[论文解读] Design and Development of a Burst Acquisition System for Geosynchronous Satcom Channels

K. Vasudevan|arXiv (Cornell University)|Oct 24, 2015

Advanced Wireless Communication Techniques参考文献 38被引用 5

一句话总结

本文提出了一种用于地球同步卫星通信的离散时间突发捕获系统，采用交织编码的偏移QPSK调制，通过插值匹配滤波和前向同步实现快速时钟与载波恢复。系统在1.5 dB Eb/N0下表现出有效性能，支持高达30%的频偏和25 ppm的时钟偏移，消除相位模糊性，实现无需差分编码的快速、可靠捕获。

ABSTRACT

The key contribution of this work is to develop transmitter and receiver algorithms in discrete-time for turbo- coded offset QPSK signals. The proposed synchronization and detection techniques perform effectively at an SNR per bit close to 1.5 dB, in the presence of a frequency offset as large as 30 % of the symbol-rate and a clock offset of 25 ppm (parts per million). Due to the use of up-sampling and matched filtering and a feedforward approach, the acquisition time for clock recovery is just equal to the length of the preamble. The carrier recovery algorithm does not exhibit any phase ambiguity, alleviating the need for differentially encoding the data at the transmitter. The proposed techniques are well suited for discrete-time implementation.

研究动机与目标

• 开发一种低复杂度、高性能的地球同步卫星通信突发捕获系统。
• 在实际卫星链路中常见的大频偏和时钟偏移条件下，实现可靠的同步。
• 通过实现离散时间处理，降低用户终端设备的接收机复杂度和成本。
• 通过数据辅助技术解决载波相位模糊性，消除对差分编码的需求。
• 通过最小化反馈的前向定时与载波恢复算法，实现快速捕获。

提出的方法

• 系统采用基于插值匹配滤波的、数据辅助的前向方法进行定时与载波恢复。
• 通过利用插值匹配滤波输出作为插值器，在单个训练序列间隔内实现时钟恢复。
• 载波恢复采用判决导向算法，避免相位模糊性，从而无需差分编码。
• 采用交织编码的偏移QPSK调制，以在非线性功率放大器下实现高谱效率与高功率效率。
• 同步算法专为离散时间实现设计，确保与数字基带处理的兼容性。
• 在接收端应用BCJR算法进行迭代软输出解码，并通过归一化前向与后向状态度量，防止数值溢出。

实验结果

研究问题

• RQ1 在地球同步卫星通信链路中存在大频偏与时钟偏移的情况下，如何实现最小捕获时间的突发捕获？
• RQ2 在OQPSK系统中，能否在不依赖差分编码的情况下，使载波恢复对相位模糊性具有鲁棒性？
• RQ3 在高达30%符号速率的频偏条件下，可靠捕获所需的最低信噪比是多少？
• RQ4 与基于反馈的方法相比，使用插值匹配滤波的前向定时恢复在捕获速度与复杂度方面有何表现？
• RQ5 在加性白高斯噪声（AWGN）环境中，采用所提同步技术的交织编码OQPSK系统可实现的性能如何？

主要发现

• 所提系统在Eb/N0低至1.5 dB时仍能实现可靠的突发捕获，表现出在低信噪比环境下的鲁棒性。
• 载波恢复成功消除了相位模糊性，实现无需差分编码的直接检测。
• 时钟恢复在恰好一个训练序列长度内完成捕获，与反馈方法相比显著缩短了捕获时间。
• 系统在高达符号速率30%的频偏和25 ppm的时钟偏移下仍能有效运行。
• 采用插值匹配滤波实现了前向定时恢复，简化了实现并降低了延迟。
• 离散时间设计确保了与低成本、软件定义用户终端接收机实现的兼容性。