低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)下行鏈路頻偏補(bǔ)償研究

本文旨在研究低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)下行鏈路中的頻偏補(bǔ)償技術(shù)。隨著低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，其在全球通信覆蓋、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)确矫嬲宫F(xiàn)出巨大潛力。然而，由于低軌衛(wèi)星的高速運(yùn)動(dòng)以及復(fù)雜的通信環(huán)境，下行鏈路中頻偏問(wèn)題成為制約系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一。因此，對(duì)頻偏補(bǔ)償技術(shù)的研究具有重要的理論和實(shí)際意義。本文研究了低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)下行鏈路中的頻偏補(bǔ)償技術(shù)，提出了一種基于自適應(yīng)濾波器的頻偏補(bǔ)償算法，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性。

一、引言

隨著通信技術(shù)的進(jìn)步，衛(wèi)星通信系統(tǒng)，特別是低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，因?yàn)槠涞脱舆t、廣覆蓋和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?，已?jīng)成為研究的焦點(diǎn)。但是，由于地球自轉(zhuǎn)、大氣層折射以及衛(wèi)星的高速運(yùn)動(dòng)，低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的下行鏈路經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)頻率偏差，這會(huì)影響到信號(hào)的傳輸質(zhì)量，甚至可能導(dǎo)致通信中斷或誤碼率升高。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，頻偏補(bǔ)償技術(shù)已經(jīng)成為衛(wèi)星通信領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。這種技術(shù)的核心是準(zhǔn)確估計(jì)和補(bǔ)償由各種因素引起的頻率偏移，以確保信號(hào)的準(zhǔn)確接收和解析。雖然針對(duì)高軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的頻偏補(bǔ)償技術(shù)已經(jīng)取得了一些成果，但由于低軌衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速度快、軌道高度低，其下行鏈路的頻偏特性與高軌衛(wèi)星存在顯著差異，因此需要針對(duì)低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行深入研究。

在眾多的多載波技術(shù)中，正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注。傳統(tǒng)的頻分復(fù)用（FDM）技術(shù)雖然可以實(shí)現(xiàn)并行傳輸，但各子載波之間需要保持一定的間隔，以防止相互干擾，并且往往還需要加入保護(hù)間隔。這種方式導(dǎo)致頻率利用率不高，無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸需求。然而，OFDM技術(shù)通過(guò)引入子載波間的正交性，打破了這一限制，實(shí)現(xiàn)了高效的頻率利用和數(shù)據(jù)傳輸。

在OFDM技術(shù)中，各子載波之間雖然交疊，但由于它們之間的正交性，彼此間不會(huì)因交疊而產(chǎn)生失真。這種特性使得OFDM能夠在不增加帶寬的情況下，顯著提高頻譜利用率。此外，OFDM技術(shù)還將輸入的串行數(shù)據(jù)流分配到并行的子信道中，延長(zhǎng)了每個(gè)子載波的數(shù)據(jù)周期，從而有效對(duì)抗多徑擴(kuò)展，提高通信質(zhì)量。從頻域角度來(lái)看，每個(gè)子載波的中心處（即子載波頻率的最大值處），其他各子載波的值為零，進(jìn)一步證明了子載波間的正交性。因此，OFDM技術(shù)能夠在不引入頻帶分割的情況下，將各子載波緊密排列，實(shí)現(xiàn)高效的頻譜利用。

OFDM技術(shù)作為一種先進(jìn)的多載波技術(shù)，具有頻譜利用率高、抗多徑干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。隨著無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，OFDM技術(shù)將在未來(lái)通信系統(tǒng)中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。因此，對(duì)OFDM技術(shù)進(jìn)行深入研究和應(yīng)用推廣具有重要意義。

二、頻偏補(bǔ)償基本原理

（一） 基本原理

OFDM，即正交頻分復(fù)用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing），是一種多載波傳輸方案。其核心思想是將整個(gè)頻帶分割為若干個(gè)正交的窄帶子載波，每個(gè)子載波上使用一個(gè)低速數(shù)據(jù)流進(jìn)行調(diào)制，然后并行發(fā)送。這樣，每個(gè)子載波上的符號(hào)周期就會(huì)相對(duì)增加，從而減弱了由信道多徑時(shí)延擴(kuò)展所產(chǎn)生的影響。同時(shí)，由于各子載波間的正交性，它們?cè)陬l域上可以部分重疊，從而大大提高了頻譜利用率。

OFDM的基本原理早在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)被提出，但由于當(dāng)時(shí)受到技術(shù)條件的限制，主要是半導(dǎo)體制造技術(shù)的限制，沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在，隨著技術(shù)的發(fā)展，OFDM系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)合。

（二）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

OFDM系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)包括發(fā)送端、信道和接收端。

發(fā)送端：在發(fā)送端，原始數(shù)據(jù)首先經(jīng)過(guò)信源編碼和信道編碼，以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院陀行?。然后，這些數(shù)據(jù)流被劃分為多個(gè)并行子數(shù)據(jù)流，每個(gè)子數(shù)據(jù)流調(diào)制到一個(gè)正交子載波上。這個(gè)過(guò)程是通過(guò)快速傅里葉反變換（IFFT）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，它可以將頻域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為時(shí)域數(shù)據(jù)，便于發(fā)送。之后，為了消除多徑信道帶來(lái)的符號(hào)間干擾（ISI）影響，需要插入保護(hù)間隔，常用的方法有補(bǔ)零和插入循環(huán)前綴等。最后，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）和射頻前端，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，并發(fā)射到信道中。

信道：信道是信號(hào)傳輸?shù)拿浇椋赡苁艿礁鞣N噪聲和干擾的影響。在OFDM系統(tǒng)中，由于采用了正交子載波和循環(huán)前綴等技術(shù)，可以有效地對(duì)抗頻率選擇性衰落和符號(hào)間干擾，提高信號(hào)的傳輸質(zhì)量。

接收端：在接收端，首先通過(guò)射頻前端和模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）將接收到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。然后，通過(guò)同步和信道估計(jì)等技術(shù)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼。這個(gè)過(guò)程是發(fā)送端的逆過(guò)程，也是通過(guò)快速傅里葉變換（FFT）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。最后，經(jīng)過(guò)信道解碼和信源解碼，恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。OFDM系統(tǒng)還包括一些關(guān)鍵的輔助技術(shù)，如交織和導(dǎo)頻。導(dǎo)頻不攜帶信息，而是雙方已知的數(shù)據(jù)，用于做信道估計(jì)。

三、仿真設(shè)計(jì)

（一）OFDM基本配置

在本文提供的OFDM實(shí)施范例中，本文設(shè)定了一個(gè)基礎(chǔ)的配置方案，提供一個(gè)簡(jiǎn)單明了的示例。

本文設(shè)定了8KHz的采樣率，這是信號(hào)處理中一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，它決定了系統(tǒng)每秒采樣的次數(shù)。在OFDM系統(tǒng)中，本文采用了128點(diǎn)的IFFT/FFT轉(zhuǎn)換，這是系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)在時(shí)域和頻域之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。同時(shí)，本文設(shè)定了循環(huán)前綴（CP）的長(zhǎng)度為32，這有助于消除符號(hào)間干擾（ISI）和載波間干擾（ICI）。

在載波配置上，本文設(shè)定了2KHz的載波頻率，并使用36個(gè)子載波來(lái)承載數(shù)據(jù)。這些子載波在頻域上正交分配，實(shí)現(xiàn)了高效的數(shù)據(jù)傳輸。在數(shù)據(jù)調(diào)制方式上，本文選擇了QPSK（四相位移相鍵控），這是一種常用的數(shù)字調(diào)制方式，具有較高的頻譜利用率和較強(qiáng)的抗干擾能力。

在圖像編碼方面，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)400bit的前導(dǎo)（發(fā)射方知道）+40000比特的圖像框架。該400位前置碼能實(shí)現(xiàn)對(duì)多路信號(hào)的同步、信道的估算和頻偏的估算。這種架構(gòu)旨在確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，并能有效地提升網(wǎng)絡(luò)的利用率。

（二）非運(yùn)行時(shí)-多模特征提取與多模特征庫(kù)構(gòu)建

在該示例中，假定0Hz到400Hz的可能的頻移，在10Hz的時(shí)間區(qū)間中選擇41個(gè)頻移點(diǎn)。在仿真時(shí)，將不同信道的干擾因素引入到不同的頻移點(diǎn)。對(duì)于接收端，無(wú)論是否存在頻差，都可以使用原始頻點(diǎn)解調(diào)的方式來(lái)對(duì)接收到的前導(dǎo)信號(hào)進(jìn)行多重仿真。由此獲得了一組具有畸變的編碼恢復(fù)結(jié)果。然后，根據(jù)誤差率，選取10個(gè)最大的偏差作為每一次偏移量的多模態(tài)特征。最終，我們構(gòu)建了一個(gè)尺寸為20 KB的41*10*400 bits的多模態(tài)采樣數(shù)據(jù)庫(kù)。

（三）運(yùn)行時(shí)–特征匹配與猜定頻偏

在此基礎(chǔ)上，接收端使用前導(dǎo)碼進(jìn)行特征比對(duì)。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于多個(gè)模態(tài)特征庫(kù)的新方法，并將其與現(xiàn)有的基準(zhǔn)特性進(jìn)行對(duì)比，從而得到其頻譜偏移范圍。最終得到了最優(yōu)的頻偏估計(jì)值。這一過(guò)程可以用如下方式來(lái)解釋：

特征的抽取。在接收端，無(wú)任何頻偏，直接對(duì)接收到的前同步碼進(jìn)行 QPSK解調(diào)。用這種方式解調(diào)后得到的信號(hào)即為其特征值。

多個(gè)特征之間的相互關(guān)系。然后，將得到的特征點(diǎn)與多個(gè)模型特征點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)中的參考特征值進(jìn)行比較。比較時(shí)，采用誤報(bào)率作為測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，誤報(bào)率越低，一致性越好。

采用特征匹配法，推測(cè)出系統(tǒng)的頻偏。選取一致性較高的基準(zhǔn)特征值（m取3～5），用它們對(duì)應(yīng)的頻移區(qū)間推斷出該頻段的頻偏。

在推測(cè)頻率偏差區(qū)間內(nèi)，尋找最優(yōu)的數(shù)字。在該算法中，按照匹配度的不同，將頻移時(shí)間按一定的順序進(jìn)行排序，并按一定的步長(zhǎng)進(jìn)行校正與恢復(fù)。將恢復(fù)后的數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)的前導(dǎo)進(jìn)行對(duì)比，并以誤碼率作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)誤碼率變化曲線下降到最低點(diǎn)時(shí)，對(duì)應(yīng)的頻度變化值即為最優(yōu)估計(jì)值。

為此，本課題擬研究一種融合多模態(tài)特性的多模態(tài)信息分析算法，以提高無(wú)線通信系統(tǒng)的通信性能和可靠性。

四、仿真結(jié)果

（一）可行性驗(yàn)證

盡管采用 BER值來(lái)進(jìn)行匹配，算法簡(jiǎn)便，效率高，但是其解調(diào)品質(zhì)對(duì)頻率偏差非常敏感。這樣，當(dāng)頻率偏差增大時(shí)，系統(tǒng)的相對(duì)錯(cuò)誤率（也就是沒(méi)有頻率偏時(shí)）將很快逼近50%。但是，該實(shí)現(xiàn)方案中的特性匹配算法不需要對(duì)系統(tǒng)的絕對(duì)錯(cuò)誤率有很高的要求。

相反，本文的特征匹配策略是基于特定頻偏值所對(duì)應(yīng)的特征庫(kù)樣本進(jìn)行的。這意味著，對(duì)于每一個(gè)頻偏點(diǎn)，本文都有一組與之對(duì)應(yīng)的特征庫(kù)樣本作為參照。當(dāng)接收端接收到前導(dǎo)編碼時(shí)，它會(huì)計(jì)算當(dāng)前的特征值，并與特征庫(kù)中的樣本進(jìn)行比對(duì)。這種比對(duì)是基于相對(duì)誤碼率的，即比較當(dāng)前特征值與特征庫(kù)中樣本的誤碼率差異。

通過(guò)這種方式，即使絕對(duì)誤碼率很高，本文仍然能夠通過(guò)相對(duì)誤碼率的比較來(lái)找到與接收到的前導(dǎo)編碼最匹配的特征庫(kù)樣本。圖1直觀地展示了這種匹配策略的可行性，它清楚地表明了即使在高頻偏情況下，本文仍然能夠通過(guò)特征匹配來(lái)有效地估計(jì)頻偏。

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在圖1中，雖然三種頻率偏差條件下的誤碼率與沒(méi)有頻率偏差時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)量相比是不可區(qū)別的，但是可以根據(jù)錯(cuò)誤比特的空間分布特性將其區(qū)別開來(lái)。即，情形（b）與情形（c）在誤碼位分布特性上更為相近。通過(guò)對(duì)二者的相關(guān)位錯(cuò)率進(jìn)行計(jì)算，得到情形（a）與情形（C）的位錯(cuò)率是41.8%，情形（b）與情形（c）的位錯(cuò)率是4.5%。為此，通過(guò)建立各種頻率偏差下的特征量數(shù)據(jù)庫(kù)和解調(diào)過(guò)程中的對(duì)比，可以較好地判斷出該頻段的真實(shí)頻率偏差，通過(guò)一次錯(cuò)誤率對(duì)比就可以達(dá)到這個(gè)目的。在此基礎(chǔ)上，我們還可以利用其它更穩(wěn)健和更好的圖像配準(zhǔn)算法。

（二）估計(jì)能力驗(yàn)證

圖2是特定頻偏下，未作頻偏校正之前與頻偏校正之后的星座分布?？梢钥闯?，所施加的頻偏能夠被系統(tǒng)準(zhǔn)確識(shí)別并予以校正。

根據(jù)圖2的展示，可以得出以下結(jié)論：

（a） 該方法在各種頻偏情況下都展現(xiàn)出了卓越的識(shí)別精準(zhǔn)度和恢復(fù)能力。特別是在高信噪比條件下，當(dāng)頻偏處于0～720Hz范圍內(nèi)時(shí)，誤碼率能夠達(dá)到零，這充分證明了該方法在頻偏估計(jì)和校正方面的有效性。

（b） 與傳統(tǒng)的頻偏校正算法相比，該方法的校正范圍更廣。傳統(tǒng)算法通常局限于0.5～2倍歸一化頻偏的校正范圍，而該方法則能夠處理高達(dá)11.5倍歸一化頻偏的情況，這無(wú)疑大大擴(kuò)展了頻偏校正的適用范圍。

（c） 隨著頻偏的持續(xù)增大，該方法的估計(jì)與校正能力雖然會(huì)有所降低，但呈現(xiàn)出線性降級(jí)的趨勢(shì)，并沒(méi)有出現(xiàn)突變劣化的情況。這意味著即使在較大的頻偏下，該方法仍然能夠保持相對(duì)穩(wěn)定的性能，而不會(huì)像某些算法那樣在超出其容限后急劇失效。

五、結(jié)論

針對(duì)高速、超高速和大動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)目標(biāo)，研究了一種新的頻率偏差估算算法。在此基礎(chǔ)上，利用已建立的頻率偏差特征庫(kù)，進(jìn)行頻率偏差的有效捕捉和重構(gòu)。本項(xiàng)目所提出的算法具有良好的頻偏估計(jì)與修正效果，可在小頻率偏或大頻率偏條件下仍具有很好的辨識(shí)精度與復(fù)原能力。

作者單位：武警士官學(xué)校二大隊(duì)