短突发通信极低信噪比下的高效同步理论研究与算法实现

Efficient and reliable carrier synchronization using short pilot sequences is important for improving the performance of burst communication at low or extremely low signal to noise ratio and large frequency offset. For the short burst mode at low or extremely low SNR with large frequency offset, based on the analysis of existing synchronization techniques, the synchronization parameter estimation bounds for the pilot and data hybrid burst structure will be obtained. The reliable, fast, and robust receiver synchronization structure and synchronization algorithm suitable for practical applications with high estimation accuracy, wide estimation range, and low cost will be studied. The synchronization algorithm will be implemented on a DSP+FPGA software radio receiver prototype platform. The performance loss caused by quantization will be analyzed. The performance of the algorithm will be tested. The speed and hardware resource requirement of the algorithm will be evaluated. The research result can serve as important technical support for improving the system performance and communication ability of short burst communication systems in low SNR or extremely low SNR.

在低信噪比/极低信噪比、大频偏条件下，利用开销小的短导频序列，来实现突发通信模式中有效可靠的载波同步对于改善突发通信系统的性能具有重要的意义。针对短突发工作方式、低信噪比和极低信噪比通信环境和大频偏条件，在分析现有同步技术的基础上，得出导频和数据混合突发结构的同步参数估计性能限，研究估计精度高、范围大、开销小，可靠、快速、稳健、适合实际应用的接收机同步结构和同步算法。在基于DSP+FPGA的软件无线电原型接收机平台上实现同步算法，分析量化对算法性能带来的损失，对算法性能进行测试，评估算法的运算速度和硬件资源需求。本研究将对提高短突发通信系统在低信噪比/极低信噪比下的系统性能和通信能力提供关键技术支撑。

目前，短突发通信系统已经广泛应用于军事通信、卫星通信、深空探测和高速移动通信等领域。这种通信方式具有短帧和突发模式的特点。同时，通信的双方存在着相对高速的移动产生了较大的多普勒频移，如果没有较好的载波同步技术解决这个问题，接收机将无法工作。本项目研究在低信噪比/极地信噪比、大频偏条件下，利用开销小的短导频序列，实现突发通信模式中有效可靠的载波同步对于改善突发通信系统的性能具有重要的意义。针对短突发工作方式、低信噪比和极低信噪比通信环境和大频偏条件，在分析了现有同步技术的基础上，得出了导频和数据混合突发同步结构的同步参数估计性能限，通过对各同步模式下载波参数估计限的研究，我们得出了通用数据帧结构的估计性能限，联合DA-NDA同步模式对于低信噪比下同步估计问题是一个必须的选择，在中等信噪比下，单纯DA同步模式就可以得到较好的估计性能。另外对数据帧采用对称化处理，能够有效减弱甚至消除较大剩余频偏对相偏估计的影响。与基于非对称突发的(ML)相偏估计相比，基于对称突发结构的(ML)相偏估计能够获得更高的估计精度和更强的抗剩余频偏能力。项目旨在研究估计精度高、范围大、开销小、可靠、快速、稳健、适合实际应用的接收机同步结构和同步算法。通过对各种同步算法进行分析比较，我们给出了适应项目要求的三大类同步方案：时频联合的载波同步方案、基于相位增量的两步载波频偏估计方案和基于对称帧的联合频相估计方案。最后在基于DSP+FPGA的软件无线电原型接收机平台上实现了以SOQPSK信号为传输信号的接收机中的解调和同步算法，分析了量化对算法性能带来的损失，在基于DSP+FGPA的软件无线电原型接收机平台上，分析了量化对算法性能带来的损失, 对算法进行了性能测试，评估了算法的运算速度和硬件资源需求。本研究对提高短突发通信系统在低信噪比/极低信噪比下的系统性能和通信能力可以提供关键技术支撑。