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。
突发信号高动态载波同步的核心问题是如何在有限长度数据中实现多普勒频偏、多普勒变化率及载波相位3个参数的估计。传统上，载波相位同步方法主要集中在基于反馈结构的锁相环应用技术。在高动态低信噪比条件下，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的载波同步符号，导致传输帧效率下降及时延增加。因此，在突发通信系统中，直接从信号中估计载波参数，通过前向结构实现载波相位同步是非常具有工程价值的研究方向。现有技术采用基于前向结构载波同步方法是另一种主要的突发通信载波同步方法，其特点是直接从接收信号中估计载波参数后对载波相位进行校正实现载波同步。该方法的关键技术难点在于多普勒频偏、多普勒变化率及载波相位的估计，常用的采用迭代处理的方式实现三个载波参数的联合估计，在高信噪比时性能较好，但在信噪比10db以下时性能恶化严重，不适合低信噪比应用场合；基于极大释然准则的载波参数估计方法在低信噪比下性能良好，但是需要在多维变量取值空间内搜索极大释然函数值，实现复杂度极高，很难工程应用，无法满足航空突发通信系统中高实时性处理的技术要求。
技术实现要素：
本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种动态适应能力强、处理时延低(微秒级)、性能损失小的高动态突发信号载波快速同步方器。
本发明的上述目的可以通过以下措施来达到：一种高动态突发信号载波快速同步器，包括高动态突发信号载波同步器，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。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
本发明将载波同步过程分解为功能相对独立、分级级联的三个处理步骤实现载波同步，关键路径得到了分割，电路可以工作在较高的时钟主频率，能有效提高吞吐率；相对于现有技术方案的贡献在于，提供了一种高动态载波快速同步的高性能实现方案。
本发明针对现有锁相环技术在高动态低信噪比条件下，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的载波同步符号，导致传输帧效率下降及时延增加问题，采用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，分级级联的三级流水结构处理单元实现载波同步，结构简单，易以实现；可以实现大频偏、快速及高精度载波同步。避免了现有技术变带宽法在模拟锁相环中，其实现要用电子开关切换滤波器来实现，电路较复杂问题。
本发明产生的技术效果在于：
一是对多普勒变化率及信号电平参数不敏感，动态适应能力强。每一级处理采用前馈实现结构，对多普勒变化率及信号电平参数不敏感，而且不存在反馈方式的同步收敛过程，更适合突发信号载波快速同步。每一级处理单元采用基本相同的结构，能有效提高工程开发效率。充分利用导频符号及内插算法提高参数估计精度，有效降低同步性能损失；能有效满足高动态环境应用需求。
二是利用帧头及帧尾设计的导频符号保证了在大频偏条件下的快速同步和同步精度，提高了参数估计精度。每一级处理功能由载波参数估计器和校正器完成。载波参数估计器完成本级处理载波参数的提取和估计；载波校正器根据载波参数估计值对载波误差进行校正补偿，降低了处理时延和性能损失，能够在低信噪比下达到较低的同步性能损失，最低可达0.1db；
三是采用前馈结构分级实现载波参数估计及校正，各级处理功能独立，实现结构简单，便于工程开发；参数估计方法处理复杂度远低于现有技术手段，处理时延可低至100微秒以内。锁定的载波相位噪声小，与环路带宽为大宽带下相位噪声相比，载波相位噪声改善了30db多。
本发明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；多普勒频偏同步；载波相位同步三个步骤处理载波同步：。这种采用三级流水结构，特别适合需要满足低时延、低信噪比、高传输效率、高动态应用要求的航空突发通信系统中。
附图说明
图1是本发明高动态突发信号载波快速同步器的工作原理图。
图2是图1中多普勒变化率同步单元的工作原理图。
图3是图1中多普勒频偏同步单元的工作原理图。
图4是图1中载波相位同步单元的工作原理图。
图5是图1所述方法参考传输帧结构示意图。
下面结合附图和实施例进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实例范围之中。
具体实施方式
参阅图1。在以下描述的实施例中，高动态突发信号载波快速同步器，包括高动态突发信号载波同步器。高动态突发信号载波同步器包含多普勒变化率同步单元101、多普勒频偏同步单元102、载波相位同步单元103，三个处理单元依次级联。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。载波参数包括多普勒变化率、多普勒频偏、载波相位。
a.在突发数据传输帧的业务数据头部及尾部各加入一段长度为n的已知导频符号，n一般小于128。
参阅图2。多普勒变化率同步单元101包括接收输入数据s1(t)的延时器202、延时器202顺次串联的多普勒变化率校正器203，并联在所述延时器202输入端与多普勒变化率校正器203之间的多普勒变化率估计器201。多普勒变化率估计器利用图5所示参考传输帧结构中的导频符号对帧头及帧尾载波频偏进行估计，根据得到的帧头载波频偏估计值
其中n为导频符号长度、m为业务数据符号长度，t为符号周期。
多普勒变化率校正器利用变化率估计值
式中，t表示时间(单位秒)、j为虚部单位、exp(·)表示以自然常数e为底的指数函数。
参阅图3。多普勒频偏同步单元102包括接收输入数据s2(t)的延时器302、延时器302顺次串联的多普勒频偏校正器303，并联在所述延时器302输入端与多普勒频偏校正器303之间的多普勒频偏估计器301、延时器302。多普勒频偏估计器301利用图5所示参考传输帧结构中的业务数据段，对多普勒频偏进行估计得到频偏估计值
参阅图4。载波相位同步单元103包括接收输入数据s3(t)的延时器402、延时器402顺次串联的载波相位校正器403,并联在所述延时器402输入端与载波相位校正器403之间的载波相位估计器401。载波相位估计器401利用图5所示参考传输帧结构中的导频符号对帧头及帧尾载波相位进行估计，得到帧头载波相位估计值
载波相位校正器403利用载波相位估计器401获得的载波相位估计值
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的包含范围值内。