一種衛星TDMA信號解調的方法

趙 倩

國家新聞出版廣電總局九五一臺，河北石家莊 050407

0 引言

衛星TDMA通信系統中，轉發器處于單載波工作狀態，不存在FDMA方式的互調問題，衛星功率利用率可達90%以上，頻帶幾乎可以全部利用，易于實現星上交換，信息速率高低適用，便于數字技術實現。因此衛星TDMA方式應用越來越廣泛。本文設計了一種TDMA信號的接收解調方法，對此類信號的接收及解調技術具有一定的參考價值。

突發信號的數字相干解調需要載頻同步快速。信號突發時隙具有導頻信號的特征。利用導頻信號可以完成載波的快速捕獲同步。FFT達到的頻率分辨率并不能滿足數字載頻同步環路所需要的精度，這樣就需要做載頻頻率的精細測量，頻域分析已經不能滿足，可以在時域進行測量，對信號進行差分檢測和一定時間內積分平均濾除噪聲影響，可以獲得較高的頻率測量精度。

1 TDMA時隙信號檢測

TDMA分幀幀頭一般有用于載波恢復和碼元同步的特殊碼元。碼元為全‘1’碼型，或‘0’和‘1’循環碼型。在頻域表現為單頻。所以通過檢測單頻來確認時隙信號的出現時刻，通過精確測量單頻的頻率值，可以估計載頻頻率值。低軌衛星通信系統的多普勒頻移變化率不大于1kHz/s，可見在幾毫秒內載頻的多普勒頻移約幾個赫茲，可以忽略多普勒效應的影響。

估計出TDMA實現信號的載頻頻率和起始時刻后，將該信道的突發時隙數字下變頻，附帶頻道號、起始時刻緩存后等待解調。

2 數字AGC

由于數字載波同步環路受信號幅度影響，解調器輸入信號要求穩定在2dB以內。TDMA信號的突發特性和解調器的多信道接收解調體制，決定了AGC的方式只能是數字AGC模式，所以需要進行數字AGC控制，使環路工作在最佳狀態。AGC的控制依據是信號搜索得到的信號幅度，數字解調前的信號幅度可以達到正負1db精度。

本設計的數字AGC實現框圖如圖1所示，信號檢測模塊，在檢測信號突發時刻和載頻頻率的同時，可以得到信號電平，其精度可達到2db以內，將檢測的信號電平與門限比較，得到誤差信號，誤差信號經過簡單的查表，就可以得到數字增益，將緩存器中的數據完成數字增益控制，以待解調。

圖1 AGC實現框圖

3 數字下變頻

數字下變頻如圖2所示，與模擬中頻通道的功能一樣，主要有混頻，濾波，AGC，采樣率變換。關鍵部件是濾波器，通過合理的設計使濾波器和采樣率變換相結合，保證濾波性能的前提下消耗最小的硬件資源。數字AGC可以彌補模擬AGC增益控制范圍不夠大的弊病，并能保證采樣數據的精度，得到最佳的解調效果。

4 多普勒頻移估計

由于多普勒頻移較大，對頻率的測量分為粗測和精測兩步，粗測是在信號檢測到后，取其單頻部分做FFT，搜索FFT峰值確定信號頻率，實現大頻率偏移的校正，精測是用粗測得到的頻率對信號做正交數字下變頻及濾波抽取，然后重復利用單頻部分數據，用LP算法進行頻率精測。

信號采樣速率表示為fs， fd表示多普勒頻移的估計值，D為延遲的采樣點數，N為參與平均處理的數據點數。LP算法頻率估計的范圍F由fs和D決定，估計精度由輸入信號的信噪比（SNR）、D和N決定，估計誤差與延時D和SNR成反比。

圖2 數字下變頻實現框圖

圖3 碼匹配處理

5 解調處理

解調TDMA信號時，載波已經由TDMA時隙檢測模塊精確估計給出。所以載波快速同步鎖定。鎖相環的捕獲帶大于最大多普勒頻移和載波估計的誤差，即可以滿足要求。

5.1 載波恢復算法

數字解調器中的載波恢復算法主要分為非判決反饋載波恢復法和判決反饋載波恢復法。由于判決反饋的方法性能優于非判決反饋方法，所以本設計采用判決反饋方法來進行載波恢復。

解調器將中頻信號經數字下變頻轉為基帶信號后存在載波相位誤差，實現解調需要消除這部分偏差。可證明其載波相位誤差的鑒相特性曲線為正弦函數，相位誤差經環路濾波器后進入數控振蕩器，數控振蕩器產生相位估計值對輸入信號進行相位誤差補償。其中環路濾波采用二階數字濾波器。

對于TDMA信號，要達到高性能的解調效果，須對載波頻差、相差進行快速捕獲跟蹤，并且環路鎖定后還要保持較小的穩態誤差。為此，開始解調時，應設置較大的環路參數，待鎖定后要減小環路參數。

5.2 判決時刻提取

TDMA信號具有起始同步字的特征。利用這個特征做碼元的定時估計。其基本原理是碼字相關，I、Q兩路相關器的輸出求模，峰值檢測得到最佳判決時刻。

在本設計中，同步字是12個碼元，采樣倍數為12倍，所以相關匹配濾波器的階數為144階。其實現結構如圖3所示。

確保成功檢測實現信號的關鍵是特殊字相關，相關的結果完成定時誤差的檢測和校正的同時，I、Q相關器輸出，在最佳判決時刻的相位，用來做數字載波同步環路的相位模糊校正，得到信號的數字解調結果。

6 結論

通過對衛星TDMA信號的分析，提出了應用TDMA信號時隙檢測，多普勒頻移測量，載波恢復和判決時刻提取等方法，實現對衛星TDMA信號的解調，并在基于FPGA信號處理平臺上進行實現，完成了TDMA分幀信號的接收解調處理，系統具有高度的靈活性和可擴展性，對類似信號的處理有一定的參考價值。

[1]羅利春.無線電偵察信號分析與處理[M].國防工業出版社，2003.

[2]楊小牛，樓才義，等.軟件無線電原理與應用[M].電子工業出版社，2001.

[3]呂海寰，蔡劍銘，等.衛星通信系統[M].人民郵電出版社，1994.