RCS信道快速載波同步設計

徐迪宇+方軍

摘 要： RCS信道具有用戶多、時鐘同步要求高和幀長較短等特點，因而要求快速的同步搜索。為了實現RCS信道快速載波同步，在幀結構中專門設計了惟一字，將基于惟一字的載波同步算法和基于Viterbi?Viterbi算法的二次相位估計相結合，設計了易于實現的載波同步方案。經Matlab仿真，證明了方案的性能。所用設計可簡單快速實現相位同步，并在某衛星終端應用中取得了明顯的效果。

關鍵詞： RCS； 惟一字； 載波同步； 相位估計

中圖分類號： TN925?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）15?0035?03

Design of fast carrier synchronization in RCS channel

XU Di?yu， FANG Jun

（Shenzhen Research Institute of Tsinghua University， Shenzhen 518057， China）

Abstract： RCS channel， which has many characteristics， such as multi?user， high clock synchronization requirement and short frame length， needs rapid carrier synchronization. The unique?words （UW） are designed in data frame to realize fast carrier synchronization of RCS channel. A carrier synchronization scheme， which is easy to realize， was designed in combination with carrier synchronization algorithm based on UW and twice?phase?estimation method based on Viterbi?Viterbi algorithm. The performance of this design was proved by Matlab simulation. The design scheme can realize phase synchronization rapidly， and has been applied successfully to a satellite transceiver.

Keywords： RCS； unique?word； carrier synchronization； phase estimation

0 引 言

RCS（Return Channel Satellite）信道，即數字電視衛星回傳信道[1]，是在衛星廣播的基礎上形成的增值業務模式。數字電視前向信道仍為衛星廣播信道，而反向信道為多用戶多址接入信道，比較適用于多用戶衛星寬帶互聯網傳輸，其相關標準如歐洲DVB?RCS[2]。國內相關標準起步較晚，相關業務還未充分發展。隨著衛星應用范圍的擴大和移動互聯網的發展，衛星信道多用戶接入的需求也將迅速興起，衛星寬帶互聯網傳輸是大勢所趨。因此，基于RCS信道的相關應用將成為研究熱點。

RCS信道將信道劃分為多個時隙，每個時隙按一定規則分配給特定的用戶，使多用戶時分接入信道。這樣，可在衛星數字電視用戶端增加雙向互動增值業務，提高衛星數字電視的盈利能力和業務水平。RCS信道的特點是：用戶多；時鐘同步要求高；多個時隙動態分配；幀長較短。因而，要求接收機能夠基于短幀實現快速同步。

本文定位于某衛星回傳系統的設計，信道特征與RCS信道相似，并根據系統特點設計了幀結構和同步方案。在本系統的設計中，在數據幀時隙內添加了兩組短惟一字，采用了基于惟一字的頻率同步方法；另外，還將惟一字和Viterbi?Viterbi算法相結合，構建了二次相位估計算法。通過這些設計，使載波同步快速有效，并且易于實現。通過Matlab仿真分析，證明了載波同步設計方案的性能，較好地實現了快速相位同步的效果。

1 頻率同步

1.1 面向RCS信道的幀結構時隙設計

本系統基于MF?TDMA接收機設計。一個TDMA幀長為40 ms，包括16個時隙，共用一個載波，故每時隙長2.5 ms。圖1是本系統針對RCS信道的特點設計的時隙方案。時隙（Basic Time Slot，BTS）結構設計為：幀長度138 個符號，前后各4個符號的保護時間間隔（分別表示為GTa和GTb），UW1和UW2為惟一字，每個惟一字為10個符號，數據長度為110個符號。符號速率約為18 μs，采用QPSK調制。

圖1 針對RCS信道的時隙設計方案

UW1和UW2兩個惟一字都設計為：[[1+1j，1+1j，][1+1j，1+1j，1+1j，1+1j，1+1j，1+1j，1+1j，][1+1j]*0.707。]

1.2 頻率同步設計

頻率同步利用UW惟一字來估計載波頻率，為簡化問題，令采樣速率[fe]等于符號速率[fs，]即[fe=fs，]那么載波頻率應當按照式（1）估計：

[Δf=Arg{SZ（1）*SZ*（2）}2πDTs] （1）

式中：[D]為惟一字UW1和UW2的距離，在本設計中應為120；[SZ（1）=i=0Len-1UW1（i）]，Len為惟一字UW1長度，這里為10；[SZ（2）=i=0Len-1UW2（i）]，Len為惟一字UW2長度，這里為10；[Ts]為符號周期。

記估計器估計得到的頻偏為[Δf，]估計結果與實際頻偏的差為[Df=Δf-Δf。]按以下條件仿真：[D=]120 symbols；[EbN0=]3 dB；[Δf=]150 Hz；仿真次數=1e5；信道為AWGN信道。僅考慮頻偏影響，無信道編碼，無其他同步。仿真得到[Df]的概率密度分布如圖2所示。可見其近似為正態分布，期望為0，方差小于20 Hz，結果較好。

圖2 殘留頻差概率密度分布圖

1.3 頻率同步適用條件

考慮以上算法對頻偏較為敏感，因此設置實際頻偏[Δf]分別為150 Hz，200 Hz和300 Hz，同樣條件下采用AWGN信道進行仿真，得到誤碼率曲線，如圖3所示。由圖3中可見，僅考慮載波頻偏的情況下，目前算法在載波頻偏小于150 Hz時效果較好；若頻偏大于等于200 Hz，估計器性能下降。

圖3 頻率同步設計中不同頻偏造成的誤碼率

2 相位同步設計

2.1 Viterbi?Viterbi算法原理

相位同步基于Viterbi?Viterbi算法，記[Df=Δf-Δf，]且初始相位誤差為[θ0（φini=θ0），]則經過載波同步后剩余的相位誤差為：

[r′k=akej（θ0+2πkDfTs）+n′k] （2）

相位估計器為：

[θk=1MArgj=-kkFpr′k+jejMArg（r′k+j）] （3）

式中：[Fp（r）]為非線性函數：[Fp（r）]=[r4，][r2，][r]或1。

[Fp（r）=r2]可給出QPSK調制下[（M=4）]接近最優的性能[4]。可見，此算法不需反饋環路，可以實現快速的相位同步，適用于幀長較短，時隙有限的多用戶接入場景。

2.2 二次相位同步設計

由于Viterbi?Viterbi算法中估計器最后要對相位除以[M]（QPSK調制下[M=]4），而未做除法前相位處于區間[-π，π]，則除以4后估計的初始相位位于[[-π4，π4]]區間內。但是，如果實際相位不在這個區間內，則估計相位與實際相位的相差較大，造成跳周。

為了得到更準確的估計相位，在原設計基礎上，采用了二次估計的辦法來克服“跳周”影響。

“二次估計”的方法如下：

（1） 首先，利用UW惟一字來估計相位。這里僅使用時隙左側的第一組UW字（共10個符號），由于UW字是確定的，因而可以直接消去調制信息，而不需要通過將接收信號相位乘以4來消去。這樣，估計器可以簡化為：

[θUW=Argj=110r′j] （4）

式中[r′j]為已經消去調制信息的接收信號。

因為這里[θUW∈[-π，π]，]所以不會出現相位模糊的問題。但是，由于惟一字的長度僅為10，所以相位估計的結果不會很準確。因此，UW字的估計相位僅為“粗估計”，作為估計相位的參考。

（2） “粗估計”之后，利用整個時隙的信號再進行一次相位估計（可稱為“細估計”）。估計器如下：

[θk=1MArgj=-kkFpr′k+jejMArg（r′k+j）+πM] （5）

這里[Fp（r）]=[r2，]且[M=4。]

這樣估計的相位[θk∈0，π2。]由于估計器的窗口足夠長（選取130個符號），估計結果較為準確。

（3） 最后為解決相位模糊的問題，以[θUW]為參考，按照以下方法修正[θk：]

[θ′k=θk+π2， θUW-θk>π4θk， -π4≤θUW-θk≤π4θk-π2， θUW-θk<π4] （6）

圖4為采用不同算法進行相位估計的殘余相位概率密度曲線。圖4（a）為原Viterbi?Viterbi算法設計得到的結果，圖4（b）為利用UW字二次估計后的結果。兩次仿真為相同條件：假設無接收頻偏，僅考慮初始相位的影響，忽略其他，無信道編碼。仿真點數為1e4，初始相位為0.2π，AWGN信道，[EbN0=]3 dB。此圖表明：相對于原設計，利用UW字做二次估計的殘余相位超過[π4]（約為0.785）的概率幾乎為0，因此用粗估計的結果來幫助修正最后的相位，這種方法有很高的可靠性。

圖4 兩種相位估計方法的殘余相位概率密度曲線

3 載波同步整體性能

根據以上頻率同步和相位同步的設計，對載波同步進行了完整的分析，以證明設計的有效性。圖5為QPSK調制下，載波同步的系統仿真框圖。為簡化過程，系統僅考慮頻率同步和相位同步，[ΔF]為發射機與接收機的載波頻差，[Δφ]為接收機初始相位。

圖5 載波同步仿真驗證系統結構圖

圖6為以上結構的載波同步仿真誤碼率曲線。仿真條件為：仿真時隙數為1e4，載波頻差為150 Hz，初始相位為0.2π，AWGN信道。共進行了三種情況的仿真：理想估計，利用10個UW字的載波同步粗估計和載波同步二次估計共三條曲線?？梢?，采用新設計的二次相位估計的性能要好于粗估計，與理想估計距離僅有0.1 dB的距離。

圖6 載波同步仿真誤碼率曲線圖

4 結 語

本文設計定位于多用戶、多時隙、短幀長的RCS信道應用場景，根據需求設計了數據幀時隙結構，并在時隙中添加了周期重復和固定長度的惟一字。在頻率同步和相位同步的過程中，充分利用設計的惟一字特性，簡化算法，提高性能，便于同步捕獲。該設計結構簡單，易于實現，且同步速度較快，性能較好，在衛星終端的開發過程中得到了充分的驗證。

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