張慶業(yè) 王力男

摘要：本文介紹了Thuraya衛(wèi)星通信系統(tǒng)的業(yè)務(wù)類型和幀結(jié)構(gòu)特點，提出一種突發(fā)信號的解調(diào)算法。該算法采用平方環(huán)定時進行定時同步，根據(jù)調(diào)制信號的特點采用了去調(diào)制后FFT運算進行載波頻偏估計，采用基于（Unique Word）UW字累加算法進行初相估計，并對該算法進行了性能仿真分析，仿真結(jié)果表明該算法性能良好。

關(guān)鍵詞：Thuraya 突發(fā)信號 定時同步 頻率同步

中圖分類號：TN965.51 文獻標識碼 A 文章編號：1007-9416（2016）05-0000-00

突發(fā)信號廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信中的TDMA系統(tǒng)、蜂窩移動通信等通信系統(tǒng)中，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，由于衛(wèi)星的抖動、星地系統(tǒng)時鐘的偏差、接收設(shè)備運動等因素，接收設(shè)備接收到的信號存在定時誤差、多普勒頻差，需要進行精確的定時同步和載波同步。

本文以thuraya衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的突發(fā)信號為例，分析了thuraya衛(wèi)星的通信體制及突發(fā)類型，提出了一種突發(fā)信號的解調(diào)算法，并對解調(diào)算法中的定時同步算法、載波恢復算法進行詳細的闡述，然后對該種算法進行了性能仿真，最后總結(jié)了該算法的適用范圍與優(yōu)點。

1 thuraya衛(wèi)星系統(tǒng)及通信體制介紹

Thuraya衛(wèi)星通信系統(tǒng)是地球同步衛(wèi)星通信系統(tǒng)，擁有3顆衛(wèi)星，設(shè)計壽命15年。Thuraya系統(tǒng)向用戶提供語音、短信、數(shù)據(jù)（上網(wǎng)）、傳真、GPS定位業(yè)務(wù)。Thuraya總共可提供13750條信道，基本信道符號速率23.4ksps，調(diào)制方式為π/4-CQPSK，多址方式為FDMA/TDMA，可以為終端提供2.4/4.8/9.6kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率[1-2]。

Thuraya衛(wèi)星通信體制的物理信道基于時分復用，是定義在RF信道的一系列時隙，在這些時隙內(nèi)的傳輸就是突發(fā)。一個時隙有5/3ms，24個時隙組成一個TDMA幀，時間是40ms。16個TDMA組成一個復幀，4個復幀組成一個超幀，系統(tǒng)消息循環(huán)以超幀作為周期 [3]。

2突發(fā)信號解調(diào)算法

2.1 解調(diào)算法原理

Thuraya衛(wèi)星通信系統(tǒng)中使用FCCH（頻率校準信道）進行突發(fā)信號的捕獲，F(xiàn)CCH信道使用chirp調(diào)制信號，用來完成信號頻率和定時的初始捕獲。因此其他突發(fā)的接收不需要再進行常規(guī)的突發(fā)信號檢測處理，可以直接進行運算處理。突發(fā)信號的解調(diào)處理流程包括：下變頻、接收濾波、定時誤差計算、內(nèi)插、頻率估計、初相估計、數(shù)據(jù)反旋轉(zhuǎn)后恢復解調(diào)數(shù)據(jù)等步驟。（如圖1所示）

下變頻把AD采樣后的信號變頻到基帶信號，接收濾波對基帶信號進行匹配濾波，定時誤差模塊對濾波后的信號采用定時誤差估計算法估計出定時誤差，并送入內(nèi)插濾波器進行內(nèi)插出符號信號，符號信號進行頻率估計、初相估計以及針對π/4-CQPSK的反旋轉(zhuǎn)后即可完成解調(diào)處理。

2.2 定時同步算法

定時同步算法包括定時誤差估計與定時誤差糾正。定時誤差估計是通過運算估計出采樣時刻與最佳采樣時刻的偏差，而定時誤差糾正則是在估計的定時誤差基礎(chǔ)上恢復出最佳采樣點的符號數(shù)據(jù)，可以通過插值濾波器完成。

定時同步算法按實現(xiàn)的方法有兩類，第一類是閉環(huán)或者反饋算法，通過計算定時誤差值并直接反饋調(diào)整采樣時刻從而達到定時同步；第二類稱為開環(huán)算法或者前向算法，對接收到的采樣數(shù)據(jù)進行處理從而獲得定時誤差信息。閉環(huán)算法精度高，跟蹤性能好，但是存在捕獲時間長、收斂慢、偶爾出現(xiàn)“假鎖”，一般不應(yīng)用在突發(fā)信號的定時同步中；開環(huán)算法計算復雜度高，估計精度較低，但與閉環(huán)算法相比，不存在捕獲時間長和收斂慢的問題，適合突發(fā)信號的定時同步[4]。

前向定時同步算法依據(jù)最大似然估計原理，計算出使似然函數(shù)最大的定時相位參數(shù)，這些算法包括一次冪非線性算法、平方環(huán)非線性算法、四次冪非線性算法等。結(jié)合thuraya衛(wèi)星通信突發(fā)信號，本文選擇使用平方環(huán)非線性定時算法，公式如下：

其中N是一個符號周期T內(nèi)的采樣點數(shù)，L是突發(fā)符號的長度，r（k）是接收到的采樣數(shù)據(jù)，通過計算接收信號的傅立葉系數(shù)得到定時誤差。

2.3 頻率估計算法

頻率估計算法按照是否已知發(fā)送序列可以分為數(shù)據(jù)輔助（DA）和非數(shù)據(jù)輔助（NDA）頻偏估計算法。Thuraya衛(wèi)星系統(tǒng)的物理層突發(fā)結(jié)構(gòu)含有獨特字（UW），話音業(yè)務(wù)信道TCH3信號只有6個符號的獨特字信息已知，信道傳輸?shù)恼{(diào)制信號大部分未知，因此只能用非數(shù)據(jù)輔助的頻偏估計算法。對突發(fā)信號的載波估計，NDA的頻偏估計算法需要去除接收信號的調(diào)制信息，然后估計出信號中的正弦波頻率。

π/4-CQPSK調(diào)制方式的星座圖和8PSK調(diào)制一樣是8個相點，因此，對突發(fā)去調(diào)制可以采用突發(fā)數(shù)據(jù)8次方，也可以先對數(shù)據(jù)進行反旋轉(zhuǎn)運算后變成標準QPSK信號，再對反旋轉(zhuǎn)后的信號進行4次方去調(diào)制。本文對TCH3信道仿真10000次，表中仿真準確度定義為FFT估計精度范圍之內(nèi)， FFT計算點數(shù)為2048點，F(xiàn)FT估計精度為2.9Hz。仿真結(jié)果表明8次方FFT精度很低，主要由于TCH3占用3個時隙長度117個符號長度，符號長度太短，在低信噪比下進行8次方，噪聲信號擴散了，8次方后進行FFT的準確度小于先反旋轉(zhuǎn)再進行4次方FFT運算。因此本文采用反旋轉(zhuǎn)再對信號4次方去調(diào)制處理。（如表1所示）

針對thuraya衛(wèi)星系統(tǒng)，本文采用基于FFT的頻率估計算法，首先對定時恢復好的符號數(shù)據(jù)進行反旋轉(zhuǎn)和4次方運算去掉調(diào)制信息，然后進行FFT運算，求取FFT的頻率位置，轉(zhuǎn)化為頻率信息，計算過程見公式2。式（2）中N為FFT的計算點數(shù)，L為信道突發(fā)符號長度，信道符號速率是23.4Ksps。

2.4 初相估計算法

信號頻率同步分為載波頻率估計和載波相位估計，突發(fā)信號在估計出頻率信息后還需要估計相位，根據(jù)信道的特點可以利用獨特字（UW）估計出信道的初相信息。

假設(shè)接收信號序列和發(fā)射信號序列如下描述：

在硬件實現(xiàn)中需要提前把信道標準的UW調(diào)制信息存放在ROM中，接收時提取接收突發(fā)的UW字，把兩者進行乘累加，累加和求取角度即是信道初始相位。

3 性能仿真

本文以Thuraya系統(tǒng)中的TCH3信道為例進行了仿真，仿真的采樣速率93.6kHz，系統(tǒng)頻差f0=20Hz，仿真次數(shù)10000次，仿真結(jié)果如圖2所示。在Eb/N0=5dB時，本文提出算法和QPSK誤碼率理論曲線相差0.2dB，可見該算法和理論曲線相差不大。

4 結(jié)語

本文針對Thuraya衛(wèi)星通信系統(tǒng)的通信體制，提出一種突發(fā)信號的解調(diào)算法，該算法對突發(fā)信號的定時和載波進行估計，并結(jié)合信道中的UW字對初相進行估計。經(jīng)過仿真該算法同步收斂快、計算復雜度不高，仿真性能與理論曲線相差不大，算法適用于PSK調(diào)制的突發(fā)信號，有較高的使用價值。

參考文獻

[1] 謝智東，邊東明，孫謙.Thuraya和ACeS系統(tǒng)（上）[J].數(shù)字通信世界，2007（5）：86-88.

[2] 彭華.軟件無線電中的盲接收技術(shù)研究[D].鄭州：解放軍信息工程大學，2002.

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

[4] 梁聰.短時突發(fā)信號解調(diào)算法研究[D].鄭州：解放軍信息工程大學，2011.