通信工程的碩士畢業(yè)論文(2)
通信工程的碩士畢業(yè)論文
通信工程的碩士畢業(yè)論文篇2
淺談衛(wèi)星通信中一種突發(fā)信號(hào)的解調(diào)算法
突發(fā)信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)的解調(diào)算法，并對(duì)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(duì)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(yǔ)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(hào)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(hào)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(hào)的捕獲，F(xiàn)CCH信道使用chirp調(diào)制信號(hào)，用來(lái)完成信號(hào)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(hào)檢測(cè)處理，可以直接進(jìn)行運(yùn)算處理。突發(fā)信號(hào)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(hào)變頻到基帶信號(hào)，接收濾波對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行匹配濾波，定時(shí)誤差模塊對(duì)濾波后的信號(hào)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(hào)信號(hào)，符號(hào)信號(hào)進(jìn)行頻率估計(jì)、初相估計(jì)以及針對(duì)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(guò)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(hào)數(shù)據(jù)，可以通過(guò)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(guò)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(kāi)環(huán)算法或者前向算法，對(duì)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(zhǎng)、收斂慢、偶爾出現(xiàn)“假鎖”，一般不應(yīng)用在突發(fā)信號(hào)的定時(shí)同步中;開(kāi)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(zhǎng)和收斂慢的問(wèn)題，適合突發(fā)信號(hào)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(hào)，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(hào)周期T內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，L是突發(fā)符號(hào)的長(zhǎng)度，r(k)是接收到的采樣數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算接收信號(hào)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(hào)只有6個(gè)符號(hào)的獨(dú)特字信息已知，信道傳輸?shù)恼{(diào)制信號(hào)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(duì)突發(fā)信號(hào)的載波估計(jì)，NDA的頻偏估計(jì)算法需要去除接收信號(hào)的調(diào)制信息，然后估計(jì)出信號(hào)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(duì)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反旋轉(zhuǎn)運(yùn)算后變成標(biāo)準(zhǔn)QPSK信號(hào)，再對(duì)反旋轉(zhuǎn)后的信號(hào)進(jìn)行4次方去調(diào)制。本文對(duì)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(zhǎng)度117個(gè)符號(hào)長(zhǎng)度，符號(hào)長(zhǎng)度太短，在低信噪比下進(jìn)行8次方，噪聲信號(hào)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(duì)信號(hào)4次方去調(diào)制處理。(如表1所示)
針對(duì)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(duì)定時(shí)恢復(fù)好的符號(hào)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(guò)程見(jiàn)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(hào)長(zhǎng)度，信道符號(hào)速率是23.4Ksps。
2.4 初相估計(jì)算法
信號(hào)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(hào)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(hào)序列和發(fā)射信號(hào)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(jiàn)該算法和理論曲線相差不大。
4 結(jié)語(yǔ)
本文針對(duì)Thuraya衛(wèi)星通信系統(tǒng)的通信體制，提出一種突發(fā)信號(hào)的解調(diào)算法，該算法對(duì)突發(fā)信號(hào)的定時(shí)和載波進(jìn)行估計(jì)，并結(jié)合信道中的UW字對(duì)初相進(jìn)行估計(jì)。經(jīng)過(guò)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(hào)，有較高的使用價(jià)值。