卫星通信中一种突发信号的解调算法

张庆业 王力男

摘要：本文介绍了Thuraya卫星通信系统的业务类型和帧结构特点，提出一种突发信号的解调算法。该算法采用平方环定时进行定时同步，根据调制信号的特点采用了去调制后FFT运算进行载波频偏估计，采用基于（Unique Word）UW字累加算法进行初相估计，并对该算法进行了性能仿真分析，仿真结果表明该算法性能良好。

关键词：Thuraya 突发信号 定时同步 频率同步

中图分类号：TN965.51 文献标识码 A 文章编号：1007-9416（2016）05-0000-00

突发信号广泛应用于卫星通信中的TDMA系统、蜂窝移动通信等通信系统中，在卫星通信系统中，由于卫星的抖动、星地系统时钟的偏差、接收设备运动等因素，接收设备接收到的信号存在定时误差、多普勒频差，需要进行精确的定时同步和载波同步。

本文以thuraya卫星通信系统中的突发信号为例，分析了thuraya卫星的通信体制及突发类型，提出了一种突发信号的解调算法，并对解调算法中的定时同步算法、载波恢复算法进行详细的阐述，然后对该种算法进行了性能仿真，最后总结了该算法的适用范围与优点。

1 thuraya卫星系统及通信体制介绍

Thuraya卫星通信系统是地球同步卫星通信系统，拥有3颗卫星，设计寿命15年。Thuraya系统向用户提供语音、短信、数据（上网）、传真、GPS定位业务。Thuraya总共可提供13750条信道，基本信道符号速率23.4ksps，调制方式为π/4-CQPSK，多址方式为FDMA/TDMA，可以为终端提供2.4/4.8/9.6kbit/s的数据传输速率[1-2]。

Thuraya卫星通信体制的物理信道基于时分复用，是定义在RF信道的一系列时隙，在这些时隙内的传输就是突发。一个时隙有5/3ms，24个时隙组成一个TDMA帧，时间是40ms。16个TDMA组成一个复帧，4个复帧组成一个超帧，系统消息循环以超帧作为周期 [3]。

2突发信号解调算法

2.1 解调算法原理

Thuraya卫星通信系统中使用FCCH（频率校准信道）进行突发信号的捕获，FCCH信道使用chirp调制信号，用来完成信号频率和定时的初始捕获。因此其他突发的接收不需要再进行常规的突发信号检测处理，可以直接进行运算处理。突发信号的解调处理流程包括：下变频、接收滤波、定时误差计算、内插、频率估计、初相估计、数据反旋转后恢复解调数据等步骤。（如图1所示）

下变频把AD采样后的信号变频到基带信号，接收滤波对基带信号进行匹配滤波，定时误差模块对滤波后的信号采用定时误差估计算法估计出定时误差，并送入内插滤波器进行内插出符号信号，符号信号进行频率估计、初相估计以及针对π/4-CQPSK的反旋转后即可完成解调处理。

2.2 定时同步算法

定时同步算法包括定时误差估计与定时误差纠正。定时误差估计是通过运算估计出采样时刻与最佳采样时刻的偏差，而定时误差纠正则是在估计的定时误差基础上恢复出最佳采样点的符号数据，可以通过插值滤波器完成。

定时同步算法按实现的方法有两类，第一类是闭环或者反馈算法，通过计算定时误差值并直接反馈调整采样时刻从而达到定时同步；第二类称为开环算法或者前向算法，对接收到的采样数据进行处理从而获得定时误差信息。闭环算法精度高，跟踪性能好，但是存在捕获时间长、收敛慢、偶尔出现“假锁”，一般不应用在突发信号的定时同步中；开环算法计算复杂度高，估计精度较低，但与闭环算法相比，不存在捕获时间长和收敛慢的问题，适合突发信号的定时同步[4]。

前向定时同步算法依据最大似然估计原理，计算出使似然函数最大的定时相位参数，这些算法包括一次幂非线性算法、平方环非线性算法、四次幂非线性算法等。结合thuraya卫星通信突发信号，本文选择使用平方环非线性定时算法，公式如下：

其中N是一个符号周期T内的采样点数，L是突发符号的长度，r（k）是接收到的采样数据，通过计算接收信号的傅立叶系数得到定时误差。

2.3 频率估计算法

频率估计算法按照是否已知发送序列可以分为数据辅助（DA）和非数据辅助（NDA）频偏估计算法。Thuraya卫星系统的物理层突发结构含有独特字（UW），话音业务信道TCH3信号只有6个符号的独特字信息已知，信道传输的调制信号大部分未知，因此只能用非数据辅助的频偏估计算法。对突发信号的载波估计，NDA的频偏估计算法需要去除接收信号的调制信息，然后估计出信号中的正弦波频率。

π/4-CQPSK调制方式的星座图和8PSK调制一样是8个相点，因此，对突发去调制可以采用突发数据8次方，也可以先对数据进行反旋转运算后变成标准QPSK信号，再对反旋转后的信号进行4次方去调制。本文对TCH3信道仿真10000次，表中仿真准确度定义为FFT估计精度范围之内， FFT计算点数为2048点，FFT估计精度为2.9Hz。仿真结果表明8次方FFT精度很低，主要由于TCH3占用3个时隙长度117个符号长度，符号长度太短，在低信噪比下进行8次方，噪声信号扩散了，8次方后进行FFT的准确度小于先反旋转再进行4次方FFT运算。因此本文采用反旋转再对信号4次方去调制处理。（如表1所示）

针对thuraya卫星系统，本文采用基于FFT的频率估计算法，首先对定时恢复好的符号数据进行反旋转和4次方运算去掉调制信息，然后进行FFT运算，求取FFT的频率位置，转化为频率信息，计算过程见公式2。式（2）中N为FFT的计算点数，L为信道突发符号长度，信道符号速率是23.4Ksps。

2.4 初相估计算法

信号频率同步分为载波频率估计和载波相位估计，突发信号在估计出频率信息后还需要估计相位，根据信道的特点可以利用独特字（UW）估计出信道的初相信息。

假设接收信号序列和发射信号序列如下描述：

在硬件实现中需要提前把信道标准的UW调制信息存放在ROM中，接收时提取接收突发的UW字，把两者进行乘累加，累加和求取角度即是信道初始相位。

3 性能仿真

本文以Thuraya系统中的TCH3信道为例进行了仿真，仿真的采样速率93.6kHz，系统频差f0=20Hz，仿真次数10000次，仿真结果如图2所示。在Eb/N0=5dB时，本文提出算法和QPSK误码率理论曲线相差0.2dB，可见该算法和理论曲线相差不大。

4 结语

本文针对Thuraya卫星通信系统的通信体制，提出一种突发信号的解调算法，该算法对突发信号的定时和载波进行估计，并结合信道中的UW字对初相进行估计。经过仿真该算法同步收敛快、计算复杂度不高，仿真性能与理论曲线相差不大，算法适用于PSK调制的突发信号，有较高的使用价值。

参考文献

[1] 谢智东，边东明，孙谦.Thuraya和ACeS系统（上）[J].数字通信世界，2007（5）：86-88.

[2] 彭华.软件无线电中的盲接收技术研究[D].郑州：解放军信息工程大学，2002.

[3] GEO-Mobile Radio Interface Specifications，Part 5： Radio interface physical layer specifications，Sub-part 2： Multiplexing and Multiple Access[s].

[4] 梁聪.短时突发信号解调算法研究[D].郑州：解放军信息工程大学，2011.