Jak oszacować i zrekompensować przesunięcie Dopplera w sygnałach bezprzewodowych?

Zastanawiałem się, jakie istnieją dobre metody oceny (i późniejszej kompensacji) przesunięcia Dopplera dla transmitowanych sygnałów, czy to akustycznych, czy RF, w kontekście komunikatorów.

Pytanie: W szczególności, jeśli stopień przesunięcia Dopplera zmienia się w czasie trwania pakietu, jak najlepiej oszacować (śledzić?), A następnie go zrekompensować. Załóżmy, że mamy sekwencję trenera. Możesz również założyć, że pasmo przepustowe sygnału BW jest rzędu jego nośnej. (np. jeśli sygnał pasma przepustowego istnieje w zakresie 2500–7500 Hz, jego BW wynosi 5000 Hz, podobnie jak jego nośna.)

Dodatkowe tło kontekstu:

• Jedna metoda, którą znalazłem podczas moich badań:
  
  • Ponieważ mam sekwencję trenera i znam jej częstotliwość, najpierw szacuję jej częstotliwość.
  • Następnie ponownie próbkuję cały pakiet według stosunku, który jest związany z prędkością fali w ośrodku, moją znaną transmitowaną częstotliwością i moją nową oszacowaną częstotliwością przesunięcia dopplerowskiego.
  • Działa to dobrze w symulacjach, ale słabymi punktami są to, że estymacja częstotliwości musi być bardzo dokładna, i zakłada również, że przesunięcie Dopplera nie zmienia się podczas trwania pakietu.

Czy są jakieś inne metody, które można wykorzystać do rozwiązania problemu, gdy doppler zmienia się podczas trwania pakietu? Jaka jest opinia powyższej metody?

Wielkie dzięki!

Jest to bardzo częsty problem z komunikacją. Poszukaj w podręczniku „synchronizacji częstotliwości”; całe książki zostały napisane na te i pokrewne tematy. Technika, którą wybierzesz, jest funkcją specyfiki twojego systemu. Istnieją dwa wspólne źródła przesunięcia częstotliwości:

• Różnice częstotliwości między oscylatorem odniesienia na nadajniku i odbiorniku. Ten błąd jest zwykle niewielki, w zależności od dokładności dostępnych baz czasowych, i można go złagodzić za pewnym kosztem. Tanie oscylatory kryształowe zwykle osiągają 50 części na milion błędów lub więcej (chociaż dryfuje to wraz z wiekiem kryształu). Jeśli masz większy budżet, możesz użyć czegoś takiego jak standard Rubidium, który zapewnia ~ 1 część na bilion błędu częstotliwości. Tańszym i coraz powszechniejszym podejściem jest stosowanie odbiornika GPS, który ma precyzyjne wyjście częstotliwości (zwykle 10 MHz). Bardzo dokładna podstawa czasu dostępna z konstelacji GPS może być wykorzystana do precyzyjnego treningu odniesienia na częstotliwości.

• Efekty dynamiki fizycznej między nadajnikiem a odbiornikiem. Jednym z godnych uwagi przykładów, w których ma to miejsce, są zastosowania w komunikacji satelitarnej (szczególnie na niższych orbitach), w których satelita porusza się (i przyspiesza) bardzo szybko w stosunku do dowolnego obserwatora na Ziemi. Wysoka prędkość radialna satelity w kierunku odbiornika spowoduje przesunięcie Dopplera, a wszelkie zmiany tej prędkości spowodowane przez jego orbitę spowodują zmianę tego przesunięcia w czasie. W aplikacjach, w których masz tego rodzaju dynamikę, zazwyczaj nie możesz jej złagodzić, więc musisz zbudować odbiornik, który toleruje efekty.

Jak więc odbiornik synchronizuje się z nadajnikiem w takich przypadkach?

• Jednym z powszechnych podejść użytecznych dla sygnałów modulowanych fazowo lub częstotliwościowo jest zastosowanie pętli synchronizacji fazowej . Projektowanie PLL jest złożonym tematem samo w sobie, ale w gruncie rzeczy są to systemy sprzężenia zwrotnego, których można użyć do uzyskania i śledzenia przesunięcia fazy i częstotliwości podczas działania odbiornika. Jeśli potrzebujesz tylko synchronizacji częstotliwości, możesz zamiast tego użyć pętli częstotliwości; Chociaż nie zapewnią synchronizacji faz, często mają lepsze właściwości akwizycji.

• Jako alternatywa dla pętli sprzężenia zwrotnego dostępne są również podejścia wyprzedzające do szacowania przesunięcia częstotliwości lub fazy. Jedno podejście wyprzedzające wykorzystałoby sekwencję treningową do oszacowania błędu częstotliwości w oparciu o zmiany przesunięcia fazowego w trakcie sekwencji. Jeśli jednak przesunięcie częstotliwości zmienia się w miarę upływu czasu, należy powtórzyć procedurę szacowania, aby umożliwić odbiornikowi nadrobienie zaległości.

• Inną techniką jest zaprojektowanie systemu tak, aby był odporny na (stosunkowo małe) przesunięcia częstotliwości. Przykładem może być modulacja fazowa z kodowaniem różnicowym (chociaż błąd częstotliwości pojawi się jako przesunięcie fazowe po dekodowaniu różnicowym, z którym należy sobie poradzić). Fale modulowane częstotliwościowo, takie jak FSK, mają również pewien poziom odporności na przesunięcie częstotliwości, o ile przesunięcie jest małe w stosunku do wielkości odchylenia częstotliwości wykorzystywanego przez nadajnik.

To bardzo krótkie podsumowanie tak naprawdę zarysowuje powierzchnię niektórych bardziej znanych podejść. Synchronizacja może być trudnym problemem do rozwiązania w praktyczny sposób, a przez lata prowadzono wiele badań nad różnymi sposobami jej wykonania. Będzie to zależeć od dokładnej struktury systemu i jednej bardzo ważnej zmiennej: docelowego SNR. Nie ma jednej „poprawnej” odpowiedzi. Zrobię jedną rekomendację podręcznika; chociaż jest to bardzo kosztowne, „Techniki synchronizacji dla odbiorników cyfrowych” firmy Mengali to obszerny tekst na temat synchronizacji czasu, fazy i częstotliwości.