CN113422747B - 面向短突发通信的全数据收敛判决导向载波恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种面向短突发通信的全数据收敛判决导向载波恢复方法，主要解决现有技术在帧长较短和符号信噪比较低情况下，无法完成收敛恢复的问题。其方案是：对接收机接收到的中频信号进行相关处理和逆序拼接；从逆序拼接数据集中选取部分数据，将其与复正余弦值进行复数相乘，得到频偏补偿信号数据集，并计算其相位差值；对相位差值进行环路滤波处理，并在逆序点处对其进行修正；对修正后的估计频偏数据集进行累加和更新；将更新后的频偏补偿信号数据集中未收敛的数据用收敛数据替换，作为载波恢复信号输出。本发明降低了数据处理时间，在低信噪比情况下，提高系统恢复的准确性，可用于卫星通信、数传中突发通信中降低频率偏差。

Description

面向短突发通信的全数据收敛判决导向载波恢复方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，主要涉及一种判决导向载波恢复方法，可用于卫星通信、数传中突发通信中降低频率偏差。

背景技术

在突发通信系统中，频率偏差是信道信息中较为重要的特征参数。在收发两端移动性强时会导致较大的多普勒频偏。除此之外收发两端的晶振不同步也会引起一定的频率偏移，频率偏移是影响系统性能的重要因素之一。通过判决和环路滤波器对数据频偏进行估计并补偿的方法就是载波恢复。

通过数据判决方法实现的载波恢复算法中最常用的基础算法为判决导向DD算法，现有无数据辅助算法大都基于DD算法改进形成，但大部分改进算法无法适应突发通信系统收敛速度快，帧长短，频偏大，数据全有效的特性。

福建星海通信科技有限公司在其申请的专利“一种基于组合环的快速载波恢复系统及方法”(申请号：201910618499.5，公开号：CN110324272A)中提出了一种基于组合环的快速载波恢复方法，该方法的步骤是：设置五组同步序列；接收第二脉冲数据并转换对应的数字信号，当数字信号大于预设阈值时运行科斯塔斯环并记录字符数，同时开始计时，当时长等于预设阈值的持续时长时，判断计时时长是否大于预设阈值；判断步骤二记录的字符数是否等于第二字符数，若是，获取科斯塔斯环捕获的数字信号作为单载波数据，进行载波粗同步，并且截止科斯塔斯环的同时运行通用载波恢复环开始捕获，并重新记录字符数；判断步骤三重新记录的字符数是否等于第三字符数，若是，则获取通用载波恢复环捕获的数字信号，作为第一固定数据，重新记录字符数并继续捕获；判断步骤四重新记录的字符数是否等于第四字符数，若是，则获取通用载波恢复环捕获的数字信号，作为第二固定数据，根据所述第一固定数据与第二固定数据进行载波细同步并重新记录字符数并继续捕获；最后判断重新记录的字符数是否等于第五字符数，若是，则获取通用载波恢复环捕获的数字信号，得到同步数据。该方法虽然能够快速完成载波恢复过程，但是仍然存在不足之处：第一、频谱效率低，该方法需要特定的同步序列，这会占用带宽内有效符号的空间，使得有效信号的频谱利用率降低；第二、实现复杂度高，该方法多次使用斯克塔斯环进行同步，且同时进行了两个环路的载波恢复，实现复杂度较高。

西安电子科技大学在其申请的专利文献“基于缓存的快速收敛判决引导载波恢复方法及系统”(申请号：201811188038.0，公开号：CN109462563A)中提出了一种快速收敛判决引导载波恢复方法，该方法的步骤是：获取第一数据符号和第一帧头符号；根据所述第一数据符号和所述第一帧头符号得到第二数据符号；依次对所述第二数据符号进行缓存并计数，分别得到第一输入符号或第二输入符号；根据第一补偿信号对所述第一输入符号或所述第二输入符号进行相位补偿，得到第一输出符号；根据所述第一输出符号计算得到第二补偿信号；将所述第二补偿信号赋值给所述第一补偿信号，重复步骤以上步骤，对后续的第一输入符号或第二输入符号依次进行相位补偿。该方法可以实现在极小有效符号数内的载波恢复，但是该方法仍然存在两方面的不足：

第一，由于该方法在帧长较短时，无法完成收敛恢复，

第二，由于该方法的收敛时间较长，不能实现输出的纠偏后的数据全有效，导致在符号信噪比较低情况下发生误判的概率极高，

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提出一种面向短突发通信的全数据收敛判决导向载波恢复方法，以在帧长较短和低信噪比情况下，完成收敛恢复，提高系统恢复的准确性。

实现本发明目的的思路是：对载波恢复系统收到的中频信号，在保证信号相位连续的情况下，进行信号逆序拼接，增加系统处理的信号数量，同时对估计频偏进行特殊处理，帮助环路收敛，对补偿后的数据中未收敛部分使用逆序的收敛数据替换，实现载波恢复。

根据上述思路，本发明面向短突发通信的全数据收敛判决导向载波恢复方法，包括

A)对接收机接收到的中频信号依次进行A/D采样、滤波、数字下变频、定时同步、帧同步处理，得到采样信号数据集；

B)从采样信号数据集中截取长度为N的一段，作为第一数据集，并对其进行逆序排列，同时去掉第一个和最后一个数据，得到第二数据集，再对第一数据集、第二数据集、采样信号数据集进行拼接，得到逆序拼接数据集X_A，其中N为大于零的正数；

C)从逆序拼接数据集X_A中选取部分采样信号数据，将其与初始设置的复正余弦值θ进行复数相乘，得到频偏补偿后的信号数据集X_B，并计算其与对应的理想星座点信号数据集的相位差β；

D)对频偏补偿后的信号数据集X_B和相位差值依次进行环路滤波、滤除高频分量，得到初始估计频偏数据f_i，并在逆序点处对该估计频偏数据f_i进行修正，得到修正后的估计频偏数据F_i；

E)对修正后的估计频偏数据F_i进行累加，并根据累加结果计算得到角度信息θ的复正余弦值，再用此复正余弦值对之前的复正余弦值进行更新，得到更新后的频偏补偿信号数据集；

F)从更新后的频偏补偿信号数据集中截取一段数据，并将其中的部分数据替换为第二数据集中选取的数据，作为载波恢复信号输出。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，本发明由于对采样信号数据集做拼接处理，有效的增加了估计数据长度，克服了现有技术中在帧长较短时，无法完成收敛恢复的缺点，提高了载波恢复系统的准确性。

第二，本发明由于用第一截取数据集X_B1替换了第二截取数据集X_B2中未收敛数据，使得在低信噪比和较大频偏情况下能输出全有效的数据，克服了现有技术仅能在高信噪比，小频偏情况下才能输出全有效的数据的缺点，提高了系统恢复的准确性。

附图说明

图1为本发明的实现流程图；

图2为本发明中的逆序拼接图；

图3为本发明中的替换拼接图；

图4为用本发明和现有技术对载波恢复仿真的眼图；

图5为用本发明和现有技术对载波恢复仿真的星座图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例和效果做进一步详细描述。

参照图1，对本实例的实现步骤包括如下:

步骤1，产生采样信号数据集。

对接收机接收到的模拟信号进行A/D采样将模拟信号转换为数字信号；

对数字信号经过滤波器滤除高频分量得到中频信号；

将中频信号下变频为基带信号；

对基带信号进行采样钟同步后得到同步信号；

通过帧同步找到同步信号的帧头位置,再在同步信号中截取从此位置开始长度为N_d的一段数据，得到采样信号数据集X_N,其中N_d为大于零的正数。

步骤2，逆序拼接数据集。

参照图2，对本步骤的具体实现如下：

从采样信号数据集X_N中截取长度为N的一段，作为第一数据集X₁，并对其进行逆序排列，同时去掉第一个和最后一个数据，得到第二数据集X₂；

再对第一数据集X₁、第二数据集X₂、采样信号数据集X_N进行拼接，得到逆序拼接数据集X_A，其中N为大于零的正数。

步骤3，计算相位差。

从逆序拼接数据集X_A中按顺序选取部分采样信号数据，将其与复正余弦值exp(j·θ)进行复数相乘，得到频偏补偿信号数据集X_B，并计算其与对应的理想星座点信号数据集的相位差β：

β＝angle[a×conj(b)]

其中，angle[·]表示计算复数的相位角弧度值，其范围为[0,2π)，a表示频偏补偿后的星座点，conj(·)表示取共轭操作，b表示理想星座点信号。

步骤4,获得估计频偏数据及对其进行修正。

对上述相位差值β进行环路滤波，滤除其中的高频分量，得到初始估计频偏数据f_i；

在逆序点处根据从采样信号数据集中截取的长度N和估计频偏的次数i,对该估计频偏数据f_i进行修正，得到修正后的估计频偏数据F_i:

其中，f_i表示第i次估计的频偏。

步骤5,更新复正余弦值。

对修正后的估计频偏数据F_i进行累加；对累加结果进行2π取模运算，得到角度信息θ；利用欧拉公式将角度信息θ转换为复正余弦值：

exp(j·θ)＝cos(θ)+j·sin(θ)

其中，exp(j·θ)为复正余弦值，j为复数单位，θ的取值范围为[0,2π)，cos(θ)和sin(θ)是通过查找表得到的正余弦值；

用此复正余弦值对之前的复正余弦值进行更新，得到更新后的频偏补偿信号数据集X_B；

步骤6,输出载波恢复信号。

参照图3，本步骤的具体实现如下：

先根据采样信号数据集中截取的长度N，自定义的替换长度n，从频偏补偿信号数据集X_B中截取[2N-n,2N-1]的一段数据，并将其逆向保存为第一截取数据集X_B1；

再根据采样信号数据集的长度N_d，从频偏补偿信号数据集X_B中截取[2N-1,N_d]的一段数据，并将其保存为第二截取数据集X_B2；

最后，将第二截取数据集X_B2的前n长数据替换为第一截取数据集X_B1，得到载波恢复信号X_O作为输出。

下面结合仿真实验对本发明的效果作进一步的说明。

1.仿真实验条件：

本发明的仿真实验使用Matlab2020b仿真软件。

仿真参数设置为：突发通信系统基带调制方式为QPSK，归一化频偏为0.01，符号信噪比为35dB，输入采样信号集中采样信号总数为N_d＝200，逆序位置N＝128，替换长度n＝64。

2.仿真内容及其仿真结果分析：

仿真1，在上述仿真条件下，分别用本发明和现有基于缓存的快速收敛判决引导载波恢复方法及系统进行载波恢复仿真，得到载波恢复后信号的眼图，如图4所示。图4中横坐标表示载波恢复后信号的序号，纵坐标表示载波恢复后信号的实部，点代表载波恢复后信号的眼图。其中：

图4(a)为本发明的仿真眼图，

图4(b)为现有适合突发通信逆序组合的判决引导载波恢复系统及方法的仿真眼图。

从图4(a)与图4(b)的对比中可以看出，本发明的载波恢复方法能够将输入的带频偏信号眼图恢复至标准眼图区域，而现有适合突发通信逆序组合的判决引导载波恢复系统及方法由于在逆序点处会存在一部分未收敛数据，所以眼图存在一部分未收敛区域。

仿真2，在上述仿真条件下，分别用本发明和现有基于缓存的快速收敛判决引导载波恢复方法及系统进行载波恢复仿真，得到载波恢复后信号的星座图，如图5所示。图5中横坐标表示载波恢复后采样信号的实部，纵坐标表示载波恢复后信号的虚部，点代表载波恢复后信号的星座图。其中：

图5(a)为本发明的仿真眼图，

图5(b)为现有适合突发通信逆序组合的判决引导载波恢复系统及方法的仿真眼图。

从图5(a)与图5(b)的对比中可以看出，本发明的载波恢复方法能够将输入的带频偏信号星座图恢复至标准星座图区域，而现有基于缓存的快速收敛判决引导载波恢复方法及系统的星座图仍存在一部分旋转，表明本发明方法在突发通信系统下能更好的进行载波恢复。

Claims (3)

1.一种面向短突发通信的全数据收敛判决导向载波恢复方法，其特征在于，包括：

A)对接收机接收到的中频信号依次进行A/D采样、滤波、数字下变频、采样钟同步、帧同步处理，得到采样信号数据集；

B)从采样信号数据集中截取长度为N的一段，作为第一数据集，并对其进行逆序排列，同时去掉第一个和最后一个数据，得到第二数据集，再对第一数据集、第二数据集、采样信号数据集进行拼接，得到逆序拼接数据集X_A，其中N为大于零的正数；

C)从逆序拼接数据集X_A中选取部分采样信号数据，将其与初始设置的复正余弦值进行复数相乘，得到频偏补偿信号数据集X_B，并计算其与对应的理想星座点信号数据集的相位差β；

D)对相位差值依次进行环路滤波、滤除高频分量，得到初始估计频偏数据f_i，并在逆序点处对该估计频偏数据f_i进行修正，得到修正后的估计频偏数据F_i；其中在逆序点处对初始估计频偏数据f_i进行修正，是根据从采样信号数据集中截取的长度N和估计频偏的次数i，得到修正后的估计频偏值F_i：

其中，f_i表示第i次估计的频偏；

E)对修正后的估计频偏数据F_i进行累加，并根据累加结果计算得到角度信息θ的复正余弦值，再用此复正余弦值对之前的复正余弦值进行更新，得到更新后的频偏补偿信号数据集X_B；

F)从更新后的频偏补偿信号数据集X_B中截取一段数据，并将其中的部分数据替换为第二数据集中选取的数据，作为载波恢复信号输出；实现如下：

先根据采样信号数据集中截取的长度N，自定义的替换长度n，从频偏补偿信号数据集X_B中截取[2N-n,2N-1]的一段数据，并将其逆向保存为第一截取数据集X_B1；

再根据采样信号数据集的长度N_d，从频偏补偿信号数据集X_B中截取[2N-1,N_d]的一段数据，并将其保存为第二截取数据集X_B2；

最后将第二截取数据集X_B2的前n长数据替换为第一截取数据集X_B1，得到载波恢复信号X_O作为输出。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述C)中计算频偏补偿后的信号数据集X_B与对应的理想星座点信号数据集的相位差值β，通过如下公式计算：

β＝angle[a×conj(b)]

其中，angle[·]表示计算复数的相位角弧度值，其范围为[0,2π)，a表示频偏补偿后的星座点，conj(·)表示取共轭操作，b表示理想星座点信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述E)中根据累加结果计算得到角度信息θ的复正余弦值，是先对累加结果进行2π取模运算，得到角度信息θ；再利用欧拉公式将角度信息θ转换为复正余弦值，表示如下：

exp(j·θ)＝cos(θ)+j·sin(θ)

其中，exp(j·θ)为复正余弦值，j为复数单位，θ的取值范围为[0,2π)，cos(θ)和sin(θ)是通过查找表得到的正余弦值。

Images