如何估计和补偿无线信号中的多普勒频移？

#1 楼

这是一个非常常见的通讯问题。在教科书中查找“频率同步”；整本书都写了这些以及相关主题。您选择的技术取决于系统的具体功能。有两种常见的频率偏移来源：


在发射机和接收机的参考振荡器之间的频率差异。该误差通常很小，具体取决于可用时基的精度，并且可以以一定的代价加以缓解。廉价的晶体振荡器通常可实现百万分之五十的误差或更高的误差（尽管随着晶体的老化，它的确会漂移）。如果您有更大的预算，则可以使用类似standard标准的方法，该标准可为每兆兆的频率误差提供约1份。一种更便宜且越来越普遍的方法是使用具有精确频率输出（通常为10 MHz）的GPS接收器。 GPS星座中可用的高度精确的时基可用于精确地在频率上训练参考。
发射器和接收器之间的物理动力学效应。其中一个值得注意的例子是卫星通信应用（尤其是在较低的轨道），其中卫星相对于地球上的任何观察者都以非常快的速度移动（并加速）。卫星朝向接收器的高径向速度将引起多普勒频移，并且由其轨道引起的该速度的任何变化都将导致该偏移随时间变化。在具有这种动态特性的应用程序中，通常无法对其进行很大的缓解，因此您需要构建一个可以容忍效果的接收器。

那么接收器如何与发送器同步？在这些情况下？


对于锁相或调频信号有用的一种常用方法是使用锁相环。 PLL的设计本身就是一个复杂的主题，但是从本质上讲，它们是一种反馈系统，可以在接收机工作时使用它来获取和跟踪相位和频率偏移。如果只需要频率同步，则可以使用锁频环。尽管它们无法为您提供相位同步，但它们通常具有更好的采集性能。
作为反馈环路的替代方法，也有前馈方法来估算频率或相位偏移。一种前馈方法将利用您的训练序列，根据相位偏移量在序列过程中的变化来估算频率误差。但是，如果频率偏移随着时间的推移而变化，那么您将需要重复估算过程，以使接收器赶上来。
另一种技术是将系统设计为对于（合理地较小）频率偏移具有鲁棒性。差分编码的相位调制就是一个例子（尽管频率误差将显示为差分解码后的相位偏移，必须加以处理）。只要频偏相对于发射机使用的频偏量较小，诸如FSK之类的调频波形也具有一定程度的抗频偏能力。

这个简短的摘要确实只是一些更知名方法的表面。同步可能是一个难以解决的实际问题，多年来，已经有很多研究关于同步的不同方法。这将完全取决于系统的结构以及一个非常重要的变量：目标SNR。没有一个“正确”的答案。我将推荐一本教科书；虽然非常昂贵，但是Mengali撰写的“数字接收器同步技术”是有关定时，相位和频率同步的综合文章。