一种卫星通信系统中实用高效的频偏估计方法

摘要

本发明主要针对基于已知符号的频率估计提出一种使用乘法器消耗较少的高精度载波频率偏差估计方法，首先对接收到的与本地对齐的信号分组，并在分组之后进行去调制运算，再将去调制后的数据进行累加平均操作，最后送到频偏估计算法中。对分组内符号做了累加平均，使得频率估计的精度只由参与运算的已知符号总数决定。并且对已知符号字段进行先分组后相关处理，在达到相同频偏估计精度性能时，可以有效降低自相关运算的阶数，降低了算法的复杂度。使用多段已知符号对应阶数自相关结果累加，减小了噪声对自相关结果的影响，增加了自相关结果的可信度，提高频偏估计精度。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星通信技术中信号处理领域，特别是一种卫星通信系统中实用高效的频偏估计方法。

背景技术

在卫星通信中，信号在信道传输的过程中主要受到频偏相偏，信道衰落，噪声等影响。频偏通常是由晶体振荡器的频率偏差以及收发端相对运动所导致的多普勒频移等一系列因素造成的，因此频偏对信号的影响在通信系统无法避免。而频偏对接收机性能影响较大，使得频偏估计在接收机的同步中显得非常关键。基带信号中引入频偏，会造成基带信号的相位会随着时间对频偏进行累积，导致信号的相位旋转，对信号的解调产生严重的影响。因此，接收到的信号不能够直接解调，在矫正频偏之后才能解调出正确的数据。

目前常用的频偏估计方法主要有基于最大似然参数估计理论的频偏估计，基于最小二乘法的频偏估计以及基于信号子空间分解的频偏估计等方法。这些方法又分为已知数据辅助和无已知数据辅助两种。在已知符号辅助频偏估计中，很多算法都用到了对数据与本地符号进行自相关，自相关之后，再做其他处理估计频偏。基于已知符号的频偏估计方法通常都基于特定的物理帧结构。卫星通信中的一般物理帧结构如图1所示，帧结构中的已知符号一般分为帧头和导频，其中sof为帧头段，data为数据段，uw为导频段。

卫星通信中信号处理算法一般在FPGA中来实现，因为在卫星通信中算法多样，使用FPGA来实现信号的调制解调，具有很高的灵活性和实时性。由于FPGA芯片的特性，资源瓶颈往往是DSP资源，因为在FPGA片内RAM不够用时，可以考虑外扩存储芯片，而DSP资源无法外扩。而一般基于已知符号自相关的频率估计方法，需要消耗大量DSP资源。因此消耗较少DSP的频率估计算法对节省系统成本来说显得非常重要。

文件CN104215979A介绍了卫星导航系统中一种扩频的捕获方法。该方法利用接收到的数据与本地码进行相关，将相关结果插0之后再做FFT变换，在捕获到信号的同时得到频偏值。其采用FFT频域估计，应用于频偏估计时精度收到FFT变换的点数影响，且资源消耗大，无法应用于解决前文所列的现有技术问题。

发明内容

本发明主要针对基于已知符号的频率估计提出一种使用乘法器消耗较少的高精度载波频率偏差估计方法。

该方法首先计算已知符号字段的自相关，然后根据自相关结果的相位差估计载波频率偏差。方法如下：

其中w_m为第m阶自相关结果的相位差所对应的权重因子，Δ(m)为自相关结果的相位差，计算过程为：

Δ(m)＝mod[arg(R(m+1))-arg(R(m))，2π]m＝0，1，...，H-1(3)

其中R(0)为0，R(m)为各组m阶自相关值累加结果，H表示R(m)的最大阶数，arg为求角度。

R(m)计算过程如下，首先对帧结构中的已知符号段进行编号，之后各符号段进行去调制计算，若物理帧中有h段已知符号段，则编号过程如图2。

去调制之后的每个数据段再根据累加平均选取的点数进行分组累加平均。以其中一段为例，如图3所示。

图3中，a表示每个已知符号段有a个已知符号，以N为累加平均的长度，a个数据累加平均处理之后的符号个数为K_x。公式表达如下：

若物理帧结构中有M组已知符号段，则第x组累加平均处理过程表达如下：

其中x表示第x组已知符号段，K_x表示第x组已知符号累加平均后的总符号个数，r_x(Ni+k)为接收到的第x组中的第(Ni+k)个符号，为本地已知符号的第x组中的第(Ni+k)个符号的共轭，D_xi为第x组累加平均后的第i个符号。

每个已知符号段求得累加平均之后的符号后，再使用这些符号计算不同阶数自相关值，将h组计算出的同阶自相关值相累加就得到R(m)，m表示阶数。公式表达如下：

式中H表示R(m)的最大阶数。

本发明的有益效果是：

1)该算法对分组内符号做了累加平均，使得频率估计的精度只由参与运算的已知符号总数决定。并且对已知符号字段进行先分组后相关处理，在达到相同频偏估计精度性能时，可以有效降低自相关运算的阶数，降低了算法的复杂度。

2)使用多段已知符号对应阶数自相关结果累加，减小了噪声对自相关结果的影响，增加了自相关结果的可信度，提高频偏估计精度。

3)引入权重因子对自相关结果的相位差进行加权，得到更准确的频率估计值。

4)本发明中先分组再进行N点累加平均，使用累加平均的结果计算自相关，可以将计算自相关的乘法器消耗减少到未做累加平均时的1/N(N可根据实际系统选取)。这种累加平均方法可以广泛的应用于基于自相关运算估计载波频率偏差的算法中，可以降低乘法器的消耗。

5)本申请的应用场景是在捕获到信号之后，即接收信号已经与本地码对齐。在相关值多阶差分估计频偏时，各阶相关差分值对应权重因子决定了频偏估计精度，之后计算相关函数即一系列相关值或者相关值的差分结果乘以各自权重得到估计的频率估计值，本申请在时域直接进行估计，而不采用FFT频域估计，一方面可以提高频率估计精度使频偏估计不受FFT变换的点数影响，另一方面资源耗用更少。

附图说明

图1是卫星通信中的一般物理帧结构。

图2是对帧结构进行编号过程的示意图。

图3是对每段数据再根据累加平均选取的点数进行分组累加平均的示意图。

图4是本发明实施例的方法流程图。

图5是本发明实施例的详细方法流程图。

图6是本发明实施例的帧结构及帧结构编码示意图。

具体实施方式

为使本发明方法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。

在频率估计之前将数据按照本发明的算法流程处理之后，在将数据输入到后级做频率估计处理。首先将数据累加在进行频率估计，过程如图4所示。

在本发明中首先对接收到的与本地对齐的信号分组，并在分组之后进行去调制运算，再将去调制后的数据进行累加平均操作，最后送到频偏估计算法中。频率估计过程如图5所示。

实例如下：

本例中物理帧结构中帧头部分为128个符号，数据段为768个符号，uw为32个符号，整个物理帧有15个数据段，总共包含12096个符号，如图6所示为本发明实施例的帧结构及帧结构编码示意图。

首先在数据同步之后，提取出接收信号中对应的帧头和导频位置。然后将帧头的前32个已知符号与本地帧头的前32个已知符号，接收到的信号导频段与本地存储的导频段做去共轭操作。

累加平均，累加长度N取4，帧头的前32位和32位的导频段，每一段做累加平均，一共15組每组累加平均后的符号为8个符号。

对累加平均后的数据求各阶数的自相关结果，这里最大差分自相关阶数选取为4，根据公式6计算出对应相关阶数累加值。若按照最常用的最大差分阶数设置为已知符号的一半，则此实例中相对不做相关累加平均节约3/4的乘法器资源。

经过上述计算之后，再根据公式1，2，3就可以估算出频率偏差。