RCS信道快速載波同步設(shè)計(jì)

徐迪宇+方軍

摘 要： RCS信道具有用戶多、時(shí)鐘同步要求高和幀長較短等特點(diǎn)，因而要求快速的同步搜索。為了實(shí)現(xiàn)RCS信道快速載波同步，在幀結(jié)構(gòu)中專門設(shè)計(jì)了惟一字，將基于惟一字的載波同步算法和基于Viterbi?Viterbi算法的二次相位估計(jì)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了易于實(shí)現(xiàn)的載波同步方案。經(jīng)Matlab仿真，證明了方案的性能。所用設(shè)計(jì)可簡單快速實(shí)現(xiàn)相位同步，并在某衛(wèi)星終端應(yīng)用中取得了明顯的效果。

關(guān)鍵詞： RCS； 惟一字； 載波同步； 相位估計(jì)

中圖分類號(hào)： TN925?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）15?0035?03

Design of fast carrier synchronization in RCS channel

XU Di?yu， FANG Jun

（Shenzhen Research Institute of Tsinghua University， Shenzhen 518057， China）

Abstract： RCS channel， which has many characteristics， such as multi?user， high clock synchronization requirement and short frame length， needs rapid carrier synchronization. The unique?words （UW） are designed in data frame to realize fast carrier synchronization of RCS channel. A carrier synchronization scheme， which is easy to realize， was designed in combination with carrier synchronization algorithm based on UW and twice?phase?estimation method based on Viterbi?Viterbi algorithm. The performance of this design was proved by Matlab simulation. The design scheme can realize phase synchronization rapidly， and has been applied successfully to a satellite transceiver.

Keywords： RCS； unique?word； carrier synchronization； phase estimation

0 引 言

RCS（Return Channel Satellite）信道，即數(shù)字電視衛(wèi)星回傳信道[1]，是在衛(wèi)星廣播的基礎(chǔ)上形成的增值業(yè)務(wù)模式。數(shù)字電視前向信道仍為衛(wèi)星廣播信道，而反向信道為多用戶多址接入信道，比較適用于多用戶衛(wèi)星寬帶互聯(lián)網(wǎng)傳輸，其相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如歐洲D(zhuǎn)VB?RCS[2]。國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)起步較晚，相關(guān)業(yè)務(wù)還未充分發(fā)展。隨著衛(wèi)星應(yīng)用范圍的擴(kuò)大和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，衛(wèi)星信道多用戶接入的需求也將迅速興起，衛(wèi)星寬帶互聯(lián)網(wǎng)傳輸是大勢(shì)所趨。因此，基于RCS信道的相關(guān)應(yīng)用將成為研究熱點(diǎn)。

RCS信道將信道劃分為多個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙按一定規(guī)則分配給特定的用戶，使多用戶時(shí)分接入信道。這樣，可在衛(wèi)星數(shù)字電視用戶端增加雙向互動(dòng)增值業(yè)務(wù)，提高衛(wèi)星數(shù)字電視的盈利能力和業(yè)務(wù)水平。RCS信道的特點(diǎn)是：用戶多；時(shí)鐘同步要求高；多個(gè)時(shí)隙動(dòng)態(tài)分配；幀長較短。因而，要求接收機(jī)能夠基于短幀實(shí)現(xiàn)快速同步。

本文定位于某衛(wèi)星回傳系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，信道特征與RCS信道相似，并根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了幀結(jié)構(gòu)和同步方案。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，在數(shù)據(jù)幀時(shí)隙內(nèi)添加了兩組短惟一字，采用了基于惟一字的頻率同步方法；另外，還將惟一字和Viterbi?Viterbi算法相結(jié)合，構(gòu)建了二次相位估計(jì)算法。通過這些設(shè)計(jì)，使載波同步快速有效，并且易于實(shí)現(xiàn)。通過Matlab仿真分析，證明了載波同步設(shè)計(jì)方案的性能，較好地實(shí)現(xiàn)了快速相位同步的效果。

1 頻率同步

1.1 面向RCS信道的幀結(jié)構(gòu)時(shí)隙設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)基于MF?TDMA接收機(jī)設(shè)計(jì)。一個(gè)TDMA幀長為40 ms，包括16個(gè)時(shí)隙，共用一個(gè)載波，故每時(shí)隙長2.5 ms。圖1是本系統(tǒng)針對(duì)RCS信道的特點(diǎn)設(shè)計(jì)的時(shí)隙方案。時(shí)隙（Basic Time Slot，BTS）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為：幀長度138 個(gè)符號(hào)，前后各4個(gè)符號(hào)的保護(hù)時(shí)間間隔（分別表示為GTa和GTb），UW1和UW2為惟一字，每個(gè)惟一字為10個(gè)符號(hào)，數(shù)據(jù)長度為110個(gè)符號(hào)。符號(hào)速率約為18 μs，采用QPSK調(diào)制。

圖1 針對(duì)RCS信道的時(shí)隙設(shè)計(jì)方案

UW1和UW2兩個(gè)惟一字都設(shè)計(jì)為：[[1+1j，1+1j，][1+1j，1+1j，1+1j，1+1j，1+1j，1+1j，1+1j，][1+1j]*0.707。]

1.2 頻率同步設(shè)計(jì)

頻率同步利用UW惟一字來估計(jì)載波頻率，為簡化問題，令采樣速率[fe]等于符號(hào)速率[fs，]即[fe=fs，]那么載波頻率應(yīng)當(dāng)按照式（1）估計(jì)：

[Δf=Arg{SZ（1）*SZ*（2）}2πDTs] （1）

式中：[D]為惟一字UW1和UW2的距離，在本設(shè)計(jì)中應(yīng)為120；[SZ（1）=i=0Len-1UW1（i）]，Len為惟一字UW1長度，這里為10；[SZ（2）=i=0Len-1UW2（i）]，Len為惟一字UW2長度，這里為10；[Ts]為符號(hào)周期。

記估計(jì)器估計(jì)得到的頻偏為[Δf，]估計(jì)結(jié)果與實(shí)際頻偏的差為[Df=Δf-Δf。]按以下條件仿真：[D=]120 symbols；[EbN0=]3 dB；[Δf=]150 Hz；仿真次數(shù)=1e5；信道為AWGN信道。僅考慮頻偏影響，無信道編碼，無其他同步。仿真得到[Df]的概率密度分布如圖2所示?？梢娖浣茷檎龖B(tài)分布，期望為0，方差小于20 Hz，結(jié)果較好。

圖2 殘留頻差概率密度分布圖

1.3 頻率同步適用條件

考慮以上算法對(duì)頻偏較為敏感，因此設(shè)置實(shí)際頻偏[Δf]分別為150 Hz，200 Hz和300 Hz，同樣條件下采用AWGN信道進(jìn)行仿真，得到誤碼率曲線，如圖3所示。由圖3中可見，僅考慮載波頻偏的情況下，目前算法在載波頻偏小于150 Hz時(shí)效果較好；若頻偏大于等于200 Hz，估計(jì)器性能下降。

圖3 頻率同步設(shè)計(jì)中不同頻偏造成的誤碼率

2 相位同步設(shè)計(jì)

2.1 Viterbi?Viterbi算法原理

相位同步基于Viterbi?Viterbi算法，記[Df=Δf-Δf，]且初始相位誤差為[θ0（φini=θ0），]則經(jīng)過載波同步后剩余的相位誤差為：

[r′k=akej（θ0+2πkDfTs）+n′k] （2）

相位估計(jì)器為：

[θk=1MArgj=-kkFpr′k+jejMArg（r′k+j）] （3）

式中：[Fp（r）]為非線性函數(shù)：[Fp（r）]=[r4，][r2，][r]或1。

[Fp（r）=r2]可給出QPSK調(diào)制下[（M=4）]接近最優(yōu)的性能[4]?？梢?，此算法不需反饋環(huán)路，可以實(shí)現(xiàn)快速的相位同步，適用于幀長較短，時(shí)隙有限的多用戶接入場(chǎng)景。

2.2 二次相位同步設(shè)計(jì)

由于Viterbi?Viterbi算法中估計(jì)器最后要對(duì)相位除以[M]（QPSK調(diào)制下[M=]4），而未做除法前相位處于區(qū)間[-π，π]，則除以4后估計(jì)的初始相位位于[[-π4，π4]]區(qū)間內(nèi)。但是，如果實(shí)際相位不在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，則估計(jì)相位與實(shí)際相位的相差較大，造成跳周。

為了得到更準(zhǔn)確的估計(jì)相位，在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，采用了二次估計(jì)的辦法來克服“跳周”影響。

“二次估計(jì)”的方法如下：

（1） 首先，利用UW惟一字來估計(jì)相位。這里僅使用時(shí)隙左側(cè)的第一組UW字（共10個(gè)符號(hào)），由于UW字是確定的，因而可以直接消去調(diào)制信息，而不需要通過將接收信號(hào)相位乘以4來消去。這樣，估計(jì)器可以簡化為：

[θUW=Argj=110r′j] （4）

式中[r′j]為已經(jīng)消去調(diào)制信息的接收信號(hào)。

因?yàn)檫@里[θUW∈[-π，π]，]所以不會(huì)出現(xiàn)相位模糊的問題。但是，由于惟一字的長度僅為10，所以相位估計(jì)的結(jié)果不會(huì)很準(zhǔn)確。因此，UW字的估計(jì)相位僅為“粗估計(jì)”，作為估計(jì)相位的參考。

（2） “粗估計(jì)”之后，利用整個(gè)時(shí)隙的信號(hào)再進(jìn)行一次相位估計(jì)（可稱為“細(xì)估計(jì)”）。估計(jì)器如下：

[θk=1MArgj=-kkFpr′k+jejMArg（r′k+j）+πM] （5）

這里[Fp（r）]=[r2，]且[M=4。]

這樣估計(jì)的相位[θk∈0，π2。]由于估計(jì)器的窗口足夠長（選取130個(gè)符號(hào)），估計(jì)結(jié)果較為準(zhǔn)確。

（3） 最后為解決相位模糊的問題，以[θUW]為參考，按照以下方法修正[θk：]

[θ′k=θk+π2， θUW-θk>π4θk， -π4≤θUW-θk≤π4θk-π2， θUW-θk<π4] （6）

圖4為采用不同算法進(jìn)行相位估計(jì)的殘余相位概率密度曲線。圖4（a）為原Viterbi?Viterbi算法設(shè)計(jì)得到的結(jié)果，圖4（b）為利用UW字二次估計(jì)后的結(jié)果。兩次仿真為相同條件：假設(shè)無接收頻偏，僅考慮初始相位的影響，忽略其他，無信道編碼。仿真點(diǎn)數(shù)為1e4，初始相位為0.2π，AWGN信道，[EbN0=]3 dB。此圖表明：相對(duì)于原設(shè)計(jì)，利用UW字做二次估計(jì)的殘余相位超過[π4]（約為0.785）的概率幾乎為0，因此用粗估計(jì)的結(jié)果來幫助修正最后的相位，這種方法有很高的可靠性。

圖4 兩種相位估計(jì)方法的殘余相位概率密度曲線

3 載波同步整體性能

根據(jù)以上頻率同步和相位同步的設(shè)計(jì)，對(duì)載波同步進(jìn)行了完整的分析，以證明設(shè)計(jì)的有效性。圖5為QPSK調(diào)制下，載波同步的系統(tǒng)仿真框圖。為簡化過程，系統(tǒng)僅考慮頻率同步和相位同步，[ΔF]為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的載波頻差，[Δφ]為接收機(jī)初始相位。

圖5 載波同步仿真驗(yàn)證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖6為以上結(jié)構(gòu)的載波同步仿真誤碼率曲線。仿真條件為：仿真時(shí)隙數(shù)為1e4，載波頻差為150 Hz，初始相位為0.2π，AWGN信道。共進(jìn)行了三種情況的仿真：理想估計(jì)，利用10個(gè)UW字的載波同步粗估計(jì)和載波同步二次估計(jì)共三條曲線?？梢?，采用新設(shè)計(jì)的二次相位估計(jì)的性能要好于粗估計(jì)，與理想估計(jì)距離僅有0.1 dB的距離。

圖6 載波同步仿真誤碼率曲線圖

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)定位于多用戶、多時(shí)隙、短幀長的RCS信道應(yīng)用場(chǎng)景，根據(jù)需求設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)幀時(shí)隙結(jié)構(gòu)，并在時(shí)隙中添加了周期重復(fù)和固定長度的惟一字。在頻率同步和相位同步的過程中，充分利用設(shè)計(jì)的惟一字特性，簡化算法，提高性能，便于同步捕獲。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，且同步速度較快，性能較好，在衛(wèi)星終端的開發(fā)過程中得到了充分的驗(yàn)證。

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