高动态跳频信号时钟同步设计与实现.pdf
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1、第 45 卷第 2 期2024 年 3 月Vol.45,No.2Mar.2024遥 测 遥 控Journal of Telemetry,Tracking and CommandWebsite:高动态跳频信号时钟同步设计与实现陈敬乔(中国电子科技集团公司第五十四研究所 石家庄 050081)摘要:由于跳频信号各跳之间的符号速率和符号数量不一致,特别是低速跳只含少量符号,导致时钟误差提取困难。针对高动态下的跳频信号时钟同步难题,提出基于频偏估计的钟偏反馈调整方法。该方法通过同步序列进行频率估计和钟偏估计,并结合反馈方法调整钟偏和时钟跟踪,实现了高精度时钟同步。仿真结果表明:该方法适应飞行速度7.9
2、 km/s、加速度0.2 km/s的超高动态,定时同步性能优越,定时精度满足高速跳频信号解调要求,且解调损失小于0.1 dB。关键词:卫星通信;跳频;高动态;时钟同步;频率估计;时钟跟踪中图分类号:TN927;TN914.41 文献标志码:A 文章编号:2095-1000(2024)02-0062-06DOI:10.12347/j.ycyk.20231226001引用格式:陈敬乔.高动态跳频信号时钟同步设计与实现 J.遥测遥控,2024,45(2):6267.Design and Implementation of High-dynamic Frequency-hopping Signal C
3、lock SynchronizationCHEN Jingqiao(The 54th Research Institute of CECT,Shijiazhuang 050081,China)Abstract:Due to the inconsistency in symbol rate and count between the hopped signals,especially with few symbols in low-speed hops,it is difficult to extract clock errors.To address the clock synchroniza
4、tion challenge of frequency hopping signals under high dynamics,a method based on frequency offset estimation for clock offset feedback adjustment is proposed.By estimating the frequency and clock offset through synchronization sequences and adjusting the clock offset and clock tracking through feed
5、back methods,high-precision clock synchronization is achieved.Simulation results show that this method is suitable for ultra-high dyna-mics with flight speeds up to 7.9 km/s and accelerations of 0.2 km/s,exhibiting superior timing synchronization performance.The timing accuracy meets the requirement
6、s for high-speed frequency hopping signal demodulation,with demodulation loss less than 0.1 dB.Keywords:Satellite communication;Frequency hopping;High dynamics;Clock synchronization;Frequency estimation;Clock trackingCitation:CHEN Jingqiao.Design and Implementation of High-dynamic Frequency-dopping
7、Signal Clock SynchronizationJ.Journal of Telemetry,Tracking and Command,2024,45(2):6267.0引言在高动态环境下,通信接收机的同步问题是一个重要的研究领域。由于高机动平台的高速运动和及其急剧的速度变化,接收机在接收信号时面临着大多普勒频移和大多普勒钟偏的问题,这种恶劣环境给接收机的同步和解调带来了很大困难。近几年,国内外对高动态环境下通信接收机的同步问题,进行了广泛而深入的研究,已经研制和生产出一些高动态接收机,很多关于多普勒频移估计的技术也不断被提出14。文献5提出了模糊搜索联合循环平稳的算法对信号参数进行估
8、计,但是该算法不能适应低信噪比环境。文献6采用分数阶傅里叶变换(FRFT)进行高动态参数估计,但该算法需要很大的信号累积量,计算量大。目前对高动态信号常见的估计方法之一是DCFT算法,但是该算法需要较大的数据量和运算量710。这些估计方法大部分都是针对定频信号的高动态估计,而在跳频系统中,尤其是卫星系统中,针基金项目:国家重点研发计划(2021 YFF0603903)收稿日期:2023-12-26;修回日期:2024-01-142024 年 3 月遥 测 遥 控对高动态环境下的同步技术的研究相对较少,目前还没有成熟的技术和设备来支持高机动飞机平台的应用11。在跳频系统中,跳频链路的同步实现是可
9、靠通信的关键1217,一般卫星系统采用星地一体化跳频,下行跳频同步是整个系统跳频同步的基础,下行跳频同步特性决定了整个系统的跳频同步特性,因此需要下行跳频同步信号进行精心设计。跳频系统中,为了保证传输效率,跳频中的同步信号出现频率很低,这就相当于同步速率很低,因此同步调整较慢。但高动态环境下的频偏和钟偏变化都很快,需要及时跟踪和调整,因此对接收机的同步设计要求很高。为了满足跳频系统适应高动态的需求,提出了一种基于频偏估计的钟偏调整方法,并基于延迟锁定环进行二次反馈跟踪。该方法利用跳频帧结构中的同步序列,周期性进行频偏估计,然后根据频偏估计出多普勒钟偏,再反馈调整数控振荡器(NCO)进行时钟偏差
10、跟踪。同步过程中,频偏估计和钟偏估计的协同作用,有助于提升高动态接收机的同步性能,使其具备稳定可靠的同步特性。1信号模型本文主要研究采用相位调制方式的跳频信号。接收机首先接收外部送来的低中频或基带信号,然后进行模数转换,将模拟信号变为数字信号,接着进行同步和解调。重点研究该接收机的定时同步算法和实现方法,最后给出该方法的误码性能。跳频信号帧结构如图1所示,每帧包含三种信息:同步序列、时间信息和数据信息。同步序列用于做初始捕获和定时同步,每帧包含一跳同步序列,同步序列填充为m序列。假定帧长为8 ms,同步序列为 0.08 ms,同步序列包含 320个 4 Msps速率的符号。设发送的跳频信号为1
11、8,19:s(t)=a(t)cos2(f0+nDf)t+n(1)其中,n=0、1、2、N-1,N 为跳频频点个数;a(t)为有用信号;cos2(f0+nDf)t+n为跳频载波信号,假设幅度为1;f0为跳频起始频点;Df为跳频频点距离;n为跳频初始相位。当发送的有用信号为相位调制信号时,信号a(t)可表示为:a(t)=n=-b(n)p(t-nT)(2)其中,b(n)为调制后的符号序列,p(t)为信道脉冲响应,T为符号周期。跳频信号s(t)进入信道后,与噪声n(t)混合,最终收端收到的信号为:r(t)=s(t)+n(t)(3)对接收信号r(t)进行解调、AD采样、重采样和低通滤波后,得到符号率整数
12、倍的数字信号r(k):r(k)=As(kT N+)+n(kT N+)(4)A为常数,表示接收信号幅度;k为采样点序号,为整数;T为符号周期;为信号延时;N为每符号采样点数,在本文中,选取N=4。2高动态对定时的影响由于卫星信号传播路径为自由空间,卫星到高机动平台之间的多径传播现象可以忽略20,因此,接收机面临的问题主要是如何解决高动态下的同步问题,其中主要包括定时同步和载波同步。因此,需要分析高机动平台带来的多普勒频偏和多普勒钟偏。多普勒频移fD、多普勒变化率aD与速度、载波频率的关系是:fD=fcvcos c(5)aD=fcacos c(6)多普勒钟偏RD、钟偏变化率aR与速度、符号速率的关
13、系是:RD=Wsvcos c(7)aR=Wsacos c(8)其中fc为载频,v为运动速度,a为加速度,c为光速,为运动速度与信号传播路径之间的夹角,Ws图1跳图1 频帧结构示意图Fig.1The frequency hopping frame structure diagram63第 45 卷第 2 期陈敬乔,高动态跳频信号时钟同步设计与实现为符号速率。为了分析最恶劣的情况,取cos的最大值为1。根据式(5)、式(7)可得多普勒钟偏RD与多普勒频移fD的关系:RD=WsfDfc(9)根据式(6)、式(8)可得钟偏变化率aR与多普勒频移fD的关系:aR=WsfDfc(10)在时间T内的最大偏移
14、符号数Qm为:Qm=RDT+0.5aRT2=TWsfDfc+0.5T2Wsa(11)高机动平台最大速度为 7.9 km/s,加速度为0.2 km/s,设载频为 20 GHz,可得多普勒频移最大值为526.7 kHz,变化率为13.3 kHz/s。设传输符号速率为 4 Msps,则符号速率的偏移可达每秒106.6个符号,符号速率变化率为每秒2.6个符号。根据跳频帧结构,同步序列的间隔为8 ms,根据式(11)可得Qm为0.85个,这说明,当飞行速率为7.9 km/s时,跳频接收机在两帧之内可能会多接收或少接收(取决于运动方向是接近还是背离卫星)0.85个符号。由此可知,若接收机的时钟不作调整,在
15、判决时仍用 4 Msps 符号率时钟进行判决,将会产生大量的误码,严重影响接收性能,因此必须采取一定的措施,对钟偏进行估计和调整,使跳频接收机在两帧之内的偏移符号量减小。3高动态同步方法及性能3.1定时同步方法针对高动态带来的时钟偏移,定时采用钟偏估计、钟偏调整、定时估计的方法进行定时同步。该方法利用跳频帧结构中的同步序列,周期性进行频偏估计,然后根据频偏估计出多普勒钟偏,再反馈调整数控振荡器(NCO)进行时钟偏差跟踪,具体实现框图如图2所示。接收到的数字基带信号r(k)经过重采样和低通滤波后,对同步序列进行捕获,捕获成功后利用该序列进行频率估计、再根据式(7)将频率转化为钟偏、接着对钟偏进行
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