CN110677366B - 一种载波叠加通信中自干扰信号定时同步方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种载波叠加通信中自干扰信号定时同步方法，其特征在于，包括步骤：将接收的混合信号分为两个支路；在第一个支路中计算出自干扰信号的定时同步误差；将所述定时同步误差转换成第二个支路中过采样速率下的定时误差值；根据所述定时误差值对所述混合信号进行重定时。一种载波叠加通信中自干扰信号定时同步装置，包括依次连接的分路模块、计算模块、转换模块、重定时模块。不受通信双方带宽、功率谱密度和频偏偏差等因素限制，利用两个独立支路分别处理自干扰信号定时误差提取和混合信号中的本地信号重定时。

Description

一种载波叠加通信中自干扰信号定时同步方法及装置
技术领域
本发明涉及卫星通信载波叠加技术，特别是带宽非对称通信场景下的自干扰信号定时同步方法及装置。
背景技术
载波叠加技术允许卫星通信双方采用同一载波频率、同一个时隙、相同的扩频伪随机码，从而提高系统容量。由于通信双方使用相同载波，它们接收到的是两路信号叠加的混合信号，从中恢复出对端信号是系统的主要技术难点。考虑到硬件实现的低复杂度，当前实际应用中主要采用先分离后解调的思路：将本地信号看作干扰信号，利用自身先验信息以及对信道参数的估计，重构接收混合信号中的本地信号，再从混合信号中将其抵消掉，从而分离出对端有用信号。
信道参数中的符号定时同步信息是影响抵消算法性能的一个重要因素。在载波叠加通信双方带宽不对等或者频偏较大的场景下，卫星通信中常用的定时同步方法可能也会把对端有用信号给抵消掉一部分，从而影响有用信号的解调。因此在支持非对称载波叠加的系统中，需重新设计合理的定时同步方法，防止定时误差的积累导致码片错位。
发明内容
本发明主要针对载波叠加通信系统提出一种不受通信双方带宽、功率谱密度和频偏偏差等因素限制的自干扰信号定时同步方法及装置，利用两个独立支路分别处理自干扰信号定时误差提取和混合信号中的本地信号重定时。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术：
一种载波叠加通信中自干扰信号定时同步方法，其特征在于，包括步骤：
将接收的混合信号分为两个支路；
在第一个支路中计算出自干扰信号的定时同步误差；
将所述定时同步误差转换成第二个支路中过采样速率下的定时误差值；
根据所述定时误差值对所述混合信号进行重定时。
进一步，所述定时同步误差，是在第一支路通过与已知的本地发送信号的自相关运算提取出混合信号中的本地信号，并采用环路反馈结构跟踪定时结果来获得。
进一步，所述转换，包括步骤：
将所述定时同步误差转换成等价的符号定时误差；
根据第二支路的符号过采样速率，将所述符号定时误差转换成第二个支路中过采样速率下的定时误差值。
进一步，所述的将所述定时同步误差转换成等价的符号定时误差，通过以下公式完成：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，
Figure 397669DEST_PATH_IMAGE002
为转换到第一个支路中符号速率下的定时误差值，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为第一个支 路中计算出自干扰信号的定时同步误差，
Figure 676466DEST_PATH_IMAGE004
为第一个支路的符号过采样率，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为 第一支路小数倍插值后的符号过采样率。
进一步，所述的根据第二支路的符号过采样速率，将所述符号定时误差转换成第二个支路中过采样速率下的定时误差值，通过以下公式完成：
Figure 905322DEST_PATH_IMAGE006
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为第二支路的符号过采样率，
Figure 156437DEST_PATH_IMAGE008
为第二支路小数倍插值后 的符号过采样率。
进一步，所述重定时，包括步骤：
对所述混合信号进行延时对齐；
根据定时误差值输出第二个支路过采样速率下符号采样数据的小数间隔；
根据所述小数间隔对延时对齐后的所述混合信号进行插值，得到最佳采样数据，以完成对所述混合信号的符号重定时。
一种载波叠加通信中自干扰信号定时同步装置，其特征在于：包括：
分路模块，用于将接收的混合信号分为两个支路；
计算模块，用于在第一个支路中计算出自干扰信号的定时同步误差；
转换模块，用于将所述定时同步误差转换成第二个支路中过采样速率下的定时误差值；
重定时模块，用于根据所述定时误差值对所述混合信号进行重定时。
进一步，所述计算模块，用于在第一支路通过与已知的本地发送信号的自相关运算提取出混合信号中的本地信号，并采用环路反馈结构跟踪定时结果来获得定时同步误差。
进一步，所述转换模块，包括：
第一转换单元，用于将所述定时同步误差转换成等价的符号定时误差；
第二转换单元，用于根据第二支路的符号过采样速率，将所述符号定时误差转换成第二个支路中过采样速率下的定时误差值。
进一步，所述第一转换单元，通过以下公式完成将所述定时同步误差转换成等价的符号定时误差：
Figure 750229DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，
Figure 155803DEST_PATH_IMAGE002
为转换到第一个支路中符号采样速率下的定时误差值，
Figure 126033DEST_PATH_IMAGE003
为第一 个支路中计算出自干扰信号的定时同步误差，
Figure 434917DEST_PATH_IMAGE004
为第一个支路的符号过采样率，
Figure 199610DEST_PATH_IMAGE005
为第一支路小数倍插值后的符号过采样率。
所述第二转换单元，通过以下公式完成将所述符号定时误差转换成第二个支路中过采样速率下的定时误差值：
Figure 92480DEST_PATH_IMAGE006
；
其中，
Figure 600822DEST_PATH_IMAGE007
为第二支路的符号过采样率，
Figure 262747DEST_PATH_IMAGE008
为第二支路小数倍插值后 的符号过采样率。
进一步，所述重定时模块，包括：
延时对齐单元，用于对所述混合信号进行延时对齐；
重定时控制单元，用于根据定时误差值输出第二个支路过采样速率下符号采样数据的小数间隔；
插值单元，用于根据所述小数间隔对延时对齐后的所述混合信号进行插值，得到最佳采样数据，以完成对所述混合信号的符号重定时。
本发明有益效果：
1、能够支持非对称载波叠加通信，在实际应用中无需对系统中通信双方的带宽、功率谱密度和频率偏差等进行限制，大大地提高了系统的应用灵活性；
2、使用两个独立支路进行符号的定时同步，对端站点载波不会被抑制，对信道载波的频率偏差不敏感，能提升系统的解调性能；
3、方法简单，算法计算复杂度低，易于硬件实现。
附图说明
图1为本发明定时同步处理框图。
图2为本发明重定时处理框图。
图3为本发明装置的结构示意图。
图4为本发明转换模块的结构示意图。
图5为本发明重定时模块的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。
首先对接收的混合信号进行分路，分为两个支路：
第一支路，自干扰信号定时误差提取支路；
第二支路，混合信号重定时支路。
优选的，在分路前，可以先对接收的混合信号进行多速率滤波，得到过采样速率为多倍的接收符号数据，并将多倍的接收符号数据分为2路，分别送给两个支路。
为了支持带宽非对称的载波叠加通信，两个支路的符号采样速率根据系统支持的带宽比例设置为不同的值。具体的，定时同步过程分为以下步骤：
首先，在自干扰信号定时误差提取支路中计算出自干扰信号的定时同步误差；
然后，将该定时同步误差转换成混合信号重定时支路中过采样速率下的定时同步误差值；
最后，利用转换后的定时误差值对混合信号进行重定时。
通过这种方法进行符号定时同步，即使本地发送信号带宽大于通信对方的信号带宽，双方频率存在较大偏差，也不会对混合信号中的有用信号造成任何影响，完全适用于非对称载波叠加通信系统，详细处理框图，如图1所示。
自干扰信号定时误差提取支路通过与已知的本地发送信号的自相关运算提取出混合信号中的本地信号，并采用环路反馈结构跟踪定时结果来获得定时同步误差，可以消除噪声影响，从而获得自干扰信号较精确的定时误差信息。
自干扰信号定时误差提取支路计算出到自干扰信号的定时误差后，送给混合信号重定时支路进行混合信合重定时，由于两条支路的符号过采样速率不一致，需要对定时误差进行转换，计算方法如下：
Figure 959527DEST_PATH_IMAGE010
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
为转换到重采样支路的定时误差,
Figure 136430DEST_PATH_IMAGE003
为自干扰信号处理支路计算得 到的自干扰信号定时误差。
自干扰信号定时误差转换实际上分为两个步骤：
1）首先将自干扰信号特征提取的采样点定时误差转换成等价的符号的定时误差：
Figure 917305DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为自干扰信号特征提取支路的符号过采样率，
Figure 263097DEST_PATH_IMAGE005
为小数倍插值 后自干扰信号特征提取支路的符号过采样率；
2）然后将符号定时误差根据混合信号处理支路的采样率转换到其采样点上：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 166331DEST_PATH_IMAGE007
为混合信号重定时支路的符号过采样率，
Figure 33793DEST_PATH_IMAGE008
为小数倍插值 后混合信号重定时支路的符号过采样率。
自干扰信号定时误差转换之后，混合信合重定时模块对延时对齐的混合信号进行插值，完成混合信号中的本地信号分量的重定时，处理框图如图2所示。
延时对齐模块将输入的混合信号和定时误差进行对齐，混合信号中自对消信号帧头最佳样点位置信息计算时，包含自对消信号处理通路上的各级滤波器群延时、捕获帧头的延时。
重定时控制模块内部包含一个独立的NCO控制器，NCO控制器采用递减计数器实 现，递减步进为
Figure 883938DEST_PATH_IMAGE016
， NCO计数器计数为：
Figure 287499DEST_PATH_IMAGE018
重定时控制模块的输出为符号采样数据的小数间隔，发送给小数倍插值器进行插值，以得到最佳采样数据，完成混合信号的符号重定时。
本发明提供的一种载波叠加通信中自干扰信号定时同步装置，如图3所示。
装置包括依次连接的分路模块、计算模块、转换模块、重定时模块。
具体的，分路模块，用于将接收的混合信号分为两个支路，其中：
第一支路，设为自干扰信号定时误差提取支路；
第二支路，设为混合信号重定时支路。
优选的，在分路模块前，设置多速率滤波模块，用于对接收的混合信号进行多速率滤波，得到过采样速率为多倍的接收符号数据，并将多倍的接收符号数据分为2路，分别送给两个支路。
具体的：计算模块，用于在第一个支路中计算出自干扰信号的定时同步误差。具体的，在第一支路通过与已知的本地发送信号的自相关运算提取出混合信号中的本地信号，并采用环路反馈结构跟踪定时结果来获得定时同步误差。
具体的：转换模块，用于将所述定时同步误差转换成第二个支路中过采样速率下的定时误差值。转换模块包括：
第一转换单元，用于将所述定时同步误差转换成等价的符号定时误差；
第二转换单元，用于根据第二支路的符号过采样速率，将所述符号定时误差转换成第二个支路中过采样速率下的定时误差值。
进一步，所述第一转换单元，通过以下公式完成将所述定时同步误差转换成等价的符号定时误差：
Figure 299318DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，
Figure 654076DEST_PATH_IMAGE002
为转换到第一个支路中符号采样速率下的定时误差值，
Figure 307911DEST_PATH_IMAGE003
为第一 个支路中计算出自干扰信号的定时同步误差，
Figure 798935DEST_PATH_IMAGE004
为第一个支路的符号过采样率，
Figure 748699DEST_PATH_IMAGE005
为第一支路小数倍插值后的符号过采样率。
所述第二转换单元，通过以下公式完成将所述符号定时误差转换成第二个支路中过采样速率下的定时误差值：
Figure 590753DEST_PATH_IMAGE006
；
其中，
Figure 48279DEST_PATH_IMAGE007
为第二支路的符号过采样率，
Figure 393810DEST_PATH_IMAGE008
为第二支路小数倍插值后 的符号过采样率。
具体的：重定时模块，用于根据所述定时误差值对所述混合信号进行重定时。所述重定时模块，包括：
延时对齐单元，用于对所述混合信号进行延时对齐；
重定时控制单元，用于根据定时误差值输出第二个支路过采样速率下符号采样数据的小数间隔；
插值单元，用于根据所述小数间隔对延时对齐后的所述混合信号进行插值，得到最佳采样数据，以完成对所述混合信号的符号重定时。
重定时控制单元内部包含一个独立的NCO控制器，NCO控制器采用递减计数器实 现，递减步进为
Figure 278589DEST_PATH_IMAGE016
， NCO计数器计数为：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
重定时控制模块的输出为符号采样数据的小数间隔，发送给小数倍插值器进行插值，以得到最佳采样数据，完成混合信号的符号重定时。
本发明通过一种简单可行的方法解决了非对称载波叠加通信系统中的符号定时同步问题，下面结合实际案例进行详细说明。
本例假设系统要求通信双方最大带宽比为1:3或3:1，那么可以将自干扰信号定时误差提取支路过采样速率设置为4倍符号速率，小数倍插值速率为3倍符号速率；混合信号重定时支路过采样速率设置为12倍符号速率，小数倍插值速率为11倍符号速率。
步骤1：对接收到的混合信号进行多速率滤波，得到过采样速率为12倍的接收符号数据；
步骤2：将12倍过采样符号分为2路，分别送给两个支路；
步骤3：自干扰信号定时误差提取支路对接收数据预处理：包括多速率滤波为4倍过采样符号数据、匹配滤波、频偏纠正、帧头捕获跟踪等；
步骤4：自干扰信号定时误差提取支路采用环路反馈方式计算出自干扰信号的定时误差，计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
其中，
Figure 697020DEST_PATH_IMAGE022
为接收混合信号的4倍采样序列，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为该段接收采样序列所对应的已知本 地发送符号采样序列；
步骤5：混合信号重定时支路对输入的符号定时误差进行转换，将4倍过采样速率时计算得到的符号定时误差转换到12倍过采样速率下，计算公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE025
步骤6：混合信号重定时支路的NCO和小数倍插值器利用转换后的定时误差进行符号重定时。

Claims (10)

1.一种载波叠加通信中自干扰信号定时同步方法，其特征在于，包括步骤：
将接收的混合信号分为两个支路；其中，在分路前，先对接收的混合信号进行多速率滤波，得到过采样速率为多倍的接收符号数据，并将多倍的接收符号数据分为2路，分别送给两个支路，两个支路的符号采样速率根据系统支持的带宽比例设置为不同的值；
在第一个支路中计算出自干扰信号的定时同步误差；
将所述定时同步误差转换成第二个支路中过采样速率下的定时误差值；
根据所述定时误差值对所述混合信号进行重定时。
2.根据权利要求1所述的载波叠加通信中自干扰信号定时同步方法，其特征在于：所述定时同步误差，是在第一支路通过与已知的本地发送信号的自相关运算提取出混合信号中的本地信号，并采用环路反馈结构跟踪定时结果来获得。
3.根据权利要求1所述的载波叠加通信中自干扰信号定时同步方法，其特征在于：所述转换，包括步骤：
将所述定时同步误差转换成等价的符号定时误差，通过以下公式完成：
Figure 912143DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，
Figure 474842DEST_PATH_IMAGE002
为转换到第一个支路中符号速率下的定时误差值，
Figure 209580DEST_PATH_IMAGE003
为第一个支路中 计算出自干扰信号的定时同步误差，
Figure 490520DEST_PATH_IMAGE004
为第一个支路的符号过采样率，
Figure 601695DEST_PATH_IMAGE005
为第一 支路小数倍插值后的符号过采样率；
根据第二支路的符号过采样速率，将所述符号定时误差转换成第二个支路中过采样速率下的定时误差值。
4.根据权利要求3所述的载波叠加通信中自干扰信号定时同步方法，其特征在于：
所述的根据第二支路的符号过采样速率，将所述符号定时误差转换成第二个支路中过采样速率下的定时误差值，通过以下公式完成：
Figure 815639DEST_PATH_IMAGE006
；
其中，
Figure 721278DEST_PATH_IMAGE007
为第二支路的符号过采样率，
Figure 752163DEST_PATH_IMAGE008
为第二支路小数倍插值后的符号 过采样率。
5.根据权利要求1所述的载波叠加通信中自干扰信号定时同步方法，其特征在于：所述重定时，包括步骤：
对所述混合信号进行延时对齐；
根据定时误差值输出第二个支路过采样速率下符号采样数据的小数间隔；
根据所述小数间隔对延时对齐后的所述混合信号进行插值，得到最佳采样数据，以完成对所述混合信号的符号重定时。
6.一种载波叠加通信中自干扰信号定时同步装置，其特征在于：包括：
分路模块，用于将接收的混合信号分为两个支路；并用于在分路前，先对接收的混合信号进行多速率滤波，得到过采样速率为多倍的接收符号数据，并将多倍的接收符号数据分为2路，分别送给两个支路，两个支路的符号采样速率根据系统支持的带宽比例设置为不同的值；
计算模块，用于在第一个支路中计算出自干扰信号的定时同步误差；
转换模块，用于将所述定时同步误差转换成第二个支路中过采样速率下的定时误差值；
重定时模块，用于根据所述定时误差值对所述混合信号进行重定时。
7.根据权利要求6所述的载波叠加通信中自干扰信号定时同步装置，其特征在于：所述计算模块，用于第一支路通过与已知的本地发送信号的自相关运算提取出混合信号中的本地信号，并采用环路反馈结构跟踪定时结果来获得定时同步误差。
8.根据权利要求6所述的载波叠加通信中自干扰信号定时同步装置，其特征在于：所述转换模块，包括：
第一转换单元，用于通过以下公式完成将所述定时同步误差转换成等价的符号定时误差：
Figure 667030DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，
Figure 469901DEST_PATH_IMAGE002
为转换到第一个支路中符号采样速率下的定时误差值，
Figure 280862DEST_PATH_IMAGE003
为第一个支 路中计算出自干扰信号的定时同步误差，
Figure 67552DEST_PATH_IMAGE004
为第一个支路的符号过采样率，
Figure 254951DEST_PATH_IMAGE005
为 第一支路小数倍插值后的符号过采样率；
第二转换单元，用于根据第二支路的符号过采样速率，将所述符号定时误差转换成第二个支路中过采样速率下的定时误差值。
9.根据权利要求8所述的载波叠加通信中自干扰信号定时同步装置，其特征在于：
所述第二转换单元，通过以下公式完成将所述符号定时误差转换成第二个支路中过采样速率下的定时误差值：
Figure 177908DEST_PATH_IMAGE006
；
其中，
Figure 425349DEST_PATH_IMAGE007
为第二支路的符号过采样率，
Figure 430827DEST_PATH_IMAGE008
为第二支路小数倍插值后的符 号过采样率。
10.根据权利要求6所述的载波叠加通信中自干扰信号定时同步装置，其特征在于：所述重定时模块，包括：
延时对齐单元，用于对所述混合信号进行延时对齐；
重定时控制单元，用于根据定时误差值输出第二个支路过采样速率下符号采样数据的小数间隔；
插值单元，用于根据所述小数间隔对延时对齐后的所述混合信号进行插值，得到最佳采样数据，以完成对所述混合信号的符号重定时。
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