一种基于物理帧头的卫星激光通信频偏捕获与跟踪方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于物理帧头的卫星激光通信频偏捕获与跟踪方法。

背景技术

在相干激光通信系统中，发送端采用信号激光器和电光调制器完成光信号调制，接收端通过与本振激光进行混频，并通过平衡探测器获取电信号。在零差相干接收机中，本振激光频率需要和信号激光频率一致；在外差相干接收机中，本振激光频率和信号激光频率之差需要为固定频率。然而，对于输出频率达到100THz（太赫兹）以上的激光器，其开环频率控制精度即便能做到输出频率的亿分之一，输出频率误差也能达到MHz量级。另一方面，半导体激光器输出信号频率随着工作温度会发生漂移现象，可达数GHz。因此，实际系统中，在激光器进行开环控制时，接收信号存在GHz量级的频率偏移。

在卫星激光通信场景中，特别是低轨卫星对地通信、低轨卫星对机通信、低轨卫星对中高轨卫星通信等场景中，由于低轨卫星运动速度快，使得接收信号具有较大的多普勒和多普勒变化率，其接收信号的频率偏移可达GHz量级，频率变化率可达MHz/s量级。

综合分析，在低轨卫星激光通信场景下，接收信号频率偏移达5GHz，频率变化率达30MHz/s。

在激光通信中，平衡探测器输出的电信号经过电信道后，由ADC完成模数转换，采用大规模FPGA完成数据的解调和译码。电信道完成信号的滤波、放大等处理。当接收信号存在较大的频偏时，一方面可能会超过电信道的带宽，信号无法完整的被ADC采样；另一方面，大频偏及大频率变化率增加了信号捕获和跟踪的难度。为了实现有效卫星激光通信，需要解决卫星激光通信中大频偏、大频率变化率激光信号捕获与跟踪的难题。

现有技术中，中国专利申请CN114667717A（一种卫星激光宽带解调方法与装置）公开了一种卫星激光宽带解调方法与装置，通过将残留载波设置到接收机的载波捕获范围，再通过对本振激光器的频率调整来将残留载波牵引至MHz级别，最后通过精准的频率捕获手段得到精确的载波频率，从而完成载波的捕获。该方法在低信噪比时，频偏捕获性能较差。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于物理帧头的卫星激光通信频偏捕获与跟踪方法，将接收光信号与本振激光器产生的本振激光进行相干混频，经过平衡探测器后将光信号转为电信号，然后经过电信道进行滤波和放大处理后，由ADC完成信号采样；采样后的信号经过频率补偿后完成位同步和帧同步，利用帧同步模块提取出的物理帧头进行频偏估计，根据频偏估计的结果对本振激光器进行频率调谐，完成大频偏捕获和大频偏缓慢跟踪；在帧同步模块后提取导频进行频偏误差估计，经过环路滤波后输出频偏误差，由NCO产生频率控制信息，进行频率补偿，完成残留频偏和频率变化率的精确跟踪。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于物理帧头的卫星激光通信频偏捕获与跟踪方法，包括如下步骤：

步骤1、将接收光信号与本振激光器产生的本振激光进行相干混频，经过平衡探测器后将光信号转为电信号，然后经过电信道进行滤波和放大处理后，由ADC完成信号采样；

步骤2、对采样后的信号，按照固定频率步进进行扫描，直至位同步和帧同步锁定，然后利用帧同步模块提取出的物理帧头进行L&R频偏估计，根据L&R频偏估计的结果对本振激光器进行频率调谐，最终完成大频偏捕获和大频偏缓慢跟踪；

步骤3、在帧同步模块后提取导频进行频偏误差估计，经过环路滤波后输出频偏误差，由数字控制振荡器产生频率控制信息，进行频率补偿，完成残留频偏和频率变化率的精确跟踪。

本发明相比于现有技术的有益效果是：

1、收敛速度快。本发明通过快速扫描捕获信号频偏，再通过提取频偏误差进行跟踪，具有收敛速度快的优点。

2、性能优异。外环完成大频偏捕获和跟踪，内环完成小频偏跟踪，内环和外环同时完成频偏跟踪，频偏捕获和跟踪性能优异。

3、适用于极低信噪比。本发明采用长物理帧头进行频偏估计，在低信噪比时仍能获取到极佳的频偏捕获性能；采用导频估计频率误差性能，相比较于盲估计，能有效降低噪声影响，提高估计性能，适用于极低信噪比。

附图说明

图1为本发明的物理帧结构示意图；

图2为基于物理帧头的卫星激光通信频偏捕获与跟踪方法原理图；

图3为大频偏捕获后的稳态跟踪性能图；

图4为本发明的一种基于物理帧头的卫星激光通信频偏捕获与跟踪方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的物理帧结构包括物理帧头、数据块和导频，如图1所示，其中物理帧头数据长度为

如图2所示，接收光信号与本振激光器产生的本振激光进行相干混频，经过平衡探测器后将光信号转为电信号，然后经过电信道进行滤波和放大等处理后，由ADC完成信号采样。

对采样后的信号，按照固定频率步进进行扫描，直至位同步和帧同步锁定，采样后的信号经过频率补偿后完成位同步和帧同步，帧同步模块提取出的物理帧头进行L&R频偏估计，根据L&R频偏估计的结果对本振激光器进行频率调谐。在帧同步模块后提取导频进行频偏误差估计，经过环路滤波后输出频偏误差，由NCO产生频率控制信息，进行频率补偿。频偏捕获与跟踪由内环和外环组成。其中外环完成大频偏捕获和大频偏缓慢跟踪，内环完成残留频偏和频率变化率的精确跟踪。处理后的信号用于随后的相位恢复译码。

位同步模块采用gardner定时误差提取方案，gardner定时误差提取对频偏不敏感。当频偏小于符号速率的25%时，位同步可锁定。比如若符号速率为2Gbps，当频偏小于500MHz时，位同步可锁定。

帧同步模块完成物理帧头检测。采用差分处理，降低帧同步对频偏的影响。假设位同步后的接收数据符号为

其中，

发送的

其中，

每接收到一个数据符号，即进行差分处理，然后与发送的物理帧头差分数据进行相关，即：

其中，

若

外环完成大频偏捕获和大频偏缓慢跟踪，当位同步和帧同步锁定时，通过L&R频偏估计模块完成频偏估计。根据频偏估计结果调整本振激光器，减小相干混频后的频偏，同时根据周期性的频偏估计和本振激光调整，也能缓慢跟踪频偏的变化。L&R频偏估计模块通过提取物理帧头数据完成频偏估计。L&R算法可以有效估计较大的频偏，且在低信噪比下也具有很好的性能。其方法是对接收物理帧头数据进行N点的自相关函数计算，然后进行L次平均，最终得到估计的频偏

其中，N表示相关计算的点数，L为相关运算的次数，L

其中，

当系统刚启动时，由于频偏过大，此时位同步或帧同步处于失锁状态，则通过频偏扫描模块，以一定的频率步进调整本振激光器输出频率，完成频偏捕获。当相干混频输出信号频偏小于位同步和帧同步锁定所支持的最大频偏时，位同步和帧同步进入锁定状态，则关闭频率扫描，进入频偏跟踪过程。

外环的频偏估计通过物理帧头完成，受到频偏估计精度的影响，存在较小的残留频偏。另外，在两个物理帧头之间的时间内，由于多普勒及激光源受温度的影响，会引起频率偏移。残留频偏补偿和相邻帧头时间内的频率偏移跟踪采用内环完成。内环根据导频在物理帧中的位置，提取导频，并根据导频完成频偏误差估计。基于导频的频偏误差计算为：

其中，

如图3所示的大频偏捕获后的稳态跟踪性能图可以看出，在大频偏（5Gbps符号速率下频偏1GHz）、低信噪比（EsN0=-2dB）下，采用本发明可以有效完成高动态低信噪比下载波频偏估计与稳定跟踪。

如图4所示，本发明的一种基于物理帧头的卫星激光通信频偏捕获与跟踪方法包括如下步骤：

步骤1、关闭外环频偏跟踪，包括初始化频率扫描模块输出频偏为0，即关闭L&R频偏估计模块（输出频偏为0）；

步骤2、关闭内环频偏跟踪模块，即关闭频偏误差估计模块（输出误差为0）；

步骤3、打开外环频偏捕获，即启动频率扫描，设置频率扫描输出频率fs为最小频率fmin，即fs=fmin；

步骤4、等待dt时间,dt需大于tmin,其中tmin=本振激光器调谐稳定时间+位同步入锁时间+帧同步入锁时间；

步骤5、检测位同步和帧同步是否锁定，若均锁定，则进入步骤8，否则进入步骤6；

步骤6、设置频率扫描输出频率以df为步进进行增加，即fs=fs+df，df需小于20%的符号速率；

步骤7、若输出频率fs大于最大控制频率fmax，则设置fs=fmin,返回步骤4；

步骤8、停止频率扫描，即频率扫描模块输出频率fs保持不变，开启外环频偏跟踪，L&R频偏估计结果与fs之和用于激光器频率调谐；

步骤9、打开内环频偏跟踪，根据导频估计频偏误差，控制NCO产生频偏控制信息，进行频率补偿；

步骤10、内环和外环各自完成频偏跟踪；

步骤11、若位同步或帧同步失锁，返回步骤1。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。