Wie kann die Doppler-Verschiebung von Funksignalen geschätzt und kompensiert werden?

Ich habe mich gefragt, welche guten Methoden es für die Schätzung (und anschließende Kompensation) der Doppler-Verschiebung von Sendesignalen, sei es akustisch oder HF, im Zusammenhang mit Kommunikationen gibt.

Die Frage: Insbesondere, wenn der Grad der Doppler-Verschiebung über die Dauer eines Pakets variiert, wie kann er am besten geschätzt (verfolgt?) Und dann kompensiert werden. Angenommen, wir haben eine Trainer-Sequenz. Sie können auch davon ausgehen, dass sich das Signaldurchlassband BW in der Größenordnung seines Betreibers befindet. (Wenn z. B. das Durchlassbandsignal von 2500-7500 Hz vorhanden ist, beträgt sein BW 5000 Hz, ebenso wie sein Träger.)

Einige zusätzliche Hintergrundinformationen für den Kontext:

• Eine Methode, die ich während meiner Recherche gefunden habe:
  
  • Da ich eine Trainersequenz habe und deren Frequenz kenne, schätze ich zunächst deren Empfangsfrequenz.
  • Als nächstes nehme ich eine erneute Abtastung des gesamten Pakets in einem Verhältnis vor, das mit der Geschwindigkeit der Welle im Medium, meiner bekannten Sendefrequenz und meiner neuen geschätzten Doppler-Verschiebungsfrequenz zusammenhängt.
  • Dies funktioniert in Simulationen gut, aber die Schwachpunkte sind, dass die Frequenzschätzung sehr genau sein muss und dass sich die Dopplerverschiebung während der Paketdauer nicht ändert.

Gibt es andere Methoden, um das Problem zu lösen, wenn sich der Doppler während der Paketdauer ändert? Wie ist die Meinung zu der oben genannten Methode?

Danke vielmals!

Dies ist ein sehr häufiges Kommunikationsproblem. In einem Lehrbuch nach "Frequenzsynchronisation" suchen; Zu diesen und verwandten Themen wurden ganze Bücher geschrieben. Die Technik, die Sie wählen würden, ist eine Funktion der Besonderheiten Ihres Systems. Es gibt zwei übliche Quellen für Frequenzversatz:

• Frequenzunterschiede zwischen Referenzoszillator am Sender und Empfänger. Dieser Fehler ist in der Regel gering, abhängig von der Genauigkeit der verfügbaren Zeitbasis, und kann mit gewissen Kosten verringert werden. Preiswerte Kristalloszillatoren erreichen in der Regel einen Fehler von 50 ppm oder mehr (obwohl dies mit zunehmendem Alter des Kristalls abweicht). Wenn Sie ein größeres Budget haben, können Sie so etwas wie einen Rubidium-Standard verwenden, der ~ 1 Teil pro Billion Frequenzfehler liefert. Ein billigerer und zunehmend verbreiteter Ansatz ist die Verwendung eines GPS-Empfängers mit präziser Frequenzausgabe (typischerweise 10 MHz). Die in der GPS-Konstellation verfügbare hochgenaue Zeitbasis kann verwendet werden, um die Referenz präzise auf der Frequenz zu trainieren.

• Physikalische Dynamikeffekte zwischen Sender und Empfänger. Ein bemerkenswertes Beispiel dafür sind Satellitenkommunikationsanwendungen (insbesondere in niedrigeren Umlaufbahnen), bei denen sich der Satellit relativ zu jedem Beobachter auf der Erde sehr schnell bewegt (und beschleunigt). Die hohe Radialgeschwindigkeit des Satelliten in Richtung des Empfängers verursacht eine Doppler-Verschiebung, und jede Änderung dieser Geschwindigkeit, die durch seine Umlaufbahn verursacht wird, bewirkt, dass sich diese Verschiebung mit der Zeit ändert. In Anwendungen, in denen diese Art von Dynamik herrscht, können Sie diese normalerweise nicht stark abschwächen. Daher müssen Sie einen Empfänger bauen, der die Auswirkungen toleriert.

Wie synchronisiert sich in diesen Fällen ein Empfänger mit dem Sender?

• Ein üblicher Ansatz, der für phasen- oder frequenzmodulierte Signale nützlich ist, ist die Verwendung eines Phasenregelkreises . Das Entwerfen von PLLs ist an sich ein komplexes Thema, im Grunde genommen handelt es sich jedoch um Rückkopplungssysteme, mit denen der Phasen- und Frequenzversatz erfasst und verfolgt werden kann, während Ihr Empfänger in Betrieb ist. Wenn Sie nur eine Frequenzsynchronisation benötigen, können Sie stattdessen einen Frequenzregelkreis verwenden. Während sie keine Phasensynchronisation für Sie bereitstellen, weisen sie häufig bessere Erfassungseigenschaften auf.

• Alternativ zu einer Rückkopplungsschleife gibt es auch Feedforward- Ansätze zum Schätzen des Frequenz- oder Phasenversatzes. Ein Feedforward-Ansatz würde Ihre Trainingssequenz nutzen, um den Frequenzfehler basierend auf der Änderung des Phasenversatzes im Verlauf der Sequenz abzuschätzen. Wenn sich der Frequenzversatz im Laufe der Zeit ändert, müssten Sie das Schätzverfahren wiederholen, damit Ihr Empfänger aufholen kann.

• Eine andere Technik besteht darin, Ihr System so zu gestalten, dass es gegenüber (relativ kleinen) Frequenzversätzen robust ist. Ein Beispiel hierfür ist die differentiell codierte Phasenmodulation (obwohl der Frequenzfehler nach der differentiellen Decodierung als Phasenversatz angezeigt wird, der behandelt werden muss). Frequenzmodulierte Wellenformen wie FSK haben auch einen gewissen Widerstand gegen den Frequenzversatz, solange der Versatz im Verhältnis zu der vom Sender verwendeten Frequenzabweichung gering ist.

Diese sehr kurze Zusammenfassung kratzt wirklich nur die Oberfläche einiger der bekannteren Ansätze. Die Synchronisation kann auf praktische Weise schwierig zu lösen sein, und im Laufe der Jahre wurde viel darüber geforscht, wie dies erreicht werden kann. Es wird genau davon abhängen, wie Ihr System aufgebaut ist, und von einer sehr wichtigen Variablen: dem Ziel-SNR. Es gibt keine einzige "richtige" Antwort. Ich werde eine Lehrbuchempfehlung abgeben; "Synchronisation Techniques for Digital Receivers" von Mengali ist zwar sehr teuer, aber ein umfassender Text zur Synchronisation von Timing, Phase und Frequenz.