卫星通信中多普勒频移的快速捕获

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1、第7期2003年7月电 子 学 报ACTAELECTRONICASINICAVol.31 No.7July 2003卫星通信中多普勒频移的快速捕获黄 振1,陆建华1,杨士中2(1.清华大学电子工程系，北京100084;2.重庆大学通信工程学院，重庆400044)摘 要：本文提出了一种适用于低轨卫星扩频通信系统的多普勒频移快捕方 法.该方法基于数字匹配滤波器及自动频率控制环路，利用数字匹配滤波器的PN码快捕特性及其输出主相关峰值对 频偏的敏感性，缩短多普勒频移的捕获时间论文首先推导了多普勒频移的平均捕 获时间表达式，然后根据数值分析结果得到了准最佳捕获判决策略,最后通过比较 验证了该快捕方法相对

2、于传统串行捕获方法在性能上的提高.关键词：卫星通信;数字匹配滤波器;自动频率控制环路;多普勒频移捕获中图分类 号：TN92文献标识码：A文章编号：037222112(2003)0721052205RapidAcquisitionofDopplerShiftinSatelliteCommunicationsHUANGZhen1,LUJian2hua122 (1.DepartmentofElectronicEngineering,Tsinghua,;2.SchoolofCommunications,)Abstract:InisproposedforaLEOsatellitespread2spect

3、rumcommuni2cationsfilter(DMF)andautomat icfrequencycontrol(AFC)loop,twocharacteristicsoftheDMFareacquisitiontime(MAT)of Dopplershift,namely,therapidacquisitionpropertyofPNcodeandahighsensitivitymaximu mcorrelationvaluetofrequencyoffset.AnexpressionoftheMATisderived,andasuboptimald ecisionofacquisiti

4、onisgivenoutfromnumericalresults.Finally,theperformanceofthepropos edacquisitionschemeiscomparedwiththetradi2tionalserialscheme,showingasignificantim provementachieved.Keywords: satellitecommunications;digitalmatchedfilter;automaticfrequencycontrolloop;Dopplersh iftacquisition1引言对于低轨道(LEO)卫星通信系统，衰落及

5、干扰等因素对通信质量的影响可以通过扩频体制的采用得到一定程度的改善近年来，随着LSI 技术的快速进步,利用数字匹配滤波器(DMF )对直接序列扩频信号进行相关解扩已 经在CDMA移动通信系统、卫星扩频通信系统、航天测控等诸多领域里获得广 泛应用.DMF具有捕获速度快、设计方便以及可编程能力强的特点,但其输出信噪 比受频偏影响比较严重由于低轨卫星相对于地面终端的移动速度很快，存在着较 大的多普勒频移,因此对卫星通信系统，特别是微小卫星通信系统，在不使得硬件复 杂化的前提下，提高多普勒频移的捕获时间指标具有重要的实际意义.采用开环结构补偿接收载波和本地载波的频差，因为其实时性好、省去了 NCO,已

6、 越来越受到人们的重视由于开环结构是直接对接收数据进行处理,要求具备较高 的频偏估计精度,否则残余频偏将对接收性能造成严重影响然而即使是基于极大 似然意义下的准最佳估计器13,要得到较高的估计精度，都必须付出相当的硬件 代价，特别是在低信噪比或存收稿日期:2002203229;修回日期:2003203208在干扰的情况下要达到高性能指标尤其困难.如果采用自动频率控制(AFC)环路来 进行频偏补偿，则可用比较简单的、估计精度并非很高的频偏估计器，并依靠环路 的牵引作用，使NCO输出的本地载波频率不断向输入载波频率靠近,并跟踪输入载 波频率的变化在通信条件相对恶劣的情况下，采用AFC环路进行频偏补

7、偿相对于 开环结构具有更大的优势.利用AFC环路可以在一定频率范围内捕获和跟踪多普勒频移,它便于数字化实现， 并且当存在链路干扰(多路径效应、电离层闪射等)时相对于PLL具有较好的稳定 性4.但是,一旦多普勒频移超过AFC环路的频率捕获范围，就无法对频偏进行正确 的补偿一般的解决方法是采用并行和串行两种捕获技术其中串行捕获就是将多 普勒频移的变化范围划分为若干较小区间，对这些频率区间逐一搜索，直至AFC环 路锁定后,系统再转入跟踪状态而并行捕获是利用多个AFC环路同时对所有频率 区间进行搜索相比较而言，串行方式的硬件代价小，但捕获时间长;并行方式捕获时 间短,但硬件代价大.然而对于微小卫星通信

8、系统,快速建立起星2地通信链路以及 严格的有效载荷体积、重量和功耗要求都是系统设计时必须考虑的重要因素鉴于 此,本文提出一种简单有效的多 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第7期黄振:卫星通信中多普勒频移的快速捕获1053普勒频移快速捕获方法,即利用DMF的PN码快捕特性及其输出相关峰值对频偏 的敏感性，联合AFC环路实现对初始频偏的快速捕获.EnI(k)=EnQ(k)=0,En2I(k)=En2Q(k)=TcN0/2,EnI(k)nI(j)=EnQ(k)nQ(j

9、)=0(jk );Tc为PN码码元时间宽度.将接收PN码与本地PN码对齐的假定标示为H1;反之,标示为H0.则对于H1假定， 式(2)变为：MM2系统结构及其频偏敏感性本文的分析对象是常见的用于PN码捕获的中频数字化结构(图1).它由数字下变频、DMF、多普勒频移捕获判定、解调、AFC环路、符 号时钟恢复与保护等几部分组成其中AFC环路的工作流程是从接收数据流中提 取频偏估计值，经环路滤波后去控制本地NCO的频率，使其跟踪输入中频信号的频 率变化，从而使下变频的输出始终为零中频数字基带信号在本系统中采用数据符 号与PN码同步的扩频方式，即PN码与数据符号的转换点对齐，且每个数据符号宽 度等于一

10、个PN码周期这种方式将减小数据调制对接收端相关解扩性能的影响，而 且解扩电路每相隔一个数据符号就会输出一个、且仅此一个PN码的主相关峰值NCOROM下娈僭1CPUFCW环路频偏估计yI=sTck=1cos(AkTY+0+9)+k=1Zn(k)cIQ(K+k=EyI+NIMMk)cK+k yQ=sTck=1rosin(AkT+0+9)k=1Zn=EyQ+NQ式中NI和NQ为相互独立的0均值高斯白噪声，其方差为5:2on=N0MTc/2为消除未知载波相位对接收性能的影响，如图1所示，将正交、同相两路DMF输出的平方和开方，得到用于捕获判决电路采样所需的检测 变量：Z:MIQEyQ=sTc+sTc2

11、2k=1sin(AkT)Yck=1zMrokTc)cos(A)2(6) =sTcnAfTc)sin(nAfTcvl，得到多普勒频移带来的信噪比恶化:对于Mpl、SNRloss20log10sinc(AfMTc)图1多普勒频移的快速捕获电路(7)由于在低轨卫星通信中发射、接收端振荡源频率漂移与多普勒频移相比较要小得 多,因此在下面的分析中近似认为载波频偏是由多普勒频移引起的如图1所示，设 接收端输入信号为：r(t)=)cos(3)t+e+申+n(t)sc(t-Tc+A(1)式(7)表明:基于DMF的PN码捕获系统具有明显的频偏敏感性，其信噪比恶化程度确定于频偏与数据波特率(当M等于PN码码长时)

12、的相 对比值.3多普勒频移平均捕获时间由第2节的分析可知，当存在一定的频偏时，接收端的主相关峰值会因此而减 小.充分利用DMF解扩电路的这一特点，可以快速获取多普勒频移信息，以达到缩短 捕获时间的目的基于这种思路的多普勒频移快速捕获算法分为两个步骤:粗略估 计和捕获验证首先把接收机的频域搜索范围划分为若干相等的频率区间,各区间 的中心频率点设为fn.粗略估计就是对各频率点fn上的最大相关值进行采集、比 较，选择其中最大值若一共采集C次,其中有D次最大值出现在同一频率点，则将 NCO固定在此频率点上.系统随即进入捕获验证状态,NCO输出固定的本地载波频 率,AFC环路对残留频偏0分别是载波的功率

13、、w是由多普式中s、频率和初相Ac、勒频移引起的载波频偏申是载波瞬时相位(如对BPSKg=n)c(t)是PN码序列;n(t) 是单边功率谱密度为N0/2的0、加性高斯白噪声.接收信号经下变频后变为基带信号，于是 DMF的正交、同相输出等于：MyI=sTcMk=1 Zc IK+k+icK+kcos(AwkTc+0+申)+k=1Zn(k+i)ck=1MK+kyQ=sTc+Zc M K+k+icK+ksin( 进行捕获，若经过时间Ts后环路锁定(残留频偏小于某个规定值)，则系统转入频率 跟踪状态(即捕获成功)，否则将从新回到粗略估计状态值得注意的是,频率区间宽度Bs不能选择过大，以保证系统搜索 至正

14、确频率区间时(包含接收信号载波频率)，可能出现的最大频偏Bs/2不会对 DMF的输出信噪比造成较大衰减，从而能够利用DMF快速获取数据符号时钟，保 证AFC环路能够正常工作否则，系统将无法捕获成ArokTc+0+9)k=1znQ(k+i)cK+k式中M表示DMF的延迟抽头数;K是t=0时刻接收PN码的相位偏移;nl(k)和nQ(k) 是相互独立的基带高斯噪声，且 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1054 电 子 学 报2003年功.除此以外,另外一个限制Bs取值

15、的参数就是AFC环路的频率捕获范围.忽略NCO频率转换所需时间,并设定NCO在每个频率点上的驻留时间为一个PN 码周期，以保证能够采集到DMF输出的最大相关值.显然上面描述图2多普勒频偏捕获状态转移图的多普勒频移的捕获过程具有马尔可夫性，其状态转移图如图2所示图中，状)对应于系统的粗略估计态，余下两种分别是态n(1n0(12)若系统存在频偏Af,对应Hl假设，检测变量的概率密度函数满足式(14)7,其中均 值mn由式(6)开方得到.设初始接收载波中频频率为fiO,将NCO输出的载波频率fn(n=1G)与fiO的频差 记为：Af(n)=|fi0-fnl(13)则在各频率点上，满足H1假定时的检测

16、变量的概率密度函 数为：22fAf(n)(x)=2exp-I022oon2onnn=1 G(14)捕获态(图中外环表示)和虚警态,其中捕获态是唯一的吸收态若系统转入虚警态， 则经过时间Ts后又将重新回归粗略估计态.系统在初始时刻处于状态1,经过最大 相关值的采集和判决后有三种状态转移途径:其一是经验证后转入捕获态;其二是 转入状态2,即系统没有满足判决条件而仍然处于粗略估计状态;其三是转入虚警态, 经验证后又回到粗略估计状态(状态2).(C,D),H1(PCGTbsAfTcvl).显然式中 mn=sTcM|sincAf(n)MTc|(Mpl,n当mn很小时，上式仍近似为Rayleigh.,，做

17、:(1)1/c，则满足H1假设时;(2),Rayleigh分不妨设n=k(k= 1G)时满足： Af(k)=|fi0-fn|2n=k(15)H2(Z)PFAAfZCGTbH3(Z)=PMAfZTH4(Z)=ZsCGTb即将初始时刻多普勒频移出现在某一频率区间的中心频率用下标k表示出来，则该 频率点fk的最大相关值大于其他频率点的最大相关值的概率为：p(k)=式中PDAf、PFAAf和PMAf分别表示多普勒频移捕获的检测概率、虚警概率和 漏检概率;Tb是单个数据符号宽度;G是划分的频率区间数;Ts表示系统在虚警态的 滞留时间.于是得到计算多普勒频移平均捕获时间的生成函数表达式为：fAf(k)(y

18、)n=1nkf(x)dxj0Gydy( 16)式中概率密度函数f(x)的表达式参照前面做出的两点假设来确定.采集C次,其中有D次或D次以上频率点fk处的最大相关值为最大值的概 率为：CH(Z)=i=0zH2(Z)H4(Z)+H3(Z)H1(Z)iPD(k)=m=DC(P(k)m(1-P(k)C-m(17)注意到PDAf()1-H3(Z)-H2(Z)H4(Z) +PFAAf+PMAf=l,因此有 H(1)=1.于是，由式由于k可取1G中的任意值，且设fiO出现在相应区间的概率为Pk,:GGC(8)、(9)推出多普勒频移的平均捕获时间为：PDAf=k=1 z PkPD(k)=k=1ZmPkm=DG

19、GCP(k)m(l-P(k)C-mETAf=() (Z)|lnHZ|Z=l=H， Z=CGTb+PFAAfTs+TsPDAfZ=1(18) 类似地，多普勒频移捕获的虚警概率为：(10)PFAAf=k=1Pk4多普勒频移捕获的检测、虚警概率设DMF的延迟线抽头数等于PN码码长，且Af=0.对应 H1假设,检测变量的概率密度函数为Rician分布6: fH 1(x)=22on2n=1nknpF(n)(19)式中PF(n)是采集C次,其中有D次或D次以上最大值出现在频率点fn(n=1nk) 处的概率：Con2exp102onPF(n)=(11),x0m=DGn=1nkC(P(n)m(1-P(n)C-

20、m(20)式中：P(n)=f(x)dxf(y)nJ式中m=sTcM为系统满足H1假设时DMF的输出信号均值on由式(4)给出.对应 H0假设，只要PN码足够长，则DMFydy(n=1 G,nk) 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第7期黄振:卫星通信中多普勒频移的快速捕获1055xN(19)确定的多普勒作为特例，当C=D=1时，由式(18)、频移捕获的检测、虚警概率表 达式可以化简为：GPDAf=PFAAf=k=1ZPP(k)kk=1(21)(22),N为正整数.

21、ceil(x)=Nx=N，频率区间的宽度Bs应小于ceil(x)=N+1AFC环路的频偏捕获范围.如果取Bs=0.2Rb,则频率区间数ZGPk(1-P(k)由前面的分析可以看出，在一定的条件下，影响多普勒频移平均捕获时间的参数是 频率间隔Bs和(C,D).为G=14.由式可以算出，当频偏为0.1Rb=0.1/MHz时,DMF输出信噪比仅降低 0.14dB.假设多普勒频移在各区间出现的概率相等，即(23)Pk=1/G(k=1G)于是得到概率P(k)和 PDAf随频差变化的数值计算结果(图4、5).图4显示，当k=7时，随着频差|A的增加，概率值P(k)lk=7会逐渐降低.另外，由于 ke2,13

22、时所对应的各概率曲线几乎完全重合，因此未全部放进图4中.此结果说明: 当接收载波频率逐渐远离其所在频率区间的中心频率点时，同时也会逐渐靠近相邻 中心频率点，从而使得采集的所有最，而出.对于最低和最高中.例如k=1当时(在一定 范围内)，概率P)k.这是因为接收载波频率虽然不断，同时也逐渐远离其它各中心频 率点，且频差更大.以上分析同样适用于概率曲线P(k)lk=14随频差的变化规律. 5数值分析与讨论511多普勒频移捕获检测概率若最大多普勒频移为fdmax，则频率搜索范围为fi-fdmax,fi+fdmax,fi为多普勒频移 为零时接收中频载波频率.由于AFC环路的频偏捕获范围(0.20.5/

23、Tb4)是有限的，因此 如前所述将多普勒频移的搜索范围划分为等间隔的若干频率区间(图3).图3 频率区间划分在用Mathcad做数值计算之前，:Ec=0-10dB,M=1023,Rb=1/Tb=,2z,G=2fdmax/Bs.其中 EcRb)数据 波特率(PNc=MRb);ceil(运算为：图4频率点fk上出现最大图5多普勒频移捕获的检测概率图6多普勒频移平均捕获时间主相关峰值的概率(C=D=1)图5列出了在不同Af下,多普勒频移捕获的检测概率PDAf(C=D=l).PDAf随Af的变化规律确定于P(k),因此具有与之类似的结果，即随 着频差的增大，检测概率将减小.实际上当增大频率间隔Bs时,

24、PDAf的变化会更加 明显(本文未列出).这说明利用DMF的PN码快捕特性实现系统对多普勒频移的快 速捕获是可行的.512准最佳捕获判决策略 定频率间隔的条件下，基于(C,D)选值的准最佳判决策略.文献研究了不同环路带宽下AFC环路的初始频偏捕获时间，参照其研究结果，并 考虑到Ts的取值必须大于AFC环路的捕获时间，在后面的计算中取 Ts=200Tb=200ms.在系统其它参数不变的情况下，分别得到(C,D)取不同值时，平均 捕获时间随Af的变化曲线(图6).图6中的数值计算结果表明,(C,D)取不同值对平均捕获时间有影响相比较而 言,(C,D)等于(4,2 )时，系统的捕获速度最快.513与

25、串行捕获方式的比较由式(10)可知，多普勒频移的平均捕获时间与Ts的取值有关，而Ts又是由AFC环 路性能所确定的如前所述,多普勒频移的平均捕获时间还与频率间隔Bs的取值有 关，但Bs的变化又要求对Ts作不同的设置，并影响多普勒频偏捕获的检测、虚警 概率因此本文将不考虑联合Bs和Ts寻找以缩短多普勒频移平均捕获时间为标准 的最佳判决策略，而研究在一首先看采用准最佳判决策略的多普勒频移平均捕获时间.设C=4,D=2,Bs=2kHz，由 图6可知，当多普勒频移为1kHz 时,E(TAf)近似为 40ms. 1994-2010 China Academic Journal Electronic Pu

26、blishing House. All rights reserved. 1056 电 子 学 报2003年串行捕获多普勒频移，就是对多个频率区间逐一进行搜索,即通过在一定时间间隔内对NCO的累加器置入不同的频率控制字(FCW)来改 变NCO的载波频率(图1),一旦AFC环路锁定，则停止置入新的FCW,将NCO固定 在频率点上,从而实现对多普勒频移的串行捕获.为便于比较，同样设Bs=2kHz，在 NCO每个频率点上驻留的时间仍为Ts=20ms，频率区间及其它参数保持不变，则串 行搜索方式的多普勒频移平均捕获时间为：(24)TAf=xTs2带入参数得到TAf=150ms. taltransmis

27、sionJ.IEEETransCommun,1997,45(1):23-25.4 FrancisDNatali.AFCtrackingalgorithmsJ.IEEETransCommun, 1984,32(8):935-947.5 EricWSiess,etal.Acquisitionofdirectsequencesignalswithmodula2 tionandjammingJ.IEEEJournalonselectedareasinCommun,1986,SAC-4(2):254-272.6 AndreasPolydoros,etal.Aunifiedapproachtoserial

28、searchspread2 spectrumcodeAcquisition2part II:amatched-filterreceiverJ.IEEETransCommun,1984,32(5):550-560.7 黄振.扩频系统的数字化及其在低轨卫星通信中的应用D. 重庆:重庆大学通信工程学院,2001.8 PNSteven.AninvestigationofcarrierrecoverytechniquesforPSKmodulatedsignalsinCDMAandmultipathmobileenvironmentsD.Virginia:Virginiapolyte chnicinst

29、ituteandstateuniversity,1997.6结束语根据理论分析和数值计算结果，本文提出的多普勒频移快捕算法，其硬件实现 代价远小于并行捕获方式，而与串行捕获方式相当,但捕获速度却大大高于后者该 算法利用了似乎与多普勒频移捕获没有直接关系的PN码匹配滤波器的诸多特性， 如输出信噪比受频偏影响大、抗干扰能力强、对PN码的捕获速度快等，在短时间 内获取到多普勒频移信息，从而在基本不增加系统硬件代价的情况下,参考文献： 作者简介黄振男8月生于重庆,博士后，:无线通信系统、陆建华 男,1963年7月生于江苏，博士，教1 MarcoLuise,etal.Carrierfrequencyre

30、coveryinall2digitalmodemsfor burst2modetransmissionsJ.IEEETransCommun,1995,43(2/3/4):1169-1177.2 BCLovell,etal.Thestatisticalperformanceofsomeinstantaneousfre2 quencyestimatorJ.IEEETransASSP,1992,40(7):1708-1723.3 UmbertoMengali,etal.Data2aidedfrequencyestimationforburstdigi2 授，发表论文60余篇,研究方向为:无线通信系统，无线多媒体通信、图像通信以及 无线网络等. 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.