衛(wèi)星通信中一種突發(fā)信號的解調(diào)算法

張慶業(yè) 王力男

摘要：本文介紹了Thuraya衛(wèi)星通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)類型和幀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出一種突發(fā)信號的解調(diào)算法。該算法采用平方環(huán)定時(shí)進(jìn)行定時(shí)同步，根據(jù)調(diào)制信號的特點(diǎn)采用了去調(diào)制后FFT運(yùn)算進(jìn)行載波頻偏估計(jì)，采用基于（Unique Word）UW字累加算法進(jìn)行初相估計(jì)，并對該算法進(jìn)行了性能仿真分析，仿真結(jié)果表明該算法性能良好。

關(guān)鍵詞：Thuraya 突發(fā)信號 定時(shí)同步 頻率同步

中圖分類號：TN965.51 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號：1007-9416（2016）05-0000-00

突發(fā)信號廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信中的TDMA系統(tǒng)、蜂窩移動(dòng)通信等通信系統(tǒng)中，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，由于衛(wèi)星的抖動(dòng)、星地系統(tǒng)時(shí)鐘的偏差、接收設(shè)備運(yùn)動(dòng)等因素，接收設(shè)備接收到的信號存在定時(shí)誤差、多普勒頻差，需要進(jìn)行精確的定時(shí)同步和載波同步。

本文以thuraya衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的突發(fā)信號為例，分析了thuraya衛(wèi)星的通信體制及突發(fā)類型，提出了一種突發(fā)信號的解調(diào)算法，并對解調(diào)算法中的定時(shí)同步算法、載波恢復(fù)算法進(jìn)行詳細(xì)的闡述，然后對該種算法進(jìn)行了性能仿真，最后總結(jié)了該算法的適用范圍與優(yōu)點(diǎn)。

1 thuraya衛(wèi)星系統(tǒng)及通信體制介紹

Thuraya衛(wèi)星通信系統(tǒng)是地球同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)，擁有3顆衛(wèi)星，設(shè)計(jì)壽命15年。Thuraya系統(tǒng)向用戶提供語音、短信、數(shù)據(jù)（上網(wǎng)）、傳真、GPS定位業(yè)務(wù)。Thuraya總共可提供13750條信道，基本信道符號速率23.4ksps，調(diào)制方式為π/4-CQPSK，多址方式為FDMA/TDMA，可以為終端提供2.4/4.8/9.6kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率[1-2]。

Thuraya衛(wèi)星通信體制的物理信道基于時(shí)分復(fù)用，是定義在RF信道的一系列時(shí)隙，在這些時(shí)隙內(nèi)的傳輸就是突發(fā)。一個(gè)時(shí)隙有5/3ms，24個(gè)時(shí)隙組成一個(gè)TDMA幀，時(shí)間是40ms。16個(gè)TDMA組成一個(gè)復(fù)幀，4個(gè)復(fù)幀組成一個(gè)超幀，系統(tǒng)消息循環(huán)以超幀作為周期 [3]。

2突發(fā)信號解調(diào)算法

2.1 解調(diào)算法原理

Thuraya衛(wèi)星通信系統(tǒng)中使用FCCH（頻率校準(zhǔn)信道）進(jìn)行突發(fā)信號的捕獲，F(xiàn)CCH信道使用chirp調(diào)制信號，用來完成信號頻率和定時(shí)的初始捕獲。因此其他突發(fā)的接收不需要再進(jìn)行常規(guī)的突發(fā)信號檢測處理，可以直接進(jìn)行運(yùn)算處理。突發(fā)信號的解調(diào)處理流程包括：下變頻、接收濾波、定時(shí)誤差計(jì)算、內(nèi)插、頻率估計(jì)、初相估計(jì)、數(shù)據(jù)反旋轉(zhuǎn)后恢復(fù)解調(diào)數(shù)據(jù)等步驟。（如圖1所示）

下變頻把AD采樣后的信號變頻到基帶信號，接收濾波對基帶信號進(jìn)行匹配濾波，定時(shí)誤差模塊對濾波后的信號采用定時(shí)誤差估計(jì)算法估計(jì)出定時(shí)誤差，并送入內(nèi)插濾波器進(jìn)行內(nèi)插出符號信號，符號信號進(jìn)行頻率估計(jì)、初相估計(jì)以及針對π/4-CQPSK的反旋轉(zhuǎn)后即可完成解調(diào)處理。

2.2 定時(shí)同步算法

定時(shí)同步算法包括定時(shí)誤差估計(jì)與定時(shí)誤差糾正。定時(shí)誤差估計(jì)是通過運(yùn)算估計(jì)出采樣時(shí)刻與最佳采樣時(shí)刻的偏差，而定時(shí)誤差糾正則是在估計(jì)的定時(shí)誤差基礎(chǔ)上恢復(fù)出最佳采樣點(diǎn)的符號數(shù)據(jù)，可以通過插值濾波器完成。

定時(shí)同步算法按實(shí)現(xiàn)的方法有兩類，第一類是閉環(huán)或者反饋算法，通過計(jì)算定時(shí)誤差值并直接反饋調(diào)整采樣時(shí)刻從而達(dá)到定時(shí)同步；第二類稱為開環(huán)算法或者前向算法，對接收到的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理從而獲得定時(shí)誤差信息。閉環(huán)算法精度高，跟蹤性能好，但是存在捕獲時(shí)間長、收斂慢、偶爾出現(xiàn)“假鎖”，一般不應(yīng)用在突發(fā)信號的定時(shí)同步中；開環(huán)算法計(jì)算復(fù)雜度高，估計(jì)精度較低，但與閉環(huán)算法相比，不存在捕獲時(shí)間長和收斂慢的問題，適合突發(fā)信號的定時(shí)同步[4]。

前向定時(shí)同步算法依據(jù)最大似然估計(jì)原理，計(jì)算出使似然函數(shù)最大的定時(shí)相位參數(shù)，這些算法包括一次冪非線性算法、平方環(huán)非線性算法、四次冪非線性算法等。結(jié)合thuraya衛(wèi)星通信突發(fā)信號，本文選擇使用平方環(huán)非線性定時(shí)算法，公式如下：

其中N是一個(gè)符號周期T內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，L是突發(fā)符號的長度，r（k）是接收到的采樣數(shù)據(jù)，通過計(jì)算接收信號的傅立葉系數(shù)得到定時(shí)誤差。

2.3 頻率估計(jì)算法

頻率估計(jì)算法按照是否已知發(fā)送序列可以分為數(shù)據(jù)輔助（DA）和非數(shù)據(jù)輔助（NDA）頻偏估計(jì)算法。Thuraya衛(wèi)星系統(tǒng)的物理層突發(fā)結(jié)構(gòu)含有獨(dú)特字（UW），話音業(yè)務(wù)信道TCH3信號只有6個(gè)符號的獨(dú)特字信息已知，信道傳輸?shù)恼{(diào)制信號大部分未知，因此只能用非數(shù)據(jù)輔助的頻偏估計(jì)算法。對突發(fā)信號的載波估計(jì)，NDA的頻偏估計(jì)算法需要去除接收信號的調(diào)制信息，然后估計(jì)出信號中的正弦波頻率。

π/4-CQPSK調(diào)制方式的星座圖和8PSK調(diào)制一樣是8個(gè)相點(diǎn)，因此，對突發(fā)去調(diào)制可以采用突發(fā)數(shù)據(jù)8次方，也可以先對數(shù)據(jù)進(jìn)行反旋轉(zhuǎn)運(yùn)算后變成標(biāo)準(zhǔn)QPSK信號，再對反旋轉(zhuǎn)后的信號進(jìn)行4次方去調(diào)制。本文對TCH3信道仿真10000次，表中仿真準(zhǔn)確度定義為FFT估計(jì)精度范圍之內(nèi)， FFT計(jì)算點(diǎn)數(shù)為2048點(diǎn)，F(xiàn)FT估計(jì)精度為2.9Hz。仿真結(jié)果表明8次方FFT精度很低，主要由于TCH3占用3個(gè)時(shí)隙長度117個(gè)符號長度，符號長度太短，在低信噪比下進(jìn)行8次方，噪聲信號擴(kuò)散了，8次方后進(jìn)行FFT的準(zhǔn)確度小于先反旋轉(zhuǎn)再進(jìn)行4次方FFT運(yùn)算。因此本文采用反旋轉(zhuǎn)再對信號4次方去調(diào)制處理。（如表1所示）

針對thuraya衛(wèi)星系統(tǒng)，本文采用基于FFT的頻率估計(jì)算法，首先對定時(shí)恢復(fù)好的符號數(shù)據(jù)進(jìn)行反旋轉(zhuǎn)和4次方運(yùn)算去掉調(diào)制信息，然后進(jìn)行FFT運(yùn)算，求取FFT的頻率位置，轉(zhuǎn)化為頻率信息，計(jì)算過程見公式2。式（2）中N為FFT的計(jì)算點(diǎn)數(shù)，L為信道突發(fā)符號長度，信道符號速率是23.4Ksps。

2.4 初相估計(jì)算法

信號頻率同步分為載波頻率估計(jì)和載波相位估計(jì)，突發(fā)信號在估計(jì)出頻率信息后還需要估計(jì)相位，根據(jù)信道的特點(diǎn)可以利用獨(dú)特字（UW）估計(jì)出信道的初相信息。

假設(shè)接收信號序列和發(fā)射信號序列如下描述：

在硬件實(shí)現(xiàn)中需要提前把信道標(biāo)準(zhǔn)的UW調(diào)制信息存放在ROM中，接收時(shí)提取接收突發(fā)的UW字，把兩者進(jìn)行乘累加，累加和求取角度即是信道初始相位。

3 性能仿真

本文以Thuraya系統(tǒng)中的TCH3信道為例進(jìn)行了仿真，仿真的采樣速率93.6kHz，系統(tǒng)頻差f0=20Hz，仿真次數(shù)10000次，仿真結(jié)果如圖2所示。在Eb/N0=5dB時(shí)，本文提出算法和QPSK誤碼率理論曲線相差0.2dB，可見該算法和理論曲線相差不大。

4 結(jié)語

本文針對Thuraya衛(wèi)星通信系統(tǒng)的通信體制，提出一種突發(fā)信號的解調(diào)算法，該算法對突發(fā)信號的定時(shí)和載波進(jìn)行估計(jì)，并結(jié)合信道中的UW字對初相進(jìn)行估計(jì)。經(jīng)過仿真該算法同步收斂快、計(jì)算復(fù)雜度不高，仿真性能與理論曲線相差不大，算法適用于PSK調(diào)制的突發(fā)信號，有較高的使用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 謝智東，邊東明，孫謙.Thuraya和ACeS系統(tǒng)（上）[J].數(shù)字通信世界，2007（5）：86-88.

[2] 彭華.軟件無線電中的盲接收技術(shù)研究[D].鄭州：解放軍信息工程大學(xué)，2002.

[3] GEO-Mobile Radio Interface Specifications，Part 5： Radio interface physical layer specifications，Sub-part 2： Multiplexing and Multiple Access[s].

[4] 梁聰.短時(shí)突發(fā)信號解調(diào)算法研究[D].鄭州：解放軍信息工程大學(xué)，2011.