一种低轨星座系统终端载波同步方法及载波同步解调装置
阅读说明：本技术 一种低轨星座系统终端载波同步方法及载波同步解调装置 (Carrier synchronization method and carrier synchronization demodulation device for low-orbit constellation system terminal ) 是由 周微 张庆业 王力男 王涛 袁旭彬 仲伟强 于 2021-10-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种低轨星座系统终端载波同步方法及载波同步解调装置,属于卫星通信领域。载波同步方法包括以下步骤：终端将下行时域信号经过低通滤波和数据降采样后进行时域主同步信号PSS快速捕获,完成时域信号定时和频率的粗估计；终端将粗定时和频率估计信息送入定时调整模块和数字下变频完模块分别完成定时调整和频率补偿；将粗同步后的时域数据进行FFT处理,完成时域信号到频域信号的变换；将频域数据送入细定时同步模块完成定时粗同步估计以及定时细同步估计,利用细定时估计信息对频域数据进行补偿处理,同时对频域数据进行解扩处理,并将解扩后参考信号送入频率估计模块完成载波细频率估计。(The invention discloses a low-orbit constellation system terminal carrier synchronization method and a carrier synchronization demodulation device, and belongs to the field of satellite communication. The carrier synchronization method comprises the following steps: the terminal rapidly captures a time domain primary synchronization signal PSS after low-pass filtering and data down-sampling a downlink time domain signal to finish the rough estimation of time domain signal timing and frequency; the terminal sends the rough timing and frequency estimation information to a timing adjustment module and a digital down-conversion completion module to respectively complete timing adjustment and frequency compensation; performing FFT processing on the time domain data after coarse synchronization to complete the conversion from the time domain signal to the frequency domain signal; and sending the frequency domain data into a fine timing synchronization module to finish timing coarse synchronization estimation and timing fine synchronization estimation, compensating the frequency domain data by using fine timing estimation information, simultaneously performing de-spreading processing on the frequency domain data, and sending a reference signal after de-spreading into a frequency estimation module to finish carrier fine frequency estimation.)
技术领域
本发明属于卫星移动通信技术领域，特别是指一种低轨卫星星座系统低信噪比环境下终端载波定时和频率同步方法。
背景技术
在卫星移动通信系统中，通常采用TDMA\FDMA技术体制。其中，FDMA(FrequencyDivision Multiple Address，频分多址)系统上下行频谱资源完全独立分开使用，TDMA(Time Division Multiple Address，时分多址)系统帧结构由超高帧、超帧、复帧、帧和时隙号组成，而在低轨星座系统中由于卫星和地面终端之间相对位置变化快导致定时漂移和多普勒频率偏移大等特点，并且在低轨星座全球运转经过不同的国家和地区下，新一代低轨卫星星座具有载荷基站上星需求，同时为了满足国际电联对卫星落地功率谱要求，导致低轨卫星星座整个下行链路功率谱密度会较低，所以在低信噪比和干扰环境下对终端的载波同步技术提出更高的能力要求。
目前，现有技术中对低轨星座中定时和频率的跟踪方法针对高频谱效率的OFDM结合CDMA技术体制低轨卫星场景中还没有详细的介绍，并且现有低轨体制都主要集中于CDMA时域扩频以及TDMA/FDMA相关传输技术研究，而且低轨星座相关地面移动通信终端还没有商用小型化设计，绝大多数为实验测试设备，相关定时估计和频率漂移都依赖于高稳定度及精度的硬件时钟方案设计。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种低轨星座系统终端载波同步方法及载波同步解调装置，该装置及方法不依赖于硬件条件，而是采用软件算法完成OFDM联合频域CDMA扩频通信体制场景在低信噪比微弱信号下定时和频率的跟踪补偿，能有效地减少卫星信号落地功率谱密度。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种低轨星座系统终端载波同步方法，包括以下步骤：
(1)将OFDM中的参考信号设置为固定实数值，并进行CDMA扩频处理，然后将扩频后的参考信号映射占满整个OFDM时域符号和频域所有子载波位置，其中数据信号和参考信号在频域叠加后再进行加扰和IFFT变换处理；
(2)将粗同步后的时域下行信号进行FFT变换，得到频域信号，然后在频域对每一个子载波信号完成反旋转因子ej2πkτ/N补偿处理，其中k＝0,1,2,…,N-1，τ为搜索定时预补偿值，取值范围为[-L·Ts,L·Ts]，τ值每步径取值为Ts/M，其中Ts为采样点时间间隔，L和M为正整数，N为子载波数目；
(3)利用步骤(2)中每步径τ值对每个子载波进行预补偿处理，然后再对参考信号进行解扩处理，每N个子载波解扩出一个参考符号Q值，并对Q值进行能量模值运算，总计得到2LM+1个τ值步径对应的Q模值；
(4)利用步骤(3)中的2LM+1个步径Q模值进行多个符号间的累加处理，并从中找出最大峰值，其中峰值对应的横坐标即为定时偏移估计值τ’；
(5)利用步骤(4)中的τ’值对频域信号进行每子载波ej2πkτ’/N定时预补偿，降低定时误差对扩频信号的同步影响，然后通过FFT变换对解扩后的参考信号符号数据进行细频率的估计，利用FFT后幅度峰值信息得到细频偏估计值f’；
(6)利用步骤(4)中的τ’值对外部输入的基带时域信号进行定时调整，当τ’值超过整数倍定时采样点阈值后完成本地计数器的定时调整，同时将τ’更新为剩余小数倍采样点值；此外，利用步骤(5)中的细频率估计值f’对定时调整后的基带时域信号进行数字下变频，完成频率的跟踪补偿。
此外，本发明还提供一种低轨星座系统终端载波同步解调装置，包括定时调整模块、数字下变频模块、数字滤波器模块、PSS同步模块、FFT模块、细定时同步模块、细频率估计模块、解调模块和译码模块；其中：
定时调整模块接收基带时域信号，根据PSS同步模块输出的粗定时信息和细定时同步模块输出的细定时估计值τ’进行基带时域信号的样点、时隙、子帧和帧计数，并将定时调整后的基带时域信号送入到数字下变频模块；
数字下变频模块根据PSS同步模块输出的粗频率估计值和细频率估计模块输出的细频率估计值f’进行频率调整，并对定时调整后的基带时域信号进行数字变频补偿处理，将变频后的时域基带信号送入数字滤波器模块和FFT模块；
数字滤波器模块将数字下变频模块送来的信号进行滤波处理，滤除信号带宽外信号，并将滤出的时域信号降速抽取后送入到PSS同步模块；
PSS同步模块将数字滤波器模块送来的信号进行时域的相关捕获处理，完成初始同步过程，输出PSS同步信息给FFT模块，并送出粗定时信息到定时调整模块，送出粗频率估计值到数字下变频模块；
FFT模块利用PSS同步信息将数字下变频模块输出的信号进行FFT变换，完成时域信号到频域信号的变换，并将变换后的频域信号送入细定时同步模块；
细定时同步模块将频域信号进行细定时相关的定时估计计算，并将计算后的细定时估计值τ’送入定时调整模块以完成细定时同步调整过程；
细频率估计模块将细定时调整后参考信号的频域数据进行解扩处理，然后利用FFT变换进行细频率的估计，并将细频率估计值f’送入到数字下变频模块以完成精确的频率补偿；
解调模块将细频率估计后的频域数据进行解扩处理以及信道估计与均衡，并将解调后的数据送入译码模块完成数据的信道译码处理。
采用上述技术方案取得的有益效果在于：
1、本发明基于卫星移动通信系统中采用OFDM联合频域CDMA扩频体制，可以利用OFDM频谱效率高以及CDMA抗干扰能力强特点，能有效完成在弱信号以及干扰环境下卫星信号的定时频率估计，并且能有效降低低轨星座卫星下行信号的功率谱密度，有效提升在大多普勒环境下的载波同步估计与跟踪能力。
2、本发明不依赖于硬件条件，而是采用成熟软件算法和系统流程控制实现，技术成熟度比较高，实现简单可靠。
附图说明
图1为本发明实施例的原理框图；
图2为本发明实施例中卫星移动通信系统每子帧子载波映射图；
图3为本发明实施例中PSS同步模块效果图，横轴坐标精度为Ts；
图4为本发明实施例中细定时同步模块的实现框图；
图5为本发明实施例中细定时同步模块的定时估计效果图，横轴坐标精度为Ts/8；
图6为本发明实施例中细频率估计模块实现框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种低轨星座系统终端载波同步解调装置，其包括定时调整模块、数字下变频模块、数字滤波器、PSS同步模块、FFT模块、细定时同步模块和细频率估计模块。其中，PSS同步模块中终端将下行时域信号经过低通滤波和数据降采样后进行时域PSS快速捕获，完成时域信号定时和频率的粗估计过程；细定时同步模块负责低信噪比下的大范围定时粗同步估计以及小范围定时细同步估计，并利用细定时估计信息完成对频域数据进行补偿处理，同时对频域数据进行解扩处理，并将解扩后参考信号送入频率估计模块完成载波细频率估计。
上述装置中的载波同步过程主要包括以下步骤：
(1)终端将下行时域信号经过低通滤波和数据降采样后进行时域主同步信号PSS快速捕获，完成时域信号定时和频率的粗估计过程，PSS时频位置和导频分布如图2所示，PSS占用每个时隙的第2个符号位置，导频符号和数据符号占用其余符号位置，在频率上占用全部子载波带宽；
(2)终端将粗定时和频率估计信息送入定时调整模块和数字下变频完模块分别完成定时调整和频率补偿；
(3)将粗同步后的时域数据进行FFT处理，完成时域信号到频域信号的变换；
(4)将频域数据送入细定时同步模块完成低信噪比下的大范围内定时粗同步估计以及小范围内定时细同步估计，利用细定时估计信息对频域数据进行补偿处理，同时对频域数据进行解扩处理，并将解扩后参考信号送入频率估计模块完成载波细频率估计。
以下为一个更具体的载波同步过程，其包括以下具体实施步骤：
(1)终端将下行时域信号经过低通滤波和数据降采样后送入PSS同步模块，由PSS同步模块完成时域信号定时捕获和频率的粗估计过程，其中PSS的捕获算法和实现过程参考地面通用标准实现，其中PSS时域滑动相关峰值搜索效果图如图3所示，峰值位置多对应的横坐标即为粗同步位置。
PSS检测的原理是利用PSS序列的时频特性(恒幅、零自相关)，首先在本地生成PSS时域序列，将所有这些PSS序列分别与接收到的信号进行滑动互相关，估算出PSS序列的起始位置，并且判断出最大的相关峰值所对应位置即为PSS粗同步定时位置。在PSS定时偏移估计已经完成的条件下，利用时域的本地PSS序列共轭点乘接收到的时域PSS符号，去掉序列信息；然后分成两部分后分别进行求和，最后估计频偏大小：
其中，rpss,i为第i次接收到的PSS序列，spss为本地生成的PSS序列，N为OFDM符号FFT样点长度。同时我们也可以多个PSS信号联合估计Cacc＝∑lC(l)，由此计算归一化小数倍频偏为：
式中，angle()为求角度运算；
(2)定时调整模块将PSS同步模块估计的粗定时信息进行计数器定时调整，数字下变频模块将PSS同步模块估计的粗频率频率进行补偿；
(3)FFT模块将粗同步后的时域数据进行FFT处理，完成时域信号到频域信号的变换过程；
(4)细定时同步模块将在频域对每一个子载波信号r(k)完成反旋转因子ej2πkτ/N补偿处理，即r(k,τ)＝r(k)·ej2πkτ/N，其中k＝0,1,2,…,N-1，τ为搜索定时预补偿值，取值范围[-L·Ts,L·Ts]，τ每步径可取值为Ts/M，其中Ts为每采样点时间间隔，L和M为正整数，N为子载波数目，τ值取值步径总个数为2LM+1；
(5)细定时同步模块针对每步径的τ值对每个子载波进行预补偿处理，然后再对参考信号RS进行解扩处理，即每N个子载波解扩出一个参考符号Q值，即其中c(k)对应为每个子载波扩频码，并对Q值进行能量的模值运算，可以总计得到2LM+1个步径Q模值||Q(τ)||，具体细定时同步模块的计算过程如图4所示，其中包括了FFT、反旋转、解扩、模值计算等过程；
(6)细定时同步模块将每个OFDM符号上计算出来的2LM+1个步径||Q(τ)||值进行多个符号间的累加处理，即并从Q'(τ)中找出最大峰值，其中最大值所在对应的横轴位置即为定时偏移估计值τ’值，最后峰值计算结果分布如图5所示，横轴单位为Ts/M；
(7)细频率估计模块将定时估计τ’值对频域信号进行每子载波ej2πkτ’/N定时预补偿，即r(k,τ')＝r(k)·ej2πkτ'/N，然后再对参考信号RS进行解扩处理Q(τ')，并将解扩后Q(τ')数据送入到FFT核进行细频率的估计，并利用FFT后幅度峰值信息完成细频偏的估计f’，上述具体处理流程如图6所示，其中FFT估计采用频率为：
上式中fs为频域信号采样速率，为频域信号FFT子载波点数，CPLEN为OFDM符号CP长度；当用2048点FFT核进行运算时，频率估计精度为FFTfs/2048。
(8)定时调整模块将对细定时估计τ’值进行判决，当τ’值超过整数倍定时采样点阈值后即可以启动定时调整模块完成本地计数器的定时调整，同时将τ’更新为剩余小数倍采样点值；同时数字下变频模块将细频率估计f’值进行频率的跟踪补偿。
总之，本发明方法适用于低轨星座设计采用OFDM联合频域CDMA扩频通信体制场景，可以有效完成在弱信号以及干扰环境下卫星信号的定时估计和频率的跟踪补偿，能有效降低低轨星座在OFDM联合频域CDMA扩频体制下卫星下行信号的功率谱密度，并有效提升在大多普勒环境下的载波同步估计与跟踪能力。