CN113949608A - 一种用于vdes系统的判决反馈解调系统及方法 - Google Patents

一种用于vdes系统的判决反馈解调系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于VDES系统的判决反馈解调系统及方法，系统包括粗频偏估计模块、数据分段模块、频偏估计模块、频偏补偿模块、信道估计模块、信道均衡模块、软解调模块、重调制模块，粗频偏估计模块用于初步估计接收信号中的粗频偏和确定定时位置；数据分段模块用于将数据分成等分的数据段；频偏估计模块用于估计接收数据中的残余频偏；频偏补偿模块用于补偿接收数据中的残余频偏；信道估计模块用于估计接收数据的信道参数；信道均衡模块用于均衡接收数据的信道参数；软解调模块用于解调以QPSK方式调制的接收数据；重调制模块用于将解调和判决后二进制码元重新映射成调制数据。本发明能提高频偏估计和信道估计的性能，并降低误码率。

Description

一种用于VDES系统的判决反馈解调系统及方法
技术领域
本发明涉及VDES通信系统中的调制解调技术，采用判决反馈技术来提高通信系统的频偏估计和信道估计的性能，属于通信信号处理的技术领域。
背景技术
VDES系统是一种应用于船舶、卫星和地面之间的高速通信系统，通过海陆空自组网来保证全球范围内的海上用户进行数据交换。VDES系统包含两套不同的系统，分别用于地面和卫星，其信道可以分为VDE-TER和VDE-SAT。VDE-SAT信道主要是用于卫星与地面、船舶之间交换数据，卫星信道的快时变特性和高速率数据传输对接收机的载波同步和信道估计以及解调性能提出了挑战。
VDE-SAT相关的链路有两种帧结构，其中包含插入导频和不含导频的链路。对于有导频的链路，导频的引入可以提高信道估计的性能。但是对于图1中没有导频的链路，接收端已知的可用数据只有同步序列，并且由于VDES系统是工作在甚高频频段，数据速率较慢，从而导致一个时隙的长度为26.67ms，一帧数据最短为一个时隙，持续时间较长，数据前后的信道参数随时间变化较大，仅仅依靠训练序列估计的信道参数无法满足快时变信道的性能要求，所以需要寻找其他算法来应对卫星通信信道的快速变化特性。
发明内容
在VDES系统中，信道参数变化导致现有方法估计出来的结果无法用于整条链路的校正，使得链路后部数据无法正确解调。针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于VDES系统的判决反馈解调系统及方法，不仅可提高频偏估计和信道估计的性能，还可大大降低系统误码率。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于VDES系统的判决反馈解调系统，包括依次连接的粗频偏估计模块、数据分段模块、频偏估计模块、频偏补偿模块、信道估计模块、信道均衡模块、软解调模块、重调制模块，其中：
所述粗频偏估计模块用于初步估计接收信号中的粗频偏和确定定时位置；
所述数据分段模块用于将数据分成等分的数据段；
所述频偏估计模块用于估计接收数据中的残余频偏；
所述频偏补偿模块用于补偿接收数据中的残余频偏；
所述信道估计模块用于估计接收数据的信道参数；
所述信道均衡模块用于均衡接收数据的信道参数；
所述软解调模块用于解调以QPSK方式调制的接收数据；
所述重调制模块用于将解调和判决后二进制码元重新映射成调制数据。
一种基于所述系统的VDES系统的判决反馈解调方法，包括以下步骤：
(1)通过粗频偏估计模块得到接收信号的粗频偏估计值，利用得到的粗频偏估计值，对一帧数据进行频偏补偿；
(2)在数据分段模块，从同步序列开始，将一帧数据分成K段，每段长度为L；
(3)在频偏估计模块，估计出数据中的频偏；
(4)在频偏补偿模块中对第一段数据进行细频偏补偿；
(5)利用已知的同步序列和补偿细频偏后的同步序列进行LS信道估计，得到第一段数据的信道参数；
(6)然后对补偿细频偏后的第一段数据进行MMSE信道均衡，校正数据中的信道参数；
(7)在软解调和硬判决模块中，得到第一段数据的解调二进制码元；
(8)在重调制模块中，得到重调制数据；将第一段重调制数据作为第二段接收数据的已知导频，来估计第二段数据中的剩余频偏；
(9)与步骤(3)中利用同步序列估计剩余细频偏相同，在频偏估计模块中，利用接收到的第一段原始数据和重调制后的第一段调制数据来估计第二段数据的细频偏；
(10)重复步骤(4)到步骤(8)，获得第二段数据的重调制数据，将得到的第二段重调制数据当作第三段数据的先验信息，对第三段数据进行检测和解调；
(11)如此不断地利用前一段解调出的数据作为下一段接收数据的已知导频，估计出每一段数据的频偏和信道参数，再反馈到下一段数据中，不断迭代下去，解调出完整的一帧数据。
所述步骤(1)中，利用同步序列的自相关特性，对同步序列与本地副本进行共轭相关，找到相关峰值，求出相关峰值的相位，此相位与频偏存在线性关系，从而求出频偏粗估计值；利用求出的频偏粗估计值，对一帧数据进行频偏补偿，去除数据中的大频偏值。
所述步骤(3)中，再一次利用第一段数据中的同步序列，在频偏估计模块采用分段相关估计的方法，将数据分为两段，利用前后两段数据共轭相关值的相位差与频偏的线性关系，估计出数据中的频偏，此估计值是补偿完粗频偏后剩余频偏的精估计。
所述步骤(4)中，补偿后的数据还存在残余的小频偏以及信道增益和相位。
所述步骤(5)中，由于同步序列包含在第一段数据之中，并且与其他数据同时补偿了频偏，则同步序列的信道参数和其余数据相同，利用已知的同步序列和补偿细频偏后的同步序列进行LS信道估计，得到第一段数据的信道参数。
所述步骤(7)中，均衡后的数据纠正了由信道产生的增益和相位偏差，在软解调和硬判决模块中，利用接收数据和理想调制数据的概率对数似然比函数(即后验概率比的对数值)作为其软解调的输出，并根据输出值的正负进行硬判决，得到第一段数据的解调二进制码元。
所述步骤(8)中，在重调制模块中，将第一段数据的解调二进制码元进行串并转换，根据星座图的映射关系，将二进制码元重新调制成两路调制信号，得到重调制数据。
有益效果：本发明的一种用于解调VDE-SAT中无导频链路的方法中，将一个较长的数据帧分成多段，逐段解调，并将前一段解调的结果作为先验信息反馈回下一段的解调过程中，从而减小频偏和信道变化带来的影响。本发明的方法可以提高频偏估计和信道估计的性能，并大大降低系统的误码率。
附图说明
图1是VDES系统中VDE-SAT无导频链路的帧结构；
图2是本发明的VDES系统判决反馈解调的结构框图；
图3是本发明的VDES系统判决反馈解调的方法流程图；
图4是本发明的VDES系统判决反馈解调的性能曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图2所示，本发明的一种用于VDES系统的判决反馈解调系统，包括依次连接的粗频偏估计模块、数据分段模块、频偏估计模块、频偏补偿模块、信道估计模块、信道均衡模块、软解调模块、重调制模块，其中：粗频偏估计模块用于初步估计接收信号中的粗频偏和确定定时位置；数据分段模块用于将数据分成等分的数据段；频偏估计模块用于估计接收数据中的残余频偏；频偏补偿模块用于补偿接收数据中的残余频偏；信道估计模块用于估计接收数据的信道参数；信道均衡模块用于均衡接收数据的信道参数；软解调模块用于解调以QPSK方式调制的接收数据；重调制模块用于将解调和判决后二进制码元重新映射成调制数据。
如图3所示，本发明的一种用于VDES系统的判决反馈解调方法，包括以下步骤：
(1)利用同步序列良好的自相关特性，对同步序列与本地副本进行共轭相关，找到相关峰值，求出相关峰值的相位，此相位与频偏存在线性关系，从而可以求出频偏粗估计值；利用求出的频偏粗估计值，对一帧数据进行频偏补偿，去除数据中的大频偏值；
(2)在数据分段模块，从同步序列开始，将一帧数据分成K段，每段长度为L；
(3)由于利用同步序列共轭相关估计出的粗估计值无法满足正确解调的要求，所以再一次利用第一段数据中的同步序列，在频偏估计模块采用分段相关估计的方法，将数据分为两段，利用前后两段数据共轭相关值的相位差与频偏的线性关系，可以估计出数据中的频偏；此估计值是补偿完粗频偏后剩余频偏的精估计；
(4)在频偏补偿模块中对第一段数据进行细频偏补偿，补偿后的数据还存在残余的小频偏以及信道增益和相位；
(5)由于同步序列包含在第一段数据之中，并且与其他数据同时补偿了频偏，则同步序列的信道参数和其余数据相同。可以利用已知的同步序列和补偿细频偏后的同步序列进行LS信道估计，得到第一段数据的信道参数；
(6)然后对补偿细频偏后的第一段数据进行MMSE信道均衡，校正数据中的信道参数；
(7)均衡后的数据纠正了由信道产生的增益和相位偏差，在软解调和硬判决模块中，利用接收数据和理想调制数据的概率对数似然比函数(即后验概率比的对数值)作为其软解调的输出，并根据输出值的正负进行硬判决，得到第一段数据的解调二进制码元；
(8)在重调制模块中，将第一段数据的解调二进制码元进行串并转换，根据星座图的映射关系，将二进制码元重新调制成两路调制信号，得到重调制数据；将第一段重调制数据作为第二段接收数据的已知导频，来估计第二段数据中的剩余频偏；
(9)与步骤(3)中利用同步序列估计剩余细频偏相同，在频偏估计模块中，利用接收到的第一段原始数据和重调制后的第一段调制数据来估计第二段数据的细频偏；
(10)重复步骤(4)到步骤(8)，可以获得第二段数据的重调制数据；将得到的第二段重调制数据当作第三段数据的先验信息，对第三段数据进行检测和解调；
(11)如此不断地利用前一段解调出的数据作为下一段接收数据的已知导频，可以估计出每一段数据的频偏和信道参数，再反馈到下一段数据中，不断迭代下去，即可解调出完整的一帧数据。
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例
对于卫星通信中一个数据较长的数据帧来说，载波偏差和信道变化会对数据解调的性能产生很大的影响。为了减小这种影响，本发明提出一种用于解调VDE-SAT中无导频链路的方法。在这个方法中，将一个较长的数据帧分成多段，逐段解调，并将前一段解调的结果作为先验信息反馈回下一段的解调过程中，从而减小频偏和信道变化带来的影响。仿真表明，这种方法可以大大提高VDE-SAT数据帧的解调性能，提高解调正确率。
如图3所示，判决反馈解调的具体步骤如下：
设接收到的数据为vr(n)
Figure BDA0003323671860000051
其中，n为经过采样后的离散数据的索引，A为接收数据中的信道增益，dr(n)为接收数据中的理想调制信号，fd为接收数据中的残余频偏，
Figure BDA0003323671860000052
为接收数据中的信道附加相位，Tds＝1/ps是码元周期，ps是码元速率。
当接收到一帧数据时，需要确定帧头位置，即同步序列，从而找到一帧数据的开始位置。由于同步序列有十分优良的自相关特性，会在对齐的位置出现一个尖锐的相关峰，所以对接收到的一帧数据与同步序列本地副本进行滑动共轭相关，可以得到共轭相关序列C(m)，m∈[0,N-l+1]
Figure BDA0003323671860000053
其中，(·)*表示复数数据的共轭，vr(n)为长度为N的一帧数据，zs(n)为接收数据中长度为l的同步序列，z(n)为同步序列本地副本。
找到共轭相关值中模平方的最大值，即相关峰值，相关峰值所在位置即为一帧数据的开始位置，相关峰值的的相位与频偏存在式(4)所示的关系,所以可以根据相位值计算出多普勒频偏粗估计值
Figure BDA0003323671860000061
Figure BDA0003323671860000062
Figure BDA0003323671860000063
arg(*)表示求相位。
估计出粗频偏
Figure BDA0003323671860000064
后，对一帧数据进行粗频偏补偿，并从帧头位置开始，将补偿后的一帧数据vr(n)分成K段，分别为
Figure BDA0003323671860000065
(1≤k≤K)，每段长度为L，则可以得到每一段数据的表达式如下：
Figure BDA0003323671860000066
每一段数据的剩余频偏为
Figure BDA0003323671860000067
由于利用同步序列共轭相关估计出的粗估计值无法满足正确解调的要求，需要进行细频偏估计。在频偏估计模块采用分段相关估计的方法，将数据分为两段，利用前后两段数据共轭相关值的相位差与频偏的线性关系，可以估计出补偿粗频偏后的数据中残留的细频偏。
对同步序列进行细频偏估计：将补偿粗频偏后的同步序列zc(n)和本地副本z(n)都分成相同长度的两段，分别为zc1(n)、zc2(n)、z1(n)、z2(n)，每段长度为l/2，对两段数据分别进行共轭相关，得到两个序列的互相关值C1、C2：
Figure BDA0003323671860000068
Figure BDA0003323671860000069
C1与C2进行共轭相乘并求相位，得到两者的相位差：
Figure BDA0003323671860000071
Figure BDA0003323671860000072
Figure BDA0003323671860000073
将根据同步序列得到的频偏细估计值
Figure BDA0003323671860000074
作为细频偏初始值，对第一段数据
Figure BDA0003323671860000075
进行频偏补偿，得到
Figure BDA0003323671860000076
Figure BDA0003323671860000077
其中，A1是补偿过后第一段数据中的信道增益，
Figure BDA0003323671860000078
是补偿过后第一段数据中的残余频偏，
Figure BDA0003323671860000079
是补偿过后第一段数据中的信道附加相位。
这里对同步序列和第一段数据都进行细频偏补偿是为了让两段数据的信道参数保持相同，从而利用前一段数据估计的信道参数可以用于后一段数据。
由于同步序列和第一段中其他的数据同时进行频偏补偿，所以同步序列的信道参数和其余数据相同，则可以利用第一段数据中补偿细频偏后的同步序列zc(n)′进行LS信道估计，得到信道估计值
Figure BDA00033236718600000710
LS算法一般公式如式(12)所示
Figure BDA00033236718600000711
其中，
Figure BDA00033236718600000712
表示估计出来的信道参数，上标H表示复数矩阵的共轭转置，X表示已知的本地数据，一般为已知导频和训练序列，Y表示接收端与已知数据X相对应的接收数据；
Figure BDA00033236718600000713
然后用信道估计值
Figure BDA00033236718600000714
对
Figure BDA00033236718600000715
进行MMSE信道均衡，MMSE信道均衡一般公式为
Figure BDA00033236718600000716
其中，
Figure BDA00033236718600000717
表示信道均衡后的数据，
Figure BDA00033236718600000718
表示信道估计算法估计出来的信道参数，上标H表示复数矩阵的共轭转置，Y表示接收端需要进行信道均衡的数据；
其中，σ2为噪声方差，
Figure BDA00033236718600000719
是信道估计的结果，Y是信道估计之前的数据，In是单位矩阵。
将数据带入式(14)，可以得到
Figure BDA00033236718600000720
Figure BDA00033236718600000721
其中，A′1是信道均衡后的残余信道增益，
Figure BDA00033236718600000722
是残余信道相位。由于残余信道参数很小，因此对解调判决影响小，可以忽略。
然后，
Figure BDA0003323671860000081
在软解调模块进行解调，软解调算法如下：
设接收序列为y，则发送码符号是的后验概率xk对数似然比定义为
Figure BDA0003323671860000082
式(15)中，xk是第k个子码的信息元，p(xk＝1|y)和p(xk＝0|y)分别是已知y的条件下，发送码元为xk＝1和xk＝0的条件概率。
当信道不存在噪声时，若发送码元xk＝1，则有p(xk＝1|y)＝1，p(xk＝0|y)＝0，此时Λ(xk)＝+∞，若发送码元xk＝0，则有p(xk＝0|y)＝1，p(xk＝1|y)＝0，此时Λ(xk)＝-∞。当信道存在很大噪声时，则p(xk＝0|y)＝p(xk＝1|y)，此时Λ(xk)＝0。所以，Λ(xk)的正负号代表了硬判决值，即
Figure BDA0003323671860000083
而Λ(xk)的绝对值代表硬判决的可信度。绝对值越大，表明判决的结果越可靠。
根据软解调模块输出的对数似然比的正负进行硬判决之后，得到解调后的二进制码元数据
Figure BDA0003323671860000084
再将得到的
Figure BDA0003323671860000085
当作先验信息，对
Figure BDA0003323671860000086
进行重映射，在重调制模块对
Figure BDA0003323671860000087
进行串并转换得到
Figure BDA0003323671860000088
和
Figure BDA0003323671860000089
再根据QPSK星座图进行码元映射，则得到的重调制数据
Figure BDA00033236718600000810
为
Figure BDA00033236718600000811
其中，j表示复数的虚数单位；
将重调制结果
Figure BDA00033236718600000812
作为第二段数据
Figure BDA00033236718600000813
的已知导频，来对第二段数据进行解调。
同样，利用已知的导频
Figure BDA0003323671860000091
和接收到的第一段数据
Figure BDA0003323671860000092
在频偏估计模块进行细频偏估计，得到细频偏估计值
Figure BDA0003323671860000093
然后用
Figure BDA0003323671860000094
在频偏补偿模块对第一段数据和第二段数据同时进行补偿，使得两段数据的信道参数相同，得到
Figure BDA0003323671860000095
接着在信道估计模块估计出两段数据的信道参数
Figure BDA0003323671860000096
然后对
Figure BDA0003323671860000097
进行MMSE信道均衡之后，得到
Figure BDA0003323671860000098
Figure BDA0003323671860000099
再经过软解调和硬判决之后得到
Figure BDA00033236718600000910
再将得到的
Figure BDA00033236718600000911
进行重映射，得到
Figure BDA00033236718600000912
作为第三段数据的先验信息，然后重复之前的步骤，对第三段数据
Figure BDA00033236718600000913
进行检测和解调。
前一段解调出的数据可以当作当前接收数据的已知导频，用来估计频偏和信道参数，从而解调出当前的接收数据。一段段数据迭代下去，就完全解调出一帧数据。
经过仿真可以得到图4所示的仿真结果。由于一帧数据持续时间较长，信道参数在不断改变，使用一般的解调方法，即利用训练序列估计多普勒频偏和信道参数，估计出来的结果无法用于整条链路的校正，导致链路后部数据无法正确解调，从而出现误码率较高的情况；而利用本发明中的判决反馈解调方法，人为地缩短了每次解调的数据长度，对于频偏的容忍度提高，而且利用每次解调之后的数据作为下一段数据的导频，可以估计出当前数据中的信道参数，提高了估计精度。仿真结果表明，针对VDES系统中的无导频链路，解调性能提高超过10dB，大大提高了解调的正确性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于VDES系统的判决反馈解调系统，其特征在于：包括依次连接的粗频偏估计模块、数据分段模块、频偏估计模块、频偏补偿模块、信道估计模块、信道均衡模块、软解调模块、重调制模块，其中：
所述粗频偏估计模块用于初步估计接收信号中的粗频偏和确定定时位置；
所述数据分段模块用于将数据分成等分的数据段；
所述频偏估计模块用于估计接收数据中的残余频偏；
所述频偏补偿模块用于补偿接收数据中的残余频偏；
所述信道估计模块用于估计接收数据的信道参数；
所述信道均衡模块用于均衡接收数据的信道参数；
所述软解调模块用于解调以QPSK方式调制的接收数据；
所述重调制模块用于将解调和判决后二进制码元重新映射成调制数据。
2.一种基于权利要求1所述系统的VDES系统的判决反馈解调方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)通过粗频偏估计模块得到接收信号的粗频偏估计值，利用得到的粗频偏估计值，对一帧数据进行频偏补偿；
(2)在数据分段模块，从同步序列开始，将一帧数据分成K段，每段长度为L；
(3)在频偏估计模块，估计出数据中的频偏；
(4)在频偏补偿模块中对第一段数据进行细频偏补偿；
(5)利用已知的同步序列和补偿细频偏后的同步序列进行LS信道估计，得到第一段数据的信道参数；
(6)然后对补偿细频偏后的第一段数据进行MMSE信道均衡，校正数据中的信道参数；
(7)在软解调和硬判决模块中，得到第一段数据的解调二进制码元；
(8)在重调制模块中，得到重调制数据；将第一段重调制数据作为第二段接收数据的已知导频，来估计第二段数据中的剩余频偏；
(9)与步骤(3)中利用同步序列估计剩余细频偏相同，在频偏估计模块中，利用接收到的第一段原始数据和重调制后的第一段调制数据来估计第二段数据的细频偏；
(10)重复步骤(4)到步骤(8)，获得第二段数据的重调制数据，将得到的第二段重调制数据当作第三段数据的先验信息，对第三段数据进行检测和解调；
(11)如此不断地利用前一段解调出的数据作为下一段接收数据的已知导频，估计出每一段数据的频偏和信道参数，再反馈到下一段数据中，不断迭代下去，解调出完整的一帧数据。
3.根据权利要求2所述的VDES系统的判决反馈解调方法，其特征在于：所述步骤(1)中，利用同步序列的自相关特性，对同步序列与本地副本进行共轭相关，找到相关峰值，求出相关峰值的相位，此相位与频偏存在线性关系，从而求出频偏粗估计值；利用求出的频偏粗估计值，对一帧数据进行频偏补偿，去除数据中的大频偏值。
4.根据权利要求2所述的VDES系统的判决反馈解调方法，其特征在于：所述步骤(3)中，再一次利用第一段数据中的同步序列，在频偏估计模块采用分段相关估计的方法，将数据分为两段，利用前后两段数据共轭相关值的相位差与频偏的线性关系，估计出数据中的频偏，此估计值是补偿完粗频偏后剩余频偏的精估计。
5.根据权利要求2所述的VDES系统的判决反馈解调方法，其特征在于：所述步骤(4)中，补偿后的数据还存在残余的小频偏以及信道增益和相位。
6.根据权利要求2所述的VDES系统的判决反馈解调方法，其特征在于：所述步骤(5)中，由于同步序列包含在第一段数据之中，并且与其他数据同时补偿了频偏，则同步序列的信道参数和其余数据相同，利用已知的同步序列和补偿细频偏后的同步序列进行LS信道估计，得到第一段数据的信道参数。
7.根据权利要求2所述的VDES系统的判决反馈解调方法，其特征在于：所述步骤(7)中，均衡后的数据纠正了由信道产生的增益和相位偏差，在软解调和硬判决模块中，利用接收数据和理想调制数据的概率对数似然比函数(即后验概率比的对数值)作为其软解调的输出，并根据输出值的正负进行硬判决，得到第一段数据的解调二进制码元。
8.根据权利要求2所述的VDES系统的判决反馈解调方法，其特征在于：所述步骤(8)中，在重调制模块中，将第一段数据的解调二进制码元进行串并转换，根据星座图的映射关系，将二进制码元重新调制成两路调制信号，得到重调制数据。
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