[发明专利]一种基于编码与导频联合辅助的高阶QAM载波同步方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种适应于低信噪比通信系统，如卫星、深空等数字通信系统中的载波同步方法。本方法给出了导频设计方式，设计了一种在可在低信噪比环境中能逼近克拉罗-美界的粗同步方法；并通过导频及译码器输出的软信息进行细同步。此方法可以大幅提高同步参数的估计精度，解决低信噪比，大动态范围通信系统中同步问题。

背景技术

信号的同步是通信系统设计中一个重要的实际问题。若一个通信系统的同步性能降低，将直接导致整个通信系统的性能下降，甚至使通信系统不能工作。为了保证信息的可靠传输，要求同步系统应有更高的可靠性。在低成本、低干扰同时强调灵活性的无线移动通信技术发展趋势下，作为数据接收首要条件的载波同步设计必然要向大信噪比动态范围、大频率动态范围的方向发展。因此，在目前第三代移动通信系统无线接入、蓝牙技术等热门领域中，低信噪比下的同步问题也正备受人们关注。不仅如此，极低谱密度下的捕获与同步也是卫星定位系统、深空通信、应急通信、超宽带无线通信等领域的关键技术。由于严格的功率约束、天线尺寸的限制、衰落带来的附加损耗以及多谱勒频移等因素的影响，加上纠错码的应用，特别是目前逼近香农限的Turbo码与LDPC码的应用，载波同步将工作在极低的信噪比下，传统的同步方法已经不能正常工作，如何在极低谱密度下，利用迭代译码的思想和译码信息辅助捕获与同步是目前通信领域的重要课题。

目前对极低谱密度下的捕获与同步问题尚缺乏深入的分析，大多数局限于具体的应用环境和实现方式。现有极低谱密度下的捕获与同步方法，需要的捕获时间长、复杂度高、导频需要量大。因此，研究极低谱密度信号捕获与同步的特性、方法、以及实现复杂度的分析。提出低复杂度的信号捕获方法和基于编码辅助的同步方法，使本方法可以在各种极低谱密度通信系统中进行应用。

发明内容

低信噪比、大动态范围通信系统中的载波同步是一个难点。信道编译码技术是提升系统可靠性的一种有效手段，已经广泛应用于各类通信系统中。利用译码器输出软信息进行同步及均衡不仅可以提高系统的可靠性还可提升接收机中各种参数的估计精度。另一方面现在的通信系统都要求高速率，高阶调制是一种必然选择。因此设计一种满足低信噪比、高速率的载波同步接收机有重要意义。

低信噪比通信系统中载波同步的两个关键技术分别是信道码的设计以及同步算法的选取。为了对抗深空信道的低信噪比和断续性，应采用低码率的信道码和快速同步算法。传统的低码率Turbo码和LDPC码的码长较大，而大的码长不仅会引入高的计算复杂度，同时也不利于快速同步。因此低码率，短码长的信道码更适合于深空通信这种突发的断续通信系统。LDPC-Hadamard码是一类优异的低码率信道码，传统LDPC Hadamard码的码长较长。为了将其应用到实际通信系统中，需对其进行改进。因此本方法将设计出一种低码率，短码长的LDPC-Hadamard码。

低信噪比时，基于数据辅助(Data-Aided DA)的同步算法估计范围较大，但估计精度较差。增加导频长度可以提高估计精度但会降低频带利用率。而基于编码辅助(Code-Aided CA)的同步算法利用译码器输出的软信息同时完成信号的检测与同步参数的估计。因为数据符号长度远大于导频长度，所以编码辅助同步算法可大幅提高估计精度。但编码辅助同步算法的估计范围受限，因为大的频偏和相偏会造成译码器无法输出正确的软信息。现有的各种编码辅助同步算法，但都假设同步参数很小，这个假设在实际系统中并不成立。因此将编码与数据进行联合辅助可克服单独辅助的缺点。

1、低信噪比通信系统中导频结构设计

信息比特流经过编码调制后与导频符号进行复用，本方法中将导频序列全部取1，调制方式为16QAM，调制后的符号长为L，导频长度为N，因此每帧的长度K＝L+N，信道为AWGN信道，具体实现方式见图1。由于收发两端晶振的不一致，会引入频偏与相差。假设理想定时同步，经匹配滤波后接收信号表示为：