吳春航，華韻之，劉解華，劉 凱

(1.重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065；2.南京郵電大學(xué)，江蘇 南京 210023；3.北京華力創(chuàng)通科技股份有限公司，北京 100094)

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衛(wèi)星移動(dòng)通信中利用Chirp信號(hào)的時(shí)頻同步算法

吳春航1，華韻之2，劉解華3，劉 凱3

(1.重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065；2.南京郵電大學(xué)，江蘇 南京 210023；3.北京華力創(chuàng)通科技股份有限公司，北京 100094)

衛(wèi)星移動(dòng)通信中信號(hào)受到多普勒效應(yīng)和陰影衰落效應(yīng)的影響，導(dǎo)致信號(hào)變化快且很微弱，對(duì)系統(tǒng)接收性能影響很大。提出一種用于衛(wèi)星移動(dòng)通信終端下行鏈路時(shí)頻同步新算法。根據(jù)本地掃頻信號(hào)與接收Chirp信號(hào)相關(guān)后峰值頻率變化規(guī)律來進(jìn)行定時(shí)捕獲，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了頻偏估計(jì)。通過仿真和分析，給出了不同信噪比環(huán)境下，利用Chirp信號(hào)進(jìn)行定時(shí)捕獲和頻偏估計(jì)的性能。結(jié)果表明，在陰影衰落導(dǎo)致的信噪比很低和高速移動(dòng)導(dǎo)致的多普勒頻偏的情況下，定時(shí)捕獲性能優(yōu)越，頻偏估計(jì)性能很好地滿足系統(tǒng)要求。

衛(wèi)星移動(dòng)通信；Chirp信號(hào)；同步；定時(shí)捕獲；頻偏估計(jì)

衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)是指利用通信衛(wèi)星為移動(dòng)終端和固定終端提供數(shù)據(jù)傳輸或通話業(yè)務(wù)的通信系統(tǒng)，具有覆蓋面廣、通信距離遠(yuǎn)、受地理限制小、可為終端隨時(shí)隨地提供通信業(yè)務(wù)等優(yōu)點(diǎn)，是一個(gè)國(guó)家必不可少的戰(zhàn)略性通信系統(tǒng)。

在衛(wèi)星移動(dòng)通信中，由于終端本地時(shí)鐘的不穩(wěn)定會(huì)帶來系統(tǒng)的頻率偏移，以及衛(wèi)星和終端相對(duì)運(yùn)動(dòng)，存在較大的多普勒頻移和傳播延時(shí)。并且由于阻擋而引起的陰影衰落會(huì)導(dǎo)致信號(hào)微弱。終端需要不斷進(jìn)行同步，因此在衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中完成信號(hào)檢測(cè)和頻偏估計(jì)具有重大意義。Chirp信號(hào)作為大時(shí)寬帶寬積信號(hào)[1]具有較強(qiáng)的抗干擾性，且能同時(shí)完成時(shí)延和頻偏估計(jì)，廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星移動(dòng)通信中。本文參照地球靜止軌道衛(wèi)星移動(dòng)通信GEO-Mobile Radio(GMR-1)系統(tǒng)中利用的Chirp信號(hào)作為同步信號(hào)實(shí)現(xiàn)多普勒頻移和時(shí)延的估計(jì)。

研究者們也提出了其他一些利用Chirp信號(hào)進(jìn)行同步的方法。Vishwanath T.G.等人在文獻(xiàn)[2-3]中提出了運(yùn)用Chirp信號(hào)作為同步信號(hào)來估計(jì)時(shí)間延遲和頻率偏移，通過Chirp信號(hào)在頻域出現(xiàn)峰值的特點(diǎn)，設(shè)置門限來檢測(cè)Chirp信號(hào)出現(xiàn)。此方法雖然復(fù)雜度較低，但估計(jì)精度和估計(jì)效率不高。文獻(xiàn)[4]中運(yùn)用Chirp信號(hào)在時(shí)域中的對(duì)稱性，來進(jìn)行定時(shí)同步。該方法在定時(shí)同步和頻偏估計(jì)具有較低誤差，但該文在定時(shí)同步中沒有利用Chirp信號(hào)頻率變化的線性特性，且提出的方法適用于單個(gè)突發(fā)，可用于單個(gè)突發(fā)的定時(shí)跟蹤。在文獻(xiàn)[5]中提出利用Chirp信號(hào)的上掃頻信號(hào)和下掃頻信號(hào)的斜率絕對(duì)值相同，符號(hào)相反的特性來完成Chirp信號(hào)捕獲。該方法原理簡(jiǎn)單，但在文獻(xiàn)中沒有給出具體的實(shí)現(xiàn)方案。本文充分利用了Chirp信號(hào)通過上掃頻和下掃頻信號(hào)后頻率峰值變化特點(diǎn)，將接收到的包含Chirp信號(hào)的通信信號(hào)轉(zhuǎn)化為不同時(shí)刻下頻率峰值位置的信號(hào)，提出一種新的似然估計(jì)算法來捕獲衛(wèi)星通信系統(tǒng)中下行鏈路Chirp信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)刻，并給出具體的實(shí)現(xiàn)同步方案。

1 Chirp信號(hào)特征

本文用于估計(jì)定時(shí)誤差和頻率偏移的Chirp信號(hào)(也稱線性調(diào)頻信號(hào))的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(1)

式中：p(t)是一個(gè)單位矩形脈沖函數(shù)。Chirp信號(hào)時(shí)域波形圖如圖1所示，式(1)也可表示為

(2)

圖1 Chirp信號(hào)時(shí)域波形圖

設(shè)接收的Chirp信號(hào)為r(t)經(jīng)過多普勒頻移fd和本地信號(hào)與接收信號(hào)的時(shí)間差td后，表達(dá)式為

ej2πfd(t-td)+n(t)

(3)

不考慮噪聲，由式(3)可以看出，r(t)分為兩部分，第一部分為上掃頻Chirp信號(hào)，頻率隨時(shí)間線性增加。第二部分為下掃頻Chirp信號(hào)，頻率隨時(shí)間線性減小。接收的Chirp信號(hào)經(jīng)過自身上、下掃頻信號(hào)相關(guān)后生成的單頻信號(hào)可進(jìn)行時(shí)延和頻偏的估計(jì)。

令Chirp信號(hào)的上掃頻信號(hào)為hu(t)=ejπu(t-T/2)2，下掃頻信號(hào)為hd(t)=e-jπu(t-T/2)2，Chirp信號(hào)經(jīng)過本地掃頻信號(hào)解掃頻后為

r(t)hu(t)= [ejπu(t+td-T/2)2+e-jπu(t+td-T/2)2]·

ej2πfd(t+td)ejπu(t-T/2)2=cu(t)+ej2π(fd-utd)tejθ

(4)

r(t)hd(t)= [ejπu(t+td-T/2)2+e-jπu(t+td-T/2)2]·

ej2πfd(t+td)e-jπu(t-T/2)2=cd(t)+ej2π(fd+utd)tejθ′

(5)

式(4)中，r(t)hu(t)第一項(xiàng)為掃頻速率加倍的Chirp信號(hào)，表示為cu；第二項(xiàng)由td和fd產(chǎn)生的單頻信號(hào)，做快速傅里葉變換時(shí)，整個(gè)信號(hào)功率集中在這個(gè)單頻頻點(diǎn)上，容易求出峰值頻率。推算可得，這一路的峰值頻率f1=fd-μtd。同理，本地下掃頻和接收信號(hào)相乘的結(jié)果r(t)hd(t)，其過程及分析與上掃頻相似，可得峰值頻率f2=fd+μtd。如圖2所示，掃頻速率μ已知，由f1和f2兩式可得頻偏fd和時(shí)延td的估計(jì)值為

(6)

圖2 Chirp信號(hào)時(shí)頻關(guān)系圖

觀察圖2可知，td為f1和f2的線性函數(shù)，在交叉點(diǎn)時(shí)td=0，因此可以通過檢測(cè)交叉點(diǎn)的位置捕獲Chirp信號(hào)，實(shí)現(xiàn)頻偏估計(jì)。本文提出一種在本地生成f1和f2對(duì)照樣本作為檢測(cè)窗口，對(duì)接收信號(hào)峰值頻率變化信息進(jìn)行似然估計(jì)的算法。

2 新的Chirp信號(hào)同步方案

接收端捕獲Chirp信號(hào)，實(shí)現(xiàn)定時(shí)同步和頻偏估計(jì)算法原理框圖如圖3所示。

圖3 Chirp捕獲算法原理框圖

在接收端對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行采樣，接收信號(hào)分兩路與本地掃頻信號(hào)做相關(guān)得

xu(n)=r(n)hu(n)

(7)

xd(n)=r(n)hd(n)

(8)

在接收單個(gè)突發(fā)信號(hào)周期里，接收信號(hào)每滑動(dòng)一個(gè)采樣點(diǎn)與本地掃頻信號(hào)相關(guān)后做快速傅里葉變換FFT，在每個(gè)FFT計(jì)算周期內(nèi)頻域最大值為

(9)

存儲(chǔ)這個(gè)峰值頻率，得到序列的頻率值為

f1(n)=index(maxu)

(10)

同理，接收信號(hào)與本地下掃頻信號(hào)做同樣處理，存儲(chǔ)序列頻率值f2(n)。根據(jù)f1(n)和f2(n)變化特點(diǎn)，本文提出的算法對(duì)存儲(chǔ)的f1(n)和f2(n)序列進(jìn)行檢測(cè)，通過計(jì)算對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)時(shí)刻的捕獲度量，檢測(cè)交叉點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)Chirp信號(hào)的捕獲。

令n采樣點(diǎn)時(shí)刻捕獲度量值為C(n)，在本地產(chǎn)生兩個(gè)與FFT峰值頻率變化結(jié)果f1(n)和f2(n)對(duì)應(yīng)的對(duì)照樣本序列fup和fdown，長(zhǎng)度為2L+1，仿真中L=200，有

fup(i)=μi,i=-L,…,L

(11)

fdown(i)=-μi,i=-L,…,L

(12)

式中：μ表示頻率變化斜率。將fup和fdown組成長(zhǎng)度2L+1的二維數(shù)組與n采樣點(diǎn)時(shí)刻及前后各L長(zhǎng)度的f1和f2的序列組成二維數(shù)組，每采樣點(diǎn)時(shí)刻分別比較，計(jì)算

a1(i)=f1(n+i)-fdown(i),i=-L，…，L

(13)

a2(i)=f2(n+i)-fup(i),i=-L，…，L

(14)

計(jì)算n時(shí)刻的度量值為

(15)

圖4 接收序列與本地序列度量示意圖

在系統(tǒng)中Chirp信號(hào)周期出現(xiàn)[6]，可檢測(cè)多個(gè)Chirp信號(hào)周期提高捕獲概率，設(shè)接收N個(gè)Chirp信號(hào)周期，每周期對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)度量值累加為

(16)

每個(gè)周期在Chirp信號(hào)起始位置處的交叉點(diǎn)將計(jì)算一個(gè)度量峰值。在多個(gè)周期累加后，Chirp信號(hào)起始位置處的度量峰值將顯著增加，低信噪比下捕獲概率明顯提高。

在完成Chirp信號(hào)捕獲后，由存儲(chǔ)的峰值頻率位置序列f1(n)和f2(n)，可進(jìn)行頻偏估計(jì)。

令捕獲的Chirp信號(hào)在n采樣點(diǎn)時(shí)刻，取前后各L′/2點(diǎn)的峰值頻率位置，取平均值，可減小頻偏估計(jì)誤差提高估計(jì)精度為

(17)

3 仿真性能與分析

本文根據(jù)GMR-1標(biāo)準(zhǔn)生成Chirp基帶信號(hào)，選擇QPSK基帶信號(hào)作為Chirp信號(hào)前后通信信號(hào)填充[7]，進(jìn)行采樣后經(jīng)過成形濾波[8]，成形濾波與GMR-1標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定一致。信道仿真主要針對(duì)信號(hào)在陰影衰落導(dǎo)致的極低信噪比和高速移動(dòng)導(dǎo)致的多普勒環(huán)境下。

在信道不同信噪比情況下通過仿真來說明Chirp信號(hào)捕獲算法的性能，圖5為檢測(cè)1 000次，單個(gè)Chirp信號(hào)周期及采用多個(gè)Chirp信號(hào)周期聯(lián)合捕獲算法仿真結(jié)果，在接收端對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行4倍采樣，捕獲時(shí)刻偏離Chirp信號(hào)實(shí)際同步時(shí)刻2個(gè)采樣點(diǎn)內(nèi)，判斷為捕獲成功。

圖5 Chirp信號(hào)捕獲性能仿真

由仿真結(jié)果可得，對(duì)接收信號(hào)單周期捕獲時(shí)，接收Chirp信號(hào)信噪比為Es/N0=-9dB下捕獲概率約為50%。本文算法充分利用兩路峰值頻率變化信息，捕獲概率高于文獻(xiàn)[2]算法。由于Chirp信號(hào)在系統(tǒng)中重復(fù)出現(xiàn)，接收多個(gè)Chirp信號(hào)周期時(shí)，Es/N0=-11dB下捕獲概率接近90%，接收終端能準(zhǔn)確捕獲Chirp信號(hào)，并進(jìn)行頻偏估計(jì)。

為了提高Chirp信號(hào)的捕獲成功率，可以考慮多個(gè)Chirp信號(hào)周期聯(lián)合捕獲保證捕獲性能。這些工作大部分只是在移動(dòng)終端開機(jī)時(shí)或者搜索起始階段進(jìn)行，計(jì)算量不會(huì)太大。

圖6為在完成Chirp信號(hào)捕獲后進(jìn)行頻偏估計(jì)的性能仿真，頻偏為500Hz，L′=30，仿真1 000次。

圖6 Chirp信號(hào)頻偏估計(jì)

fd的計(jì)算主要依靠FFT的結(jié)果進(jìn)行，利用FFT估計(jì)頻偏時(shí)可以通過峰值頻率交叉點(diǎn)前后若干長(zhǎng)度的FFT頻偏估計(jì)結(jié)果進(jìn)行求和平均處理，可以得到較精確的頻率估計(jì)值。由圖6可知，在低信噪比下，本文算法頻偏估計(jì)均方誤差明顯低于文獻(xiàn)[2]算法。本文算法在信噪比達(dá)到-5dB時(shí)，頻偏估計(jì)均方誤差在10Hz以內(nèi)，滿足系統(tǒng)初始頻偏估計(jì)要求。

4 結(jié)論

利用Chirp信號(hào)峰值頻率的變化特點(diǎn)，本文用在本地產(chǎn)生兩個(gè)峰值頻率對(duì)照的樣本序列，進(jìn)行似然估計(jì)來捕獲接收信號(hào)中Chirp信號(hào)的準(zhǔn)確位置，實(shí)現(xiàn)定時(shí)同步和頻偏估計(jì)。該方法能準(zhǔn)確捕獲Chirp信號(hào)，在低信噪比環(huán)境下，捕獲概率較高，頻偏估計(jì)性能優(yōu)于傳統(tǒng)算法。本文算法在接收信號(hào)為多個(gè)Chirp信號(hào)周期的情況下，低信噪比捕獲性能具有顯著優(yōu)越性。本文同步方案已用于工程實(shí)踐，實(shí)際性能與仿真結(jié)果一致。

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吳春航(1990— )，女，碩士生，主研衛(wèi)星移動(dòng)通信的時(shí)頻同步技術(shù)；

華韻之(1993— )，女，本科生，主研無線移動(dòng)通信；

劉解華(1976— )，博士，高級(jí)工程師，主研衛(wèi)星通信和通信導(dǎo)航一體化技術(shù)；

劉 凱(1985— )，碩士，主研衛(wèi)星移動(dòng)通信的信道傳輸技術(shù)。

責(zé)任編輯：薛 京

Timing and Frequency Synchronization Algorithm Based on Chirp Signal in Mobile Satellite Communication System

WU Chunhang1, HUA Yunzhi2, LIU Jiehua3, LIU Kai3

(1.KeyLabofMobileCommunicationTechnology,ChongqingUniversityofPostsandTelecommunications,Chongqing400065,China;2.NanjingUniversityofPostsandTelecommunications,Nanjing210023,China;3.HwaCreateCorporationLtd.,Beijing100094,China)

Influenced by the Doppler frequency drift and shadow fading, signals in mobile satellite communication system attenuate and deteriorate a lot, affecting the general receive performance of the system.A novel timing and frequency synchronization algorithm in mobile satellite communication system is proposed.The new algorithm is suggested to capture the Chirp signal on the downlink at the receiving terminal.According to the frequency feature of chirp signal multiplied by a local reference signal, the proposed algorithm provides a way to capture chirp signal and estimate the frequency offset.Through simulations and analysis, the performance of acquisition of Chirp signal and frequency offset estimation are evaluated under different SNRs.The results show that under the circumstance of low SNR caused by shadow fading and Doppler frequency drift in high-speed environment, the proposed algorithm achieves superior acquisition performance, and frequency offset estimation performance satisfy the system requirement.

mobile satellite communication; Chirp signal; synchronization; acquisition; frequency offset estimation

國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA01A509)；國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題(2013ZX03006003-002)；專利“一種衛(wèi)星移動(dòng)通信接收端定時(shí)捕獲裝置和方法”(201310714702.1)

TN927.23

A

10.16280/j.videoe.2015.07.018

2014-10-23

【本文獻(xiàn)信息】吳春航，華韻之，劉解華，等.衛(wèi)星移動(dòng)通信中利用Chirp信號(hào)的時(shí)頻同步算法[J].電視技術(shù),2015，39(7).