Come stimare e compensare lo spostamento doppler nei segnali wireless?

Mi chiedevo quali buoni metodi esistano per la stima (e successiva compensazione) dello spostamento doppler per segnali trasmessi, siano essi acustici o RF, nel contesto delle comunicazioni.

La domanda: in particolare, se il grado di spostamento del doppler varia durante la durata di un pacchetto, il modo migliore per stimarlo (seguirlo?) E quindi compensarlo. Supponiamo di avere una sequenza di trainer. Puoi anche supporre che la banda passante del segnale BW sia nell'ordine del suo vettore. (ad esempio, se il segnale della banda passante esiste da 2500-7500 Hz, il suo BW è 5000Hz, così come il suo vettore.)

Qualche ulteriore sfondo per il contesto:

• Un metodo che ho trovato durante la mia ricerca:
  
  • Dato che ho una sequenza di trainer e ne conosco la frequenza, per prima cosa valuto la sua frequenza ricevuta.
  • Successivamente, ricampionare l'intero pacchetto in base a un rapporto correlato alla velocità dell'onda nel mezzo, alla mia frequenza di trasmissione nota e alla mia nuova frequenza di spostamento doppler stimata.
  • Questo funziona bene nelle simulazioni, ma i punti deboli sono che la stima della frequenza deve essere molto accurata e presuppone anche che lo spostamento del doppler non cambi durante la durata del pacchetto.

Esistono altri metodi che possono essere utilizzati per risolvere il problema quando il doppler cambia durante la durata del pacchetto? Qual è l'opinione del metodo sopra menzionato?

Grazie molto!

Questo è un problema di comunicazione molto comune. Cerca in un libro di testo la "sincronizzazione della frequenza"; interi libri sono stati scritti su questi e argomenti correlati. La tecnica che sceglieresti è una funzione delle specifiche del tuo sistema. Esistono due fonti comuni di offset di frequenza:

• Differenze di frequenza tra l'oscillatore di riferimento sul trasmettitore e sul ricevitore. Questo errore è di solito piccolo, a seconda della precisione dei timebase disponibili e può essere mitigato a un certo costo. Gli oscillatori di cristallo economici in genere raggiungono 50 parti per milione di errori o meglio (anche se questo va alla deriva con l'invecchiamento del cristallo). Se disponi di un budget maggiore, puoi utilizzare qualcosa come uno standard di Rubidio, che fornisce ~ 1 parte per trilione di errori di frequenza. Un approccio più economico e sempre più comune consiste nell'utilizzare un ricevitore GPS con uscita di frequenza di precisione (in genere 10 MHz). La base dei tempi estremamente accurata disponibile dalla costellazione GPS può essere utilizzata per addestrare il riferimento proprio sulla frequenza.

• Effetti di dinamica fisica tra trasmettitore e ricevitore. Un esempio notevole in cui questo entra in gioco sono le applicazioni di comunicazione satellitare (specialmente in orbite inferiori), in cui il satellite si sta muovendo (e accelerando) molto rapidamente rispetto a qualsiasi osservatore sulla Terra. L'elevata velocità radiale del satellite verso il ricevitore provocherà uno spostamento Doppler e qualsiasi cambiamento di quella velocità causato dalla sua orbita farà sì che tale spostamento cambi nel tempo. Nelle applicazioni in cui hai questo tipo di dinamica, in genere non puoi mitigarlo molto, quindi ti resta con la costruzione di un ricevitore che tollera gli effetti.

In che modo quindi un ricevitore si sincronizza con il trasmettitore in questi casi?

• Un approccio comune utile per i segnali modulati in fase o in frequenza è quello di utilizzare un circuito ad aggancio di fase . La progettazione di PLL è un argomento complesso in sé, ma in sostanza si tratta di sistemi di feedback che possono essere utilizzati per acquisire e tenere traccia dell'offset di fase e frequenza mentre il ricevitore è in funzione. Se hai solo bisogno della sincronizzazione della frequenza, puoi invece utilizzare un loop con blocco della frequenza; sebbene non forniscano la sincronizzazione di fase per te, spesso hanno proprietà di acquisizione migliori.

• In alternativa a un circuito di retroazione, esistono anche approcci feedforward per la stima della frequenza o dell'offset di fase. Un approccio feedforward trarrebbe vantaggio dalla sequenza di allenamento per stimare l'errore di frequenza in base al modo in cui l'offset di fase cambia nel corso della sequenza. Se l'offset di frequenza cambia con il passare del tempo, tuttavia, è necessario ripetere la procedura di stima per consentire al ricevitore di recuperare.

• Un'altra tecnica consiste nel progettare il sistema in modo che sia robusto con offset di frequenza (ragionevolmente piccolo). Ne è un esempio la modulazione di fase codificata in modo differenziale (anche se l'errore di frequenza verrà visualizzato come offset di fase dopo la decodifica differenziale, che deve essere gestita). Anche le forme d'onda modulate in frequenza come FSK hanno un certo livello di resistenza all'offset di frequenza, purché l'offset sia piccolo rispetto alla quantità di deviazione di frequenza utilizzata dal trasmettitore.

Questo breve riassunto in realtà graffia solo la superficie di alcuni degli approcci più noti. La sincronizzazione può essere un problema difficile da risolvere in modo pratico e nel corso degli anni sono state fatte molte ricerche su diversi modi per farlo. Dipenderà esattamente da come è strutturato il tuo sistema e da una variabile molto importante: il SNR target. Non esiste un'unica risposta "corretta". Farò una raccomandazione da manuale; mentre è molto costoso, "Tecniche di sincronizzazione per ricevitori digitali" di Mengali è un testo completo sulla sincronizzazione di temporizzazione, fase e frequenza.