［段紅光 張滿軍 商震 錢繼坤］

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GMR-1衛(wèi)星通信系統(tǒng)的下行同步研究*

［段紅光 張滿軍 商震 錢繼坤］

摘要

在GMR-1衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，同步系統(tǒng)占有舉足輕重的地位。在2012年最新版本中的GMR-1 3G標(biāo)準(zhǔn)中加入了LDPC編碼技術(shù)和16APSK及32APSK調(diào)制技術(shù)，這些技術(shù)的引進(jìn)，降低了系統(tǒng)對性噪比的要求，但是對同步系統(tǒng)提出了巨大的挑戰(zhàn)。低信噪比要求同步系統(tǒng)需要有更優(yōu)的算法。因此文章提出了基于chirp信號傅里葉變換不變性的初始捕獲技術(shù)和基于DFT的同步跟蹤環(huán)技術(shù)，進(jìn)一步提高同步精度。

關(guān)鍵詞：信號與信息處理 初始捕獲 同步跟蹤 dual-chirp信號

段紅光

男，碩士，正高級工程師，重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，主要研究方向：GMR-1衛(wèi)星通信系統(tǒng)協(xié)議棧開發(fā)，TD-LTE協(xié)議棧開發(fā)。

張滿軍

商震

男，碩士，重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，學(xué)生，主要研究方向：GMR-1衛(wèi)星通信系統(tǒng)協(xié)議棧開發(fā)。

錢繼坤

男，南京郵電大學(xué)地理與生物信息學(xué)院，學(xué)士，學(xué)生，主要研究方向：GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)。

專項(xiàng)名稱：LTE-Advanced MIMO矢量分析儀 編號：2015ZX03001010-003

專項(xiàng)名稱：TD-LTE-Advanced大容量MIMO技術(shù)應(yīng)用與驗(yàn)證 編號2015ZX03001033-00

引言

在GMR-1衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中，利用的是下行信道FCCH或FCCH3實(shí)現(xiàn)同步功能的[1]。FCCH和FCCH3信道是用chirp信號調(diào)制的[2]。在現(xiàn)有的文獻(xiàn)中，都只對GMR-1 3G衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的初始捕獲算法做了大量的研究，對于同步跟蹤算法，沒有做過多的研究。對于最新演進(jìn)的GMR-1 3G協(xié)議加入了很多新技術(shù)（LDPC編碼，16APSK和32APSK[2]等），原有的同步技術(shù)顯得精度不夠。本文提出將Chirp信號的同步過程分為chirp信號初始捕獲過程(粗同步)和chirp信號同步跟蹤(細(xì)同步)過程。Chirp信號的初始捕獲主要是調(diào)整本地chirp信號的時間和頻率，使得本地的chirp信號和接收到的chirp信號的定時誤差和頻率誤差減?。籧hirp信號同步跟蹤功能則是自動調(diào)整本地chirp信號的定時，進(jìn)一步縮小定時誤差。典型的chirp信號同步策略就是利用chirp信號的脈沖壓縮性質(zhì)，接收信號通過下變頻再通過低通濾波器后，與本地的chirp信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算或者通過一個匹配濾波器。移動終端的捕獲器件調(diào)整時鐘源。一旦捕獲到信號有用信號，立即啟動跟蹤器件，進(jìn)一步調(diào)整時鐘源，使得本地chirp信號發(fā)生器與接收的chirp信號保持精確同步。

1　初始捕獲

目前常用的初始捕獲算法是根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]提出的算法及其改進(jìn)算法。在2012年最新版本中的GMR-1 3G標(biāo)準(zhǔn)中加入了LDPC編碼技術(shù)和16APSK及32APSK調(diào)制技術(shù)，這些技術(shù)的引進(jìn)，降低了系統(tǒng)對性噪比的要求，但是對同步系統(tǒng)提出了巨大的挑戰(zhàn)。低信噪比要求同步系統(tǒng)需要有更優(yōu)的算法?；诖耍疚脑谶@里提出了基于chirp信號傅里葉變換不變性和同步跟蹤環(huán)技術(shù)，進(jìn)一步提高同步精度。

假設(shè)發(fā)射機(jī)發(fā)送的信號為：

在單徑條件下的接收信號為：

1.1時間延時估計(jì)

接收機(jī)的上下兩路的匹配濾波器的脈沖響應(yīng)分別為：

接收信號r( t )經(jīng)過匹配濾波器后，輸出信號為：

其中：

這是一個近似的sinc()函數(shù)，其峰值對應(yīng)的時間可以表示為：

所以得到時間延時估計(jì)為：

1.2頻率偏移估計(jì)

根據(jù)chirp信號的傅里葉變換不變性可知：chirp信號經(jīng)過傅里葉變換后的頻域信號也是一個chirp信號[5]。因此和時域一樣，頻域也可以使用匹配濾波器，只不過此時的濾波器是頻域匹配濾波器。所以可以利用下面的方法實(shí)現(xiàn)頻率偏移估計(jì)。

這也可以看作一個近似的sinc()函數(shù)，其峰值對應(yīng)的頻率可以表示為：

所以得到頻率偏移估計(jì)為：

具體的實(shí)施方案如圖1。

2　同步跟蹤

經(jīng)過初始捕獲后，本地的chirp信號發(fā)生器經(jīng)過校正，在頻率和時間上基本達(dá)到同步要求，但是仍然存在部分誤差。由于chirp信號具有很強(qiáng)的抗頻偏性能，加之經(jīng)過初始捕獲過程的校正，頻率偏移基本消除。但是時間偏移仍然存在，這就需要同步跟蹤過程進(jìn)一步消除。

2.1同步跟蹤算法

如圖2所示，假設(shè)在t =0的信號是本地chirp信號（圖2中實(shí)線所示）。另一個信號（虛線所示）是經(jīng)過初始捕獲算法校正后的chirp信號，與本地chirp信號存在t1?或t2?的時間誤差，而這時延誤差導(dǎo)致了f1?或f2?的頻率偏移?？梢岳孟嚓P(guān)算法和DFT算法檢測誤差，算法原理如圖3所示。

圖2　非同步的兩個chirp信號

圖3　同步跟蹤模型框圖

設(shè)經(jīng)過初始捕獲算法校正過的接收信號為：

本地chirp信號為：

圖1　初始捕獲系統(tǒng)

經(jīng)過低通濾波器后：

信號的相位表達(dá)式為：

相應(yīng)的頻率表達(dá)式為：

2.2同步跟蹤實(shí)現(xiàn)

2.1節(jié)提出的算法可以通過DFT算法實(shí)現(xiàn)，具體過程如下推導(dǎo)：

其中Ts為采樣周期，表示采樣頻率。然后檢測信號幅度譜的最大值：

公式20取得最大值的條件是：

即時間延時估計(jì)為：

3　性能仿真

本次仿真中的數(shù)據(jù)為：帶寬B=32 kHz（GMR-1 3G協(xié)議信道最小帶寬采用的是31.24KHz），突發(fā)持續(xù)時間為T=0.5 ms，采樣率分別取2倍的帶寬。采用蒙特卡羅仿真，取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為5 000個。

3.1初始捕獲性能分析

初始捕獲的捕獲性能如圖4，在性噪比為-5dB時，捕獲率達(dá)到75％左右。正常情況下，移動終端的信噪比為5dB，捕獲率接近100％。

圖4　突發(fā)捕獲概率

3.2同步跟蹤性能分析

同步跟蹤性能仿真曲線如圖5，與理論曲線相差4dB左右，如果采用高效的糾錯碼技術(shù)可以進(jìn)一步降低誤碼率。

4　小結(jié)

本文利用了chirp信號的傅里葉變換不變性(時頻對稱性)實(shí)現(xiàn)初始捕獲。此外，為了進(jìn)一步提高估計(jì)精度，又提出了基于DFT的同步跟蹤算法，經(jīng)仿真完全符合GMR-1 3G衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的要求。

圖5　同步跟蹤系統(tǒng)誤碼性能

參考文獻(xiàn)

1ETSI TS 101 376-5-7.GEO-Mobile radio interface specifications(Release 3); third generation satellite packet radio service;Part 5:radio interface physical layer specifications;Sub-part 7:Radio Subsystem Synchronization;GMR-1 3G 45.010.2012.12

2ETSI TS 101 376-5-4.GEO-mobile radio interface specifications(Release 3); third generation satellite packet radio service; Part 5:radio interface physical layer specifications;Sub-part 4:Modulation; GMR-1 3G 45.004.2012,12

3Vishwanath.T.G.,Parr.M.,Shi.Z.L.,Erlich,S..Acquisitionmechanism for a mobile satellite system.United States Patent US7245930 B1,2007-01-17

4Vishwanath T.G.,Parr M.,Shi Z.L.,Erlich S..Synchronization inmobile satellite systems using dual-chirp waveform.United States Patent US 6418158 B1,2002-07-09

5Boumard .S.,Mammela.A.Time domain synchronization usingNewman chirp training sequences in AWGN channels.Proc.2005IEEE Int.Conf.Communication(ICC2005),Seoul,Korea,16 –20May 2005.2:1147 –1151

收稿日期：（2015-12-24）

通信作者，男，碩士，重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，學(xué)生，主要研究方向：GMR-1衛(wèi)星通信系統(tǒng)協(xié)議棧開發(fā)。

DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.03.012