一种低信噪比下的同步解调方法与流程

本申请涉及无线通信的，特别是一种低信噪比下的同步解调方法。

背景技术：

1、工作在低信噪比下的卫星/地面无线通信系统，数据的可靠传输对通信系统采用的快速同步方案有更高的性能要求。以往的低信噪比下的同步方式通过数据辅助，采用锁相环跟踪的方式实现跟踪，这种方式存在两种弊端：首先，锁相环跟踪对于信噪比要求较高，在信噪比为4db以下容易发生翻转，导致同步解调出错；其次，在短突发的通信场景下，系统要求信号快速收敛入锁，而提升环路的收敛速度要求增大环路带宽，与低信噪比存在矛盾。

技术实现思路

1、为解决传统同步方案对低信噪比下系统同步的难题，本专利提出一种低信噪比下的同步解调方案，该方法首先对接收信号进行粗估计，基于自相关特性，对自相关结果进行鉴相和窗函数平滑，得到单次频率的粗估计；重复第一步估计，得到若干组不同时间段的频偏粗估计结果，利用拟合得到多普勒频偏和多普勒速度的精确估计；最后通过kalman开环估计，对载波相位、载波频偏、载波频率速度和幅度进行开环估计，并进行相位旋转，实现快速同步解调，经过测试验证，该同步方法适用于短突发、低信噪比、高动态、无数据辅助等场景，在信噪比为-5db条件下，解调率与理论相差不到0.5db。并且该同步方案也适用于dsss信号体制。具有很高的市场应用价值。

2、第一方面，提供了一种低信噪比下的同步解调方法，包括：

3、通过符号间的自相关特性，将若干组自相关结果进行鉴相和窗函数平滑，得到单次频率的粗估计；

4、对若干组粗估计结果进行拟合，得到精细的多普勒频偏和多普勒速率的精估计；

5、采用kalman开环滤波，对载波相位、载波频偏、载波频率速度和幅度进行开环估计，并进行相位旋转，实现快速同步解调。

6、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，接收信号表达式为：

7、s(t)＝ad(t)ej2πft+n(t)

8、式中，s(t)表示信号；a为幅值，d(t)为数据符号，取值为{1,-1}，f为多普勒频率，n(t)为噪声；

9、若信号同步头有数据调制，则将待估计的采样信号做平方处理，得到的信号如下：

10、

11、其中，f为待估计的频率，为混合后的噪声，n(t)是高斯白噪声。

12、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，对处理后的采样信号进行积分，积分时长为若干个符号周期，得到n组积分值z(k)，k＝0，1，…，n-1。

13、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，对n组积分值z(k)进行相关值计算，计算得到若干组相关值：

14、

15、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，对自相关函数做载波频率估计和平滑处理，处理公式如下：

16、

17、

18、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，重复多次频率的粗估计，得到m组频率估计值ti,fi，其中i＝1,2,…m,对m组频率估计值fi进行拟合，得到精确的多普勒频偏估计值f和多普勒频率速度估计值如果信号经过(2.1)的平方处理，最终得到的fi和要进行除2处理；

19、

20、

21、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，将精细估计的多普勒频偏估计值和多普频率速度信息作为多普勒的先验信息，代入到kalman滤波模型中，

22、

23、

24、

25、

26、

27、

28、b＝[0]

29、

30、其中

31、

32、

33、

34、给定一个初始估计值和p0，不断去更新得到新的和pk。

35、结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，将得到的对待估计的ik和qk进行相位旋转，得到正确的解调结果：

36、

37、

38、其中为最终的解调结果。

39、与现有技术相比，本申请提供的方案至少包括以下有益技术效果：

40、(1)、在低信噪比条件下，充分考虑了多普勒运动引入的频偏和多普勒频偏速度，利用粗估和线性拟合得到多普勒频偏和多普勒频率速度精估计，且不需要数据辅助，能够适应更大的环境应力，可在复杂电磁环境下稳定可靠地工作；

41、(2)、kalman开环估计，相对于锁相环，能够工作在更低信噪比，且收敛速度远远高于锁相环，在-3db甚至-5db也能正常工作，而普通的锁相环至少要求3db；

42、(3)、该方法能够实现快速估计，无论是连续信号，还是短突发场景下的快速同步均适用。

43、(4)、该方法功能结构清晰，各部分相对独立，便于接收机的模块化设计与调试。

技术特征：

1.一种低信噪比下的同步解调方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，接收信号表达式为：

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对处理后的采样信号进行积分，积分时长为若干个符号周期，得到n组积分值z(k)，k＝0，1，…，n-1。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对n组积分值z(k)进行相关值计算，计算得到若干组相关值：

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对自相关函数做载波频率估计和平滑处理，处理公式如下：

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，重复多次频率的粗估计，得到m组频率估计值ti,fi，其中i＝1,2,…m,对m组频率估计值fi进行拟合，得到精确的多普勒频偏估计值f和多普勒频率速度估计值如果信号经过(2.1)的平方处理，最终得到的fi和要进行除2处理；

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将精细估计的多普勒频偏估计值和多普频率速度信息作为多普勒的先验信息，代入到kalman滤波模型中，

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将得到的对待估计的ik和qk进行相位旋转，得到正确的解调结果：

技术总结
本发明公开了一种低信噪比下的同步解调方法。通过符号间的自相关特性，将若干组自相关结果进行鉴相和窗函数平滑，得到单次频率的粗估计；对若干组粗估计结果进行拟合，得到精细的多普勒频偏和多普勒速率的精估计；采用kalman开环滤波，对载波相位、载波频偏、载波频率速度和幅度进行开环估计，并进行相位旋转，实现快速同步解调。在信噪比为‑5dB时，解调率与理论相差不到0.5dB。本文采用的是开环估计，能够实现更快收敛。该方法充分考虑了多普勒运动引入的频偏和多普勒频偏速度，利用粗估和线性拟合得到多普勒频偏和多普勒频率速度精估计，且不需要数据辅助，能够适应更大的环境应力，对于扩频/非扩频信号均可以实现快速同步。

技术研发人员：刘涛,王延光,冀可忻,李斌,李雄飞,张轶,孟向阳,翟继强
受保护的技术使用者：西安空间无线电技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7