CN116073892B - 一种低轨卫星通信系统业务信道的解调方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低轨卫星通信系统业务信道的解调方法及装置，属于卫星移动通信领域。该方法包括：将经过下变频后的基带信号进行匹配滤波；通过内插算法将样点信号内插成符号数据，并通过计算时延找到突发的开始位置；通过二维搜索算法计算出粗频偏值并去粗频偏；通过基于导频频偏估计算法计算出细频偏值并去细频偏；计算信号的初相值并对信号去初相；根据不同的调制方式计算出软信息，并将软信息送给译码器。本发明可以解决大多普勒频偏及高多普勒频偏变化率导致的低轨卫星系统中接收机性能急剧恶化的问题，进而保证了低轨卫星通信系统可靠的业务通信。

Description

一种低轨卫星通信系统业务信道的解调方法及装置

技术领域

本发明属于卫星移动通信技术领域，特别是指一种低轨卫星通信系统业务信道的解调方法及装置。

背景技术

卫星通信的一个重要特点是覆盖范围广，利用多颗卫星可以实现全球通信的目的，因此，近20年来卫星通信技术的发展速度异常迅猛。高轨道卫星通信系统（GEO）中卫星距离地面35800km，理论上三颗高轨卫星就可以实现全球覆盖。但是，高轨卫星有一个不可克服的障碍，就是较长的传播时延和较大的链路损耗，严重影响了它在某些通信领域的应用，特别是在卫星移动通信方面的应用。低轨道卫星通信系统（LEO）的卫星由于卫星轨道高度低使得低轨卫星系统具有卫星小、成本低、效益高、发射容易、传播损耗和延迟时间少、传输质量较可靠等优点，多个卫星组成的通信系统可以实现真正的全球覆盖，频率复用更有效。蜂窝通信、多址、点波束、频率复用等技术也为低轨道卫星通信提供了技术保障。

由于低轨卫星与地球不同步，所以低轨卫星相对于地面来说位置是不断变化的。当低轨卫星与地面终端进行通信时，由于双方的相对运动，使得信号发生多普勒效应。多普勒效应将对通信造成的影响是接收到的信号载波频率发生偏移，造成接收信号的失真。由于低轨卫星高速运动，使得多普勒频移的变化范围较大，并且与卫星轨道高度、轨道类型、地面站纬度以及接入用户仰角等有关。

目前已知的多普勒频偏估计方法主要是靠增加算法复杂度来实现，实现难度大，设备成本高。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种低轨卫星通信系统业务信道的解调方法及装置，其采用两级频率估计方法，即保证了频率估计范围足够大，又能够保证频率估计值足够精确，可以适应低轨卫星高速移动导致的大多普勒频移和高多普勒变化率的特性，确保低轨卫星业务信道能够在低信噪比条件下正确的解调和译码，解决大多普勒频偏及高多普勒频偏变化率导致的低轨卫星通信系统中接收机性能急剧恶化的问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种低轨卫星通信系统业务信道的解调方法，包括以下步骤：

（1）对下变频后的基带信号进行匹配滤波，滤除带外噪声并减小符号间串扰，提高接收信号的信噪比；

（2）利用步骤（1）中匹配滤波后的信号，结合内插算法将样点信号内插成符号数据，通过计算符号数据的整数倍时延和小数倍时延找到突发的开始位置，得到去完时偏后的信号；

（3）利用步骤（2）中输出的去完时偏后的信号，结合二维搜索算法计算出信号的粗频偏值，对接收信号去粗频偏；

（4）利用步骤（3）中输出的去完粗频偏后的信号，使用基于导频的频偏估计算法计算出细频偏值，对接收信号去细频偏；

（5）利用步骤（4）中输出的去完细频偏后的信号，计算接收信号的初相值，对接收信号去初相；

（6）利用步骤（5）中输出的去完初相后的信号计算软信息，并将软信息送给译码器，完成解调。

一种低轨卫星通信系统业务信道的解调装置，包括匹配滤波器模块、定时同步模块、粗频率同步模块、细频率同步模块、信道估计模块、软信息提取模块；其中：

匹配滤波器模块接收下变频后的基带信号，对其进行匹配滤波，从而减小符号间串扰并滤除带外噪声；

定时同步模块通过内插算法将样点信号内插成符号数据，并计算定时偏差以找到突发开始位置；

粗频率同步模块用于在低信噪比条件下粗略地估计出多普勒频偏值，并完成去粗频偏操作；

细频率同步模块用于在去完粗频偏的信号基础上，更加准确地估计出残留频偏，并完成去细频偏操作；

信道估计模块用于在去完时偏和频偏的信号基础上估计接收信号的初相，并完成去初相操作；

软信息提取模块用于计算软信息，并将软信息送给译码器。

采用上述技术方案取得的有益效果在于：

1、本发明可解决由于低轨卫星系统存在的大多普勒频移和高多普勒变化率导致接收机性能急剧恶化的问题，使用本发明可以实时准确的估计出业务信道的多普勒频偏值，在低信噪比条件下正确的对业务信道进行解调译码，保证了低轨卫星通信系统可靠的业务通信。

2、本方案采用纯软的方式实现，不依赖于特殊的硬件，运行效率高，配置灵活，技术成熟度高，实现简单可靠。

附图说明

图1为本发明实施例中一种低轨卫星通信系统业务信道的解调方法的原理示意图。

实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

一种低轨卫星通信系统业务信道的解调方法，包括以下步骤：

（1）滤除下变频后基带信号的带外噪声并减小符号间串扰；

（2）通过内插算法将样点信号内插成符号数据并通过计算出整数倍时延和小数倍时延找到突发开始位置；

（3）在低信噪比条件下粗略的估计出多普勒频偏值并完成去粗频偏操作，粗频偏估计范围可达±50%符号速率；

（4）在去完粗频偏的信号基础上更加准确的估计出残留频偏并完成去细频偏操作，细频率的估计范围小但是估计值更加精确；

（5）在去完时偏和频偏的符号数据基础上计算出信号的初相值并完成去初相操作；

（6）计算去完初相信号的软信息并将软信息送给译码器。

一种低轨卫星通信系统业务信道的解调装置，包括匹配滤波器模块、定时同步模块、粗频率同步模块、细频率同步模块、信道估计模块、软信息提取模块；其中：

匹配滤波器模块用于减小符号间串扰并滤除带外噪声；

定时同步模块通过内插算法将样点信号内插成符号数据，并通过计算出定时偏差找到突发开始位置；

粗频率同步模块可以在低信噪比条件下粗略的估计出多普勒频偏值，并完成去粗频偏操作；

细频率同步模块可以在去完粗频偏的信号基础上更加准确地估计出残留频偏，并完成去细频偏操作；

信道估计模块用于估计接收信号的初相，并完成去初相操作；

软信息提取模块用于计算软信息，并将软信息送给译码器；

该装置的工作过程如下：

将下变频后的基带信号输入到匹配滤波器模块完成匹配滤波功能；定时同步模块将样点信号内插成符号数据，并通过计算定时偏差找到突发开始位置；粗频率同步模块计算出信号的粗频偏值，并去粗频偏；细频率同步模块计算出信号的残余频偏，并去细频偏；信道估计模块在去完时偏和频偏的信号基础上估计信号的初相，并去初相；软信息提取模块计算出信号的软信息，并将软信息送给译码器。

以下为一个更具体的例子：

如图1所示，一种低轨卫星通信系统业务信道的解调方法，包括以下步骤：

（1）匹配滤波器模块滤除下变频后基带信号的带外噪声并减小符号间串扰；由于发射端采用的是平方根升余弦滤波器，因此接收端采用平方根升余弦匹配滤波器且滤波器的系数与发射端一致；

（2）定时同步模块首先通过内插算法将样点信号内插成符号数据，接下来通过二维搜索算法估计出整数倍时延，通过平方律定时估计方法计算出小数倍时延，计算出准确的时延后即可找到突发的开始位置；

（3）粗频率同步模块使用二维搜索算法，结合业务信道中的导频信号计算粗频偏值；二维搜索算法可以在很低的信噪比条件下正常工作，其频偏估计范围可达±50%符号速率，频偏估计误差与FFT点数有关，FFT点数越多计算的粗频偏值就越精确，计算出粗频偏值后通过数字变频的方法完成去粗频偏操作；

（4）细频率同步模块在去完粗频偏的信号基础上，使用基于导频频偏估计算法计算出细频偏值，取接收信号中第一段导频信号与本地导频信号逐点相关得到一个序列，取接收信号中第二段导频信号与本地导频信号逐点相关得到另一个序列，两个序列再次相关累加并求相角即可计算得到最终的细频偏值；该方法估计的频偏范围较小但估计精度较高；

（5）信道估计模块使用业务信道中的导频信号来计算接收信号的初相值，计算出初相值后通过将接收信号乘以一个单载波信号以实现去初相操作；

（6）软信息提取模块在去完初相的信号基础上根据不同的调制方式计算出软信息，最后将软信息送给译码器。

本方法通过一系列的解调步骤，可以在大多普勒频偏及高多普勒频偏变化率的环境下提高接收机的性能，进而保证低轨卫星通信系统中的业务信道能够被可靠地解调和译码。

总之，本发明采用两级频率估计方法，即保证了频率估计范围足够大，又能够保证频率估计值足够精确，可以适应低轨卫星高速移动导致的大多普勒频移和高多普勒变化率的特性，确保低轨卫星业务信道能够在低信噪比条件下正确的解调和译码，解决了大多普勒频偏及高多普勒频偏变化率导致的低轨卫星通信系统中接收机性能急剧恶化的问题。

Claims (2)

1.一种低轨卫星通信系统业务信道的解调方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）对下变频后的基带信号进行匹配滤波，滤除带外噪声并减小符号间串扰，提高接收信号的信噪比；

（2）利用步骤（1）中匹配滤波后的信号，结合内插算法将样点信号内插成符号数据，通过计算符号数据的整数倍时延和小数倍时延找到突发的开始位置，得到去完时偏后的信号；具体方式为：

首先通过内插算法将样点信号内插成符号数据，接下来通过二维搜索算法估计出整数倍时延，通过平方律定时估计方法计算出小数倍时延，计算出准确的时延后即可找到突发的开始位置；

（3）利用步骤（2）中输出的去完时偏后的信号，结合二维搜索算法计算出信号的粗频偏值，对接收信号去粗频偏；

（4）利用步骤（3）中输出的去完粗频偏后的信号，使用基于导频的频偏估计算法计算出细频偏值，对接收信号去细频偏；

（5）利用步骤（4）中输出的去完细频偏后的信号，计算接收信号的初相值，对接收信号去初相；

（6）利用步骤（5）中输出的去完初相后的信号计算软信息，并将软信息送给译码器，完成解调。

2.一种用于实现如权利要求1所述的低轨卫星通信系统业务信道的解调方法的解调装置，其特征在于，包括匹配滤波器模块、定时同步模块、粗频率同步模块、细频率同步模块、信道估计模块、软信息提取模块；其中：

匹配滤波器模块接收下变频后的基带信号，对其进行匹配滤波，从而减小符号间串扰并滤除带外噪声；

定时同步模块通过内插算法将样点信号内插成符号数据，并计算定时偏差以找到突发开始位置；

粗频率同步模块用于在低信噪比条件下估计出多普勒频偏值，并完成去粗频偏操作；

细频率同步模块用于在去完粗频偏的信号基础上，进一步估计出残留频偏，并完成去细频偏操作；

信道估计模块用于在去完时偏和频偏的信号基础上估计接收信号的初相，并完成去初相操作；

软信息提取模块用于计算软信息，并将软信息送给译码器。