CN115664909B - 适用于卫星解调器的相位估计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于卫星解调器的相位估计方法，所述方法包括：采集并预处理终端通过卫星解调器发送过来的信号，构建随机序列生成器模型，基于随机序列生成器模型，生成随机比特信号；构建BPSK调制模块，将随机比特信号通过BPSK调制模块获取相位估计符号，将生成的相位估计符号分成两路，并进行共轭相乘操作获取第一信号；给第一信号附加固定相位，并对所述第一信号进行相位跳周监测，计算相位估计值，获得跳周次数‑相位估计值的关联关系，并判断相位估计值是否准确，若相位估计值不准确，则对第一信号进行固定相位消除操作。本发明大大提高了频带利用率，基于相位估计方法增强了信号解调的性能，实现了信号的高可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及信号处理领域，特别是一种适用于卫星解调器的相位估计方法。
背景技术
近年来，以低轨卫星通信系统为基础的卫星互联网迅猛发展，各国纷纷将卫星互联网建设提升为国家战略。相比于传统的同步卫星系统，低轨卫星通信系统面临新的挑战，诸如实现高频带利用率、高多普勒频偏下的信号的高可靠性。本发明聚焦低轨卫星通信系统中信号解调的相位估计模块，相位估计作为信号补偿的最后一个环节，对信号解调的性能起到至关重要的影响，因此相位估计方法得到了广泛应用。
随着计算机技术的进步，现有的相位估计方法存在许多不足，现在的技术中只是单纯地针对残余频偏引入的相位或固定相位偏差，并没有同时考虑到同时存在的两种情况。例如：专利《一种载波相位估计方法及装置》、《载波同步的方法及系统》、《一种载波相位估计方法和装置》等仅考虑了固定相位偏差的影响；专利《一种鲁棒的振动信号初始相位估计方法》、《用于信道载波相位恢复的方法和装置》、《一种APSK调制信号的解调方法》等仅考虑了残余频偏引入的相位的情况。
故，亟需要一种新的技术方案。
发明内容
发明目的：提供一种适用于卫星解调器的相位估计方法，以解决现有技术存在的上述问题之一，例如：解决低轨卫星通信系统中信号稳定性差的问题。
技术方案
根据本申请的一个方面，一种适用于卫星解调器的相位估计方法，在低轨卫星通信系统中建立通信连接，终端通过卫星解调器接收信号；所述方法包括步骤如下：
步骤S1、构建随机序列生成器模型，所述信号在随机生成器模型中生成随机比特信号；
步骤S2、构建BPSK调制模块，所述随机比特信号通过BPSK调制模块获取相位估计符号；将生成的相位估计符号分成两路形成第一相位估计符号和第二相位估计符号，并连续映射到低轨卫星通信系统中；对所述第一相位估计符号和第二相位估计符号进行共轭相乘操作以获取第一信号；
步骤S3、给第一信号附加固定相位，并对所述第一信号进行相位跳周监测，计算相位估计值，获得跳周次数-相位估计值的关联关系；通过所述关联关系判断相位估计值是否准确，若相位估计值不准确，对所述第一信号进行信号补偿操作；
步骤S4、对所述第一信号进行固定相位消除操作以获得第二信号，获得相位估计符号跨度-相位估计值的关联关系；若相位估计符号跨度对应两个相位估计值，则检测到所述第二信号出现跳周情况并进行相位修正。
根据本申请的一个方面，所述一种适用于卫星解调器的相位估计方法，所述步骤获取第一信号过程如下：
第一相位估计符号和第二估计符号进行共轭相乘，计算出残留频差引入的相位估计符号间相位变化量和噪声相关的项，通过所述计算结果获取到第一信号的相位值，其中，所述调制后的信号，即第一信号的相位值表达式为：
其中，D(m)为去调制结果；Sym(m,0)、Sym(m,1)为连续映射的相位估计符号；[﹒] *为共轭操作；∆θ为残留频差引入的符号间相位变化量；m为相位估计符号的序列。
根据本申请的一个方面，一种适用于卫星解调器的相位估计方法，所述在低轨卫星通信系统中包含预定个第一相位估计符号和第二相位估计符号。
进一步地，步骤S3中第一信号补偿操作过程如下：
步骤S31、所述预定个第一相位估计符号和第二相位估计符号被分割在预定个相位估计单元内，并按序排列以及进行编号；
步骤S32、将连续的两个第一相位估计符号代入到所述调制信号的表达式中进行计算，获取调制后的第三信号，计算所述第三信号的相位值；将连续的两个第二相位估计符号代入到所述调制信号的表达式中进行计算，获取调制后的第四信号，并计算所述第四信号的相位值，以此类推计算调制后的预定个第三信号和第四信号的相位值；
步骤S33、根据步骤2中计算得出的所有信号的相位值，通过求和操作计算出第一信号相位估计值，其表达式如下：
其中，D(m)为去调制结果；m为相位估计符号的序列；φ1为第一信号相位估计值；
对所述第一信号相位估计值的计算结果进行检测，设置门限值为180度，若所述第一信号的计算结果等于0，则没有出现跳周情况；若所述第一信号的计算结果大于180度，则出现跳周情况，并进行相位修正，获取修正后的相位估计符号；
步骤S34、对所述修正后的相位估计符号继续按照步骤S32~步骤S33进行操作，直至步骤S33中第一信号的相位估计值等于0，即所述第一信号不再进行相位修正。
根据本申请的一个方面，一种适用于卫星解调器的相位估计方法，所述步骤S4中固定相位消除操作过程如下：
步骤S41、根据所述第四信号计算出的相位值，以此类推计算预定个第四信号的项为之，将所述预定个第四信号的相位值进行求和操作以计算相位增量，其公式如下：
其中，∆θ为残留频差引入的符号间相位变化量；m为相位估计符号的序列；D(m)为去调制结果；2·K表示两个相位估计符号组成一组，每一段相位估计一共包含2·K 组；。
步骤S42、根据所述相位增量赋予固定相位偏差的线性插值以计算第二信号的相位估计值，其公式如下：
其中n为相位估计单元内符号标号。取值为[0，L - 1]，L表示相位估计单元内符号总数，θinitial为固定相位偏差值，即线性插值；2·K表示两个相位估计符号组成一组，每一段相位估计一共包含2·K 组；。
根据本申请的一个方面,一种适用于卫星解调器的相位估计方法，所述步骤S33中修正相位的过程如下：
所述第二信号相位增量过大，则会出现相位估计单元内多次跳周的情况，通过引入修正相位角θ rev ，设定其修正相位角门限值为180度，所述第二信号的相位估计值计算公式如下：
其中，D(m)为去调制结果；m为相位估计符号的序列；φ2为第二信号相位估计值；
通过所述第二相位估计值与设定的门限值进行比较；若相位估计值大于门限值，则缩短相位增量的值；若所述相位估计单元内多次跳周的情况没有出现，修正相位角θ rev 以-10度为增量，修正相位角的门限值变为[170º，10º]，计算所述第二信号的相位估计值，将所述相位估计值与设定的门限值进行比较，若相位估计值大于门限值的范围，继续以-10度为增量递减，直至相位估计值小于门限值；若相位估计值小于门限值的取值范围，则停止修正操作。
根据本申请的另一个方面,一种适用于卫星解调器的相位估计方法，所述固定相位偏差值的计算分为三种情形。
进一步地，所述步骤S42还包括：
若处于步骤S3阶段，则固定相位偏差值计算公式为:
其中，θinitial为固定相位偏差值，即线性插值；∆θ为残留频差引入的符号间相位变化量；L表示相位估计单元内符号总数；θ rev 为修正相位角；
若处于步骤S4阶段，则固定相位偏差值计算公式为：
其中，θinitial为固定相位偏差值，即线性插值；L表示相位估计单元内符号总数；
若计算的θ initial 绝对值大于或等于π，则需要对固定相位进行修正，其修正方式按照如下两种情况进行修正，其表达式为：
其中，θinitial为固定相位偏差值，即线性插值。
有益效果：对于频偏的修正有了显著效果，综合性能相较单独针对残余频偏引入的相位偏差或固定相位偏差而言，具有明显优势，尤其明显提升了低轨卫星通信系统中信号的稳定性。
附图说明
图1是本申请的流程总图。
图2是本申请的帧结构。
图3是本申请的跳周次数-相位估计值仿真图。
图4是本申请固定相位消除后信号的相位变化效果仿真图。
图5是本申请的物理帧分段示意图。
实施方式
如图1所示，详细描述本申请的技术原理和技术细节。需要说明的是，由于技术方案过于庞杂，对于本领域技术人员已经知晓的技术内容进行略写。本领域的技术人员能够按照本申请的技术方案解决相关问题，获得相应的技术原理。
提供一种适用于卫星解调器的相位估计方法，包括如下步骤：
步骤S1、构建随机序列生成器模型，所述信号在随机生成器模型中生成随机比特信号；
步骤S2、构建BPSK调制模块，所述随机比特信号通过BPSK调制模块获取相位估计符号；将生成的相位估计符号分成两路形成第一相位估计符号和第二相位估计符号，并连续映射到低轨卫星通信系统中；对所述第一相位估计符号和第二相位估计符号进行共轭相乘操作以获取第一信号；
一般情况下，在进行相位估计之前，需要经过BPSK模块对信号进行调制解调；主要的方法是将信号进行M次方或与本地数据进行共轭相乘。如果利用FPGA来实现，则对信号的M次方操作会消耗大量的乘法资源；对于与本地数据共轭相乘，则需要消耗大量的存储单元，基于上述两种方法存在的问题，提出了一种生成相位估计符号的帧结构图，具体帧结构如图2所示，能够实现相位估计方法在不进行本地数据存储的情况下实施相位估计。
步骤S3、给第一信号附加固定相位，并对所述第一信号进行相位跳周监测，计算相位估计值，获得跳周次数-相位估计值的关联关系；通过所述关联关系判断相位估计值是否准确，若相位估计值不准确，对所述第一信号进行信号补偿操作；
步骤S4、对所述第一信号进行固定相位消除操作以获得第二信号，获得相位估计符号跨度-相位估计值的关联关系；若相位估计符号跨度对应两个相位估计值，则检测到该段信号出现跳周情况并进行相位修正。
简而言之，在本申请的技术中，相位估计方法实际上分为两个过程：先进行信号调制，再进行相位估计。首先通过构建随机序列生成器模型对信号进行编码，生成随机比特0或1，然后经过BPSK模块对内信号进行调制解调，从而获取到相位估计符号，该符号分成两路并两个为一组，与业务信息形成间隔排列的序列，从而实现不进行本地数据存储情况下实施相位估计；接着对信号附加随机的固定相位，会导致出现跳周的情况，从而影响相位估计值的准确性，为解决这一问题，对信号进行跳周监测，并做出相应的补偿机制；最后在完成一次跳周监测后不再进行检测，而是对之前的固定定位进行消除操作，并修正相位。
根据本申请的一个方面，描述该第一信号过程。通过如图2提供的帧结构，在进行信号调制的时候可以直接利用连续两个相位估计符号得到，将两个相位估计符号进行共轭相乘，对应表达式为：
其中，D(m)为去调制结果；Sym(m,0)、Sym(m,1)为连续映射的相位估计符号；[﹒] *为共轭操作；∆θ为残留频差引入的符号间相位变化量；m为相位估计符号的序列。
在这一实施例中，不需要存储本地数据，同时对调制后的信号，即第一信号也只是进行了一次共轭相乘操作而不需要重新进行M次，大大节约了资源。
接着，由于第一信号会有附加的固定相位，会导致相位估计范围内相位出现跳周情况，因此需要对相位进行跳周监测。
在本实施例中，列举了跳周的一种情况，其公式如下：
其中，Sym(n)、Sym(n+1)为连续映射的相位估计符号；n为位估计符号的序列。
结合如图3仿真结果可以看出跳周对相位估计结果的准确性带来影响，例如：图3中的（a）和（b）分别给出了初始相位为0π、0.95π下相位估计值的结果，可以获取到相位估计值在π附近时，会导致相位估计值的不准确性。
针对上述相位估计值的不准确性，对第一信号进行相应的补偿机制，过程如下：在相位估计单元内，将每组相位估计符号进行编号，将编号为偶数的两个相位估计符号进行调制解调，并计算偶数相位估计值；将编号为奇数的两个相位估计符号进行调制解调，并计算奇数相位估计值；然后根据求和操作将所述奇数和偶数相位估计值相加得到第一信号的相位估计值，其公式如下：
其中，m为相位估计符号的序列；D(m)为去调制结果。
在这一实施例中，通过上述公式进行计算，针对此计算结果对第一信号进行监测，设置门限值为180度，若所述第一信号的计算结果等于0，则没有出现跳周情况；若所述第一信号的计算结果大于180度，则出现跳周情况，并进行相位修正，并获取修正后的相位估计符号；最后重复上述操作直至第一信号的相位估计值约等于0。
上述提到的跳周出现原因是存在随机的固定定位，因此在能完成一次跳周监测后不再进行监测，而是在相位估计前进行固定相位消除，其消除效果仿真图如图4所示。
在这一实施例中，横坐标表示符号跨度，纵坐标表示相位估计值，单位（度）。由仿真图4中的(a)、(c)和(d)可知，在消除固定定位之前，符号跨度-相位估计值的关联关系呈现线性变化，当消除固定相位后符号跨度-相位估计值的关联关系也呈现线性变化，因此便于利用线性插值进行相位估计。但根据仿真图4中的(b)所示，当符号跨度约为37度时，对应两个相位估计值，分别约为-198度和197度，即会出现跳周的情况。因此能够得出，若符号跨度较大依然有可能出现跳周的可能性，基于上述仿真结果设计了如下物理帧方案，如图5所示。将物理帧进行切分，每一段包含2·K 组相位估计符号，K取2/4/6/8/18……；将信号分为两个阶段，第一阶段实现相位跳周监测以及K值调整判定；第二阶段实现固定相位消除操作，获得第二信号，过程如下：
计算符号跨度的相位估计值，其公式为：
其中，m为相位估计符号的序列；D(m)为去调制结果；2·K表示两个相位估计符号组成一组，每一段相位估计一共包含2·K 组。
接着，计算相位增量赋予固定相位偏差的线性插值以计算第二信号的相位估计值，其公式如下：
其中，n为相位估计单元内符号标号；m为相位估计符号的序列；D(m)为去调制结果；2·K表示两个相位估计符号组成一组，每一段香味估计一共包含2·K 组；θinitial为固定相位偏差值，即线性插值。
如果是如图5所示的第一阶段，则固定相位偏差值计算公式为:
其中，θinitial为固定相位偏差值，即线性插值；∆θ残留频差引入的符号间相位变化量；L表示相位估计单元内符号总数；θ rev 为修正相位角；
如果是如图5所示的第二阶段，则固定相位偏差值计算公式为：
其中，θinitial为固定相位偏差值，即线性插值；L表示相位估计单元内符号总数；∆θ残留频差引入的符号间相位变化量。
如果计算的θ initial 绝对值大于或等于π，则需要对固定相位进行修正，其修正方式按照如下两种情况进行修正，其表达式为：
其中，θinitial为固定相位偏差值，即线性插值。
最后，针对上述两种情况的修正方式，过程如下：
如果符号跨度较大时会出现一段相位估计单元内出现多次跳周的情况，首先人为的引入θ rev ，设定θ rev 取值为180度，如果第一信号相位估计值计算结果仍然超过门限值，则缩短分段长度，重新获取数据进行计算；如果符号跨度较大的情况没有出现，修正相位角θ rev 以-10度为增量，修正相位角的门限值变为[170º，10º]，计算第二信号的相位估计值，将相位估计值与设定的门限值进行比较，若相位估计值大于门限值的范围，继续以-10度为增量递减，直至相位估计值小于门限值；若相位估计值小于门限值的取值范围，则停止修正操作。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种适用于卫星解调器的相位估计方法，其特征在于，在低轨卫星通信系统中建立通信连接，终端通过卫星解调器接收信号；
所述方法包括步骤如下：
步骤S1、构建随机序列生成器模型，所述信号在随机序列生成器模型中生成随机比特信号；
步骤S2、构建BPSK调制模块，所述随机比特信号通过BPSK调制模块获取相位估计符号；将生成的相位估计符号分成两路形成第一相位估计符号和第二相位估计符号，并连续映射到低轨卫星通信系统中；对所述第一相位估计符号和第二相位估计符号进行共轭相乘操作以获取第一信号；
步骤S3、给第一信号附加固定相位，并对所述第一信号进行相位跳周监测，计算相位估计值，获得跳周次数-相位估计值的关联关系；通过所述关联关系判断相位估计值是否准确，若相位估计值不准确，对所述第一信号进行信号补偿操作；
步骤S4、对所述第一信号进行固定相位消除操作以获得第二信号，获得相位估计符号跨度-相位估计值的关联关系；若相位估计符号跨度对应两个相位估计值，则检测到所述第二信号出现跳周情况并进行相位修正。
2.根据权利要求1所述一种适用于卫星解调器的相位估计方法，其特征在于，所述步骤S2中获取第一信号过程如下：
所述第一相位估计符号和第二相位估计符号进行共轭相乘，计算出残留频差引入的相位估计符号间相位变化量和噪声相关的项，通过所述计算结果获取到第一信号的相位值，将两个相位估计符号进行共轭相乘，对应表达式为：
其中， D 1 (m)是编号为偶数的两个相位估计符号的去调制结果，D 2 (m)是编号为奇数的两个相位估计符号的去调制结果；Sym(m,0)、Sym(m,1)为连续映射的相位估计符号；[﹒] *为共轭操作；∆θ为残留频差引入的相位估计符号间相位变化量；m为相位估计符号的序列，σ为噪声相关的项。
3.根据权利要求2所述一种适用于卫星解调器的相位估计方法，其特征在于，在低轨卫星通信系统中包含预定个第一相位估计符号和第二相位估计符号；
所述步骤S3中对第一信号补偿操作过程如下：
步骤S31、所述预定个第一相位估计符号和第二相位估计符号被分割在预定个相位估计单元内，并按序排列以及进行编号；
步骤S32、将连续的两个第一相位估计符号代入到所述表达式中进行计算，获取调制后的第三信号，计算所述第三信号的相位值；将连续的两个第二相位估计符号代入到所述表达式中进行计算，获取调制后的第四信号，并计算所述第四信号的相位值，以此类推计算调制后的预定个第三信号和第四信号的相位值；
步骤S33、根据步骤S32中计算得出的所有信号的相位值，通过求和操作计算出第一信号相位估计值，其表达式如下：
其中，m为相位估计符号的序列；φ1为第一信号相位估计值；K为自然数，表示相位估计符号组数的一半；
对所述第一信号相位估计值的计算结果进行检测，设置门限值为180度，若所述第一信号的计算结果等于0，则没有出现跳周情况；若所述第一信号的计算结果大于180度，则出现跳周情况，并进行相位修正，获取修正后的相位估计符号；
步骤S34、对所述修正后的相位估计符号继续按照步骤S32~步骤S33进行操作，直至步骤S33中第一信号的相位估计值等于0，即所述第一信号不再进行相位修正。
4.根据权利要求3所述一种适用于卫星解调器的相位估计方法，其特征在于，所述步骤S4中固定相位消除操作过程如下：
步骤S41、根据所述第四信号计算出的相位值，以此类推计算预定个第四信号的相位值，将所述预定个第四信号的相位值进行求和操作以计算相位增量，其公式如下：
其中，∆θ为残留频差引入的相位估计符号间相位变化量；m为相位估计符号的序列；2·K表示两个相位估计符号组成一组，每一段相位估计一共包含2·K 组；
步骤S42、根据所述相位增量赋予固定相位偏差的线性插值以计算第二信号的相位估计值φ 2，其公式如下：
其中n为相位估计单元内符号标号，取值为[0，L - 1]；L表示相位估计单元内符号总数；m为相位估计符号的序列；θinitial为固定相位偏差值，即线性插值；2·K表示两个相位估计符号组成一组，每一段相位估计符号一共包含2·K 组，K为自然数，表示相位估计符号组数的一半。
5.根据权利要求4所述一种适用于卫星解调器的相位估计方法，其特征在于，所述步骤S33中修正相位的过程如下：
所述第二信号相位增量过大，则会出现相位估计单元内多次跳周的情况，通过引入修正相位角θ rev ，设定其修正相位角门限值为180度，所述第二信号的相位估计值计算公式如下：
其中，m为相位估计符号的序列；φ 2 为第二信号相位估计值；
通过所述第二信号相位估计值与设定的门限值进行比较；若相位估计值大于门限值，则缩短相位增量的值；若所述相位估计单元内多次跳周的情况没有出现，修正相位角θ rev 以-10度为增量，修正相位角的门限值变为[170°，10°]，计算所述第二信号的相位估计值，将所述相位估计值与设定的门限值进行比较，若相位估计值大于门限值的范围，继续以-10度为增量递减，直至相位估计值小于门限值；若相位估计值小于门限值的取值范围，则停止修正操作。
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