一種機載衛星通信終端頻率捕獲跟蹤算法

段勇存，王力男,裴文端

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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一種機載衛星通信終端頻率捕獲跟蹤算法

段勇存，王力男,裴文端

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要：作為一種特殊的衛星通信設備，機載衛星通信終端在工作環境上和普通通信終端有很大的區別。在終端通信過程中，多普勒頻移變化給頻率捕獲和跟蹤帶來了很大的困難。針對機載終端通信過程中多普勒頻移變化快的問題，提出一種多波束載波頻偏估計算法。詳細描述了頻率捕獲和同步跟蹤的過程，通過利用相鄰波束的頻率校正信道，在每一個TDMA幀中搜索頻率校正信息，可以在較短時間內鎖定頻率和定時信息。通過MATLAB對算法進行了仿真，結果表明該算法能有效地解決載波快速捕獲與精確跟蹤的問題。

關鍵詞：機載終端；相鄰波束；多普勒頻移；頻率捕獲跟蹤

0引言

在機載衛星移動設備通信中，由于發送機和接收機之間快速的相對運動，使得接收信號遭受多普勒效應影響[1]，其次，由于衛星功率的限制，信號強度不會很高，長距離的傳輸引入大量的噪聲，信號會受到噪聲的影響，給接收系統進行正確的接收和處理帶來很大的麻煩。另外在飛機飛行姿態與飛行速度變化時，都會產生多普勒頻移變化[2]。接收信號將存在一個不斷變化的多普勒頻偏。

本文所基于的系統采用GEO衛星進行通信，當機載終端以1 000 km/h的速度運行時，在3g的加速度下，多普勒頻偏可以達到幾千赫茲[3]。如此大的多普勒頻偏變化會對信號解調過程造成極大的影響。因此，實現機載衛星通信終端的信號傳輸的關鍵點應為在較低信噪比、高動態的環境下的載波信號捕獲和跟蹤[4]。

1信號捕獲

在信號捕獲過程中，機載終端和手持/車載終端不同，其工作環境存在較大的多普勒頻移，機載終端的動態變化，引起一段時間之內頻率可能會出現較大的變化。系統定義單個波束中固定數量突發幀結構中只含有一個FCCH(頻率校正信道)[5]。通過研究標準，可以搜索到當前波束以及相鄰波束中的信息，利用波束七色復用(如圖1所示)，同時搜索相鄰波束中的FCCH信道，實現每幀都搜索FCCH，而在每幀內，頻率最大變化為4 Hz，這樣相鄰波束的頻率信息在相對較小的頻率變化后及時捕獲頻偏信息，進而完成頻率和定時的初始捕獲[6]。

圖1　波束七色復用

頻率校正突發(FCCH)采用chirp調制，若chirp信號表達式為：

x(t)=cos(πμ(t-T/2)2)，

式中，chirp信號持續時間為(0，T)，則chirp信號的掃頻帶寬為B=μT。

頻率控制信道占用n個時隙，每個時隙m個符號周期，chirp信號持續m*n個符號周期，信道符號速率fs為16 ksps，其調制基帶信號復包絡定義為：

式中，p(t)是一個(-T/2,T/2)內為1、其余為0的單位矩形脈沖，μ=0.96/(120T2)，chirp信號帶寬B=μ*120T=0.96/T，T=1/fs=0.062 5ms，相應的，掃頻帶寬為15.36 kHz，即掃頻范圍為(-7.68 kHz,7.68 kHz)。可以完成機載終端最大的多普勒頻移2.03 kHz的捕獲[7]。

在初始頻率捕獲階段，處理流程如圖2所示，將接收信號與本地上下兩路掃頻信號相乘后再進行快速傅里葉變換(FFT)，通過檢測頻域峰值位置的變化規律[8]，即可估計出初始頻率偏差。

圖2　頻偏初始捕獲

chirp搜索判決條件：

① 上掃頻支路計算出的峰值頻率f1和下掃頻支路計算出的峰值頻率f2產生交叉，且交叉點前、后幾對f1、f2滿足斜率絕對值相等、符號相反；

② 交叉點處上、下掃頻支路的峰值功率P1和P2比較接近，且交叉點前、后幾對P1、P2值要分別小于交叉點處的P1、P2值。

同時滿足以上兩個條件，即認為捕獲到chirp信號。按照圖2中頻偏初始捕獲流程，設計出chirp搜索的實現框圖如圖3所示。本地上下掃頻數據經過選通器(MUX)分別和采樣數據相乘，進而通過FFT模塊，平方和之后得到頻譜峰值，設置觀測窗口完成對chirp信號的搜索，得到頻率偏移和定時偏移的信息。

圖3　chirp搜索實現框圖

頻率校正突發信道處理完成后的頻偏信息的精度為Ts*N/P*2，其中Ts為采樣速率，N為采樣倍數，P為FFT的點數。通過降低采樣速率，或者適當增加FFT長度來獲得一個更佳的頻率分辨率和更高的抗噪性能(FFT的長度的變大會導致FFT的運算量有很大的增加)，將初始捕獲的頻偏精度提高。

2載波同步跟蹤

2.1頻偏估計

頻率偏差估計算法的原理就是對接收信號進行相應處理，可以得到含有載波頻率偏差f0的信號，然后利用頻偏估計算法再對該信號進行估計，從而得到頻偏估計值。在機載衛星通信終端中，多普勒頻移使得接收機信號中存在高動態的載波頻率偏差[9]。為了實現載波相位的快速準確捕獲，需要有一個頻率跟蹤環路輔助載波相位跟蹤環路。在以往的載波頻率跟蹤環路或者載波頻偏參數估計算法中，交叉噪聲引入頻率跟蹤環路，使得頻偏誤差控制精度與輸入信噪比之間存在很強的依賴性，其性能受到限制[10]。

本文提出一種快速傅里葉變換FFT載波頻偏估計器算法，它無需輔助數據(NDA)就能直接檢測得到載波頻偏絕對值大小，當輸入端信噪比大于一個門限時[11]，其頻偏估計值的誤差精度只與頻偏檢測其設計參數有關，而與輸入端信噪比無關，并且非常適合于FPGA實現。頻偏估計過程如圖4所示。

圖4　頻偏估計過程

2.2相位估計

由于噪聲等因素的影響，經過頻偏估計和校正之后的結果與實際的頻偏有誤差，使用上一個突發數據FFT頻率估計后的頻差信息，還剩下沒有去掉的小頻差。此時的較小的頻偏相對與符號速率是個慢變化，可認為在短時突發信號中沒有頻偏，只有相偏，需要減少這個剩余的小頻偏對性能的影響[12]。

算法介紹：載波相位恢復算法采用V&V算法，首先對數據進行M次方運算，BPSK進行2次方，QPSK進行4次方，8PSK進行8次方運算，完成后把數據暫存。進行估計載波瞬時相位運算，包括累加、平均、求角度，求出頻差信息。與輸入原始數據相乘。消除頻差。

載波瞬時相位估計算法如下：① 每N個數據分為一段，對數據進行累加；(圖5中N取16);② 前后兩個數據進行差分相乘；③ 累加差分數據；④ 求角度；⑤ 角度截位處理，如果是M次方，N個數據累加，那么對計算出的角度值進行截位，截J位，其中J=log2(N*M)。

圖5　相位估計流程

如圖5所示，取N=16時，具體計算步驟為：

y=x2*(x1)*+x3*(x2)*+x4*(x3)*+……，

相應的FFT估計頻差為：

式中，BCCH(X,N+j)表示第x波束N+j幀的BCCH信道，PCHy,N+j表示第y波束N+j幀PCH信道。

相位估計算法為：ΔφN=

式中，BCCHX,N+j,partk表示第x波束N+j幀的BCCH信道經過非線性變換后的第K段信號，PCHy,N+j,partk表示第y波束N+j幀PCH信道后的第K段信號，對4個相鄰信道估計出的相位進行平均后得到相位估計值。

3仿真實現

本文的仿真模型是在MATLAB中建立的。仿真實驗中采用的信道為240個符號長度，符號速率16 ksps，采樣倍數為4倍采樣。加入如表1中所示的最大多普勒頻移和多普勒變化率。

表1　機載終端多普勒參數變化

如圖6仿真結果所示，本文中算法可以完成機載終端的頻率捕獲和跟蹤，算法的誤比特率和理論值接近，滿足系統對于信噪比門限和性能的要求。

圖6　算法和理論之間的誤比特率比較

4結束語

針對機載終端工作環境的特殊性，結合系統特點，提出新的頻率捕獲和跟蹤算法，充分利用系統相鄰波束的頻率校正信息，在較短的時間完成頻率變化的捕獲，通過在系統常用信道下的仿真實驗，表明算法可以達到性能要求，從而完成終端的通信過程。

參考文獻

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A Frequency Acquisition and Tracking Algorithm of Airborne Satellite Communication Terminal

DUAN Yong-cun,WANG Li-nan,PEI Wen-duan

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Abstract：As a special satellite communication equipment,the airborne satellite communication terminal operates in an environment very different from common communication terminals.Under the circumstances of high Doppler shift,it is difficult to achieve frequency acquisition and tracking in the process of communication.To solve the problem that airborne terminal’s Doppler frequency shift changes quickly in the process of communication,this paper presents a multibeam carrier frequency offset estimation algorithm.The process of frequency capture and synchronous tracking is described in detail.During this process,the algorithm searches frequency correction information of each TDMA frame by using the frequency correction channel of adjacent beam,in another word it can determine the initial frequency and timing information in a relatively short period of time.The algorithm is simulated by MATLAB,and the results show that it can effectively implement fast carrier acquisition and accurate tracking.

Key words：airborne terminal；adjacent beam；Doppler shift；frequency acquisition and tracking

中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A

文章編號：1003-3114(2016)03-33-4

作者簡介：段勇存(1990—)，男，在讀研究生，主要研究方向：衛星移動通信調制解調。王力男(1968—)，男,研究員,主要研究方向:衛星移動通信。裴文端(1964—)，男，研究員，主要研究方向：衛星通信系統。

收稿日期：2016-02-26

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.03.09

引用格式：段勇存，王力男，裴文瑞.一種機載衛星通信終端頻率捕獲跟蹤算法[J].無線電通信技術,2016,42(3):33-36.