CN110071756B - 一种旋翼遮挡下的突发信号检测和载波同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋翼遮挡下的突发信号检测和载波同步方法，属于卫星通信技术领域。本发明方法包括：突发信号检测、频偏和频率变化率估计、相偏估计。本发明基于分散插入的导频符号依次完成突发信号检测和载波同步，解决了高多普勒动态、低链路信噪比、旋翼遮挡条件下的信号接收问题，在直升机卫星通信中具有广泛的应用前景。

Description

一种旋翼遮挡下的突发信号检测和载波同步方法

技术领域

本发明涉及一种旋翼遮挡下的突发信号检测和载波同步方法，属于卫星通信技术领域。

背景技术

直升机卫星通信是指直升机通过机载卫星设备实现与卫星直接通信，其特点是直升机在通信中无需地面中继站进行中继转发，不受地面起伏的影响，因而能够在更广阔的区域内进行信息传输。在卫星通信系统中，多普勒频移是影响通信性能的一个重要因素。由于卫星平台与地面终端之间的相对运动，其径向运动速度产生多普勒效应，从而导致接收端信号存在多普勒频移。对于具有高机动性的直升机，随着飞行姿态的剧烈变化，其通信信号具备较大的多普勒频移及多普勒变化率。另一方面，受到直升机安装条件限制，收发天线一般只能安装在直升机旋翼下方，其安装示意图如图1所示。直升机卫通天线在收发卫通信号时,会受到直升机旋翼的遮挡,在直升机飞行的过程中,旋翼周期性地遮挡天线面,造成机载接收信号按照某种周期衰减，如图2所示。

为了降低旋翼遮挡对通信的影响，国外较成熟的特高频直升机卫星通信系统利用UHF频段在传输过程中的衍射特性，在一定程度上解决了旋翼遮挡导致的信号电平深度衰落问题。但是，对于采用相干接收体制的通信系统，当通信链路信噪比较低时，小幅度的信号衰落还是会引起传统接收机载波同步失锁，从而导致接收机性能急剧恶化。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种旋翼遮挡下的突发信号检测和载波同步方法，解决了直升机卫星通信中存在的多普勒动态大、链路信噪比低、旋翼遮挡等问题。

本发明的技术解决方案是：一种旋翼遮挡下的突发信号检测和载波同步方法，包括如下步骤：

接收固定帧格式的突发信号，获取突发信号的最佳采样点进行采样，生成可供后续处理的数字信号；

将所述数字信号去调制后，分为若干并行通道，对每个通道中的数字信号预置频率变化率，进行FFT变换后，对每个通道分别进行信号捕获判定，获取突发信号的位置并输出已定位的突发信号；

估计已定位的突发信号的载波频偏和频率变化率，并对所述已定位的突发信号进行频偏和频率变化率补偿；

利用频偏和频率变化率补偿后的突发信号中的导频符号进行载波相偏估计，根据载波相偏估计值对突发信号进行相偏补偿后输出，完成突发信号的载波同步。

进一步地，所述固定帧格式包括数据符号和导频符号，每间隔若干个数据符号插入一个导频符号。

进一步地，载波相偏估计的方法为：

将突发信号等分为三段，分别计算三段突发信号的相偏；由所述三段突发信号的相偏以及对应的导频符号位置，得到目标函数；

由目标函数拟合每一个导频符号位置的相偏估计值。

进一步地，所述目标函数为

其中，y(x)为相偏估计值，x为导频符号的位置；

y₀、y₁、y₂分别为所述三段突发信号的相偏，每段突发信号中的数据符号与导频符号的总数量为2M₀。

进一步地，

y_p＝y_p-1'+SAW[y_p'-y_p-1']，

p＝1或2，突发信号中的导频符号个数为2L₀，h(n)为本地导频符号，d(n)为接收突发信号中位置为n处的导频符号，

进一步地，所述三段突发信号的相偏对应的导频符号位置分别为M₀、3M₀和5M₀。

进一步地，每个通道中的数字信号预置的频率变化率均不相同。

进一步地，所述信号捕获判定的方法为：按所述固定帧格式读取接收信号的第一个缓存地址的数据；若存在某个通道中信号的频谱峰值满足检测门限，则判定捕获到突发信号；若不存在，则判定未捕获到突发信号，将缓存地址加一，重新进行读取，直至读取完全部缓存地址的数据。

进一步地，所述计算载波频偏和估计频率变化率的方法为：

S51，将已定位的突发信号等分为前后两段，去调制后分别进行FFT谱估计，得到前后两段突发信号的频偏

和

S52，计算频率变化率估值

P·M为突发信号符号总个数；

S53，利用频率变化率估值

对突发信号进行补偿，得到补偿后的突发信号d(n)；

S54，重复S51～S53；当且仅当重复次数达到设定的上限值，进入S55；

S55，对突发信号进行频偏估计，得到载波频偏

对突发信号进行频偏补偿。

进一步地，所述获取接收信号的最佳采样点的方法为数字平方滤波或Gardner定时误差检测。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明方法同时考虑实际直升机卫星通信中存在的多普勒动态大、链路信噪比低、旋翼遮挡等不利条件，且与组帧重发、旋翼缝隙检测、时间分集接收等方法不同，本方法不需要其它辅助手段或发送策略；

(2)本发明方法对数据符号的具体调制方式不敏感，因而通用性强，且可以很方便的用于卫星链路自适应通信；

(3)本发明方法中信号检测和参数估计均采用基于数据辅助的方法，保证了低信噪比条件下的性能。

附图说明

图1为直升机卫星通信中旋翼遮挡示意图；

图2为旋翼遮挡导致的信号衰落示意图；

图3为连续导频帧结构示意图；

图4为分布式导频帧结构示意图；

图5为本发明结构图；

图6为基于频率变化率预置的K路并行信号检测示意图；

图7为信号检测处理流程图；

图8为存在频偏和频率变化率时的相偏变化示意图。

具体实施方式

一种旋翼遮挡下的突发信号检测和载波同步方法，包括：突发信号检测、频偏和频率变化率估计、相偏估计。

突发信号检测：为了提高高多普勒动态下的检测性能，将接收信号与本地引导码共轭复乘去调制后，对频率变化率进行分区预置，进行K通道并行频谱峰值特性检测；

频偏和频率变化率估计：采用频偏和频率变化率迭代估计方法，提高频偏估计精度，并完成频率变化率估计。具体步骤为：①将导频信号分成前后两段，利用基于数据辅助的频偏估计算法分别得到频偏

和

②利用前后两次频偏估计的差值得到频率变化率估值

③利用

对接收信号进行多普勒变化率补偿；④重复步骤①到③，直到达到设定的迭代次数；

相偏估计：为了对抗旋翼遮挡，采用基于曲线拟合的相偏估计方法完成载波相位跟踪。将导频符号平均划分为三段，每段符号数为2M₀，其中导频符号数为2L₀，利用数据辅助算法分别估计出相偏。然后，对目标函数进行解算，得到每个符号相偏的表达函数，从而得出每个符号的相偏。

下面就结合附图对本发明做进一步介绍。

直升机的收发天线一般只能安装在直升机旋翼下方，其安装示意图如图1所示。直升机卫通天线在收发卫通信号时,会受到直升机旋翼的遮挡,在直升机飞行的过程中,旋翼周期性地遮挡天线面,造成机载接收信号按照某种周期衰减，如图2所示。

为了辅助接收机信号解调，通常在物理层帧结构中插入一些导频符号，用来辅助信号信号检测和同步。导频符号一般有两种插入方式：连续导频、分布式导频。连续导频方式是将一段连续的导频符号插入到数据符号的前面(如图3所示)，常规的卫星通信中普遍采取该方式；分布式导频方式将引导码分散地插入数据块当中(如图4所示)。

在直升机旋翼遮挡期间，由于信号信噪比极低(Es/No能够低到-10dB以下)，解调后会出现大片误码，虽然可以通过信道交织和高增益编码(如低码率的LDPC、Turbo码等)进行纠错处理，但是前提是能够正常完成突发信号检测和载波同步。在旋翼遮挡条件下，由于可以避免遮挡引起的导频符号整体信噪比降低，分布式导频更适合用于辅助同步。本发明提出的信号检测和载波同步方法正是基于分布式导频。

在直升机旋翼遮挡条件下，接收端解调处理流程如图5所示，主要包括：符号同步、突发信号检测、频偏和频率变化率估计、相偏估计、软解映射。具体如下。

(1)符号同步：接收固定帧格式的突发信号，获取突发信号的最佳采样点进行采样，生成可供后续处理的数字信号；采用数字平方滤波、Gardner定时误差检测等方法获取最佳采样点；

(2)突发检测：将所述数字信号去调制后，分为若干并行通道，对每个通道中的数字信号预置频率变化率，进行FFT变换后，对每个通道分别进行信号捕获判定，获取突发信号的位置并输出已定位的突发信号；对分散插入的导频符号进行突发信号检测，获取突发信号起始符号位置，为后续处理提供基准；

(3)频偏和频率变化率估计：估计已定位的突发信号的载波频偏和频率变化率，并对突发信号进行频偏和频率变化率补偿；利用突发信号中已定位的导频符号，采用数据辅助估计算法得到载波频偏

和频率变化率

并进行补偿；

(4)相偏估计：利用频偏和频率变化率补偿后的突发信号中的导频符号进行载波相偏估计，根据载波相偏估计值对突发信号进行相偏补偿后输出，完成突发信号的载波同步。利用突发信号中的导频符号，分段进行载波相偏估计，然后通过线形插值算法获取数据符号的相位，完成载波相位跟踪；

(5)软解映射：按照所采用的调制方式进行解映射处理，输出软信息给信号译码处理单元。

其中，符号同步、软解映射可以采用很多已有的方法进行处理，本专利不做详细说明。

突发信号检测

所述固定帧格式包括数据符号和导频符号，每间隔若干个数据符号插入一个导频符号。突发信号采用图4所示的物理帧结构，其中L取1，即：每间隔M个数据符号插入1个导频符号，突发帧总符号数为PM，其中导频符号数为P。经过符号同步后的输出信号为r(n),将其与本地引导码共轭复乘去调制得到：

z(k)＝r(kM)·[h(k)]^*,k∈{0,1,2,,(P-1)}

其中，h(k)为本地导频符号。

如果没有频偏和频率变化率，序列z(k)的频谱将在零频处呈现明显的峰值特性，可以用来进行突发信号检测，进而对突发信号进行定位。但是，频偏将导致峰值位置发生变化，而频率变化率则会导致信号频谱出现平台效应，对信号检测造成很大影响。因此，为了提高信号检测性能，需要降低频率变化率的影响。这里对频率变化率进行预置后，分为K路并行通道进行检测，具体实现结构如图6所示。

上述处理结构中，Δf_rate为归一化频率变化率(对符号速率的平方归一化)预置步进，假设实际卫星链路上的最大归一化频率变化率为±α，则Δf_rate等于2α/K。每个通道中的数字信号预置的频率变化率均不相同。其中，K的取值决定了并行通道数，也决定了所有并行通道中的最小残留频率变化率的上限为α/K。如果增大K，会导致α/K变小，因而频谱峰值特性更加明显，但会导致运算复杂度线形提高；反之，如果减小K，会降低运算复杂度，但会导致α/K变大，因而频谱峰值特性被削弱。实际设计中，可以取K等于

从而在处理复杂度和检测性能之间取得平衡。

如图7，信号捕获判定的方法为：按所述固定帧格式读取接收信号的第一个缓存地址的数据；若存在某个通道中信号的频谱峰值满足检测门限，则判定捕获到突发信号；若不存在，则判定未捕获到突发信号，将缓存地址加一，重新进行读取，直至读取完全部缓存地址的数据。

在信号检测过程中，由于突发信号中导频符号尚未被定位，因而需要对数据符号进行缓存，然后逐符号进行滑动检测，具体处理流程如图7所示。

频偏和频率变化率估计

完成突发信号检测后，接着进行频偏和频率变化率估计，以补偿多普勒对接收信号的影响。基于已被定位的导频符号，可以采用基于数据辅助的参数估计方法，提高参数估计精度和抗噪声性能。由于导频符号是分散插入的，大幅度提高了频偏估值分辨率，因而频偏估计精度非常高。但是，频率变化率会严重影响频偏估计性能。

由于频率变化率是频偏的一次求导，理论上可以利用连续两次频偏估计的差值得到频率变化率，进行频率变化率补偿后，再次进行频偏估计，从而提高频偏估计精度。因此，这里采用频偏和频率变化率迭代估计方法。假设检测到突发信号为d(n)(n∈[0,PM-1])，即突发信号总符号数为PM个。将突发信号中的导频符号分成前后两段d(n)(n∈{0,M,2M,…,(P/2-1)M})和d(n)(n∈{PM/2,(P/2+1)M,…,(P-1)M})，迭代估计具体处理步骤如下：

步骤①：利用前后两段导频符号，去调制后分别进行FFT谱估计，得到频偏

和

步骤②：计算频率变化率估值

可以得到

步骤③：利用频率变化率估对信号进行补偿，得到补偿后的突发信号d(n)；

步骤④：如果迭代次数达到设定的上限值，跳转到步骤⑤；否则，迭代次数加1，然后跳转到步骤①；

步骤⑤：对突发信号进行频偏估计，得到最终的载波频偏

对突发信号d(n)进行频偏补偿后，输出给相偏估计模块。

相偏估计

在通常的相干通信中，通常采用锁相环(PLL)进行载波跟踪，而对于突发信号跟踪则普遍采用基于估计的方法，将数据分成若干连续的段，估计每一段里面由于频偏估计不准确而累积的相位误差，再利用估计出的相位误差对频偏估计值进行修正，从而完成载波同步跟踪。但是，在旋翼遮挡条件下，无论采用锁相环还是上述基于估计的方法，都具有较高的相位跟踪失锁概率，且要求工作在较高的信噪比条件下。本专利提出一种基于分散导频的相偏估计方法，通过曲线拟合得到载波相位精确估计。

载波相偏估计的方法为：

将突发信号等分为三段，分别计算三段突发信号的相偏；由所述三段突发信号的相偏以及对应的导频符号位置，得到目标函数；

由目标函数拟合每一个导频符号位置的相偏估计值。

这里仅考虑频偏和频率变化率，则相偏是时间的二次函数，如图8所示。可以定义一个目标函数：

其中，a代表残留的归一化频率变化率，b代表残留的归一化频偏，c代表初始相偏。

由于目标函数中含有三个待定参数，将导频符号平均划分为三段，每段符号数为2M₀，每段中的导频符号数为2L₀，利用数据辅助算法估计出相偏y'_p(p∈{0,1,2})。基于导频的最大似然相偏估计表达式为：

上述最大似然估计得出的相位值取值范围为[-π,π]，但是一个跟踪段内的真实相位值却可能会超出这一范围，因此需要对估计值解卷绕。相位解卷绕后的真实相位为：

y_p＝y_p-1'+SAW[y_p'-y_p-1']

其中，y_p为解卷绕后的相偏估计值；

为锯齿函数。如果前后两个导头段估计出来的载波相位之差小于π时，上述相位解卷绕能够正常工作。否则，就会产生跳周(cycle slip)。

利用三段导频可以得到三个相位值y₀、y₁、y₂，分别代表位置为M₀、3M₀、5M₀处符号的近似相位，如图8。基于目标函数，可以得到一个三元二次方程组，进而可以解出：

然后，根据目标函数可以拟合得到每一个符号的相偏估计值，对突发信号进行相偏补偿后输出，从而完成相位同步。

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 (3)

1.一种旋翼遮挡下的突发信号检测和载波同步方法，其特征在于，包括如下步骤：

接收固定帧格式的突发信号，获取突发信号的最佳采样点进行采样，生成可供后续处理的数字信号；

将所述数字信号去调制后，分为若干并行通道，对每个通道中的数字信号预置频率变化率，进行FFT变换后，对每个通道分别进行信号捕获判定，获取突发信号的位置并输出已定位的突发信号；

估计已定位的突发信号的频偏和频率变化率，并对所述已定位的突发信号进行频偏和频率变化率补偿；

利用频偏和频率变化率补偿后的突发信号中的导频符号进行载波相偏估计，根据载波相偏估计值对突发信号进行相偏补偿后输出，完成突发信号的载波同步；

计算突发信号的频偏和估计频率变化率的方法为：

S51，将已定位的突发信号等分为前后两段，去调制后分别进行FFT谱估计，得到前后两段突发信号的频偏

和

S52，计算频率变化率估值

P·M为突发信号符号总个数；

S53，利用频率变化率估值

对突发信号进行补偿，得到补偿后的突发信号d(n)；

S54，重复S51～S53；当且仅当重复次数达到设定的上限值，进入S55；

S55，对突发信号进行频偏估计，得到突发信号的频偏

对突发信号进行频偏补偿；

所述固定帧格式包括数据符号和导频符号，每间隔M数据符号插入L个导频符号，其中L取1，即：每间隔M个数据符号插入1个导频符号，突发帧总符号数为P · M ，其中导频符号数为P；

Δf_rate为归一化频率变化率预置步进，假设实际卫星链路上的最大归一化频率变化率为±α，则Δf_rate等于2α/K；每个通道中的数字信号预置的频率变化率均不相同；其中，K的取值决定了并行通道数，也决定了所有并行通道中的最小残留频率变化率的上限为α/K；

通过曲线拟合得到载波相位精确估计；

将突发信号等分为三段，分别计算三段突发信号的相偏；由所述三段突发信号的相偏以及对应的导频符号位置，得到目标函数；

由目标函数拟合每一个导频符号位置的相偏估计值；

仅考虑频偏和频率变化率，则相偏是时间的二次函数，定义目标函数：

其中，a代表残留的归一化频率变化率，b代表残留的归一化频偏，c代表初始相偏；

将导频符号平均划分为三段，y₀、y₁、y₂分别为所述三段突发信号的相偏，每段突发信号中的数据符号与导频符号的总数量为2M₀，每段中的导频符号数为2L₀，利用数据辅助算法估计出相偏y'_p(p∈{0,1,2})；

y_p＝y_p-1'+SAW[y_p'-y_p-1']；

基于导频的最大似然相偏估计表达式为：

其中，p＝1或2，突发信号中的导频符号个数为2L₀，h(k)为本地导频符号，d(k)为接收突发信号中位置为k处的导频符号，

上述最大似然相偏估计得出的相偏估计值取值范围为[-π,π]；

对估计值解卷绕；相位解卷绕后的真实相位为：

y_p＝y_p-1'+SAW[y_p'-y_p-1']

其中，y_p为解卷绕后的相偏估计值；

为锯齿函数；

利用三段导频得到三个相位值y₀、y₁、y₂，分别代表位置为M₀、3M₀、5M₀处符号的近似相位；基于目标函数，得到一个三元二次方程组，进而解出：

然后，根据目标函数可以拟合得到每一个符号的相偏估计值，对突发信号进行相偏补偿后输出，从而完成相位同步。

2.根据权利要求1所述的一种旋翼遮挡下的突发信号检测和载波同步方法，其特征在于，所述信号捕获判定的方法为：按所述固定帧格式读取接收信号的第一个缓存地址的数据；若存在某个通道中信号的频谱峰值满足检测门限，则判定捕获到突发信号；若不存在，则判定未捕获到突发信号，将缓存地址加一，重新进行读取，直至读取完全部缓存地址的数据。

3.根据权利要求1所述的一种旋翼遮挡下的突发信号检测和载波同步方法，其特征在于：所述获取突发信号的最佳采样点的方法为数字平方滤波或Gardner定时误差检测。

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