单载波载噪比估计的实现

单载波载噪比估计的实现*

张韩,党广松

(驻760厂军事代表室,河南 新乡 453002)

摘要:针对卫星通信中对信标载噪比估算的需求,提出一种单载波载噪比估计的实现方法。分析了载波恢复的频差估计算法的性能,实现了最大似然估计载波载噪比,并仿真了估计误差值曲线。提高了载噪比估计的性能,减少了对星的时间,提高对星的精度。

关键词:卫星通信;时域;载波恢复;最大似然估计

收稿日期：*2015-03-10

作者简介：张韩(1980-)，男，黑龙江佳木斯人，工程师，在读硕士，主要从事地空通信研究。

中图分类号：TN927

随着卫星通信技术的发展,在卫星通信中,对移动站的需求越来越多,如新闻采访、抢险救灾等。由于移动站需要随时在不同的地方架设开通,所以就对如何对星提出了要求。对工作于波束较宽的卫星通信移动站来说,对星的要求相对较低,但对工作于波束较窄的卫星通信移动站,对星的要求相对较高,甚至近乎苛刻。

移动站架设开通时不可能借助如频谱仪等类似的辅助工具来帮助对星,这就要求移动站有一套自己的对星系统。在这套对星系统中除了本地位置信息采集、方位角与俯仰角计算、信息显示等部分外,最主要的就是信标载噪比的估算。载噪比估算的精度决定对星的精度,也决定了通信的质量。下面介绍一种估算精度在0.1dB的单载波载噪比估算方法。

1频差估计

单载波载噪比估计大概可分为基于时域和基于频域的两种不同方法。基于频域的方法由于受信号频谱旁瓣的影响估计精度较差,难以满足估计误差0.1dB的要求。因此采用基于时域的估计方法。

基于时域的估计方法的基本思想是首先进行载波恢复,然后采用最大似然估计载波载噪比。

频差估计拟采样基于最大似然的Fitz算法,该算法性能较好,在信噪比为0dB时也可得到很好的性能。下面对Fitz频率估计算法进行介绍。

假设信号表达式如下:

x(n)=ej(2πfdnT+θ) +v(n) n=1,2,…N

(1)

式中fd为载波频率,θ为载波初相,在[0,2π)上服从均匀分布,v(n)为零均值高斯分布的随机序列,其自相关函数Rv(k)=σ2δk,0。频率估计的最大似然函数为:

(2)

(3)

在N较大,且信噪比较高的条件下,上式可近似为:

(4)

由上式推出近似的最大似然频率估计为:

(5)

0为利用Fitz算法和其他几种频差估计算法的性能,从图中可以看出,在低信噪比条件下,Fitz算法同样可以获得接近修正CRB下界的性能。

图1　几种频差估计算法的性能比较

2载噪比估计

设载波恢复后信号幅度为A,噪声信号的单边功率谱密度为N0,载噪比可以表示为C/N=A2/N0。单载波可以看作调制信息已知且恒定的MPSK信号。因此可以用基于数据辅助的MPSK信号信噪比估计算法来实现单载波载噪比估计。

针对MPSK信号的信噪比估计算法有很多。例如,Li B等人从信号幅度的最大似然出发提出的一种低偏差迭代算法;许华等人提出的多项式近似的方法,但是运算复杂度高;美国Jet Propulsion Laboratory(JPL)提出的Split-Symbol Moment Estimator (SSME)算法。迭代算法运算较慢,多项式近似的方法运算复杂度高,SSME算法在低信噪比时性能差,其他很多算法也都有各自的确定。综合分析了各种算法的性能,同时考虑到硬件实现的复杂度,本文采用一种最大似然信噪比估计算法。该算法性能接近理论极限值,且实现复杂度低。

送入接收器的信号可以表示为:

(6)

其中,mk是采样得到的复数形式信息信号单位幅度变量,zk是采样得到的复数形式的均值为零的AWGN单位幅度变量,S是信号功率刻度因子,N是噪声功率刻度因子。该式可以写成实部和虚部的形式:

rk=rIk+jrQk

(7)

(8)

(9)

3性能仿真

采用蒙特卡洛仿真方法对该算法的性能进行分析,结果如图2、图3和图4所示。

图2中的CRB是信噪比估计的理论性能极限,表达式如下:

(10)

式中,Nsym是采样的符号长度,Nss是每符号采样点数。仿真中Nsym取1024,Nss取1。可见,该算法的性能非常接近理论极限,是一种性能极佳的信噪比估计方法。所以只要数据长度足够长,就可以保证估计的精度要求,而且数据长度接近保证要求精度所需数据量的最小值。

图2　归一化均方误差曲线

图3是数据长度为2＾15,不同信噪比时1000次估计的估计误差曲线。可见在三个不同信噪比下,都能够以很大的概率保证估计误差在0.1dB以内。不同信噪比时这个概率是不一样的,其大小取决于误差的均方值。

图3　估计误差值曲线

图4　估计误差均方值曲线

估计误差的均方值如图4所示。均方值越小,估计误差在0.1dB内的概率越大。

4结语

对于载噪比原理的掌握和估算方法的应用能减少对星的时间、提高对星的精度,使得对星更加准确、快速,大幅度提高卫星通信的质量。

(责任编辑吕春红)

参考文献:

[1] 汪春霆. 卫星通信系统[M]. 北京:国防工业出版社,2012.

[2] 王福昌,鲁昆生. 锁相技术[M]. 武汉:华中科技大学出版社,2004.

[3] 罗迪. 卫星通信[M]. 北京:机械工业出版社,2011.

Realization of Single Carrier Carrier To Noise Ratio Estimation

ZHANG Han, et al

(In 760 the Factory Military Representative Office, Xinxiang 453002, China)

Abstract:For satellite communications in the demand for beacon carrier to noise ratio estimation, put forward the implementation of a single carrier carrier to noise ratio estimation method. Analyzes the performance of frequency offset estimation algorithm in the carrier recovery, and realizes the maximum likelihood estimate carrier to noise ratio, and the estimation error value curve simulation. Improve the performance of the carrier to noise ratio estimation, reduced the amount of time for the antenna alignment, to improve the precision for the antenna alignment.

Key words: satellite communications; time domain; carrier recovery; maximum likelihood estimate