Algorithm for evaluation of the carrier frequency of the phasomodulated signal of the satellite communication system when transmitting in continuous mode using the fast Furie transformation function

DOI: 10.31673/2412-9070.2020.025560

Abstract

Problems of signal transmission in modern satellite systems are determined by certain features of both the construction of the system itself and the problems of signal reception and transmission processing. For demodulators of satellite modems operating with a continuous input signal, the most significant problem is the synchronization of the carrier frequency. This synchronization task is actually reduced to estimating the true parameters of the signal, namely the estimation of the carrier frequency. This paper considers the process of estimating the carrier frequency of a signal received by a satellite communication system in a continuous mode. Functional dependences are proposed and, based on them, an algorithm for estimating the carrier frequency of a signal received by a satellite communication system in a continuous mode according to the rule of maximum likelihood (MP-estimation) with a minimum observation interval is developed. This algorithm allows a two-stage estimation of the carrier frequency according to the rule of maximum likelihood, taking into account the condition of uncertainty of all parameters of the signal received by the satellite communication system in a continuous mode with a minimum observation interval. Ensuring the minimum observation interval in the given carrier estimation algorithm is ensured by using the fast Fourier transform function and two estimation stages: the stage of determining the minimum variance of the carrier frequency estimation and the stage of estimating the maximum frequency in the signal spectrum.
The results of modeling according to the proposed algorithm presented in the work showed the practical feasibility of the presented functional dependencies and the relevance of the proposed algorithm for estimating the carrier frequency of the signal received by the satellite communication system in continuous mode.

Keywords: signal carrier frequency estimation; minimum limiting variance of carrier frequency estimation; estimation of maximum frequency in the signal spectrum; fast Fourier transform function.

References
1. Горбатий І. В. Системи дистанційного зондування Землі з космосу: монографія. Львів: СПОЛОМ, 2011. 612 с.
2. Шестаков А. Л., Семенов А. С., Ибряева О. Л. Оценка несущей частоты случайной последовательности импульсов методом Прони // Вестник ЮУрГУ. 2009. №37(170). С. 106–115.
3. Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Москва: Радио и связь, 1989. 656 с.
4. Tong Zhao, Tianyao Huang. Cramer-Rao Lower Bounds for the Joint Delay-Doppler Estimation of an Extended Target // IEEE Global Conference on Signal and Information Processing (GlobalSIP), 14–16 Dec. 2015. Orlando, FL, USA. Orlando, 2015. P. 17–24.
5. Lyons R. G. Understanding Digital Signal Processing. Boston: Prentice Hall, 2010. 992 p.
6. Михайлов, Н. В., Чистяков В. В. Приемники спутниковой навигации космического базирования : архитектура и первичная обработка сигналов. Воронеж: изд-во «Научная книга», 2014. 124 с.
7. Miguel Angel Platas-Garza, José Antonio de la O Serna. Dynamic Harmonic Analysis Through Taylor–Fourier Transform // Instrumentation and Measurement IEEE Transactions. 2011. Vol. 60, № 3. P. 804–813.
8. Ruipeng Diao, Qingfeng Meng, Yumei Liang. An windowed frequency domain interpolation algorithms for damped sinusoidal signals // Signal and Image Processing Applications (ICSIPA) 2013 IEEE International Conference. 2013. P. 297–301.
9. Nasir A. A., Durrani S., Kennedy R. A. Particle filters for joint timing and carrier estimation: Improved resampling guidelines and weighted bayesian cramer–rao bounds // IEEE Trans. Commun. 2012. №60(5). Р.1407–1419.
10. Тихомиров А. В., Омельянчук Е. В., Семенова А. Ю. Синхронизация в системах с прямым расширением спектра // Инженерный вестник Дона. 2019. №9(60). С. 69–70.
11. Быстродействующий алгоритм восстановления несущей частоты и фазовой синхронизации в модемах с QPSK модуляцией / А. В. Садченко, О. А. Кушниренко, Е. К. Кошелев, В. И. Бондар // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2018. №1. С. 28–36.
12. Нагорнюк О. А. Покращення точності оцінювання несучої та символьної частоти сигналів з цифровою модуляцією // Проблеми створення, випробування, застосування та експлуатації складних інформаційних систем: зб. наук. праць ЖВІ НАУ. 2013. Вип. 8. С. 62–70.
13. Исследование алгоритма оценки смещения несущей частоты, использующего преамбулу с псевдошумовой последовательностью / Куигфенг Джинг, Уейжи Жонг, Юпинг Лу, Ксиаоджу Ян // Известия высш. учеб. заведений. Радиоэлектроника. 2013. T. 56, N 1. С. 34–42.
14. Juan A. M., Cecilia G. G. Block synchronization algorithms for UWB–OFDM systems // Digit. Signal Process. 2011. Vol. 21(2). P. 187–295.
15. Weizhi Zhong, Yuping Lu, Xiaoju Yan. Research on carrier frequency offset estimation algorithm based on PN sequence preamble in OFDM system // Radioelectronics and Communications Systems. 2013. Vol. 56. P. 29–35.
16. Леман Э. Теория точечного оценивания. Москва: Наука, 1991. 448 с.
17. D’Amico A., Mengali U., Taponecco L. Cramer-Rao Bound for Clock Drift in UWB Ranging Systems // IEEE Wireless Communication Letters. 2013. №2(6). P. 591–594.
18. Фомин А. И. Синхронизация цифровых радиосистем передачи информации. Москва: Сайнс-Пресс, 2008. 280 с.
19. Залманзон Л. А. Преобразования Фурье, Уолша, Хаара и их применение в управлении, связи и других областях. Москва: Наука, 1989. 496 с.