低轨卫星通信系统快速频率捕获方法、系统及终端与流程

1.本发明属于空天地海一体化信息网络技术领域，涉及一种低轨卫星通信系统快速频率捕获方法、系统及终端。


背景技术：

2.空天地海一体化信息网络是以地面网络为依托、天基网络为拓展，采用统一的技术架构、统一的技术体制、统一的标准规范，由天基信息网、互联网和移动通信网互联互通而成，具有多样化业务承载、异构网络互联、全域资源管理等特点。空天地海一体化信息网络作为国家重要的信息基础设施，对于国土安全、应急救灾、交通运输、经济发展等多个领域有着重大战略意义。
3.低轨卫星通信作为空天地海一体化信息网络中的重要组成部分，有着覆盖范围广、接入灵活等优势。在低轨卫星通信中，发送端与接收端的晶振不同步发送信号的传播时延，会导致载波相位的偏移，且低轨卫星相对于地面终端有非常高的运动速度，收到的信号频率与卫星发送端的载波频率之间也会产生相当大的多普勒频移。低轨卫星距离移动终端相比地面基站要远的多，信噪比很低。大的频移和低信噪比对低轨卫星移动通信系统的载波同步，提出了更为严格的要求。
4.为了对抗大载波频偏，传统的估计算法可以分为数据辅助、非数据辅助两大类。其中，非数据辅助这一类估计算法的信噪比门限和复杂度较数据辅助估计算法高，因此，在短突发通信中，普遍采用基于导频符号的数据辅助估计算法。
5.数据辅助估计算法可以分成频域估计算法和时域估计算法两类，时域频偏估计算法主要是采用基于最大似然的估计准则，通过相关函数法求解频偏，估计精度较高，但由于受nyquist采样定理(奈奎斯特采样定律)的影响，在采样率为f
s
情况下，估计范围被限定在[
‑
f
s
/2,f
s
/2]范围以内，甚至更小；而频域估计算法主要通过fft将时域信号映射到频域，采用搜索峰值法估计频偏，其估计范围较大，但由于fft无法克服栅栏效应，因此其估计精度受限。


技术实现要素：

[0006]
本发明的目的在于提供一种低轨卫星通信系统快速频率捕获方法、系统及终端，能够有效将终端通信的频率偏移量降低到最小范围，保证整个卫星通信过程中的频率稳定性。
[0007]
为了达到上述目的，本发明的基础方案为：一种低轨卫星通信系统快速频率捕获方法，包括如下步骤：
[0008]
接收卫星周期播发的fcch(frequency correction channel，频率校正信道)信道信号m(n)，并根据fcch信道信号m(n)估计得到预补偿频偏估计值 f
r
；
[0009]
终端接收语音信号r(n)，采用预先频偏估计值f
r
对语音信号进行预补偿得到信号r1(n)；
[0010]
对信号r1(n)进行降采样处理，得到信号r2(n)；
[0011]
提取信号r2(n)中的uw(unique word，单一字符)控制字，基于uw进行粗频偏估计，得到粗频偏估计值f
e
，对信号r2(n)进行频偏补偿得到信号r3(n)；
[0012]
对信号r3(n)进行细频偏估计，得到细频偏估计值f
d
，对信号r3(n)进行频偏补偿得到信号r4(n)；
[0013]
提取r4(n)信号中的uw控制字，进行相位估计，获取相位估计值，根据相位估计值对r4(n)信号进行相偏补偿，得到信号x(n)，最后进行解调编译码。
[0014]
本基础方案的工作原理和有益效果在于：fcch周期广播，信噪比高，利于使用。对接收的语音信号先进行预补偿，这样频偏在较小范围内，然后采用本方案的粗频偏估计、细频偏估计，以及相位估计进一步补偿，提高频偏估计精度，能够有效将终端通信的频率偏移量降低到最小范围，
[0015]
进一步，设置周期接收fcch信道信号的时间间隔为t0；
[0016]
根据低轨卫星速度、高度特征理论计算最大多普勒频偏，设置fcch信号采样速率大于低轨卫星最大频偏的2.5倍。
[0017]
通过设置fcch信号采样速率大于低轨卫星最大频偏的2.5倍，让本地dualchirp信号同样上采样到2.5倍，进行频偏估计，可获得较大频偏，估计精度小于10hz。
[0018]
进一步，在进行解调编译码后，判断接收处理语音信号的时间是否大于t0，若大于，返回接收卫星周期播发的fcch信道信号的步骤处，否则返回接收语音信号的步骤处。
[0019]
使fcch估计的频偏有效用于语音频偏估计，否则fcch估计的结果与接收语音信号时的频偏差异较大，不能更好的用于频偏预补偿。
[0020]
进一步，采用上采样上下扫频法估计得到预补偿频偏估计值f
r
的具体操作步骤如下：
[0021]
对本地生成的dual
‑
chirp(双线性啁啾)上下扫频信号s
u
(n)、s
d
(n)分别进行2倍插值成型滤波处理，然后经过变速率处理得到信号s
u
′
(n)、s
d
′
(n)，把基带符号速率由t
b
变为接收信号符号速率t
s
；
[0022]
将接收的fcch信道信号m(n)分别与s
u
′
(n)、s
d
′
(n)信号相乘，得到 c
u
(n)、c
d
(n)，计算表达式如下：
[0023][0024]
对c
u
(n)、c
d
(n)分别进行快速傅里叶fft处理，并计算周期内频域最大值，其计算表达式如下：
[0025][0026]
计算频偏估计值f
r
，其计算表达式如下：
[0027][0028]
利用上采样上下扫频法估计频偏，获得较大频偏，运算简单，利于操作。频偏估计算法最大估计范围为f
s
/2，为了估计l频段较大频偏40khz，而基带符号速率为16ksps,因此需速率转化，将基带符号速率由t
b
变为接收信号符号速率t
s
。
[0029]
进一步，得到粗频偏估计值f
e
的步骤中，可采用vv算法、mm算法、lr算法、fitz算法或插值fft算法之一，进行粗频偏估计；
[0030]
和/或得到细频偏估计值f
d
的步骤中，采用vv算法、mm算法、lr算法、fitz算法或四次方滤波法之一，对信号r3(n)进行细频偏估计。
[0031]
需要选取适当的算法进行粗频偏估计和细频偏估计，利于使用。
[0032]
进一步，获取粗频偏估计值f
e
与信号r3(n)的具体操作步骤如下：
[0033]
对本地uw控制字进行pi/4
‑
cqpsk调制得到信号z(n)；
[0034]
提取r2(n)信号中的uw控制字符号，并进行归一化处理得到信号
[0035]
本地uw控制字与接收信号uw控制字符号结合运算，得到r(n)，计算表达式如下：
[0036][0037]
对r(n)快速傅里叶fft处理，得到其频谱能量最大值及相对应的频率点 (a
k
,f
k
)，及其相邻的频率点(a
k
‑1,f
k
‑1)和(a
k+1
,f
k+1
),利用插值法得到更近似的频偏估计值f
e
，其计算表达式为：
[0038][0039]
其中，n为fft点数；
[0040]
信号r2(n)进行频偏补偿得到r3(n)，其计算表达式为：
[0041][0042]
利用插值fft算法，先进行粗频偏估计，获取粗频偏估计值f
e
与信号r3(n)，便于后续计算。
[0043]
进一步，得到信号r4(n)及细频偏估计值f
d
的具体操作步骤如下：
[0044]
对信号r3(n)预处理，即去pi/4调制信息，其计算表达式为：
[0045][0046]
对信号进行四次方处理，得到信号其计算表达式为：
[0047]
[0048]
对信号滤波处理，滤波器长度为33阶，系数h(n)为全1，其计算表达式为：
[0049][0050]
其中，为卷积运算；
[0051]
获得细频偏估计值f
d
和信号r4(n)，计算表达式为：
[0052]
f
d
＝max(abs(fft(r
′3(n))))，
[0053][0054]
采用四次方滤波法进行细频偏估计，该方法首先去除pi/4调制信息，然后四次方处理，由于四次方处理过程产生杂散影响频偏估计，因此设计了一种系数为1的滤波器进行滤波，可以有效提高频偏估计精度。
[0055]
进一步，得到信号x(n)的具体操作步骤如下：
[0056]
对本地uw控制字进行pi/4
‑
cqpsk调制得到信号d(n)；
[0057]
提取r4(n)信号中的uw控制字符号，并进行归一化处理得到信号
[0058]
计算相位估计值θ
e
，其计算表达式为：
[0059][0060]
其中，l为uw控制字长度的1/2；
[0061]
信号r4(n)进行相偏补偿得到x(n)，其计算表达式为：
[0062][0063]
采用uw控制字进行相位估计与相偏补偿，获得信号x(n)，有效将终端通信的频率偏移量降低到最小范围，使移动终端在载波同步处理部分设计简单，便于提升终端的便捷性与稳定性，以及有效保障了整个卫星通信过程中的频率稳定性。
[0064]
本发明还提供一种基于上述的低轨卫星通信系统快速频率捕获方法的频率捕获系统，包括初始估计与补偿模块，粗频偏估计与补偿模块，细频偏估计与补偿模块，以及相位估计与补偿模块；
[0065]
所述初始估计与补偿模块，用于获取卫星周期播发的fcch信道信号m(n)，并根据fcch信道信号m(n)得到预补偿频偏估计值f
r
；
[0066]
所述粗频偏估计与补偿模块，用于接收语音dtb突发信号r(n)，并根据语音dtb突发信号r(n)，得到粗频偏估计值f
e
及信号r3(n)；
[0067]
所述细频偏估计与补偿模块，用于接收粗频偏估计与补偿模块得到的信号 r3(n)，对信号r3(n)进行频偏补偿得到信号r4(n)，并获取细频偏估计值f
d
；
[0068]
所述相位估计与补偿模块，用于接收信号r4(n)，通过对信号r4(n)进行相位估计及相偏补偿，得到信号x(n)。
[0069]
各模块基于本发明的频率捕获方法，接收并分析相关参数，分工明确，利于操作使用。
[0070]
进一步，所述初始估计与补偿模块中设有变速率处理模块，用于对初始估计与补偿模块中的信号进行变速率采样处理；
[0071]
所述变速率处理模块包括多个半带滤波器和fir滤波器，根据所需采样速率，自适应配置半带滤波器个数，以及fir滤波器系数。
[0072]
根据所需采样速率，自适应配置半带滤波器个数，以及fir滤波器系数(支持3倍，5倍插值的滤波器系数)，可以产生任意整数倍采样速率，该方法对带内平坦度影响小于0.9db。
[0073]
本发明还提供一种终端，包括处理器、存储器和信号接收单元；
[0074]
所述存储器中存储有计算机程序，当计算机程序被处理器执行时，使得所述终端实现上述的方法。
[0075]
将本发明的方法集成在终端上运行，利于使用。
[0076]
本发明还提供一种计算机存储介质，存储有计算机可读指令，且所述计算机可读指令在被处理器执行时实现如上述的方法。
[0077]
设置计算机存储介质存储指令，需要运行指令时，便于处理器提取，利于使用。计算机存储介质可制作为软件及其芯片，便于使用。
附图说明
[0078]
图1是本发明低轨卫星通信系统快速频率捕获方法的流程示意图；
[0079]
图2是本发明低轨卫星通信系统快速频率捕获系统的示意图。
具体实施方式
[0080]
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0081]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0082]
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0083]
如图1所示，本发明公开了一种低轨卫星通信系统快速频率捕获方法，包括如下步骤：
[0084]
终端初始化，终端接收卫星周期播发的fcch(frequency correctionchannel，频率校正信道)信道信号m(n)，优选采用上采样上下扫频法估计得到预补偿频偏估计值f
r
，上采样上下扫频法性能较好，利于使用。设置周期接收fcch信道信号的时间间隔为t0，根据低轨卫星速度、高度特征理论计算最大多普勒频偏，设置fcch信号采样速率大于低轨卫星最
大频偏的2.5倍。
[0085]
终端接收语音信号r(n)，优选语音信号为dtb突发信号。采用预先频偏估计值f
r
对dtb突发信号进行预补偿得到信号r1(n)。再对信号r1(n)进行降采样处理，得到信号r2(n)。
[0086]
提取信号r2(n)中的uw控制字，基于uw控制字采用vv(viterbi
‑
viterbi，载波恢复算法)算法、mm(molrellimellgali)算法、lr(logistic regression，逻辑回归)算法、fitz算法或插值fft(fast fourier transformation，快速傅里叶变换)算法之一，进行粗频偏估计，得到粗频偏估计值f
e
，对信号r2(n) 进行频偏补偿得到信号r3(n)。
[0087]
采用vv算法、mm算法、lr算法、fitz算法或四次方滤波法之一，对信号 r3(n)进行细频偏估计，得到细频偏估计值f
d
，对信号r3(n)进行频偏补偿得到信号r4(n)。提取r4(n)信号中的uw控制字，进行相位估计，获取相位估计值，根据相位估计值对r4(n)信号进行相偏补偿，得到信号x(n)，最后进行解调编译码。
[0088]
在进行解调编译码后，判断接收处理语音dtb突发信号的时间是否大于t0，若大于，返回接收卫星周期播发的fcch信道信号的步骤处；否则返回接收语音 dtb突发信号的步骤处。
[0089]
本方案提出一种基于dual chirp信号接收预补偿联合频偏估计方法，一方面，由于fcch周期广播，信噪比高，同时dual chirp信号估计频偏精度高；另一方面，对接收的dtb语音先进行预补偿，这样使频偏在较小范围内，然后采用本方案的粗频偏估计、细频偏估计，以及相位估计进一步补偿，能够有效将终端通信的频率偏移量降低到最小范围。采用上采样上下扫频法估计得到预补偿频偏估计值f
r
的具体操作步骤如下：
[0090]
对本地生成的dual
‑
chirp上下扫频信号s
u
(n)、s
d
(n)分别进行2倍插值成型滤波处理，然后经过变速率处理得到信号s
u
′
(n)、s
d
′
(n)，把基带符号速率由t
b
变为接收信号符号速率t
s
；
[0091]
将接收的fcch信道信号m(n)分别与s
u
′
(n)、s
d
′
(n)信号相乘，得到 c
u
(n)、c
d
(n)，计算表达式如下：
[0092][0093]
对c
u
(n)、c
d
(n)分别进行快速fft处理，并计算周期内频域最大值，其计算表达式如下：
[0094][0095]
计算频偏估计值f
r
，其计算表达式如下：
[0096][0097]
终端按照卫星周期播发的fcch进行接收dual chirp信号，并采用上采样上下扫频法估计较大频偏。终端通过设置fcch信号采样速率大于低轨卫星最大频偏的2.5倍，让本地
dual chirp信号同样上采样到2.5倍，进行频偏估计，可获得较大频偏，估计精度小于10hz。
[0098]
本方案中，获取粗频偏估计值f
e
与信号r3(n)的具体操作步骤如下：
[0099]
对本地uw控制字(终端本地存储的)进行pi/4
‑
cqpsk调制得到信号z(n)；
[0100]
提取r2(n)信号中的uw控制字符号，并进行归一化处理得到信号
[0101]
本地uw控制字与接收信号uw控制字符号结合运算，得到r(n)，计算表达式如下：
[0102][0103]
对r(n)快速傅里叶fft处理，得到其频谱能量最大值及相对应的频率点 (a
k
,f
k
)，及其相邻的频率点(a
k
‑1,f
k
‑1)和(a
k+1
,f
k+1
),利用插值法得到更近似的频偏估计值f
e
，其计算表达式为：
[0104][0105]
其中，n为fft点数；
[0106]
信号r2(n)进行频偏补偿得到r3(n)，其计算表达式为：
[0107][0108]
本频率捕获方法中，得到信号r4(n)及细频偏估计值f
d
的具体操作步骤如下：
[0109]
对信号r3(n)预处理，即去pi/4调制信息，其计算表达式为：
[0110][0111]
对信号进行四次方处理，得到信号其计算表达式为：
[0112][0113]
对信号滤波处理，滤波器长度为33阶，系数h(n)为全1，其计算表达式为：
[0114][0115]
其中，为卷积运算；
[0116]
获得细频偏估计值f
d
和信号r4(n)，计算表达式为：
[0117]
f
d
＝max(abs(fft(r
′3(n))))，
[0118][0119]
本方案中，得到信号x(n)的具体操作步骤如下：
[0120]
对本地uw控制字进行pi/4
‑
cqpsk调制得到信号d(n)；
[0121]
提取r4(n)信号中的uw控制字符号，并进行归一化处理得到信号
[0122]
计算相位估计值θ
e
，其计算表达式为：
[0123][0124]
其中，l为uw控制字长度的1/2；
[0125]
信号r4(n)进行相偏补偿得到x(n)，其计算表达式为：
[0126][0127]
如图2所示，本发明还提供一种基于上述的低轨卫星通信系统快速频率捕获方法的频率捕获系统，包括初始估计与补偿模块，粗频偏估计与补偿模块，细频偏估计与补偿模块，以及相位估计与补偿模块；
[0128]
初始估计与补偿模块，用于获取卫星周期播发的fcch信道信号m(n)，并根据fcch信道信号m(n)得到预补偿频偏估计值f
r
；
[0129]
粗频偏估计与补偿模块，用于接收语音dtb突发信号r(n)，并根据语音 dtb突发信号r(n)，得到粗频偏估计值f
e
及信号r3(n)；
[0130]
细频偏估计与补偿模块，用于接收粗频偏估计与补偿模块得到的信号r3(n)，对信号r3(n)进行频偏补偿得到信号r4(n)，并获取细频偏估计值f
d
；
[0131]
相位估计与补偿模块，用于接收信号r4(n)，通过对信号r4(n)进行相位估计及相偏补偿，得到信号x(n)。
[0132]
初始估计与补偿模块中设有变速率处理模块，用于对初始估计与补偿模块中的信号进行变速率采样处理；变速率处理模块包括多个半带滤波器和fir 滤波器，根据所需采样速率，自适应配置半带滤波器个数，以及fir滤波器系数。本系统采用四次方滤波法进行细频偏估计，首先去除pi/4调制信息，然后四次方处理，由于四次方处理过程产生杂散影响频偏估计，因此设计一种系数为1的滤波器进行滤波，可以有效提高频偏估计精度。
[0133]
本发明还提供一种终端，包括处理器、存储器和信号接收单元；
[0134]
存储器中存储有计算机程序，当计算机程序被处理器执行时，使得所述终端实现上述的方法。
[0135]
本发明还提供一种计算机存储介质，存储有计算机可读指令，且所述计算机可读指令在被处理器执行时实现如上述的方法。
[0136]
设置计算机存储介质存储指令，需要运行指令时，便于处理器提取，利于使用。
[0137]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0138]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。