一種衛(wèi)星TDMA信號(hào)解調(diào)的方法

趙 倩

國(guó)家新聞出版廣電總局九五一臺(tái)，河北石家莊 050407

0 引言

衛(wèi)星TDMA通信系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)發(fā)器處于單載波工作狀態(tài)，不存在FDMA方式的互調(diào)問(wèn)題，衛(wèi)星功率利用率可達(dá)90%以上，頻帶幾乎可以全部利用，易于實(shí)現(xiàn)星上交換，信息速率高低適用，便于數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)。因此衛(wèi)星TDMA方式應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文設(shè)計(jì)了一種TDMA信號(hào)的接收解調(diào)方法，對(duì)此類(lèi)信號(hào)的接收及解調(diào)技術(shù)具有一定的參考價(jià)值。

突發(fā)信號(hào)的數(shù)字相干解調(diào)需要載頻同步快速。信號(hào)突發(fā)時(shí)隙具有導(dǎo)頻信號(hào)的特征。利用導(dǎo)頻信號(hào)可以完成載波的快速捕獲同步。FFT達(dá)到的頻率分辨率并不能滿(mǎn)足數(shù)字載頻同步環(huán)路所需要的精度，這樣就需要做載頻頻率的精細(xì)測(cè)量，頻域分析已經(jīng)不能滿(mǎn)足，可以在時(shí)域進(jìn)行測(cè)量，對(duì)信號(hào)進(jìn)行差分檢測(cè)和一定時(shí)間內(nèi)積分平均濾除噪聲影響，可以獲得較高的頻率測(cè)量精度。

1 TDMA時(shí)隙信號(hào)檢測(cè)

TDMA分幀幀頭一般有用于載波恢復(fù)和碼元同步的特殊碼元。碼元為全‘1’碼型，或‘0’和‘1’循環(huán)碼型。在頻域表現(xiàn)為單頻。所以通過(guò)檢測(cè)單頻來(lái)確認(rèn)時(shí)隙信號(hào)的出現(xiàn)時(shí)刻，通過(guò)精確測(cè)量單頻的頻率值，可以估計(jì)載頻頻率值。低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)的多普勒頻移變化率不大于1kHz/s，可見(jiàn)在幾毫秒內(nèi)載頻的多普勒頻移約幾個(gè)赫茲，可以忽略多普勒效應(yīng)的影響。

估計(jì)出TDMA實(shí)現(xiàn)信號(hào)的載頻頻率和起始時(shí)刻后，將該信道的突發(fā)時(shí)隙數(shù)字下變頻，附帶頻道號(hào)、起始時(shí)刻緩存后等待解調(diào)。

2 數(shù)字AGC

由于數(shù)字載波同步環(huán)路受信號(hào)幅度影響，解調(diào)器輸入信號(hào)要求穩(wěn)定在2dB以?xún)?nèi)。TDMA信號(hào)的突發(fā)特性和解調(diào)器的多信道接收解調(diào)體制，決定了AGC的方式只能是數(shù)字AGC模式，所以需要進(jìn)行數(shù)字AGC控制，使環(huán)路工作在最佳狀態(tài)。AGC的控制依據(jù)是信號(hào)搜索得到的信號(hào)幅度，數(shù)字解調(diào)前的信號(hào)幅度可以達(dá)到正負(fù)1db精度。

本設(shè)計(jì)的數(shù)字AGC實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示，信號(hào)檢測(cè)模塊，在檢測(cè)信號(hào)突發(fā)時(shí)刻和載頻頻率的同時(shí)，可以得到信號(hào)電平，其精度可達(dá)到2db以?xún)?nèi)，將檢測(cè)的信號(hào)電平與門(mén)限比較，得到誤差信號(hào)，誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的查表，就可以得到數(shù)字增益，將緩存器中的數(shù)據(jù)完成數(shù)字增益控制，以待解調(diào)。

圖1 AGC實(shí)現(xiàn)框圖

3 數(shù)字下變頻

數(shù)字下變頻如圖2所示，與模擬中頻通道的功能一樣，主要有混頻，濾波，AGC，采樣率變換。關(guān)鍵部件是濾波器，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)使濾波器和采樣率變換相結(jié)合，保證濾波性能的前提下消耗最小的硬件資源。數(shù)字AGC可以彌補(bǔ)模擬AGC增益控制范圍不夠大的弊病，并能保證采樣數(shù)據(jù)的精度，得到最佳的解調(diào)效果。

4 多普勒頻移估計(jì)

由于多普勒頻移較大，對(duì)頻率的測(cè)量分為粗測(cè)和精測(cè)兩步，粗測(cè)是在信號(hào)檢測(cè)到后，取其單頻部分做FFT，搜索FFT峰值確定信號(hào)頻率，實(shí)現(xiàn)大頻率偏移的校正，精測(cè)是用粗測(cè)得到的頻率對(duì)信號(hào)做正交數(shù)字下變頻及濾波抽取，然后重復(fù)利用單頻部分?jǐn)?shù)據(jù)，用LP算法進(jìn)行頻率精測(cè)。

信號(hào)采樣速率表示為fs， fd表示多普勒頻移的估計(jì)值，D為延遲的采樣點(diǎn)數(shù)，N為參與平均處理的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。LP算法頻率估計(jì)的范圍F由fs和D決定，估計(jì)精度由輸入信號(hào)的信噪比（SNR）、D和N決定，估計(jì)誤差與延時(shí)D和SNR成反比。

圖2 數(shù)字下變頻實(shí)現(xiàn)框圖

圖3 碼匹配處理

5 解調(diào)處理

解調(diào)TDMA信號(hào)時(shí)，載波已經(jīng)由TDMA時(shí)隙檢測(cè)模塊精確估計(jì)給出。所以載波快速同步鎖定。鎖相環(huán)的捕獲帶大于最大多普勒頻移和載波估計(jì)的誤差，即可以滿(mǎn)足要求。

5.1 載波恢復(fù)算法

數(shù)字解調(diào)器中的載波恢復(fù)算法主要分為非判決反饋載波恢復(fù)法和判決反饋載波恢復(fù)法。由于判決反饋的方法性能優(yōu)于非判決反饋方法，所以本設(shè)計(jì)采用判決反饋方法來(lái)進(jìn)行載波恢復(fù)。

解調(diào)器將中頻信號(hào)經(jīng)數(shù)字下變頻轉(zhuǎn)為基帶信號(hào)后存在載波相位誤差，實(shí)現(xiàn)解調(diào)需要消除這部分偏差。可證明其載波相位誤差的鑒相特性曲線為正弦函數(shù)，相位誤差經(jīng)環(huán)路濾波器后進(jìn)入數(shù)控振蕩器，數(shù)控振蕩器產(chǎn)生相位估計(jì)值對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行相位誤差補(bǔ)償。其中環(huán)路濾波采用二階數(shù)字濾波器。

對(duì)于TDMA信號(hào)，要達(dá)到高性能的解調(diào)效果，須對(duì)載波頻差、相差進(jìn)行快速捕獲跟蹤，并且環(huán)路鎖定后還要保持較小的穩(wěn)態(tài)誤差。為此，開(kāi)始解調(diào)時(shí)，應(yīng)設(shè)置較大的環(huán)路參數(shù)，待鎖定后要減小環(huán)路參數(shù)。

5.2 判決時(shí)刻提取

TDMA信號(hào)具有起始同步字的特征。利用這個(gè)特征做碼元的定時(shí)估計(jì)。其基本原理是碼字相關(guān)，I、Q兩路相關(guān)器的輸出求模，峰值檢測(cè)得到最佳判決時(shí)刻。

在本設(shè)計(jì)中，同步字是12個(gè)碼元，采樣倍數(shù)為12倍，所以相關(guān)匹配濾波器的階數(shù)為144階。其實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

確保成功檢測(cè)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的關(guān)鍵是特殊字相關(guān)，相關(guān)的結(jié)果完成定時(shí)誤差的檢測(cè)和校正的同時(shí)，I、Q相關(guān)器輸出，在最佳判決時(shí)刻的相位，用來(lái)做數(shù)字載波同步環(huán)路的相位模糊校正，得到信號(hào)的數(shù)字解調(diào)結(jié)果。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)衛(wèi)星TDMA信號(hào)的分析，提出了應(yīng)用TDMA信號(hào)時(shí)隙檢測(cè)，多普勒頻移測(cè)量，載波恢復(fù)和判決時(shí)刻提取等方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星TDMA信號(hào)的解調(diào)，并在基于FPGA信號(hào)處理平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，完成了TDMA分幀信號(hào)的接收解調(diào)處理，系統(tǒng)具有高度的靈活性和可擴(kuò)展性，對(duì)類(lèi)似信號(hào)的處理有一定的參考價(jià)值。

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