用于非同源星地视距MIMO系统的双反馈符号定时恢复方法

本发明属于卫星通信与数字信号处理，具体涉及用于非同源星地视距mimo系统的双反馈符号定时恢复方法。

背景技术：

1、随着遥感、气象监测和地球观测等应用的快速发展，低轨卫星每日产生并需要回传的数据量持续增加，传统ka/ku波段及现有星地链路技术逐渐难以满足高分辨率有效载荷的超高速数传需求。国际电信联盟将71~76ghz和81~86ghz频段划归卫星通信使用后，利用e波段超宽带资源提高星地传输带宽成为可行途径。星地传播以视距路径为主，多径分量相对较弱。视距多输入多输出技术通过合理配置星载天线间距和多地面站间距，在超长视距链路中构造空间自由度，能够显著提高频谱效率。然而，为获得近似正交的传输信道，地面接收站的空间间隔通常达到数十千米，多个接收站难以共享同一采样时钟；低轨卫星高速运动所引起的多普勒扩展差异又进一步使各站的采样偏差随时间变化。

2、时钟非同源和多普勒扩展差异使各接收站具有不同的定时相位偏差和定时频率偏差。若不分别校正，将产生符号间干扰(isi，inter-symbol interference)；在los-mimo(line-of-sight multiple-input multiple-output)联合接收中，来自多个星载发射天线的信号还会形成与传输时延差相关的信道间干扰(ici，inter-channel interference)。符号定时恢复位于数字基带接收机的前级，其性能直接影响后续信道估计、均衡和mimo检测的吞吐量与可靠性。

3、现有非数据辅助定时检测算法包括mueller-müller算法、gardner算法以及oerder-meyr算法等。基于时域的gardner算法便于实现，但在高阶调制场景中精度下降；基于频域的oerder-meyr类算法精度较高，却通常需要更高采样率和较大计算量。基于barton思想的频域估计能够利用根升余弦滚降区的共轭关系获得定时相位，但传统归一化加权过程包含求模和除法，不利于超高速并行硬件实现。

4、现有反馈式定时恢复结构具有较好的稳态精度，但在大定时频率偏差下收敛慢；前馈式结构收敛快，但难以持续跟踪动态采样偏差。已有时频双反馈方案通过频域估计与时域重采样结合，提高了单输入单输出宽带通信系统的抗定时频率偏差能力，但相关算法尚未解决多地面站非同源以及los-mimo固有信道间干扰所带来的问题。

5、另一方面，现有mimo定时同步多依赖导频或训练序列，通过时域相关、奇异值分解或最小二乘方式联合执行同步与信道均衡。此类数据辅助方法的抗定时频率偏差能力与训练序列的长度和周期密切相关，不适合超大偏差及各接收站独立漂移的场景；增加导频比例还会降低传输效率。基于波束赋形或天线时延预补偿的方案又与具体信道和几何状态强耦合，适应性不足。

6、因此，本领域亟需一种无需多站共享时钟、无需依赖导频、能够抑制los-mimo固有信道间干扰并连续跟踪大定时频率偏差的符号定时恢复方法，同时使其计算结构适于3gsym/s以上宽带信号的并行实现。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种用于非同源星地视距mimo系统的双反馈符号定时恢复方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、第一方面，本发明提供了一种用于非同源星地视距mimo系统的双反馈符号定时恢复方法，应用于具有

nb个同源星载发射通道、

mr个非同源地面接收通道以及集中处理节点的星地视距多输入多输出解调系统，该双反馈符号定时恢复方法包括：

3、s1，根据符号率、输入采样率和环路反馈的定时频率偏差生成数控振荡器的控制字，利用所述控制字对地面接收通道的基带信号进行插值重采样，生成重采样信号；

4、s2，按照重叠保留方式对所述重采样信号进行分块，对各重叠保留数据块依次执行

n点快速傅里叶变换、频域匹配滤波和偏置-定时相位校正，得到地面接收通道的频域信号；

5、s3，从所述频域信号的正、负滚降区提取相隔

n/2个频点的成对频谱，对所述成对频谱进行共轭去加权累加，根据累加结果的相角获得地面接收通道的定时相位偏差估计值；

6、s4，对所述定时相位偏差估计值进行一阶无限冲激响应平滑，得到平滑定时相位偏差；

7、s5，将所述平滑定时相位偏差分成两路反馈，分别反馈至所述偏置-定时相位校正和所述数控振荡器，以形成双反馈闭环；

8、s6，对完成偏置-定时相位校正的频域信号执行快速傅里叶逆变换提取重叠保留数据块的有效部分，得到完成符号定时恢复的输出信号。

9、在本发明的一个实施例中，

mr个非同源地面接收通道由相互分离且不共享采样时钟的地面站形成，各地面站将基带信号传输至所述集中处理节点；第

m个地面接收通道接收第

n个星载发射通道信号的归一化定时相位偏差满足：

10、；

11、其中，为第

m个地面接收通道接收第1个星载发射通道信号的归一化定时相位偏差，为重采样后的离散时刻，为取模操作，为第

n个与第1个星载发射通道到第

m个地面接收通道的传输时延差，为两倍符号率对应的采样率。

12、在本发明的一个实施例中，插值重采样的过程通过farrow结构的四阶拉格朗日插值器完成；第

m个地面接收通道

t时刻的重采样信号的表达式如下：

13、；

14、其中，为第

m个接收通道的输入数字基带信号，为插值参考位置，为拉格朗日插值系数矩阵第

p行第

q列元素，为

t时刻第个频域数据块对应的插值间隔。

15、在本发明的一个实施例中，所述s2，包括：

16、按照重叠保留方式对所述重采样信号进行分块，得到重叠保留数据块；

17、将每个重叠保留数据块转换为

n点频域信号，通过根升余弦匹配滤波器获得成形滤波器与匹配滤波器的联合频率响应。利用第一路反馈产生的频域旋转系数进行偏置-定时相位校正，得到地面接收通道的频域信号。

18、在本发明的一个实施例中，第

m个地面接收通道对应于第

κ个估计分段的定时相位偏差估计值的表达式如下：

19、；

20、其中，

l为一次定时偏差估计包含的频域数据块数，，为有效滚降区半宽，为根升余弦滚降因子，为第

m个地面接收通道在第

κ个估计分段中第

l时刻的频域信号，为复共轭。

21、在本发明的一个实施例中，将所述平滑定时相位偏差分成两路反馈，分别反馈至所述偏置-定时相位校正和所述数控振荡器，以形成双反馈闭环，包括：

22、将所述平滑定时相位偏差分成两路反馈，第一路反馈转换为频域旋转系数并反馈至所述偏置-定时相位校正，第二路反馈经环路滤波提取定时频率偏差并反馈至所述数控振荡器，以形成频域精细校正与时域连续跟踪相结合的双反馈闭环。

23、在本发明的一个实施例中，环路滤波采用比例积分结构，并按照下式更新第

m个地面接收通道的定时频率偏差：

24、；

25、其中，为第

m个地面接收通道对应于第

κ个估计分段的定时频率偏差，为第

m个地面接收通道对应于第个估计分段的定时频率偏差，为比例支路系数，为第

m个地面接收通道对应于第

κ个估计分段的平滑定时相位偏差，为第

m个地面接收通道对应于第个估计分段的平滑定时相位偏差，为积分支路系数。

26、第二方面，本发明提供了一种电子设备，包括处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，所述处理器、所述通信接口、所述存储器通过所述通信总线完成相互间的通信；

27、所述存储器，用于存放计算机程序；

28、所述处理器，用于执行所述存储器上所存放的程序时，实现本发明第一方面所提供的用于非同源星地视距mimo系统的双反馈符号定时恢复方法的步骤。

29、第三方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明第一方面所提供的用于非同源星地视距mimo系统的双反馈符号定时恢复方法的步骤。

30、本发明的有益效果：

31、本发明所提供的方案中，面向多地面站不能共享时钟的星地los-mimo场景，为每个接收支路设置独立闭环，无需布设跨站同源时钟即可完成联合接收前的定时校准。本发明提出的共轭去加权估计相对于传统的共轭归一化加权估计省去了模值和除法运算，并在低信噪比条件下通过保留强频谱分量提高估计增益，仿真中无噪场景的估计方差降低约4db；采用频域精细校正与时域重采样双反馈结构，在合理估计分段和环路参数下可连续跟踪千ppm量级定时频率偏差，并降低残余定时抖动。进一步地，本发明采用快速傅里叶变换、频点并行累加、farrow插值和各独立接收支路，适于fpga或专用集成电路并行实现，可服务于3gsym/s以上e波段宽带卫星数传。