[发明专利]高动态突发信号载波快速同步器

说明书

本发明提出的一种高动态突发信号载波快速同步器，旨在提供一种动态适应能力强、处理时延低(微秒级)、性能损失小的载波快速同步器。本发明通过下述技术方案予以实现，其特征在于：高动态突发信号载波同步器在突发数据传输帧的业务数据头部及尾部各加入一段导频符号组成参考传输帧，并将载波同步过程分解为功能相对独立，分级级联的多普勒变化率同步单元(101)、多普勒频偏同步单元(102)和载波相位同步单元(103)，三个依次级联的三级流水结构处理单元；每一级处理单元至少含有一个载波参数估计器和相关载波参数的校正器，本级载波参数估计器完成本级处理载波参数的提取和估计，本级载波参数校正器根据本级载波参数估计值对载波误差进行校正补偿。

技术领域

本发明涉及一种应用于卫星通信、移动通信等共享媒介通信系统中，适合于低信噪比、低延迟、高动态环境下突发通信信号载波快速同步器。

背景技术

突发通信技术已广泛应用于卫星通信、移动通信等共享媒介通信系统中。在高动态环境中，突发通信系统由于受到收发端时钟漂移、多普勒效应和电波传输时延等因素的影响，必须通过载波同步才能克服载波频率和相位上的不确定性。高动态将产生很大的多普勒频移，并且还伴随不同的加速度，这都会影响载波的同步和高动态载体之间的数据传输。由于高动态载波信号带来了较高的多普勒频移，造成载波跟踪环失锁，影响载波的同步。为了实现对传输帧一帧突发信号的正确解调，要在规定的导频序列长度内通过有限次调整完成载波同步，否则将造成后续用户数据的丢失，导致解调失败。载波快速同步是突发通信系统的关键技术，是正确解调数据信息的前提。但大的载波多普勒频移及多普勒变化率使锁相环路难以实现对载波的快速捕获和跟踪，严重影响了接收机的数据解调。

在高动态环境中，载体发送的信号在接收端将产生很大的多普勒频移、多普勒频移的一次变化率和二次变化率。在这种高动态环境中，通信机载体的动态变化范围大，具有很高的速度(可达2～3马赫)，很高的加速度(可达9g)和很高的加速度一次变化率。因此由这些高动态载体发送的信号在接收端将产生很大的多普勒频移、多普勒频移的一次变化率和二次变化率，对于如此大的高动态信号，如果采用传统的相关检测的捕获方法，这个捕获过程相当困难，捕获时间很长，同时对正确解调数据提出了很高的要求。由于高动态短时突发通信系统的通信时间极短，设计的难点在于同步方案的设计，主要体现在通信条件的苛刻性，包括大多普勒效应、低信噪比以及突发性。锁频环FLL+锁相环PLL是一种常用的，可以校正大频偏的载波同步算法，但它常用于对同步时间要求不高的连续通信系统，用于所涉及的突发通信系统时，经过仿真发现所需要的环路调整次数大于导频序列长度，收敛速度不够快，无法满足指标。

目前，低轨卫星接收机通常工作在高动态和低信噪比条件下，通常载波同步采用基于反馈迭代结构的锁相环同步方法，虽然其结构简单，但是在高动态低信噪比条件下，锁相环的收敛性能变差，锁相环很难在较短时间内实现快速同步，需要在突发帧头加入大量载波同步符号，导致传输效率下降及传输时延增加，在实际工作中，如果要锁相环快速收敛，需采用较大的环路带宽，但在低信噪比条件下失锁的概率也很大。如果环路带宽比较窄，锁相环的收敛速度很慢，不能满足卫星接收机在突发体制下快速锁定，也不能满足航空通信系统中高效、低时延的应用需求。

由于通信平台的高速机动使信号具有较大的多普勒频偏及多普勒变化率；通信双方的距离不断变化，导致接收信号电平具有较大动态范围；系统发射功率受限，接收信号信噪比较低。以上特点给高动态突发信号载波相位同步算法设计带来了较高的技术难度。在载波同步中，载波同步通常分为载波的捕获和跟踪两个阶段。传统的载波同步载波捕获采用对接收信号与本地振荡器VCO进行相关运算，并且设置门限进行判决，粗略估计载波多普勒频移；而载波精确跟踪由锁相环PLL，尤其是性能稳定的二阶锁相环来实现。以上技术的优点是接收机结构简单、工程应用十分成熟。但是，同步带宽越宽，锁相环路噪声性能越差，采用相关门限判决实现捕获时其抗噪性能不佳，采用二阶锁相环实现跟踪时其跟踪范围较窄。因此传统载波同步技术在低信噪比高动态的通信条件下无法胜任。