Как оценить и компенсировать доплеровский сдвиг в беспроводных сигналах?

Мне было интересно, какие хорошие методы существуют для оценки (и последующей компенсации) доплеровского сдвига для передаваемых сигналов, будь то акустические или радиочастотные, в контексте связи.

Вопрос: В частности, если степень доплеровского сдвига изменяется в течение длительности пакета, как лучше оценить (отследить?), А затем компенсировать это. Предположим, у нас есть последовательность тренера. Можно также предположить, что полоса пропускания сигнала BW имеет порядок своей несущей. (например, если сигнал полосы пропускания существует в диапазоне 2500-7500 Гц, его BW составляет 5000 Гц, как и его несущая.)

Некоторый дополнительный фон для контекста:

• Один метод, который я нашел во время моего исследования:
  
  • Поскольку у меня есть обучающая последовательность и я знаю ее частоту, сначала я оцениваю полученную частоту.
  • Затем я делаю повторную выборку всего пакета по соотношению, которое связано со скоростью волны в среде, моей известной переданной частотой и моей новой оцененной частотой сдвига доплеровского сдвига.
  • Это хорошо работает при моделировании, но слабым местом является то, что оценка частоты должна быть очень точной, и это также предполагает, что доплеровский сдвиг не изменяется в течение продолжительности пакета.

Существуют ли какие-либо другие методы, которые можно использовать для решения проблемы, когда допплер изменяется во время действия пакета? Каково мнение вышеупомянутого метода?

Большое спасибо!

Это очень распространенная проблема связи. Поищите в учебнике «частотную синхронизацию»; целые книги были написаны на эти и связанные темы. Техника, которую вы выберете, зависит от специфики вашей системы. Существует два распространенных источника смещения частоты:

• Различия в частоте между эталонным генератором на передатчике и приемнике. Эта ошибка обычно невелика, в зависимости от точности доступных баз времени, и может быть уменьшена за определенную плату. Дешевые кварцевые генераторы, как правило, достигают 50 частей на миллион ошибок или лучше (хотя с возрастом кристалла это дрейфует). Если у вас больший бюджет, вы можете использовать что-то вроде стандарта Rubidium, который обеспечивает ~ 1 часть на триллион ошибок частоты. Более дешевый и все более распространенный подход заключается в использовании приемника GPS с точным выходом частоты (обычно 10 МГц). Высокоточная развертка доступна из GPS созвездий может быть использована для подготовки ссылки именно на частоте.

• Физическая динамика эффектов между передатчиком и приемником. Один примечательный пример, в котором это вступает в игру, относится к приложениям спутниковой связи (особенно на низких орбитах), где спутник движется (и ускоряется) очень быстро относительно любого наблюдателя на Земле. Высокая радиальная скорость спутника в направлении приемника вызовет доплеровский сдвиг, и любое изменение этой скорости, вызванное его орбитой, приведет к тому, что этот сдвиг изменится со временем. В приложениях, где у вас есть такая динамика, вы, как правило, не можете сильно ее смягчить, поэтому у вас остается создание приемника, который будет выдерживать эффекты.

Так как же приемник синхронизируется с передатчиком в этих случаях?

• Один общий подход, полезный для сигналов с фазовой или частотной модуляцией, заключается в использовании контура с фазовой синхронизацией . Проектирование ФАПЧ само по себе является сложной темой, но, по сути, они представляют собой системы обратной связи, которые можно использовать для сбора и отслеживания сдвига фазы и частоты во время работы вашего приемника. Если вам нужна только синхронизация по частоте, тогда вы можете использовать вместо нее петлю с частотой; в то время как они не обеспечат вам фазовую синхронизацию, они часто имеют лучшие свойства захвата.

• В качестве альтернативы петле обратной связи существуют также прямые подходы к оценке частоты или сдвига фазы. Один подход с прямой связью использовал бы вашу обучающую последовательность для оценки погрешности частоты на основе того, как смещение фазы изменяется в течение последовательности. Однако, если смещение частоты меняется с течением времени, вам нужно будет повторить процедуру оценки, чтобы позволить вашему приемнику наверстать упущенное.

• Другой метод заключается в том, чтобы спроектировать вашу систему так, чтобы она была устойчивой к (достаточно небольшим) частотным смещениям. Дифференциально-кодированная фазовая модуляция является примером этого (хотя ошибка частоты будет отображаться как сдвиг фазы после дифференциального декодирования, которое должно обрабатываться). Частотно-модулированные сигналы, такие как FSK, также имеют некоторый уровень сопротивления смещению частоты, если смещение мало по сравнению с величиной отклонения частоты, используемого передатчиком.

Это очень короткое резюме действительно лишь поверхностно освещает некоторые из наиболее известных подходов. Синхронизация может быть трудной проблемой для практического решения, и за прошедшие годы было проведено много исследований различных способов ее решения. Это будет зависеть от того, как именно ваша система структурирована, и от одной очень важной переменной: целевого SNR. Нет ни одного «правильного» ответа. Я сделаю одну рекомендацию учебника; «Методы синхронизации для цифровых приемников» Mengali, хотя и очень дорогие, представляют собой исчерпывающий текст о синхронизации, фазе и частоте синхронизации.