基于高速铁路车地通信系统的调制解调的方法及系统技术方案

本发明专利技术实施例公开了一种基于高速铁路车地通信系统的调制解调的方法及系统，其方法包括：基于高速铁路车地通信系统的接收端进行中频载波信号捕获；进入锁频环模块对信号进行第一次载波频偏估计；若判断第一次载波频偏估计误差值小于最大阈值上限，则实现通信链路的粗同步状态，并进入锁相环模块对信号进行第二次载波频偏估计；若判断第二次载波频偏估计误差值小于最小阈值下限，则通信链路进入细同步状态完成载波同步跟踪；基于数字解调模块进行数字解调。实施本发明专利技术实施例基于锁频环功能模块利用其宽带宽捕获优势，实现通信链路载波信号的快速捕获；然后通过锁相环功能模块实现载波信号的精确同步与跟踪，最终实现调制调解过程。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及通信
，尤其涉及一种高基于高速铁路车地通信系统的调制解调的方法及系统。
技术介绍
当前，基于相位数字调制的QPSK是最主流的调制方式，在各通信系统中得到广泛应用，它做到了传输效率与实现成本之间的最优平衡，因此，本通信系统方案中也采用该调制方式。但数字调制方式对通信链路的同步精度要求较高，较大的同步精度误差会带来解调门限的增加，甚至失同步，以致通信链路的终端。锁相环结构和锁频环结构载波同步过程中常用的技术方案，锁相环在低动态时具有较高精度和较好的抗噪性能，但是在较大多普勒频偏条件下锁相环必须增加环路带宽才能对载频进行跟踪，而这也意味着更多噪声的进入，必然减低跟踪精度；而锁频环虽然直接跟踪载波频率,具有较好的动态性能,但是跟踪的精度不如锁相环。载波同步跟踪技术可以分为纯载波跟踪环跟踪技术和外部辅助载波跟踪技术两大类。纯环路载波跟踪技术主要通过设计、优化锁相环或锁频环实现方案，以提高系统载波频率捕获速度和减小载波同步误差，使得通信系统适应高动态环境下通信要求。如图1所示，在该结构中，通过不同的优化算法控制器模块对该方案进行改进，以适应不同的应用场景，或者不同的性能指标要求，如，利用最大似然估计(MLE：MaximumLikehoodEstimate)方法、利用卡尔曼滤波、以及改进数字锁相环等算法对载波多普勒频率进行估计，提高信道参数估计的准确性。外部辅助载波跟踪技术是一种借助外部辅助设备，如，GPS测量信息，提高系统载波同步跟踪性能。通过卫星导航或者惯性导航等通信终端状态信息，辅助通信接收端对载波频偏等信息进行估计，利用GPS的误差无积累效应，提高载波参数估计精度。如图2所示，在载波同步跟踪环中，引入外部GPS/惯导等信息对载波信息进行辅助估计，根据其估计结果对数据振荡器进行修正，以提高接收端载波捕获与跟踪精度。不同于普通的数字通信系统应用场景，高速铁路车地通信系统有着自己特有的特点，首先是“高动态性”，列车最高运行时速超过380Km/h，导致无线通信载波频率多普勒频偏达几十KHz，同时，列车运行过程中速度是动态变化的，其近站时，速度逐渐降低，最终停靠在站台，速度为零；列车启动时又逐渐加速，最终到达最高速度；列车正常运行期间，遇到转弯、天气突变等因素，会动态调整列车速度。因此，通信系统多普勒频移的大小也是一个动态变化的值，这就造成载波同步时载波捕获难度大，常规技术解决方案容易造成高铁通信过程中的载波捕获丢失。传统纯环路载波跟踪技术一般通过优化信道参数估计算法、或者优化鉴频/相器、以及滤波器等关键模块，提升整个环路结构方案性能，一般存在算法计算量大、硬件需求较高等弊端，该技术方案的出发点一般基于寻求频带带宽与噪声强度之间的平衡，尤其是在高动态环境下，不能根本上解决宽带宽捕获范围与低噪声之间的矛盾。而传统外部辅助载波跟踪技术方案尽管有这较好的效能提升效果，但系统复杂度较高，实现难度较大，尤其是在针对高铁通信中，列车对通信设备的稳定性、复杂性、大小重量等有着苛刻的要求，该方案并不能满足实际需要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于高速铁路车地通信系统的调制解调的方法及系统，解决高铁车地通信过程中，高动态性对通信系统的影响，基于锁频环功能模块利用其宽带宽捕获优势，实现通信链路载波信号的快速捕获；然后通过锁相环功能模块实现载波信号的精确同步与跟踪，最终实现调制调解过程。为了解决上述问题，本专利技术提出了一种基于高速铁路车地通信系统的调制解调的方法，包括如下步骤：基于高速铁路车地通信系统的接收端进行中频载波信号捕获；在完成中频载波信号捕获后，进入锁频环模块对信号进行第一次载波频偏估计；判断第一次载波频偏估计误差值是否小于最大阈值上限，若判断第一次载波频偏估计误差值小于最大阈值上限，则实现通信链路的粗同步状态，并进入锁相环模块对信号进行第二次载波频偏估计；判断第二次载波频偏估计误差值是否小于最小阈值下限，若判断第二次载波频偏估计误差值小于最小阈值下限，则通信链路进入细同步状态完成载波同步跟踪；基于数字解调模块进行数字解调。所述基于高速铁路车地通信系统的接收端进行中频载波信号捕获包括：采用快速傅里叶变换FFT来进行载波多普勒频移的粗略估计，实现载波信号的提取，则将信号分成I路信号和Q路信号。所述采用快速傅里叶变换FFT来进行载波多普勒频移的粗略估计包括：将低通滤波器输出的信号进行4096点的快速傅里叶变换，然后把计算出的功率谱的峰值频率，选择为信号频偏的最佳估计。所述方法还包括：基于信号频偏的最佳估计调整数控振荡器NCO的频率。所述方法还包括：在判断第一次载波频偏估计误差值是否小于最大阈值上限过程中，对载波信号进行平滑处理；和/或在判断第二次载波频偏估计误差值是否小于最小阈值下限过程中，对载波信号进行平滑处理。相应的，本专利技术还提出了一种基于高速铁路车地通信系统的调制解调的系统，其特征在于，所述系统包括：中频模块，用于基于高速铁路车地通信系统的接收端进行中频载波信号捕获；锁频环模块，用于在在完成中频载波信号捕获后，对信号进行第一次载波频偏估计；在判断第一次载波频偏估计误差值小于最大阈值上限时，实现通信链路的粗同步状态；阈值判决模块，用于判断第一次载波频偏估计误差值是否小于最大阈值上限，以及判断第二次载波频偏估计误差值是否小于最小阈值下限；锁相环模块，用于在通信链路进入粗同步状态后，对信号进行第二次载波频偏估计；以及在判断第二次载波频偏估计误差值小于最小阈值下限时，通信链路进入细同步状态完成载波同步跟踪；数字解调模块，用于对完成载波同步跟踪的载波信号进行数字解调。所述中频模块采用快速傅里叶变换FFT来进行载波多普勒频移的粗略估计，实现载波信号的提取，则将信号分成I路信号和Q路信号。所述中频模块将低通滤波器输出的信号进行4096点的快速傅里叶变换，然后把计算出的功率谱的峰值频率，选择为信号频偏的最佳估计。所述系统还包括数控振荡器NCO，所述数控振荡器NCO用于基于信号频偏的最佳估计调整数控振荡器NCO的频率。所述阈值判决模块还用于在判断第一次载波频偏估计误差值是否小于最大阈值上限过程中，对载波信号进行平滑处理；和/或在判断第二次载波频偏估计误差值是否小于最小阈值下限过程中，对载波信号进行平滑处理。在本专利技术实施例中采用锁频环和锁相环相结合的电路，通过锁频环路加快锁定时间，再应用锁相环路实现载波的锁定，整个调制调解结构简单、灵活，同时支持锁频环功能和锁相环功能，锁频环功能模块利用其宽带宽捕获优势，实现通信链路载波信号的快速捕获；然后通过锁相环功能模块实现载波信号的精确同步与跟踪，实现了高速铁路车地通信过程中的调制解调更简单和灵活。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1是现有技术中的纯环路载波跟踪结构示意图；图2是现有技术中的载波同步跟踪环结构示意图；图3是本专利技术实施例中的基于高速跌路车地通信系统的调制解调中的FLL与PLL相结合载波同步跟本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于高速铁路车地通信系统的调制解调的方法，其特征在于，包括如下步骤：基于高速铁路车地通信系统的接收端进行中频载波信号捕获；在完成中频载波信号捕获后，进入锁频环模块对信号进行第一次载波频偏估计；判断第一次载波频偏估计误差值是否小于最大阈值上限，若判断第一次载波频偏估计误差值小于最大阈值上限，则实现通信链路的粗同步状态，并进入锁相环模块对信号进行第二次载波频偏估计；判断第二次载波频偏估计误差值是否小于最小阈值下限，若判断第二次载波频偏估计误差值小于最小阈值下限，则通信链路进入细同步状态完成载波同步跟踪；基于数字解调模块进行数字解调。

【技术特征摘要】
1.一种基于高速铁路车地通信系统的调制解调的方法，其特征在于，包括如下步骤：基于高速铁路车地通信系统的接收端进行中频载波信号捕获；在完成中频载波信号捕获后，进入锁频环模块对信号进行第一次载波频偏估计；判断第一次载波频偏估计误差值是否小于最大阈值上限，若判断第一次载波频偏估计误差值小于最大阈值上限，则实现通信链路的粗同步状态，并进入锁相环模块对信号进行第二次载波频偏估计；判断第二次载波频偏估计误差值是否小于最小阈值下限，若判断第二次载波频偏估计误差值小于最小阈值下限，则通信链路进入细同步状态完成载波同步跟踪；基于数字解调模块进行数字解调。2.如权利要求1所述的基于高速铁路车地通信系统的调制解调的方法，其特征在于，所述基于高速铁路车地通信系统的接收端进行中频载波信号捕获包括：采用快速傅里叶变换FFT来进行载波多普勒频移的粗略估计，实现载波信号的提取，则将信号分成I路信号和Q路信号。3.如权利要求2所述的基于高速铁路车地通信系统的调制解调的方法，其特征在于，所述采用快速傅里叶变换FFT来进行载波多普勒频移的粗略估计包括：将低通滤波器输出的信号进行4096点的快速傅里叶变换，然后把计算出的功率谱的峰值频率，选择为信号频偏的最佳估计。4.如权利要求3所述的基于高速铁路车地通信系统的调制解调的方法，其特征在于，所述方法还包括：基于信号频偏的最佳估计调整数控振荡器NCO的频率。5.如权利要求4所述的基于高速铁路车地通信系统的调制解调的方法，其特征在于，所述方法还包括：在判断第一次载波频偏估计误差值是否小于最大阈值上限过程中，对载波信号进行平滑处理；和/或在判断第二次载波频偏估计误差值是否小于最小阈值下限过程中，对载波信号进行平滑处理。6.一种基于高速铁路车地...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁伟，
申请(专利权)人：北京钧威科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11