下扫频支路计算出的峰值频率f2产生交叉，且交叉点前、后几对f1、f2满足斜率绝对值相等、符号相反；
b.交叉点处上、下扫频支路的峰值功率P1和P2比较接近；
c.交叉点P1+P2的值是最大的。
本发明与背景技术相比具有如下优点：
1.本发明中提出的方法，可使用于TDMA/FDMA体制的GEO卫星移动通信系统初始状态下的频率同步，在保持更好的性能的基础上，实现更加简单，稳定。
2.本发明中提出的chirp信号捕获模块，其特征在于chirp同步搜索判决模块，传统方法chirp捕获方法需要判决门限，本方法采取十字交叉法，不需要判决门限，降低复杂度，同时增加判决条件，更为有效的避免虚警、漏检。
3.BCCH解调频率调整模块中去相差模块，不同于传统去相差模块，本专利中去相差模块针对TDMA/FDMA体制的GEO卫星移动通信系统初始频率同步中数据短，需要精度大的特点采用改进算法。所提方法，数据计算量小，精度大，可针对多种不同的突发信道。
4.所提方法，针对卫星移动通信系统中采用π/4-CQPSK的调制的情况，改进了FFT频率估计模块，实现效果良好，满足了稍后的译码需求。
附图说明
图1是本发明系统初始状态下的频率同步数据处理格式实施例的电原理方框图。
图2是本发明的chirp捕获模块的原理方框图。
图3是本发明的BCCH解调频率调整模块的原理图。
图4是本发明FFT频率估计模块的原理图。
图5是本发明去相差模块的原理图。
图1中，1为射频电路模块，2为A/D转换模块，3为数字下变频模块，4为低通滤波器模块，5为匹配滤波模块，6为状态控制模块，7为chirp信号捕获模块，8为BCCH解调频率调整模块。
具体实施方式
参照图1，一种适应TDMA/FDMA体制的GEO卫星移动通信系统的频率同步方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)射频电路模块将接收外部的GEO移动通信卫星射频信号进行射频处理后，再进行模数转换；
(2)数字下变频模块将模数转换后的信号进行数字下变频，将低中频信号转化为基带信号；
(3)下变频之后的基带信号分成两路，一路信号送至低通滤波器模块用于滤除高频分量，另一路信号送入匹配滤波器；
(4)状态控制模块将低通滤波器输出信号送至chirp信号捕获模块，状态控制模块将匹配滤波器输出信号送至BCCH解调频率调整模块；
(5)chirp信号捕获模块对状态控制模块输出的不带任何数据信息chirp信号进行捕获处理，建立定时和频率的初步同步，并将获得的频率误差信息进行对外输出和送入下变频模块；
其中，步骤(5)具体包括以下步骤：
(501)将状态控制模块发送的信号送入数据缓存；
(502)分别用本地上、下扫频信号和数据缓存中的数据做相关；
(503)对相关后的两路数据分别进行补零，以提高频率估计的分辨率，之后对两路信号分别进行快速傅里叶变换；
(504)对傅里叶变换后的两路数据各自进行模平方处理，之后将求解的两路数据的峰值频率放入缓存；
(505)同步判决：根据两个峰值频率及其变化规律完成定时同步，并求解频率误差信息；
(506)将获得的频率误差信息进行对外输出和送入下变频模块。
其中，步骤(505)中的同步判决条件为：
a.上扫频支路计算出的峰值频率f1和下扫频支路计算出的峰值频率f2产生交叉，且交叉点前、后几对f1、f2满足斜率绝对值相等、符号相反；
b.交叉点处上、下扫频支路的峰值功率P1和P2比较接近；
c.交叉点P1+P2的值是最大的。
其中关键步骤的设计原理包括：
1.chirp信号捕获模块
如图2为chirp捕获模块的原理方框图，chirp信号捕获模块主要由输入数据缓存模块、本地扫频信号存储模块、本地下扫频信号存储模块、复数乘法、补零、FFT变换、模平方模块、峰值位置计算以及同步判决模块组成。首先，接收信号被送入缓存模块，然后，分别用本地上、下扫频信号和接收信号做相关，补零模块用于对相关之后的数据补零，以提高频率估计的分辨率，之后对相关后信号进行快速傅里叶变换，模平方之后求解峰值频率，最后，同步判决模块根据两个峰值频率及其变化规律完成定时同步，并求解载波频差。
Chirp信号形式一般表示为：
其中u和T是两个需要确定的参数。易知，u(t-T/2)表示瞬时频率，由于p(t)是一个[-T/2，T/2]内为1、其余为0的单位矩形脉冲，所以s(t)的扫频范围是[-uT/2，uT/2]。
假设接收机收到信号为r(t)，以ru(t)表示上扫频，rd(t)表示下扫频，则r(t)＝ru(t)+rd(t)，不考虑噪声时，ru(t)等于rd(t)可表示为其中fd为收发信机之间的频差、td为本地产生的相关信号与接收信号之间的时间差。
所以通过信号处理，上支路计算出峰值频率为f1，下支路计算出来的峰值频率为f2，通过分析计算频差fd、时差td和峰值频率的关系可以表示为fd＝(f1+f2)/2、td＝(f2-f1)/(2*u)。因此，对于频差和时差的计算，需要精确的峰值频率。FFT计算周期内，总有最大值，但不能判定是否有chirp信号发送，目前的算法需要设置门限值，但门限的设定应该随着信噪比而调整，容易出现虚警漏检的情况。
因此，对于同步判决模块，本专利提出来利用十字交叉法捕获chirp信号，不需要门限，实现简单，此时a.上扫频支路计算出的峰值频率f1和下扫频支路计算出的峰值频率f2产生交叉，且交叉点前、后几对f1、f2满足斜率绝对值相等、符号相反。
进一步减少虚警、漏检的现象，增加判决条件：交叉点处上、下扫频支路的峰值功率P1和P2比较接近，交叉点P1+P2的值是最大的。
本专利所用的方法，在实际TDMA/FDMA体制的GEO卫星移动通信系统初始状态下的频率同步中应用，实现简单，性能优异，具有很高的实用性。
(6)BCCH解调频率调整模块完成对状态控制模块输出信号的数据解调，得到软解调数据信息和频率信息；将软解调数据信息对外输出和将频率信息反馈给下变频模块。
其中，步骤(6)具体包括以下步骤：
(601)对状态控制模块发送的信号进行下变频，转换为基带信号；
(602)定时估计模块根据步骤(601)提供的基带信号求取基带数据的定时信息；
(603)之后依据步骤(602)提供的定时信息，对步骤601提供的基带信号进行内插处理，形成最佳符号采样数据，并经过匹配模块确定信道类型；
(604)对最佳符号采样数据进行FFT频率估计，得到接收信道的频率信息，并频率信息反馈给下变频模块；
(605)对进行FFT频率估计后的信号去除信号中较小相位偏差信息，得到相位信息，并反馈给下变频模块；
(606)对去除较小相位偏差信息的信号经过反旋转，得到软解调数据信息和频率信息；
(607)将软解调数据信息对外输出和将频率信息反馈给下变频模块。
如图4是FFT频率估计模块，采用针对卫星移动体制的π/4-CQPSK调制方式，增加了数据反旋转模块用于去除动态的反旋转因此，使其变为CQPSK调制数据，用4次方模块去除调制信息，之后通过FFT模块，平方和求最大值，生成系统频率信息。包含以下步骤：
其中，步骤(604)中对最佳符号采样数据进行FFT频率估计得到接收信道的频率信息，包含以下步骤：
(6041)对步骤(603)提供的最佳符号采样数据进行数据反旋转，对数据进行4次方操作，去除调制信息；
(6042)对去除调制信息的数据进行FFT变换；
(6043)对进行FFT变换后的数据进行平方和运算求最大值，得到接收信道的频率信息。
其中，步骤(605)中对进行FFT频率估计后的信号去除信号中较小相位偏差信息，得到相位信息，包含以下步骤：
(6051)对进行FFT频率估计后的信号进行数据反旋转之后，再对数据进行4次方操作，去除调制信息；
(6052)对去除调制信息后的数据进行分段平均去除信号噪声环境下的抖动，然后累加平均用于差分信息的累加，提高精确度；
(6053)对累加平均后的数据进行求角度，得到相位信息。
如图5是去相差模块，不同于传统去相差模块，需要较长的数据处理才能有效的去处相差，本专利中去相差模块针对TDMA/FDMA体制的GEO卫星移动通信系统初始频率同步中数据短，需要精度大的特点采用改进算法。
去相差模块包括数据反旋转模块、4次方模块、分段平均模块、前后差分模块、累加平均模块、求角度模块、生成相差信息模块。数据反旋转、4次方模块用于去除π/4-CQPSK的调制信息，之后通过分段平均模块，去除信号噪声环境下的抖动，前后差分模块用于求取前后相位变化差分信息，累加平均模块用于差分信息的累加，提高精确度，之后通过求角度模块，生成相差信息模块生成相差信息。
Claims (4)
1.一种适应TDMA/FDMA体制的GEO卫星移动通信系统的频率同步方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)射频电路模块将接收外部的GEO移动通信卫星射频信号进行射频处理后，再进行模数转换；
(2)数字下变频模块将模数转换后的信号进行数字下变频，将低中频信号转化为基带信号；
(3)下变频之后的基带信号分成两路，一路信号送至低通滤波器模块用于滤除高频分量，另一路信号送入匹配滤波器；
(4)状态控制模块将低通滤波器模块输出信号送至chirp信号捕获模块，状态控制模块将匹配滤波器输出信号送至BCCH解调频率调整模块；
(5)chirp信号捕获模块对状态控制模块输出的不带任何数据信息chirp信号进行捕获处理，建立定时和频率的初步同步，并将获得的频率误差信息进行对外输出和送入数字下变频模块；
(6)BCCH解调频率调整模块完成对状态控制模块输出信号的数据解调，得到软解调数据信息和频率信息；将软解调数据信息对外输出和将频率信息反馈给数字下变频模块；
其中，步骤(5)具体包括以下步骤：
(501)将状态控制模块发送的信号送入数据缓存；
(502)分别用本地上、下扫频信号和数据缓存中的数据做相关；
(503)对相关后的两路数据分别进行补零，以提高频率估计的分辨率，之后对两路信号分别进行快速傅里叶变换；
(504)对傅里叶变换后的两路数据各自进行模平方处理，之后将求解的两路数据的峰值频率放入缓存；
(505)同步判决：根据两个峰值频率及其变化规律完成定时同步，并求解频率误差信息；
(506)将获得的频率误差信息进行对外输出和送入数字下变频模块；
其中，步骤(6)具体包括以下步骤：
(601)对状态控制模块发送的信号进行下变频，转换为基带信号；
(602)定时估计模块根据步骤(601)提供的基带信号求取基带数据的定时信息；
(603)之后依据步骤(602)提供的定时信息，对步骤601提供的基带信号进行内插处理，形成最佳符号采样数据，并经过匹配模块确定信道类型；
(604)对最佳符号采样数据进行FFT频率估计，得到接收信道的频率信息，并将频率信息反馈给数字下变频模块；
(605)对进行FFT频率估计后的信号去除信号中较小相位偏差信息，得到相位信息，并反馈给数字下变频模块；
(606)对去除较小相位偏差信息的信号经过反旋转，得到软解调数据信息和频率信息；
(607)将软解调数据信息对外输出和将频率信息反馈给数字下变频模块。
2.根据权利要求1所述的一种适应TDMA/FDMA体制的GEO卫星移动通信系统频率同步方法，其特征在于：步骤(604)中对最佳符号采样数据进行FFT频率估计得到接收信道的频率信息，包含以下步骤：
(6041)对步骤(603)提供的最佳符号采样数据进行数据反旋转，对数据进行4次方操作，去除调制信息；
(6042)对去除调制信息的数据进行FFT变换；
(6043)对进行FFT变换后的数据进行平方和运算求最大值，得到接收信道的频率信息。
3.根据权利要求1所述的一种适应TDMA/FDMA体制的GEO卫星移动通信系统频率同步方法，其特征在于：步骤(605)中对进行FFT频率估计后的信号去除信号中较小相位偏差信息，得到相位信息，包含以下步骤：
(6051)对进行FFT频率估计后的信号进行数据反旋转之后，再对数据进行4次方操作，去除调制信息；
(6052)对去除调制信息后的数据进行分段平均去除信号噪声环境下的抖动，然后累加平均用于差分信息的累加，提高精确度；
(6053)对累加平均后的数据进行求角度，得到相位信息。
4.根据权利要求1所述的一种适应TDMA/FDMA体制的GEO卫星移动通信系统频率同步方法，其特征在于：步骤(505)中的同步判决条件为同时满足：
a.上扫频支路计算出的峰值频率f1和下扫频支路计算出的峰值频率f2产生交叉，且交叉点前、后几对f1、f2满足斜率绝对值相等、符号相反；
b.交叉点处上、下扫频支路的峰值功率P1和P2比较接近；
c.交叉点P1+P2的值是最大的。
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