[发明专利]高动态极低信噪比下卫星通信Turbo码迭代解调方法

摘要

本发明公开一种高动态极低信噪比下卫星通信Turbo码迭代解调方法，包括：(10)将接收带通信号转换为基带信号；(20)获得频偏粗估计值，并利用该估计值进行载波频偏补偿；(30)将载波频偏补偿后的信号进行匹配滤波；(40)估计出定时频偏，对滤波后信号进行定时频偏修正；(50)预估计频偏，对信号进行补偿；(60)对频偏相偏进行精估计，并对预估计补偿后的信号进行补偿；(70)对载波偏差补偿后的残留定时频偏、定时偏差进行精估计，输出译码判决结果；(80)对于后续编码分组，引入频偏计数器，改进EM算法完成多普勒频偏变化跟踪。本发明的Turbo码迭代解调方法，复杂度低、效率较高、适应性好。

主权项

1.一种高动态极低信噪比下卫星通信Turbo码迭代解调方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(10)接收信号下变频：将接收带通信号通过正交下变频，转换为基带信号；/n(20)信号大频偏消除：将基带信号分段进行傅里叶变换并进行累加后，与匹配滤波器响应函数的傅里叶变换移位相加，得到似然函数；通过搜索似然函数峰值获得频偏粗估计值，并利用该估计值对接收带通信号进行载波频偏补偿；/n(30)信号匹配滤波：将载波频偏补偿后的信号进行匹配滤波，得到信道匹配信号；/n(40)帧同步和位定时联合估计：对匹配滤波后的信号进行高倍速率采样，获得多路采样信号，对多路采样信号并行进行帧同步检测，搜索相关峰最大值，利用相关峰最大值及对应的位置，估计出定时频偏，利用该定时频偏对滤波后信号进行定时频偏修正；/n(50)频偏相偏预估计：利用帧同步检测捕获到的帧头作为频率估计的数据辅助序列，采用基于三角多项式插值数据辅助频率估计算法对频偏进行预估计，并对定时频偏修正后的信号进行补偿；/n(60)频偏相偏精估计：利用基于M值搜索和基于三角插值EM算法级联的码辅助算法，对频偏相偏进行精估计，并对预估计补偿后的信号进行补偿；/n(70)定时偏差精估计：对利用基于插值的M值二维搜索算法，对载波偏差补偿后的残留定时频偏、定时偏差进行估计，并对编码分组数据进行修正对修正后的信号送入译码器译码，输出译码判决结果，完成初始编码分组迭代解调译码；/n(80)多普勒频偏变化跟踪：对于后续编码分组，在频率EM算法模块引入频率计数器，改进EM算法，完成多普勒频偏变化跟踪；/n所述(20)信号大频偏消除步骤包括：/n(21)基带信号分段傅立叶变换：将观察区间长度为L₀的基带信号分为N段，每小段长为L，然后对第l段进行N点离散傅立叶变换得到R_l(k)，并求得分组累加和，/n /n(22)匹配滤波响应函数傅立叶变换：对匹配滤波器响应函数g(t)进行N点离散傅立叶变换得到函数对应的傅里叶变换值G(k)；/n(23)移位相加：将G(k)向左移m位与相乘后累加，得到似然函数Λ(m),/n /n(24)频偏估计：将G(k)不断向左移位，搜素Λ(m)函数最大值，取最大值对应的为为采样频率为f_s，则频率估计为：/n /n(25)大频偏补偿：利用频率粗估计值对接收带通信号进行载波频偏补偿；/n所述(40)帧同步位定时联合估计步骤包括：/n(41)信号采样：对波频偏补偿后的信号进行高倍速率采样，获得多路采样信号；/n(42)多路帧同步检测：将多路采样信号分别送到N_p路帧同步检测单元进行帧同步检测，搜索获得N_p个相关峰最大值，所述N_p路帧同步检测单元的每路帧同步检测单元采用如下表达式的容忍频偏的帧检测算法，/n /n /n其中，l_i为帧起始位置为i时得到的检测量；/n /nr_k为接收信号，帧头长为L_h，将长L_h的序列分为L_PDI段，每段长为L_coh，即，/nL_h＝L_PDI×L_coh；/nx_n为第n段长为L_coh序列与帧同步头共轭相乘后得到信号；/n(43)定时频偏粗估计：根据下式粗估计定时频偏，/n /n式中，N_p个相关峰值中的最大值所在偏移区间为定时偏移τ₀所在区间，最大值所在位置为帧头起始位置μ，连续两帧捕获的帧头获得和一帧长为L_f；/n(44)定时频偏修正：利用所述定时频偏粗估计值对接收带通信号进行定时频偏内插修正；/n所述(50)频偏预估计步骤包括：/n(51)消除调制信号：接收信号r_k与对应帧头序列a_k共轭相乘得到长为L_h单频信号z_n；/n(52)FFT频率粗估：对长度为L_h的序列z_n末尾补L_h个0，并做2L_h点的FFT运算，搜寻FFT谱线“sinc”包络的主瓣位置l，则实际频率对应的谱线位置位于谱线R(l)和R(l+1)之间；/n(53)三角多项式插值精估计：利用三角多项式插值公式计算出/n /n再根据下述频率相位和FFT变换的关系式，获得关于频率和相位的估计值,/n /n(54)频偏相偏补偿：利用获得的频率估计和相位估计对信号进行频偏相偏校正；/n所述(60)频偏相偏精估计步骤包括：/n(61)基于M值算法频率粗搜索：构造M值函数，由预估计压缩范围确定搜索频率组，通过搜索M值函数最大值确定频率粗估计值/n(62)频偏补偿：将M值算法得到频率对编码分组数据r_k进行频偏修正；/n(63)基于三角插值EM算法频率精估计：利用译码输出软信息消除调制信息，通过三角插值算法获得频偏相偏精估计，然后对频偏相偏进行校正后，再进行多次迭代，完成频偏相偏精估计及补偿；/n所述(70)定时偏差精估计步骤包括：/n(71)确定定时频偏搜索序列：设定时频偏估计间隔为Δf_τ，Δf_τ取值满足下式，由Δf_τ确定定时频偏搜索序列{f_j},/nΔf_τ·N＜0.05；/n(72)迭代求解4个M值：从所述定时频偏搜索序列{f_j}中选定一个频率点f_j，对编码分组数据进行定时内插校正，以基准点为参考，间隔T/4，选择4路采样数据，时间间隔为-T/4，0，T/4，T/2，分别送入译码器进行一次迭代，得到4个M值，记为Γ(-T/4)，Γ(0)，Γ(T/4)，Γ(T/2)；/n(73)三角插值求得给定频率点最大值：在所述频率点f_j上最大值所处位置的估计值为并在该估计值基础上，经过内插滤波器得到一组修正数据，并送入译码器得到新的Γ_max(f_j)；/n(74)定时偏差精估计：逐个比较Г_max(f_j)，由关于定时频偏和定时偏差的M值二维函数特性知，极值在以最高点为中心两边分布，当Γ_max(f_j-1)＜Γ_max(f_j)，Γ_max(f_j+1)＜Γ_max(f_j)，则可判断找到最大值，则对应频率即为所要获得的定时频偏精估计f_fine，对应的初始定时偏差为所要获得τ₀；/n(75)译码判决输出：以定时频偏f_fine、初始定时偏差τ₀对采样数据进行校正，并送入译码器多次迭代后完成译码判决输出；/n所述(80)多普勒频偏变化跟踪步骤包括：/n(81)频偏预估计：利用已知帧头序列对频偏进行预估计；/n(82)基于M值算法频偏粗估计：基于M值搜索的码辅助算法对第一帧的频偏进行粗估计，从而消除大部分频偏；/n(83)频率跟踪：设第n帧采用EM算法获得的频偏估计值为f_n，则频偏计数器存储值记为则对于第n+1帧，首先利用帧头采用相位数据辅助算法估计初始相位，压缩相偏，然后用f_nco来进行频偏校正，然后再送译码器进行EM算法频偏估计。/n