机载卫星通信多普勒频移高精度检测及补偿方法
【专利摘要】机载卫星通信多普勒频移高精度检测及补偿方法，其特征是采用基于FFT的Rife插值校正算法进行频差修正，即导频频率估计算法来检测卫星通信多普勒频移：由于FFT运算存在栅栏效应,当输入信号的频率不在FFT量化频率点处时,直接用FFT运算的最大谱线位置来估计正弦输入信号的频率,将存在量化误差,在0～T时间内，对加性高斯白噪声背景中单一频率正弦信号进行采样，得到采样序列：本发明通过基于频差修正的Rife导频频率估计算法来检测卫星通信多普勒频移，实现对下行信号的多普勒频移补偿。
【专利说明】
机载卫星通信多普勒频移高精度检测及补偿方法
技术领域
[0001] 本发明属于卫星通信领域，具体设及到一种机载动中通卫星通信的多普勒频移检 测与补偿方法。 二.【背景技术】
[0002] 多普勒频移是由于发射源和接收机之间的相对运动引起的，飞机作为一种高速运 动载体与卫星间的相对运动速度快，且卫星通信使用频段较高（如Ka或Ku频段），机载卫通 链路中会产生较大范围剧烈的多普勒频移变化，运将会导致接收机灵敏度低，系统误码率 增加，因此必须对多普勒频移进行补偿。
[0003] 设定光速为Vc,多普勒频偏为A fduppler，相对运动速度向量V在收发连线方向的投 影为Vos，则频率为f C的单载波由于载体运动所引起的多普勒频偏由下式表示：
[0004]
[0005] 目前针对多普勒频移进行估计的算法很多，但大多过于复杂，且首先需要实现符 号同步，无法在多普勒频移超过符号速率的情况下进行检测与补偿。一般来说卫星天线接 收一个已知频率(已考虑卫星频偏)的导频(单载波)信号，然后闭环计算导频信号的实际频 率，两者之间的频差即为多普勒频差。导频信号的频率估计是多普勒频移检测的关键。频率 估计的算法大多是基于FFT的频率估计算法，包括基于FFT的频谱细化法、基于FFT的插值校 正法(Rif e算法和如inn算法）、基于FFT的最大似然估计算法等。
[0006] Rife插值算法在输入噪声为零时，能够得到精确的频率估计结果。在适当的信噪 比条件下，当真实频率f位于两个FFT离散频率的中屯、区域（即S的绝对值靠近0.5)时，Rife 算法性能较好，其频率估计均方根误差接近克拉美-罗界(CRB)。在有噪声的情况下，当S较 小时，可能出现位于FFT频谱最大值另一侧(相对幅值次大处)第一旁瓣的幅度超过主瓣内 次大值的情况，从而造成频率插值方向相反，引起较大的频率估计误差。
[0007] 通过导频检测到多普勒频移后，实时调整接收机的本振频率，实现对下行信号的 多普勒频移补偿。接收机的本振频率的调整大多是通知CPU修改信道频率来实现。 H.
【发明内容】
[000引本发明目的是，提出一种应用于卫星通信的多普勒频移检测与补偿方法。尤其是 一种基于频差修正的Rife导频频率估计算法来检测卫星通信多普勒频移，实现对下行信号 的多普勒频移补偿。
[0009]本发明技术方案是:机载卫星通信多普勒频移高精度检测及补偿方法，基于FFT的 Rife插值(校正)算法;Rife插值算法在输入噪声为零时，能够得到精确的频率估计结果。在 适当的信噪比条件下，当真实频率f位于两个FFT离散频率的中屯、区域（即S的绝对值靠近 0.5)时，Rife插值算法性能较好，其频率估计均方根误差接近克拉美-罗界(即CRB)。在有噪 声的情况下，当S较小时，可能出现位于FFT频谱最大值另一侧(相对幅值次大处)第一旁瓣 的幅度超过主瓣内次大值的情况，从而造成频率插值方向相反，引起较大的频率估计误差。
[0010] 具体方法是:基于频差修正的Rife插值(校正)算法即导频频率估计算法来检测卫 星通信多普勒频移：由于FFT运算存在栅栏效应，当输入信号的频率不在FFT量化频率点处 时，直接用FFT运算的最大谱线位置来估计正弦输入信号的频率，将存在量化误差，其误差 范围[-fs/2N，fs/2N]，其中fS为采样频率，賦JFFT点数；
[0011] 在0~T时间内，对加性高斯白噪声背景中单一频率正弦信号进行采样，得到采样 序列：
[0012] x(n) = Acos(化fo/fs+目o)+z(n) ,n = 0,1,,N-I
[001引式中：A, 00分别为正弦信号的幅度和相位;f诚待估计的信号频率;fs为采样频率； z(n)为零均值高斯白噪声；
[0014] x(n)的N点FF巧己为X化），由于实序列FFT具有对称性，因此只考虑离散频谱的前N/ 2点，在加矩形窗情况下，有
[0015]
[0016] X化)在幅度最大值处的离散频率的序号记为m，Z化)为z(n)的FFT;利用m可对信号 的频率做粗略的估计；
庚中Af为FFT的频率分辨率，Af =1/NT=1/化;当信号的 频率不是Af的整数倍时，X化)在主瓣内有2条谱线，最大谱线的幅度为Xo= Ix(Hi)I，次大谱 线的位置记为mi，mi=m±l，次大谱线的幅度Xi= Ix(Hii)I，则根据次大值与最大值的比值a (O = XiAo)可W得到信号的实际频率与估计频率之间的相对偏差S为：
[0017]
[001 引 巧甲，
6 = L-0.5,0.5];
[0019] 通过插值修正，估算信号的频率为
[0020]
[0021] 当次大值在最大值的左边时，上式中±符号取减，当次大值在最大值的右边时，上 式中±符号取加;通过导频信道估算频差即多普勒频移，然后在中频单元通过改变DDS输出 频率(通过调整IOMHz参考源），后端的解调器无需对多普勒频差进行处理。
[0022] 实际应用时，先FFT再Rife插值修正来进行频率的估计。运样FFT的点数N和采样时 间T都可W降低，可W满足快速频率检测的要求。输入噪声为零时，Rife算法能够得到精确 的频率估计结果。在适当的信噪比条件下，当fo位于两个离散频率的中屯、区域（即S的绝对 值靠近0.5)时，其频率估计均方根误差接近CRB，误差远小于FFT算法。
[0023] 在中频段校正机载卫星通信多普勒频移的方法:通过导频信道估算频差，然后在 中频单元通过改变DDS输出频率调整IOMHz参考源，后端的解调器无需对多普勒频差进行处 理。采用基于FFT的Rife插值(校正）算法:Rife插值算法在输入噪声为零时，能够得到精确 的频率估计结果。在适当的信噪比条件下，当真实频率f位于两个FFT离散频率的中屯、区域 (即S的绝对值靠近0.5)时，Rife插值算法性能较好，其频率估计均方根误差接近克拉美-罗 界（即CRB)。在有噪声的情况下，当S较小时，可能出现位于FFT频谱最大值另一侧(相对幅值 次大处)第一旁瓣的幅度超过主瓣内次大值的情况，从而造成频率插值方向相反，引起较大 的频率估计误差。
[0024] 加性高斯白噪声是随机无线噪声，其通信信道上的信号分布在很宽的频带范围 内。"白"指功率谱恒定;高斯指幅度取各种值时的概率P(X)是高斯函数;加性高斯白噪声在 通信领域中指的是一种各频谱分量服从均匀分布（即白噪声），且幅度服从高斯分布的噪声 信号。因其可加性、幅度服从高斯分布且为白噪声。
[0025] 本发明中，经化fe导频频率估计算法估算出的频差预估值经过直接数字式频率合 成器DDS+锁相环化L电路校正后，使下次频差预估时S的绝对值靠近0.5，其频率估计均方根 误差接近CRB。
[0026] 本发明方法实现了多普勒频差预估与频差校正的闭环;本次经Rife导频频率估计 算法估算出的频差预估值经过直接数字式频率合成器DDS+锁相环化L电路校正后，使下次 频差预估时导频频率处于两相邻FFT量化频率之间的中屯、附近。如此闭环，经过多次循环使 导频频率不断逼近两相邻FFT量化频率之间的中屯、，使用简单的Rife导频频率估计算法即 可使频差均方根误差接近克拉美-罗界(CRB)。
[0027] 进一步，本发明方法还包括:提供一种能够克服直升机旋翼遮挡的多普勒频差补 偿方法;估算导频频率时，在FFT结果中剔除与直升机旋翼遮挡频率同频的点，再进行RIFE 插值估算多普勒频差；
[0028] 本发明有益效果:提出一种应用于卫星通信的多普勒频移检测与补偿方法。尤其 是一种基于频差修正的Rife导频频率估计算法来检测卫星通信多普勒频移，实时调整接收 机的本振频率，实现对下行信号的多普勒频移补偿。 四、
【附图说明】
[0029] 图1为本发明多普勒频移检测与补偿总体框图。
[0030] 图2为基于频率校正的Rife算法框图。 五、
【具体实施方式】
[0031] 总体框图如图1所示。
[0032] 1)、本发明提出了一种在中频段校正机载卫星通信多普勒频移的方法。该方法通 过导频信道估算频差，然后在中频单元通过改变DDS输出频率调整IOMHz参考源，后端的解 调器无需对多普勒频差进行处理。
[0033] 2)、本发明提出了一种基于频差修正的Rife导频频率估计算法来检测卫星通信多 普勒频移，如图2所示。
[0034] 由于FFT运算存在栅栏效应，当输入信号的频率不在FFT量化频率点处时，直接用 FFT运算的最大谱线位置来估计正弦输入信号的频率，将存在量化误差，其误差范围[-fs/ 2N，fs/2N]，其中fs为采样频率，N为FFT点数。在0~T时间内，对加性高斯白噪声背景中单一 频率正弦信号进行采样，得到采样序列：
[0035] x(n) =Acos(23ifo/fs+0〇)+z(n) ,n = 0,1, ,N~1
[0036] 式中:A, 00分别为正弦信号的幅度和相位;fo为待估计的信号频率;fs为采样频率； z(n)为零均值高斯白噪声。
[0037] x(n)的N点FF巧己为X化），由于实序列FFT具有对称性，因此只考虑离散频谱的前N/ 2点，在加矩形窗情况下，有 [00；3 引
[0039] X化)在幅度最大值处的离散频率的序号记为m，Z化)为z(n)的FFT。利用m可对信号 的频率做粗略的估计：
，其中Af为FFT的频率分辨率，Af=l/NT=l/tp。当信号的 频率不是Af的整数倍时，X化)在主瓣内有2条谱线，最大谱线的幅度为Xo= Ix(Hi)I，次大谱 线的位置记为mi，mi=m±l，次大谱线的幅度Xi= Ix(Hii)I，则根据次大值与最大值的比值a (O = XiAo)可W得到信号的实际频率与估计频率之间的相对偏差S为
[0040]
[0041 ]式中，S = [-0.5,0.5]。
[0042] 通过插值修正，估算信号的频率为
[0043]
[0044] 当次大值在最大值的左边时，上式中±为减，当次大值在最大值的右边时，上式中 ±为加。
[0045] 实际应用时，先FFT再Rife插值修正来进行频率的估计。运样FFT的点数N和采样时 间T都可W降低，可W满足快速频率检测的要求。输入噪声为零时，Rife算法能够得到精确 的频率估计结果。在适当的信噪比条件下，当fo位于两个离散频率的中屯、区域（即S的绝对 值靠近0.5)时，其频率估计均方根误差接近CRB，误差远小于FFT算法。
[0046] 本发明中，经Rife导频频率估计算法估算出的频差预估值经过DDS+化L电路校正 后，使下次频差预估时S的绝对值靠近0.5，其频率估计均方根误差接近CRB。
[0047] 3)、该方法实现了多普勒频差预估与频差校正的闭环。本次经Rife导频频率估计 算法估算出的频差预估值经过DDS+化L电路校正后，使下次频差预估时导频频率处于两相 邻FFT量化频率之间的中屯、附近。如此闭环，经过多次循环使导频频率不断逼近两相邻FFT 量化频率之间的中屯、，使用简单的化fe导频频率估计算法即可使频差均方根误差接近克拉 美-罗界(CRB)。
[004引4)、本发明提供了一种能够克服直升机旋翼遮挡的多普勒频差补偿方法。估算导 频频率时，在FFT结果中剔除与直升机旋翼遮挡频率同频的点，再进行RIFE插值估算多普勒 频差。
[0049] 5)、本发明提供了一种基于孤S和化L的多普勒频移补偿方法。DDS具有频率分辨率 高、频率改变速率快、输出相位连续和噪声低的优点，W及化L具有的输出频率高和窄带滤 波跟踪特性，因此可W实现高精度、快速率的频移补偿，且不会影响原有信号的相位特性。
[0050] 本发明中，对DDSl和DDS2输出的IOMHz参考源的不断的调整过程即为多普勒频差 补偿的过程。由于调整的是IOMHz参考源，在收支路设置化L2W及发支路设置化L3时无需考 虑多普勒频移。
[0051] 更具体实施方案为：
[0052] 1)设置收支路DDSl输出IOMHz参考，设置化Ll为已知的导频信道频率，使该信道在 无多普勒频偏时为一个频率处于两相邻FFT量化频率中屯、的单频信号，记该频率为fc。通过 普通Rife算法粗算导频fo的估算频率_/；，导频估算频率与已知频率fc之差即为多普勒频 差估算值A fdDppler。
[0053] 2)保持化LI不变，根据粗算的多普勒频移A fdoppier调整DDSl，使导频的估算频率 义处于FFT量化频率中屯、f。附近。
[0化4] 3)通过Rife算法精确估算导频频率/。，此时_^在'。附近，所W估算的多普勒频偏 A fdoppler均方根误差接近克拉美-罗界(CRB)。根据精算的多普勒频移A fdoppler调整孤Sl，使
[0055] 4)根据收发频率的比例，在调整收支路DDSl的同时，按相应的比例调整发支路的 DDS2〇
[0化6] 5)重复步骤3、4。
【主权项】
1. 机载卫星通信多普勒频移高精度检测及补偿方法，其特征是采用基于FFT的Rife插 值校正算法进行频差修正，即导频频率估计算法来检测卫星通信多普勒频移： 由于FFT运算存在栅栏效应，当输入信号的频率不在FFT量化频率点处时，直接用FFT运 算的最大谱线位置来估计正弦输入信号的频率，将存在量化误差，其误差范围[-fs/2N，fs/ 2N]，其中fs为采样频率，賦JFFT点数； 在0~T时间内，对加性高斯白噪声背景中单一频率正弦信号进行采样，得到采样序列： x(n) = A cos(23Tf〇/fs+0〇)+z(n) ,η = 0,1,···,Ν-1 式中:A, θ〇分别为正弦信号的幅度和相位;fo为待估计的信号频率;fs为采样频率;ζ(η) 为零均值高斯白噪声； x(n)的Ν点FFT记为X化），由于实序列FFT具有对称性，因此只考虑离散频谱的前Ν/2点， 在加矩形窗情况下，有X化)在幅度最大值处的离散频率的序号记为m，Z化)为z(n)的FFT;利用m对信号的频率 做粗略的估计:/。= mA/'，其中A f为FFT的频率分辨率，Δ f = 1/NT= 1/tp;当信号的频率不 是Af的整数倍时，X化)在主瓣内有2条谱线，最大谱线的幅度为Xo=|X(m)|，次大谱线的位 置记为mi，mi=m±l，次大谱线的幅度Xi=|X(mi)|，则根据次大值与最大值的比值α，α = Χι/ Χο,得到信号的实际频率与估计频率之间的相对偏差S为：式中，δ=[-〇.5,0.5]; 通过插值修正，估算信号的频率为当次大值在最大值的左边时，上式中±符号取减，当次大值在最大值的右边时，上式中 ±符号取加； 通过导频信道估算频差即多普勒频移，然后在中频单元通过改变DDS输出频率。2. 根据权利要求1所述的机载卫星通信多普勒频移高精度检测及补偿方法，其特征是 经化fe导频频率估计算法估算出的频差预估值经过直接数字式频率合成器DDS+锁相环化L 电路校正后，使下次频差预估时δ的绝对值靠近0.5，其频率估计均方根误差接近CRB。3. 根据权利要求1所述的机载卫星通信多普勒频移高精度检测及补偿方法，其特征是 实现多普勒频差预估与频差校正的闭环;上述经化fe导频频率估计算法估算出的频差预估 值经过直接数字式频率合成器DDS加锁相环化L电路校正后，使下次频差预估时导频频率处 于两相邻FFT量化频率之间的中屯、附近。4. 根据权利要求1所述的机载卫星通信多普勒频移高精度检测及补偿方法，其特征是 实现克服直升机旋翼遮挡的多普勒频差补偿方法;估算导频频率时，在FFT结果中剔除与直 升机旋翼遮挡频率同频的点，再进行RIFE插值估算多普勒频差。
【文档编号】H04L27/00GK105847203SQ201610159205
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月18日
【发明人】刘立伟, 杨书奎, 邓世明, 南淑君
【申请人】熊猫电子集团有限公司, 南京熊猫汉达科技有限公司