專利名稱：一種測量和補(bǔ)償衛(wèi)星通信鏈路載波頻偏的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種衛(wèi)星通信鏈路載波頻率偏差的計(jì)算方法，用于MF-TDMA方式下發(fā) 送的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收并去除通信鏈路中的載波頻偏。
背景技術(shù)：
數(shù)字衛(wèi)星通信系統(tǒng)目前在國內(nèi)外應(yīng)用都相當(dāng)廣泛，尤其是歐美國家大量使用數(shù)字 衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為地面通信系統(tǒng)的補(bǔ)充和延伸，其用戶涉及銀行、交通、娛樂、購物、郵政、 電視直播等。近年來，我國的衛(wèi)星應(yīng)用業(yè)務(wù)飛速發(fā)展，建設(shè)了很多衛(wèi)星通信系統(tǒng)，尤其是交 互式電視服務(wù)系統(tǒng)和衛(wèi)星電視直播業(yè)務(wù)也正在大力推廣之中。衛(wèi)星通信作為現(xiàn)代通信技術(shù) 的重要組成部分，在國家信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和國家信息安全戰(zhàn)略中具有重要地位。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，頻分多址和時分多址是最常用的兩種多址方式，它們各有利 弊，而MF-TDMA(多頻時分多址)能夠?qū)⒍叩膬?yōu)點(diǎn)相結(jié)合，時隙分配可以動態(tài)改變，載波的 頻率也可以動態(tài)跳變。這樣，就能夠以較低的成本組建起高容量的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)。因此，采 用MF-TDMA方式的衛(wèi)星通信系統(tǒng)得到了迅猛發(fā)展，成為衛(wèi)星通信的重要發(fā)展方向之一。在影響衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能的諸多因素之中，多普勒頻移是比較重要的一個。多普 勒頻移是由于衛(wèi)星和地面站之間的相對移動所產(chǎn)生的。此外，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的本振也并 不會嚴(yán)格相等，這也會帶來接收載波頻率的偏差。在采用MF-TDMA方式的通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)是以突發(fā)的方式進(jìn)行傳送的，因此使用 AFC(自動頻率控制環(huán)路)環(huán)路來對下行數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲和載波頻率跟蹤幾乎是無法實(shí)現(xiàn)的。 這是因?yàn)橥话l(fā)數(shù)據(jù)持續(xù)的時間通常很短，環(huán)路收斂又需要一定時間，于是常常出現(xiàn)有效數(shù) 據(jù)已經(jīng)到來，而環(huán)路還未收斂的情況。這就需要找出一種方法，既能夠?qū)ν话l(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效 的捕獲和頻偏估計(jì)與補(bǔ)償，又不能占用太多資源，增加太多的鏈路延遲。目前，比較常用的 方法是由發(fā)送端在突發(fā)數(shù)據(jù)頭部加入偽隨機(jī)序列，同時在接收端對去調(diào)制后的數(shù)據(jù)流進(jìn)行 FFT運(yùn)算，這種方法對數(shù)據(jù)處理的實(shí)時性要求很強(qiáng)，算法復(fù)雜度高，實(shí)現(xiàn)難度非常大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種占用硬件資源少，附 加鏈路延遲小，且實(shí)現(xiàn)簡便的測量和補(bǔ)償衛(wèi)星通信鏈路載波頻偏的方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種測量和補(bǔ)償衛(wèi)星通信鏈路載波頻偏的方法，步驟 如下(1)對接收到的載波信號中的I、Q兩路基帶信號進(jìn)行匹配濾波和去調(diào)制處理；(2)將去調(diào)制處理后的基帶信號分別與不同頻率的正交載波信號分別進(jìn) 行相關(guān)運(yùn)算，求取基帶信號與各個頻率正交載波信號的滑動內(nèi)積，由此得到相關(guān)度
和蚪幻分別為基帶信號和正交載波信號；(3)找出步驟(2)相關(guān)運(yùn)算結(jié)果中相關(guān)度的極大值點(diǎn)，并對所述極大值點(diǎn)附近的頻率進(jìn)行細(xì)分，以細(xì)分后的頻率重新構(gòu)建不同頻率的正交載波并進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算；(4)重復(fù)步驟(2)和(3)的相關(guān)運(yùn)算，直至找到相關(guān)度的最大值點(diǎn)，所述最大值點(diǎn) 對應(yīng)的頻率作為載波頻偏的大小；(5)根據(jù)步驟(4)得到的載波頻偏的大小分別產(chǎn)生I、Q兩路單頻補(bǔ)償信號，利用 所述補(bǔ)償信號對步驟(1)中接收到的初始基帶信號進(jìn)行頻率補(bǔ)償。所述步驟(2)中正交載波信號初始值的確定方法是根據(jù)對載波頻偏捕獲范圍的 要求，在捕獲范圍內(nèi)等間隔的設(shè)置正交載波信號的初始值。所述步驟(5)中單頻補(bǔ)償信號的產(chǎn)生方法為預(yù)先將1/4周期的正弦或者余弦信 號波形存儲至正余弦查找表，然后設(shè)置正余弦查找表的地址增量，根據(jù)載波頻偏值和查找 表地址增量之間的對應(yīng)關(guān)系，通過正余弦查找表產(chǎn)生出與載波頻偏大小相等的正弦信號或 者余弦信號，并將其作為單頻補(bǔ)償信號。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(1)本發(fā)明方法采用N路正交載波和M級相關(guān)運(yùn)算對鏈路中的數(shù)據(jù)包進(jìn)行捕獲，并 對其頻偏進(jìn)行估計(jì)，測量結(jié)果的準(zhǔn)確度很高，頻率分辨率可達(dá)1/ (NM)，能夠極大地減輕后續(xù) 處理的壓力，尤其能夠簡化載波跟蹤環(huán)路的設(shè)計(jì)，使其能夠迅速收斂。另外，由于避免對輸 入信號進(jìn)行復(fù)雜的FFT運(yùn)算，減小了數(shù)據(jù)鏈路的傳輸延遲；(2)本發(fā)明方法采用的多級相關(guān)運(yùn)算可以通過將數(shù)據(jù)多次導(dǎo)入同一個相關(guān)運(yùn)算 單元來實(shí)現(xiàn)，使得本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)非常簡便，不僅頻率分辨精度高，而且極大地節(jié)約了硬件資 源；(3)本發(fā)明方法頻偏測量中用于相關(guān)運(yùn)算的多路正交載波可以由直接頻率合成 (DDS)技術(shù)產(chǎn)生，絕大多數(shù)硬件描述語言都能夠提供DDS核或可用的DDS模塊，這有利于提 高硬件程序的通用性，同時也縮短了開發(fā)周期；(4)本發(fā)明方法頻偏測量的精度不僅與相關(guān)運(yùn)算的級數(shù)有關(guān)，還取決于DDS輸出 信號的位寬，因此在不同的應(yīng)用場合可根據(jù)實(shí)際需求和硬件資源情況靈活掌握，以實(shí)現(xiàn)不 同的測量精度。


圖1為本發(fā)明方法的流程框圖；圖2為本發(fā)明方法中頻偏計(jì)算的實(shí)現(xiàn)流程圖；圖3為本發(fā)明方法中相關(guān)運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)流程圖；圖4為本發(fā)明方法中頻率補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)流程圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，為本發(fā)明方法的流程框圖。本發(fā)明方法主要包括頻偏測量和頻率補(bǔ) 償兩大部分。頻偏測量對衛(wèi)星鏈路中的突發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲和頻偏估計(jì)，隨后通過頻率補(bǔ)償 對衛(wèi)星鏈路中的突發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻偏補(bǔ)償。頻偏測量主要涉及信號預(yù)處理、正交載波波形發(fā)生、頻偏計(jì)算三個方面。信號預(yù)處 理即對接收到的基帶數(shù)據(jù)流進(jìn)行匹配濾波，并利用預(yù)先約定好的前導(dǎo)碼對濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn) 行去調(diào)制處理。正交載波波形發(fā)生即產(chǎn)生多路正交載波信號。通常采用八路正交載波和兩次相關(guān)運(yùn)算即可滿足精度要求，增加載波路數(shù)和相關(guān)運(yùn)算的級數(shù)都可以提高頻偏估計(jì)的分 辨精度，但載波路數(shù)越多，占用硬件資源也越多，而相關(guān)運(yùn)算的級數(shù)越多，鏈路延遲就越大， 因此在中等規(guī)模及運(yùn)算速度的FPGA和DSP應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)八路正交載波和兩次相關(guān)運(yùn)算即可 滿足一般要求。頻偏計(jì)算即將經(jīng)過預(yù)處理后的數(shù)據(jù)與在缺省參數(shù)下產(chǎn)生的多路正交載波進(jìn) 行相關(guān)運(yùn)算，當(dāng)運(yùn)算結(jié)果出現(xiàn)相關(guān)峰時，表明有效數(shù)據(jù)到來，此時記錄最大的相關(guān)峰所對應(yīng) 的頻率值(極大值點(diǎn))，作為載波頻偏的粗估計(jì)值；隨后根據(jù)載波頻偏的粗估計(jì)值對多路正 交載波的頻率參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)定，生成一組新的正交載波，重新進(jìn)行一次相關(guān)運(yùn)算，并記錄 最大的相關(guān)峰所對應(yīng)的頻率值和初始相位信息，由此循環(huán)，直至找到滿足精度要求的最大 相關(guān)峰所對應(yīng)的頻率值和初始相位信息(最大值點(diǎn))作為載波頻偏的精確估計(jì)值。頻率補(bǔ)償由一個正弦查找表和一個復(fù)數(shù)乘法器完成，正弦查找表根據(jù)頻偏測量結(jié) 果傳遞過來的精確頻偏信息產(chǎn)生兩路正交的單載波，并通過復(fù)數(shù)乘法器與經(jīng)過預(yù)處理的基 帶數(shù)據(jù)流相乘，于是得到去除頻偏后的數(shù)據(jù)流，進(jìn)入后續(xù)處理。圖2給出了本發(fā)明中頻偏計(jì)算的實(shí)現(xiàn)流程。首先對數(shù)據(jù)流，進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，使其分別與N路不同頻率的正交載波進(jìn)行相關(guān)運(yùn)
算。數(shù)據(jù)流的數(shù)學(xué)表達(dá)形式為E
，其中h[n]為成型
濾波器的窗函數(shù)(和匹配濾波器相同，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下
，M為窗函數(shù)的長度)，a[n]為基帶信號。這N路載波的頻率可以根據(jù)分辨精度 的要求而任意指定，通常做法是參考所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)對載波頻偏捕獲范圍的要求，在捕獲范 圍內(nèi)等間隔的設(shè)置正交載波信號的初始值。例如IESS308要求載波捕獲頻率范圍為正負(fù) 3. 5kHz，在接收128K速率傳輸基帶數(shù)據(jù)的設(shè)備中，可以采用八路正交載波，一次相關(guān)運(yùn)算 的頻率分辨率可達(dá)500Hz。N路正交載波可用如下數(shù)學(xué)表達(dá)式描述
為正交載波的基頻。然后對運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行相關(guān)峰檢測和相關(guān)峰比較，當(dāng)有相關(guān)峰出現(xiàn)時，選取峰值極 大值點(diǎn)的信號所對應(yīng)的載波頻率，以該頻率為中心，在附近一個更小的頻率范圍內(nèi)重新產(chǎn) 生N路分辨率更高的正交載波，同之前緩存的輸入數(shù)據(jù)一起進(jìn)入下一級相關(guān)運(yùn)算。相關(guān)運(yùn) 算的級數(shù)M可以根據(jù)精度要求來確定，一般情況下，兩次相關(guān)運(yùn)算的結(jié)果就已經(jīng)能夠達(dá)到 相當(dāng)高的分辨精度了。例如IESS308要求載波捕獲頻率范圍為正負(fù)3. 5kHZ，在接收128K 速率傳輸基帶數(shù)據(jù)的設(shè)備中，采用八路正交載波，一次相關(guān)運(yùn)算的頻率分辨率可達(dá)500Hz， 兩次相關(guān)運(yùn)算的頻率分辨率可達(dá)62. 5Hz。圖3給出了本發(fā)明中相關(guān)運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)流程。相關(guān)運(yùn)算需要將輸入數(shù)據(jù)與N路正交載波分別進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，其中每路相關(guān)運(yùn)算 都需要獲取輸入數(shù)據(jù)與正交載波的滑動內(nèi)積，即將輸入數(shù)據(jù)與正交載波進(jìn)行按位復(fù)數(shù)乘法后再相加，數(shù)學(xué)表達(dá)式為相關(guān)度
和蚪幻分別為基帶 信號和正交載波信號。在首級相關(guān)運(yùn)算中，N路正交載波的產(chǎn)生受默認(rèn)值控制；而在第二級 相關(guān)運(yùn)算中，N路正交載波的產(chǎn)生則受上一級相關(guān)運(yùn)算結(jié)果的控制，且其分辨率要高于上一 級載波的分辨率。
圖4給出了本發(fā)明中頻率補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)流程。頻率補(bǔ)償首先根據(jù)頻偏計(jì)算結(jié)果給出的頻偏信息，利用sin/cos查找表實(shí)現(xiàn)波形 的發(fā)生，以產(chǎn)生I、Q兩路正交單頻信號，并與輸入的I、Q兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)數(shù)乘法，以去除頻 偏。經(jīng)頻率補(bǔ)償后的I、Q兩路信號頻偏已經(jīng)足夠小，可以直接進(jìn)入AFC環(huán)路進(jìn)行后續(xù)處理。sin/cos查找表中預(yù)先存儲1/4周期的正弦或者余弦信號波形，該波形可以使用 MATLAB等軟件方便的得到。對查找表地址增量進(jìn)行預(yù)先設(shè)置，通過設(shè)置不同的地址增量，就 可以設(shè)置讀取預(yù)先存儲1/4周期的正弦或者余弦信號波形時的相位和頻率，從而利用一個 查找表產(chǎn)生出多種頻率的正弦或余弦波形，由此建立起載波頻偏值和查找表地址增量之間
的對應(yīng)關(guān)系。設(shè)接收機(jī)接收到的含有頻偏的基帶信號表達(dá)式為
中f。為載波頻偏，而經(jīng)過頻偏計(jì)算后得出載波頻偏的估計(jì)值為fe，那么頻偏補(bǔ)償?shù)倪^程可
以表述為
其中^ [n]即為經(jīng)過頻偏補(bǔ)償
的基帶信號，其頻偏降低為f。_f；。本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。
權(quán)利要求
一種測量和補(bǔ)償衛(wèi)星通信鏈路載波頻偏的方法，其特征在于步驟如下(1)對接收到的載波信號中的I、Q兩路基帶信號進(jìn)行匹配濾波和去調(diào)制處理；(2)將去調(diào)制處理后的基帶信號分別與不同頻率的正交載波信號分別進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，求取基帶信號與各個頻率正交載波信號的滑動內(nèi)積，由此得到相關(guān)度s[n]和w[n]分別為基帶信號和正交載波信號；(3)找出步驟(2)相關(guān)運(yùn)算結(jié)果中相關(guān)度的極大值點(diǎn)，并對所述極大值點(diǎn)附近的頻率進(jìn)行細(xì)分，以細(xì)分后的頻率重新構(gòu)建不同頻率的正交載波并進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算；(4)重復(fù)步驟(2)和(3)的相關(guān)運(yùn)算，直至找到相關(guān)度的最大值點(diǎn)，所述最大值點(diǎn)對應(yīng)的頻率作為載波頻偏的大??；(5)根據(jù)步驟(4)得到的載波頻偏的大小分別產(chǎn)生I、Q兩路單頻補(bǔ)償信號，利用所述補(bǔ)償信號對步驟(1)中接收到的初始基帶信號進(jìn)行頻率補(bǔ)償。FSA00000142855900011.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測量和補(bǔ)償衛(wèi)星通信鏈路載波頻偏的方法，其特征在 于所述步驟(2)中正交載波信號初始值的確定方法是根據(jù)對載波頻偏捕獲范圍的要求， 在捕獲范圍內(nèi)等間隔的設(shè)置正交載波信號的初始值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種測量和補(bǔ)償衛(wèi)星通信鏈路載波頻偏的方法，其特征 在于所述步驟(5)中單頻補(bǔ)償信號的產(chǎn)生方法為預(yù)先將1/4周期的正弦或者余弦信號 波形存儲至正余弦查找表，然后設(shè)置正余弦查找表的地址增量，根據(jù)載波頻偏值和查找表 地址增量之間的對應(yīng)關(guān)系，通過正余弦查找表產(chǎn)生出與載波頻偏大小相等的正弦信號或者 余弦信號，并將其作為單頻補(bǔ)償信號。
全文摘要
一種測量和補(bǔ)償衛(wèi)星通信鏈路載波頻偏的方法，首先對基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配濾波和去調(diào)制，然后將基帶數(shù)據(jù)與多路正交載波進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，將最大相關(guān)峰對應(yīng)的頻率值作為載波頻偏的粗估計(jì)值；隨后對粗估計(jì)值附近的頻點(diǎn)進(jìn)行細(xì)分，重新設(shè)定多路正交載波的頻率參數(shù)，生成新的正交載波重新進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，由此循環(huán)，直至找到滿足精度要求的最大相關(guān)峰所對應(yīng)的頻率值和相位作為載波頻偏的精確估計(jì)值。最后利用正弦查找表根據(jù)精確頻偏信息產(chǎn)生兩路正交單載波，并通過復(fù)數(shù)乘法器與基帶數(shù)據(jù)流相乘，得到去除頻偏后的數(shù)據(jù)流。本發(fā)明方法能夠滿足MF-TDMA方式下突發(fā)數(shù)據(jù)接收的實(shí)時性要求，占用硬件資源少，附加延遲小，且實(shí)現(xiàn)簡便。
文檔編號H04L27/26GK101867546SQ20101018860
公開日2010年10月20日 申請日期2010年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月24日
發(fā)明者任毅, 尤啟迪, 李申陽, 鄒光南, 閆崢 申請人:航天恒星科技有限公司