[發明專利]高動態極低信噪比下衛星通信Turbo碼迭代解調方法

有效

• 申請號: 201710978631.4
• 申請日: 2017-10-19
• 公開（公告）號: CN107769841B
• 公開（公告）日: 2019-11-15
• 發明（設計）人: 楊杰;朱宏鵬;李廣俠;李志強;王闖;蔡君
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍陸軍工程大學
• 主分類號: H04L27/22
• 分類號: H04L27/22;H04B7/185;H04L27/00;H04L27/26
• 代理公司: 32203 南京理工大學專利中心
• 代理人: 吳茂杰<國際申請>=<國際公布>=<進入

1.一種高動態極低信噪比下衛星通信Turbo碼迭代解調方法，其特征在于，包括如下步驟：

(10)接收信號下變頻：將接收帶通信號通過正交下變頻，轉換為基帶信號；

(20)信號大頻偏消除：將基帶信號分段進行傅里葉變換并進行累加后，與匹配濾波器響應函數的傅里葉變換移位相加，得到似然函數；通過搜索似然函數峰值獲得頻偏粗估計值，并利用該估計值對接收帶通信號進行載波頻偏補償；

(30)信號匹配濾波：將載波頻偏補償后的信號進行匹配濾波，得到信道匹配信號；

(40)幀同步和位定時聯合估計：對匹配濾波后的信號進行高倍速率采樣，獲得多路采樣信號，對多路采樣信號并行進行幀同步檢測，搜索相關峰最大值，利用相關峰最大值及對應的位置，估計出定時頻偏，利用該定時頻偏對濾波后信號進行定時頻偏修正；

(50)頻偏相偏預估計：利用幀同步檢測捕獲到的幀頭作為頻率估計的數據輔助序列，采用基于三角多項式插值數據輔助頻率估計算法對頻偏進行預估計，并對定時頻偏修正后的信號進行補償；

(60)頻偏相偏精估計：利用基于M值搜索和基于三角插值EM算法級聯的碼輔助算法，對頻偏相偏進行精估計，并對預估計補償后的信號進行補償；

(70)定時偏差精估計：對利用基于插值的M值二維搜索算法，對載波偏差補償后的殘留定時頻偏、定時偏差進行估計，并對編碼分組數據進行修正對修正后的信號送入譯碼器譯碼，輸出譯碼判決結果，完成初始編碼分組迭代解調譯碼；

(80)多普勒頻偏變化跟蹤：對于后續編碼分組，在頻率EM算法模塊引入頻率計數器，改進EM算法，完成多普勒頻偏變化跟蹤；

所述(20)信號大頻偏消除步驟包括：

(21)基帶信號分段傅立葉變換：將觀察區間長度為L₀的基帶信號分為N段，每小段長為L，然后對第l段進行N點離散傅立葉變換得到R_l(k)，并求得分組累加和，

(22)匹配濾波響應函數傅立葉變換：對匹配濾波器響應函數g(t)進行N點離散傅立葉變換得到函數對應的傅里葉變換值G(k)；

(23)移位相加：將G(k)向左移m位與相乘后累加，得到似然函數Λ(m),

(24)頻偏估計：將G(k)不斷向左移位，搜素Λ(m)函數最大值，取最大值對應的為為采樣頻率為f_s，則頻率估計為：

(25)大頻偏補償：利用頻率粗估計值對接收帶通信號進行載波頻偏補償；

所述(40)幀同步位定時聯合估計步驟包括：

(41)信號采樣：對波頻偏補償后的信號進行高倍速率采樣，獲得多路采樣信號；

(42)多路幀同步檢測：將多路采樣信號分別送到N_p路幀同步檢測單元進行幀同步檢測，搜索獲得N_p個相關峰最大值，所述N_p路幀同步檢測單元的每路幀同步檢測單元采用如下表達式的容忍頻偏的幀檢測算法，

其中，l_i為幀起始位置為i時得到的檢測量；

r_k為接收信號，幀頭長為L_h，將長L_h的序列分為L_PDI段，每段長為L_coh，即，

L_h＝L_PDI×L_coh；

x_n為第n段長為L_coh序列與幀同步頭共軛相乘后得到信號；

(43)定時頻偏粗估計：根據下式粗估計定時頻偏，

式中，N_p個相關峰值中的最大值所在偏移區間為定時偏移τ₀所在區間，最大值所在位置為幀頭起始位置μ，連續兩幀捕獲的幀頭獲得和一幀長為L_f；

(44)定時頻偏修正：利用所述定時頻偏粗估計值對接收帶通信號進行定時頻偏內插修正；

所述(50)頻偏預估計步驟包括：

(51)消除調制信號：接收信號r_k與對應幀頭序列a_k共軛相乘得到長為L_h單頻信號z_n；

(52)FFT頻率粗估：對長度為L_h的序列z_n末尾補L_h個0，并做2L_h點的FFT運算，搜尋FFT譜線“sinc”包絡的主瓣位置l，則實際頻率對應的譜線位置位于譜線R(l)和R(l+1)之間；

(53)三角多項式插值精估計：利用三角多項式插值公式計算出

再根據下述頻率相位和FFT變換的關系式，獲得關于頻率和相位的估計值,

(54)頻偏相偏補償：利用獲得的頻率估計和相位估計對信號進行頻偏相偏校正；

所述(60)頻偏相偏精估計步驟包括：

(61)基于M值算法頻率粗搜索：構造M值函數，由預估計壓縮范圍確定搜索頻率組，通過搜索M值函數最大值確定頻率粗估計值

(62)頻偏補償：將M值算法得到頻率對編碼分組數據r_k進行頻偏修正；

(63)基于三角插值EM算法頻率精估計：利用譯碼輸出軟信息消除調制信息，通過三角插值算法獲得頻偏相偏精估計，然后對頻偏相偏進行校正后，再進行多次迭代，完成頻偏相偏精估計及補償；

所述(70)定時偏差精估計步驟包括：

(71)確定定時頻偏搜索序列：設定時頻偏估計間隔為Δf_τ，Δf_τ取值滿足下式，由Δf_τ確定定時頻偏搜索序列{f_j},

Δf_τ·N＜0.05；

(72)迭代求解4個M值：從所述定時頻偏搜索序列{f_j}中選定一個頻率點f_j，對編碼分組數據進行定時內插校正，以基準點為參考，間隔T/4，選擇4路采樣數據，時間間隔為-T/4，0，T/4，T/2，分別送入譯碼器進行一次迭代，得到4個M值，記為Γ(-T/4)，Γ(0)，Γ(T/4)，Γ(T/2)；

(73)三角插值求得給定頻率點最大值：在所述頻率點f_j上最大值所處位置的估計值為并在該估計值基礎上，經過內插濾波器得到一組修正數據，并送入譯碼器得到新的Γ_max(f_j)；

(74)定時偏差精估計：逐個比較Г_max(f_j)，由關于定時頻偏和定時偏差的M值二維函數特性知，極值在以最高點為中心兩邊分布，當Γ_max(f_j-1)＜Γ_max(f_j)，Γ_max(f_j+1)＜Γ_max(f_j)，則可判斷找到最大值，則對應頻率即為所要獲得的定時頻偏精估計f_fine，對應的初始定時偏差為所要獲得τ₀；

(75)譯碼判決輸出：以定時頻偏f_fine、初始定時偏差τ₀對采樣數據進行校正，并送入譯碼器多次迭代后完成譯碼判決輸出；

所述(80)多普勒頻偏變化跟蹤步驟包括：

(81)頻偏預估計：利用已知幀頭序列對頻偏進行預估計；

(82)基于M值算法頻偏粗估計：基于M值搜索的碼輔助算法對第一幀的頻偏進行粗估計，從而消除大部分頻偏；

(83)頻率跟蹤：設第n幀采用EM算法獲得的頻偏估計值為f_n，則頻偏計數器存儲值記為則對于第n+1幀，首先利用幀頭采用相位數據輔助算法估計初始相位，壓縮相偏，然后用f_nco來進行頻偏校正，然后再送譯碼器進行EM算法頻偏估計。