RCS信道快速载波同步设计

徐迪宇+方军

摘 要： RCS信道具有用户多、时钟同步要求高和帧长较短等特点，因而要求快速的同步搜索。为了实现RCS信道快速载波同步，在帧结构中专门设计了惟一字，将基于惟一字的载波同步算法和基于Viterbi?Viterbi算法的二次相位估计相结合，设计了易于实现的载波同步方案。经Matlab仿真，证明了方案的性能。所用设计可简单快速实现相位同步，并在某卫星终端应用中取得了明显的效果。

关键词： RCS； 惟一字； 载波同步； 相位估计

中图分类号： TN925?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）15?0035?03

Design of fast carrier synchronization in RCS channel

XU Di?yu， FANG Jun

（Shenzhen Research Institute of Tsinghua University， Shenzhen 518057， China）

Abstract： RCS channel， which has many characteristics， such as multi?user， high clock synchronization requirement and short frame length， needs rapid carrier synchronization. The unique?words （UW） are designed in data frame to realize fast carrier synchronization of RCS channel. A carrier synchronization scheme， which is easy to realize， was designed in combination with carrier synchronization algorithm based on UW and twice?phase?estimation method based on Viterbi?Viterbi algorithm. The performance of this design was proved by Matlab simulation. The design scheme can realize phase synchronization rapidly， and has been applied successfully to a satellite transceiver.

Keywords： RCS； unique?word； carrier synchronization； phase estimation

0 引 言

RCS（Return Channel Satellite）信道，即数字电视卫星回传信道[1]，是在卫星广播的基础上形成的增值业务模式。数字电视前向信道仍为卫星广播信道，而反向信道为多用户多址接入信道，比较适用于多用户卫星宽带互联网传输，其相关标准如欧洲DVB?RCS[2]。国内相关标准起步较晚，相关业务还未充分发展。随着卫星应用范围的扩大和移动互联网的发展，卫星信道多用户接入的需求也将迅速兴起，卫星宽带互联网传输是大势所趋。因此，基于RCS信道的相关应用将成为研究热点。

RCS信道将信道划分为多个时隙，每个时隙按一定规则分配给特定的用户，使多用户时分接入信道。这样，可在卫星数字电视用户端增加双向互动增值业务，提高卫星数字电视的盈利能力和业务水平。RCS信道的特点是：用户多；时钟同步要求高；多个时隙动态分配；帧长较短。因而，要求接收机能够基于短帧实现快速同步。

本文定位于某卫星回传系统的设计，信道特征与RCS信道相似，并根据系统特点设计了帧结构和同步方案。在本系统的设计中，在数据帧时隙内添加了两组短惟一字，采用了基于惟一字的频率同步方法；另外，还将惟一字和Viterbi?Viterbi算法相结合，构建了二次相位估计算法。通过这些设计，使载波同步快速有效，并且易于实现。通过Matlab仿真分析，证明了载波同步设计方案的性能，较好地实现了快速相位同步的效果。

1 频率同步

1.1 面向RCS信道的帧结构时隙设计

本系统基于MF?TDMA接收机设计。一个TDMA帧长为40 ms，包括16个时隙，共用一个载波，故每时隙长2.5 ms。图1是本系统针对RCS信道的特点设计的时隙方案。时隙（Basic Time Slot，BTS）结构设计为：帧长度138 个符号，前后各4个符号的保护时间间隔（分别表示为GTa和GTb），UW1和UW2为惟一字，每个惟一字为10个符号，数据长度为110个符号。符号速率约为18 μs，采用QPSK调制。

图1 针对RCS信道的时隙设计方案

UW1和UW2两个惟一字都设计为：[[1+1j，1+1j，][1+1j，1+1j，1+1j，1+1j，1+1j，1+1j，1+1j，][1+1j]*0.707。]

1.2 频率同步设计

频率同步利用UW惟一字来估计载波频率，为简化问题，令采样速率[fe]等于符号速率[fs，]即[fe=fs，]那么载波频率应当按照式（1）估计：

[Δf=Arg{SZ（1）*SZ*（2）}2πDTs] （1）

式中：[D]为惟一字UW1和UW2的距离，在本设计中应为120；[SZ（1）=i=0Len-1UW1（i）]，Len为惟一字UW1长度，这里为10；[SZ（2）=i=0Len-1UW2（i）]，Len为惟一字UW2长度，这里为10；[Ts]为符号周期。

记估计器估计得到的频偏为[Δf，]估计结果与实际频偏的差为[Df=Δf-Δf。]按以下条件仿真：[D=]120 symbols；[EbN0=]3 dB；[Δf=]150 Hz；仿真次数=1e5；信道为AWGN信道。仅考虑频偏影响，无信道编码，无其他同步。仿真得到[Df]的概率密度分布如图2所示。可见其近似为正态分布，期望为0，方差小于20 Hz，结果较好。

图2 残留频差概率密度分布图

1.3 频率同步适用条件

考虑以上算法对频偏较为敏感，因此设置实际频偏[Δf]分别为150 Hz，200 Hz和300 Hz，同样条件下采用AWGN信道进行仿真，得到误码率曲线，如图3所示。由图3中可见，仅考虑载波频偏的情况下，目前算法在载波频偏小于150 Hz时效果较好；若频偏大于等于200 Hz，估计器性能下降。

图3 频率同步设计中不同频偏造成的误码率

2 相位同步设计

2.1 Viterbi?Viterbi算法原理

相位同步基于Viterbi?Viterbi算法，记[Df=Δf-Δf，]且初始相位误差为[θ0（φini=θ0），]则经过载波同步后剩余的相位误差为：

[r′k=akej（θ0+2πkDfTs）+n′k] （2）

相位估计器为：

[θk=1MArgj=-kkFpr′k+jejMArg（r′k+j）] （3）

式中：[Fp（r）]为非线性函数：[Fp（r）]=[r4，][r2，][r]或1。

[Fp（r）=r2]可给出QPSK调制下[（M=4）]接近最优的性能[4]。可见，此算法不需反馈环路，可以实现快速的相位同步，适用于帧长较短，时隙有限的多用户接入场景。

2.2 二次相位同步设计

由于Viterbi?Viterbi算法中估计器最后要对相位除以[M]（QPSK调制下[M=]4），而未做除法前相位处于区间[-π，π]，则除以4后估计的初始相位位于[[-π4，π4]]区间内。但是，如果实际相位不在这个区间内，则估计相位与实际相位的相差较大，造成跳周。

为了得到更准确的估计相位，在原设计基础上，采用了二次估计的办法来克服“跳周”影响。

“二次估计”的方法如下：

（1） 首先，利用UW惟一字来估计相位。这里仅使用时隙左侧的第一组UW字（共10个符号），由于UW字是确定的，因而可以直接消去调制信息，而不需要通过将接收信号相位乘以4来消去。这样，估计器可以简化为：

[θUW=Argj=110r′j] （4）

式中[r′j]为已经消去调制信息的接收信号。

因为这里[θUW∈[-π，π]，]所以不会出现相位模糊的问题。但是，由于惟一字的长度仅为10，所以相位估计的结果不会很准确。因此，UW字的估计相位仅为“粗估计”，作为估计相位的参考。

（2） “粗估计”之后，利用整个时隙的信号再进行一次相位估计（可称为“细估计”）。估计器如下：

[θk=1MArgj=-kkFpr′k+jejMArg（r′k+j）+πM] （5）

这里[Fp（r）]=[r2，]且[M=4。]

这样估计的相位[θk∈0，π2。]由于估计器的窗口足够长（选取130个符号），估计结果较为准确。

（3） 最后为解决相位模糊的问题，以[θUW]为参考，按照以下方法修正[θk：]

[θ′k=θk+π2， θUW-θk>π4θk， -π4≤θUW-θk≤π4θk-π2， θUW-θk<π4] （6）

图4为采用不同算法进行相位估计的残余相位概率密度曲线。图4（a）为原Viterbi?Viterbi算法设计得到的结果，图4（b）为利用UW字二次估计后的结果。两次仿真为相同条件：假设无接收频偏，仅考虑初始相位的影响，忽略其他，无信道编码。仿真点数为1e4，初始相位为0.2π，AWGN信道，[EbN0=]3 dB。此图表明：相对于原设计，利用UW字做二次估计的残余相位超过[π4]（约为0.785）的概率几乎为0，因此用粗估计的结果来帮助修正最后的相位，这种方法有很高的可靠性。

图4 两种相位估计方法的残余相位概率密度曲线

3 载波同步整体性能

根据以上频率同步和相位同步的设计，对载波同步进行了完整的分析，以证明设计的有效性。图5为QPSK调制下，载波同步的系统仿真框图。为简化过程，系统仅考虑频率同步和相位同步，[ΔF]为发射机与接收机的载波频差，[Δφ]为接收机初始相位。

图5 载波同步仿真验证系统结构图

图6为以上结构的载波同步仿真误码率曲线。仿真条件为：仿真时隙数为1e4，载波频差为150 Hz，初始相位为0.2π，AWGN信道。共进行了三种情况的仿真：理想估计，利用10个UW字的载波同步粗估计和载波同步二次估计共三条曲线。可见，采用新设计的二次相位估计的性能要好于粗估计，与理想估计距离仅有0.1 dB的距离。

图6 载波同步仿真误码率曲线图

4 结 语

本文设计定位于多用户、多时隙、短帧长的RCS信道应用场景，根据需求设计了数据帧时隙结构，并在时隙中添加了周期重复和固定长度的惟一字。在频率同步和相位同步的过程中，充分利用设计的惟一字特性，简化算法，提高性能，便于同步捕获。该设计结构简单，易于实现，且同步速度较快，性能较好，在卫星终端的开发过程中得到了充分的验证。

参考文献

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