高动态极低信噪比下卫星通信Turbo码迭代解调方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术的Turbo码迭代解调方法，复杂度低、效率较高、适应性好。

Turbo code iterative demodulation method for satellite communication with high dynamic and low signal to noise ratio

The invention discloses a high dynamic low SNR satellite communication Turbo iterative demodulation method, including: (10) will receive bandpass signal into a baseband signal; (20) to obtain frequency offset estimation value and the estimated value of the carrier frequency offset compensation; (30) the signal offset compensation the carrier frequency matched filter; (40) to estimate the timing and frequency offset, the filtered signal timing and frequency offset correction; (50) pre estimate frequency offset compensation signal; (60) the frequency offset estimation precision, and to estimate the compensation signal after compensation (; 70) on the carrier offset compensated residual timing and frequency offset, timing offset estimation precision, output decoding results; (80) for subsequent encoding packets into the frequency counter, the improved EM algorithm to complete the Doppler shift tracking. The Turbo code iterative demodulation method of the invention has low complexity, high efficiency and good adaptability.

【技术实现步骤摘要】
高动态极低信噪比下卫星通信Turbo码迭代解调方法
本专利技术属于卫星通信
，特别是一种效率较高、适应性好的高动态极低信噪比下卫星通信Turbo码迭代解调方法。
技术介绍
以Turbo码、LDPC码等为代表的先进编码技术在卫星移动通信、导航产业的广泛应用，使得通信系统可以工作在非常低的信噪比条件下。但其优异的性能建立在正确解调的基础上。即使很小的频率偏移，在接收端也会引起误码性能的急剧下降，因而获得准确的同步信息对正常通信至关重要。同时，为了充分获得信道码带来的高编码增益并使系统以接近香农限方式传输，必然要采用具有更低码率的信道编码方式。而编码码率每降低1/2，解调门限下降3dB，这就是说，采用低码率虽然意味着相同功率资源条件下所能提供通信容量的提升，但要求解调器在极低的解调门限下工作。这里所说的极低信噪比指的是采用1/6码率甚至更低码率系统对应的门限。在这么低的信噪比(Es/N0<-6dB)条件下，对于现有解调器是个瓶颈。无论是载波同步、定时同步还是帧同步，其估计算法都对信噪比极为敏感。传统的非数据辅助算法，虽然运算简单，但是随着信噪比下降性能恶化，数据辅助算法估计精度高，但需要大量使用导频序列，对于带宽受限的卫星信道频谱效率低。近年来提出的基于编码辅助算法则可以充分利用高性能编码增益辅助同步，是极低信噪比下设计框架的一种有效选择。编码辅助的基本思想是：将Turbo码、LDPC码等高增益编码的迭代译码过程与前端的参数估计过程相结合，用迭代译码的软信息辅助参数估计，并在新的参数估计基础上进行译码，两者相互促进终共同收敛，完成参数的精确估计和译码。综合现有文献，编码辅助算法主要包括三类方案：直接将译码后较准确的符号作为参考序列来辅助同步，实现低SNR下的迭代同步，由Turbo码等最大后验(MAP)迭代译码，通过查找给定误差下性能最好的幸存路径实现同步；将译码所得软信息经处理后反馈给同步环，来判断和补偿同步偏差。其中，方案一只是将译码后信息简单代替了同步算法中参考序列，该方案收敛慢，性能受限于同步算法，易受突发信号干扰，只能用于同步跟踪阶段。方案二采用了最复杂的Turbo码MAP译码，延迟和计算复杂度都相对较大，但在该译码基础上用搜索幸存路径所估计的性能相对较好。方案三主要有两类实现方法：第一类方法通过对需估计同步偏差参数用最大期望(EM)准则推导该参数的迭代更新公式，并将每次迭代译码所得的软信息用于更新公式同步偏差参数，以达到最佳估计结果，该方法迭代次数相对少，且能和译码同时进行，但估计范围很窄，另一类方法通过利用译码输出软信息构造函数，通过搜索函数最大值来获取最优估计。该方法估计精度高，可在参数估计域中工作，但由于采用搜索运算，迭代复杂度很高。总之，现有技术存在的问题是：卫星通信在高动态极低信噪比条件下接收解调复杂度高、解调译码延迟较大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高动态极低信噪比下卫星通信Turbo码迭代解调方法，复杂度低、效率较高、适应性好。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种高动态极低信噪比卫星通信Turbo码迭代解调方法，包括如下步骤：(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；(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；(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；(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；(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；(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；(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。；(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。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：1、解调门限很低：本专利技术综合分析同步各个环节参数估计需求，提出了一种完整的迭代解调方法，可以针对1/6码率甚至更低码率的编码系统，在很低解调门限下，完成信号同步及译码。2、效率较高：给出了一种新的帧同步检测算法，在相同帧头长度下检测概率更高；并采用编码辅助算法完成载波、定时同步，无需额外增加导频序列，可以大幅减少导频序列，传输效率较高。3、复杂度较低：将三角多项式插值应用于载波、定时编码辅助同步算法，给出了一种EM算法和M值搜索的级联算法，在保证估计范围和估计精度的同时，减少了译码迭代次数，降低了算法实现的复杂度。4、适应性好：本专利技术针对收发时钟不稳定存在定时频偏、星地运动存在大多普频偏及多普勒频偏变化率等应用场景，给出了相应解决算法，增强了系统在很低信噪比下容忍高动态能力。下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的详细描述。附图说明图1是本专利技术高动态极低信噪比卫星通信Turbo码迭代解调方法的主流程图。图2是图1中信号大频偏消除步骤的流程图。图3是图1中帧同步位定时联合估计步骤的工作原理图。图4是图1中频偏预估计步骤步骤的流程图。图5是图1中基于码辅助的载波精估计步骤的流程图。图6是图5中基于M值算法频率粗搜索步骤的流程图。图7是图5中基于三角插值EM算法频率精估计步骤的流程图。图8是图1中基于码辅助定时偏差精估计步骤的流程图。图9是图1中多普勒频偏变化跟踪步骤的工作原理图。图10是本专利技术高动态极低信噪比卫星通信Turbo码迭代解调方法的性能仿真结果图。具体实施方式如图1所示，本专利技术高动态极低信噪比卫星通信Turbo码迭代解调方法，包括如下步骤：(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；(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；如图2所示，所述(20)信号大频偏消除步骤包括：(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Rl(k)，并求得分组累加和，(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)；(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),(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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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：(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；(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；(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；(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；(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；(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；(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。；(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。...

【技术特征摘要】
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：(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；(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；(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；(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；(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；(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；(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。；(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。2.根据权利要求1所述的Turbo码迭代解调方法，其特征在于，所述(20)信号大频偏消除步骤包括：(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Rl(k)，并求得分组累加和，(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)；(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),(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fs，则频率估计为：(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。3.根据权利要求2所述的Turbo码迭代解调方法，其特征在于，所述(40)帧同步位定时联合估计步骤包括：(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；(42)多路帧同步检测：将多路采样信号分别送到Np路帧同步检测单元进行帧同步检测，搜索获得Np个相关峰最大值，所述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，其中，为帧起始位置为i时得到的检测量；rk为接收信号，帧头长为Lh，将长Lh的序列分为LPDI段，每段长为Lcoh，即，Lh＝LPDI×Lcoh；xn为第n段长为Lcoh序列与帧同步头共轭相乘后得到信号；(43)定时频偏粗估计：根据下式粗估计定时频偏，式中，Np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Lf；(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。4.根据权利要求3所述的Turbo码迭代解调方法，其特征在于，所述(50)频偏预估计步骤包括：(51)消除调制信号：接收信号rk与对应帧头序列ak共轭相乘得到长为Lh单频信号zn；(52)FFT频率粗估：对长度为Lh的序列zn末尾补Lh个0，并做2Lh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；(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,(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。5.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨杰，朱宏鹏，李广侠，李志强，王闯，蔡君，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32