Frequency synchronization algorithms for quadrature phase shift keying (qpsk) satellite receivers at low signal to noise ratios(SNR)

Resumen

Los avances en el campo de la tecnología de los circuitos integrados han hecho posible la migración de la transmisión analógica a digital, una de las principales ventajas de este cambio es que la modulación de portadoras analógicas con señales digitales mejora las prestaciones de los sistemas de transmisión de datos en comparación con la modulación analógica. La modulación de una portadora con una señal digital se denomina 'codificación por salto' porque hay un cambio discreto en los parámetros de la portadora. De hecho, en radioenlaces satélite y de microondas terrestres, uno de los tipos de modulación digital más utilizados de la familia de codificación por salto de fase M-aria (MPSK) es QPSK (quadrature PSK). Por otra parte, las mejoras en las técnicas de codificación han dado lugar a aplicaciones donde el SNR de trabajo en el receptor es muy bajo. Sin embargo, la principal desventaja del bajo SNR de trabajo de las comunicaciones digitales es el mayor coste de los transmisores y receptores, donde es necesaria una circuiteria analógica compleja y cara. Por esta razón, en los nuevos receptores de satélite de señal digital, es importante tener un procesador digital de banda-base capaz de operar a la menor SNR posible. De esta forma, el coste de la antena y de la cabecera analógica puede reducirse ya que tienen que cumplir condiciones de operación menos restrictivas. Por consiguiente, el bajo SNR de trabajo requerido demanda algoritmos de sincronización robustos. Sin embargo, en muchas aplicaciones la complejidad de la implementación digital es igualmente crítica. Por lo tanto, el bajo SNR de trabajo tiene que conseguirse sin ninguna penalización en la complejidad de los algoritmos de sincronización para ahorrar área y potencia en la implementación digital. En un receptor coherente, para llevar a cabo la sincronización, hay que adquirir tanto el instante óptimo de muestreo como los parámetros de la portadora, una solución comúnmente utilizada para llevar a cabo la sincronización consiste en cuatro etapas. En la primera etapa, la frecuencia de la portadora se estima de forma basta en ausencia de información del instante óptimo de muestreo. Seguidamente, se adquiere la sincronización de tiempo. En la tercera etapa, se lleva a cabo la estimación de la frecuencia de la portadora de forma fina empleando información del tiempo. Finalmente, en la cuarta etapa, se sincroniza el offset de la fase de la portadora. Una vez que se han estimado todos los parámetros de sincronización, se puede detectar la secuencia de datos. Dentro de este marco, esta tesis se centra en la sincronización ciega (o sin preámbulo) de la frecuencia de la portadora de señales moduladas QPSK a bajo SNR: - En primer lugar, se trata la primera etapa de la estrategia de sincronización descrita. En esta tesis se han propuesto dos nuevos algoritmos de estimación de frecuencia basados en el principio de máxima verosimilitud (MV) que funcionan sin información del instante óptimo de muestreo. Los algoritmos diseñados reducen la complejidad de implementación del algoritmo original de MV. Es más, los algoritmos propuestos son flexibles en tiempo de funcionamiento de forma que el receptor puede adaptarse al SNR de trabajo en cada momento. - En segundo lugar, se trata la etapa de sincronización fina de frecuencia qué funciona tras adquirir el tiempo. Se ha analizado el algoritmo de estimación clásico de MV de un tono único, que también se puede emplear para señales moduladas. Como resultado de este análisis, se han propuesto varias técnicas para optimizar el sincronizador de frecuencia clásico. Los algoritmos propuestos son capaces de reducir el umbral de mínimo SNR de trabajo en el que el receptor puede operar, e incrementar la precisión de la estimación de frecuencia, a la vez que se limita la complejidad de implementación. Estos algoritmos también son flexibles ya que de igual forma se pueden adaptar al SNR de trabajo en tiempo de funcionamie The growing advances in the field of integrated circuits technologies has made feasible the migration from analog to digital transmission. One of the main advantages of this change is that the modulation of analog carriers by digital signais mproves the performance of data transmission systems as compared with analog modulation. Modulation of a carrier with a digital signa! is denoted by shirt keying because there is a di serete change in the carrier parameters. indeed, in satellite and microwave terrestrial links, one of the most commonly used forms of M-ary phase-shift keying (MPSK) modulation is quadrature PSK (QPSK or 4PSK). On the other hand, improvements in coding techniques have given rise to applications where the SNR operating point at the receiver is very low. Nonetheless, the main disadvantage of the low working SNR of digital Communications is the increased cost of transmitters and receivers, where complex and expensive analog circuitry is needed. For this reason, in modern digital signal satellite receivers, it is important to have a digital base-band processor able to operate at the lowest SNR. in this way, the cost of the antenna and analog front-end can be reduced because they have to meet looser operating conditions. Accordingly, the required low SNR operating point demands robust synchronization algorithms. However, in many applications the complexity of the digital implementation is critical. Henee, the low SNR operating point must be achieved without any penalty in the complexity of the synchronization algorithms to save area and power in the digital implementation. in a coherent receiver, in order to carry out synchronization both symbol timing and carrier parameters must be acquired. A common approach to perform synchronization consists of four stages. In the first stage, carrier frequency is estimated coarsely in the absence of symbol timing information. Afterward, symbol timing synchronization is acquired. in the third stage, timing-directed fine carrier frequency estimation is carried out. Finally, in the fourth stage, carrier phase offset synchronization is performed. Once all the synchronization parameters have been estimated, the data sequence can be detected Within this framework, this thesis focuses on blind (or preamble-less) synchronization of the carrier frequency offset of QPSK modulated signais at low SNR: - Firstly, the first stage of the described synchronization approach is tackled. we have proposed two new frequency estimation algorithms based on the maximum-likelihood (ML) principie that work without timing information. The designed algorithms reduce the implementation complexity of the original ML non-timing-directed algorithm. Furthermore, the proposed algorithms provide flexibility in run-time so that the receiver can adapt itself to the SNR operating point. - secondly, we have focused on the fine frequency synchronization stage that performs after clock recovery. we have analyzed the classical ML single-tone frequency estimation algorithm that can be used for modulated signais as well. As a result of this analysis, we have put forward some techniques to optimize the classical frequency synchronizer. The proposed algorithms are able to lower the threshold or the minimum SNR at which the receiver can operate, and increase the accuracy of the frequency estimate while maintaining the implementation complexity. These algorithms are also flexible as they can adapt to the working SNR in run-time