CN101414869B - 一种星载可重构宽带数字信道化交换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种星载可重构宽带数字信道化交换方法，属于卫星通信技术领域。首先对星地上行信号进行二次采样，得到数字信号；根据采样信号的频谱，构建完美重构原型滤波模块，经复指数调制得到复指数调制完美重构滤波器组模块；对二次采样信号进行滤波，得到分离的子信道基带信号；根据卫星设定的交换信息，对分离的子信道基带信号进行交换，得到交换后的数据；对交换后的数据进行综合，得到星地下行信号。本发明方法不依赖于物理层具体设置，与待处理信号的波形无关，具有良好的适应性；本方法既适合均匀带宽信道交换场景，又适合非均匀带宽信道交换场景，所有的控制通过控制信令来实现，具有灵活的可重构性；本方法同时支持广播和组播功能。

Description

一种星载可重构宽带数字信道化交换方法

技术领域

本发明涉及一种星载可重构宽带数字信道化交换方法，属于卫星通信技术领域。

背景技术

随着科技的发展，通信卫星的复杂度与日剧增，具有多任务、多波束、多频段以及多信道规划的特点，这必将要求卫星有效载荷具有非常高的在轨灵活性(或者说柔性)，才能尽可能地减少***的各种运营限制，从而充分发挥卫星的价值。

通信卫星的核心功能是要完成信息的中继，从这个意义上来说，卫星有效载荷的设计将朝以下两个方向发展，即透明转发卫星有效载荷和星上再生卫星有效载荷。随着人们对灵活性的需求与日俱增，具有透明转发功能的卫星有效载荷的研发又重新受到青睐，主要原因是：对于具有星上再生功能的卫星，一方面其设备复杂度相比透明转发卫星的设备复杂度要高，另一方面它与物理层(如信号的调制方式、编码方式等)紧密相关，其灵活性不是很高，从某种意义上讲，随着数字通信技术的不断发展，可能使得“再生转发”中已有的技术和平台过时，进而使***报废；而透明转发相对简单，且与各种通信协议的兼容性好，但为了支持灵活路由以及跨频段、跨波束的交链和交换，传统的透明转发不能满足发展的需求，必须要开发具有较强星上处理能力的透明转发卫星。

近年来，人们运用下一代通信卫星设计技术不断开发经济有效的全球宽带多媒体通信***，且大多数采用多波束频分多址(以下简称FDMA)通信体制。在这种体制下，每个上行用户占用上行信道中一定带宽的子信道，用户子信道在星上经过带通滤波被提取出来，然后经电路交换组成下行波束。在宽带卫星应用中，这种交换处理采用数字化方法，称为数字信道化交换方法，它的主要功能是实现灵活的信道化、频率转换、路由以及信道均衡等。可见数字信道化交换技术正好适应未来通信卫星的发展形势，将具有广阔的应用前景。

目前，星载转发要求：子信道复用数较高，且子信道带宽和保护带宽可任意配置。现有常用的数字信道化方法或多或少有些局限：解析信号法要求所有待处理的子信道具有相同的带宽；数字下变频法要求子信道复用数少(一般为4～8)；频域滤波法需动态加载不同点数的快速傅立叶变换和快速逆傅立叶变换模块，对存储的要求高；树状法要求子信道复用数N与使用滤波和抽取结构的级数L间存在关系N＝2^L；多相离散DFT法通常要求所有子信道的带宽相同，且子信道之间的保护带宽相同；离散滤波器组法在子信道复用数大的情况下，计算量和存储量非常大。

发明内容

本发明的目的是提出一种星载可重构宽带数字信道化交换方法，针对已有技术的不足之处，采用复指数调制完美重构滤波的原理，对卫星通信中的星地上行和下行信号直接滤波和综合，分别得到可分离的子带信号和合成的星地下行信号，以实现数字信道化交换。

本发明提出的星载可重构宽带数字信道化交换方法，包括以下步骤：

(1)对星地上行信号进行二次采样，得到等效基本子信道数Ve为2的次幂的并与一次采样信号具有不同采样率的数字信号；

(2)根据上述二次采样信号的频谱，用二通道无损网格方法，构建一个完美重构原型滤波模块，对完美重构原型滤波模块进行复指数调制，得到一个复指数调制完美重构滤波器组模块；

(3)用上述复指数调制完美重构滤波器组模块中的分析滤波部分对上述二次采样信号进行滤波，得到分离的子信道基带信号；

(4)根据卫星设定的交换信息，对上述分离的子信道基带信号进行交换，得到交换后的数据；

(5)用上述复指数调制完美重构滤波器组模块中的综合滤波部分对上述交换后的数据进行综合，得到一个星地下行信号。

上述方法中，构建完美重构原型滤波模块的充分必要条件是完美重构原型滤波模块的多相分量对B_k(z)和B_M+k(z)满足如下两种关系

$\left[\begin{array}{c}{B}_k^{\left(p\right)}\left(z\right)\\ B_{M+k}^{\left(p\right)}\left(z\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_{k,p}& \sin {\mathrm{\θ}}_{k,p}\\ \sin {\mathrm{\θ}}_{k,p}& -\cos {\mathrm{\θ}}_{k,p}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{B}_k^{(p-1)}\left(z\right)\\ z^{-1}{B}_{M+k}^{(p-1)}\left(z\right)\end{array}\right]---\left(1\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{B}_{M-k-1}\left(z\right)=z^{-(m-1)}{B}_{M+k}\left(z^{-1}\right)\\ B_{2M-k-1}\left(z\right)=z^{-(m-1)}{B}_k\left(z^{-1}\right)\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，(1)中的θ为迭代过程中的形式参数，(2)中的m为任意大于等于1的整数，M为最大抽取或内插因子，其取值由子信道间的最小保护带宽G_min确定，即

上述方法中，复指数调制完美重构滤波器组模块的通道数可以为2M。

上述方法中，复指数调制完美重构滤波器组模块中各分析滤波部分的冲击响应与对应的综合滤波部分的冲击响应相同。

本发明提出的星载可重构宽带数字信道化交换方法，其特点和优点是：

1、与传统的透明转发技术相比，本发明方法具有一定程度的灵活的星上处理能力。从交换的角度来看，传统的透明转发主要采用微波交换矩阵进行交换，这种方法完全依赖于射频载波的变换，通常适合于不同波束之间的交换。本发明的数字信道化交换方法从基带角度直接针对不同的业务信道以及所对应的业务终端本身来进行，交换粒度更小。此外，运用数字信道化交换技术后，卫星通信***中的业务信道可以实现跨频段交换，如X频段与Ka频段之间的交换，不同频段终端之间的互通更加灵活。

2、与现有的再生转发技术相比，本发明的方法具有良好的适应能力。从交换的角度来看，再生转发(如ATM交换或IP交换)需要进行解调、译码、交换、编码、调制等处理过程，增加了星上的有效载荷以及整个***的复杂性，也就是说，再生转发紧密依赖于物理层的设置，随着数字通信技术的不断发展，可能使得“再生转发”中已有的技术和平台过时，进而使***报废。而本发明的方法对物理层的依赖甚微，根本不需要进行调制解调和编译码等过程，因此卫星有效载荷的复杂度低，且该交换方法的适应能力强。

3、灵活地支持广播和组播功能。传统的透明转发不支持组播功能。本发明的方法将透明转发由模拟域转移到数字域来实现，大大提高了星上处理的能力。这样，数字信道化交换可以直接将某信道的信号复制到组播业务所需的不同业务信道中进行传输。

4、***的信道划分更具灵活性。在本发明的数字信道化交换装置中，相邻的子信道可以任意组合以适应各种不同类型的终端以及各种不同类型的业务，实现均匀或非均匀带宽的信道交换。

5、***的功率控制更具有效性。在本发明的数字信道化交换方法中，由于信道被划分成粒度更小的子信道，这样可以很方便地实现逐信道自动电平控制或转发器增益控制功能，最大限度地降低互调干扰的影响，使得***具有最优的负载性能。

综上所述，本发明提出的数字信道化交换方法既适合均匀带宽星载交换场景，又适合非均匀带宽星载交换场景，满足当今星载转发的需求。在本方法中，不需对用户信号进行解调和译码，即其中的处理与信号的内容或波形无关。其次，虽然本发明所提出的星载交换方法，主要是针对卫星通信***而言，但也可适用于其它软件无线电***。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图；

图2为适用于本发明方法的星地上行FDMA信道；

图3为本发明方法的一个实施例的流程框图；

图4为本发明方法的测试验证信号频谱图；

图5为本发明方法中复指数调制完美重构滤波器的幅频响应；

图6为运用本发明方法后子信道交换效果示意图；

图7为本发明方法对广播功能支持的示意图；

图8为本发明方法对组播播功能支持的示意图。

图9是本发明方法在卫星通信中的应用方式。

具体实施方式

本发明提出的星载可重构宽带数字信道化交换方法，首先对星地上行信号进行二次采样，得到等效基本子信道数V_e为2的次幂的并与一次采样信号具有不同采样率的数字信号；根据二次采样信号的频谱，用二通道无损网格方法，构建一个完美重构原型滤波模块，对完美重构原型滤波模块进行复指数调制，得到一个复指数调制完美重构滤波器组模块；用复指数调制完美重构滤波器组模块中的分析滤波部分对上述二次采样信号进行滤波，得到分离的子信道基带信号；根据卫星设定的交换信息，对上述分离的子信道基带信号进行交换，得到交换后的数据；用上述复指数调制完美重构滤波器组模块中的综合滤波部分对上述交换后的数据进行综合，得到一个星地下行信号。

上述方法中，构建完美重构原型滤波模块的充分必要条件是完美重构原型滤波模块的多相分量对B_k(z)和B_M+k(z)满足如下两种关系：

$\left[\begin{array}{c}{B}_k^{\left(p\right)}\left(z\right)\\ B_{M+k}^{\left(p\right)}\left(z\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_{k,p}& \sin {\mathrm{\θ}}_{k,p}\\ \sin {\mathrm{\θ}}_{k,p}& -\cos {\mathrm{\θ}}_{k,p}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{B}_k^{(p-1)}\left(z\right)\\ z^{-1}{B}_{M+k}^{(p-1)}\left(z\right)\end{array}\right]---\left(3\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{B}_{M-k-1}\left(z\right)=z^{-(m-1)}{B}_{M+k}\left(z^{-1}\right)\\ B_{2M-k-1}\left(z\right)=z^{-(m-1)}{B}_k\left(z^{-1}\right)\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，(3)中的θ为迭代过程中的形式参数，(4)中的m为任意大于等于1的整数，M为最大抽取(或内插)因子，其取值由子信道间的最小保护带宽G_min确定，即

上述方法中，复指数调制完美重构滤波器组模块的通道数可以为2M。

上述方法中，复指数调制完美重构滤波器组模块中各分析滤波部分的冲击响应与对应的综合滤波部分的冲击响应相同。

下面结合附图，说明本发明方法的工作原理：

数字信道化交换的核心就是从一个FDMA上行信道中提取出所希望的用户信号，并交换到所希望的某个下行信道，即实现这样一个目标：上行波束中的某用户行信号能够路由到同频段(如上下行均为X频段)或不同频段(如上行为X频段，下行为Ka频段)的同一个下行波束或不同下行波束中，甚至还可实现星间交链。本发明的“说明书摘要”附图对此进行了说明。

假设一个上行信道被均匀划分成V个基本子信道，进行采样率变换后，该上行信道被等效均匀划分成V_e个基本子信道，任何一个用户可以占用一个或者相邻的几个基本子信道。不同的用户子信道之间具有保护带G，如说明书附图1所示。需要说明的是，如果某用户占用了多个相邻的基本子信道，这些子信道之间不存在保护带。所有保护带的带宽可以相同，也可以不同。则信道化交换装置的结构如说明书附图2所示。

设卫星接收到的上行信号为X(z)＝I+jQ(I为同相部分，Q为正交部分，j为虚数单位)，所考虑的上行信道被U个用户占用，且第i个用户信号X_i(z)，(i＝0，1，2，…，U-1)的频谱满足下面的关系式

其中：

和

分别表示该用户信号所占频带的下界和上界。不同用户子信道间的保护带G定义为

$G={\mathrm{\ω}}_{i+1}^l-{\mathrm{\ω}}_i^u,$ i＝0，1，2，…，U-1

所有的保护带均相同，且 ${\mathrm{\ω}}_U^l={\mathrm{\ω}}_0^l+2\mathrm{\π}.$ 最大抽取因子或者内插因子M为

其中：G_min为G的最小值。

原型滤波器H(z)的多相分量对B_k(z)和B_M+k(z)为

$\left[\begin{array}{c}{B}_k^{\left(p\right)}\left(z\right)\\ B_{M+k}^{\left(p\right)}\left(z\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_{k,p}& \sin {\mathrm{\θ}}_{k,p}\\ \sin {\mathrm{\θ}}_{k,p}& -\cos {\mathrm{\θ}}_{k,p}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{B}_k^{(p-1)}\left(z\right)\\ z^{-1}{B}_{M+k}^{(p-1)}\left(z\right)\end{array}\right]$

且满足

$\left\{\begin{array}{c}{B}_{M-k-1}\left(z\right)=z^{-(m-1)}{B}_{M+k}\left(z^{-1}\right)\\ B_{2M-k-1}\left(z\right)=z^{-(m-1)}{B}_k\left(z^{-1}\right)\end{array}\right.$

其中：p≥1，

这样H(z)可表述为

$H\left(z\right)=\underset{q=0}{\overset{2M-1}{\mathrm{\Σ}}}{z}^{-q}{B}_q\left(z^{2M}\right)---\left(6\right)$

给定如下初值

进行如下两个优化过程以得到最优的完美重构滤波器h(n)

${\mathrm{\Φ}}_1={\∫}_{\mathrm{\π}/\left(2M\right)+\mathrm{\α}}^{\mathrm{\π}}{\left|H\left(e^{\mathrm{j\ω}}\right)\right|}^2\mathrm{d\ω}---\left(8\right)$

${\mathrm{\Φ}}_2=\underset{\mathrm{\ω}\∈[\mathrm{\π}/\left(2M\right)+\mathrm{\α},\mathrm{\π}]}{\max }\left|H\left(e^{\mathrm{j\ω}}\right)\right|---\left(9\right)$

其中：0≤α≤π/(2M)。H(e^jω)为h(n)的频率响应。

对h(n)作复指数调制得到

$h_p\left(n\right)=h\left(n\right)W_{2M}^{-p(n-\frac{2\mathrm{mM}-1}{2})}---\left(10\right)$

其中：WM＝e^-j2π/M，(n＝0，1，…，2mM-1，p＝0，1，…，2M-1)。同时运用采样率变换SRC模块确保最大抽取因子(或内插因子)与等效的基本子信道数V_e之间存在如下关系

M＝KV_e                                (11)

其中：K为大于等于1的整数。

这样得到可实现的数字信道化交换装置的结构如说明书附图3所示。

以下介绍本发明方法的实施例：

在介绍具体的实施例前，给出各实施例中需运用的参数(如表1所示)：

  表1 实施例参数表

 

星地上行信道带宽	125MHz
		星地下行信道带宽	125MHz
基本子信道数V	48
		等效的基本子信道数Ve	64
用户终端数U	22
		基本子信道带宽ωe	2.6MHz
每个用户终端占用基本子信道数	1～8
		用户间的保护带宽G	340KHz
采样率Rs	125(or170)Msps
		测试信号	附图4所示

令R_s＝170Msps，由(5)式可得M＝512。令m＝13，通过优化过程(8)和(9)，得到一个13312阶的完美重构原型滤波器h(n)，其阻带边缘为π/512，阻带衰减为-96dB。由式(10)可得到复指数调制的完美重构滤波器组，如图5所示。

实施例一：用本发明方法进行子信道交换：

为了说明子信道交换的灵活性，从而看出本发明所提出的信道化交换结构具有可重构性的特点，假定上行信号如附图4所示。此处，希望将用户子信道7与用户子信道15进行交换。交换后，输出的下行信号如图6所示。

从图6可以看出，在下行信道中，用户子信道7与用户子信道15已经互换了位置，其它各用户子信道保持不变。其实该交换过程的实现非常简单方便，根据待交换用户子信道占用基本子信道的数目，调整本发明的附图3中综合滤波器组中相应综合滤波器的个数即可。因此只要已知上行信道中各用户的配置情况以及交换矩阵，通过调整综合滤波器的数目即可完成交换，而不需重新设计滤波器或者进行其它的操作等。这便是可重构星载交换的意义所在。

实施例二：用本发明方法实现广播与组播功能。

传统的透明转发器几乎不具有组播功能。但本发明的数字信道化交换装置能够很好地支持广播和组播功能，因为该结构中使用了数字信号处理方法，数据可以很容易地复制到输出位置上。此处，仍然采用附图4所示的上行输入信号。对于广播情况，假设用户7的信息作为广播源，并向所考虑的下行链路中所有的用户广播。该过程如附图7所示。

对于组播情况，假设所考虑的场景存在三个组播群，组播源分别为用户子信道1、用户子信道2与用户子信道7中的信息。组播的仿真结果如图8所示。

本发明方法的实现，可参照图9所示的应用方式，其中的模数转换器可以采用400Msps，14比特精度。图9中，DC表示下变频，UC表示上变频，AD表示模数转换，DA表示数模转换，SRC表示采样率变换。表2给出了不同定点运算精度下，本发明方法的主要性能。

  表2 本发明方法的定点仿真结果

 

	16bit	17bit	18bit	19bit	20bit
						带内波动(dB)	0.87	0.55	0.32	0.26	0.22
隔离度(dB)	42	48	54	58	60

本发明提出的数字信道化交换方法既适合均匀带宽星载交换场景，又适合非均匀带宽星载交换场景，满足当今星载转发的需求。在本方法中，不需对用户信号进行解调和译码，即其中的处理与信号的内容或波形无关。其次，虽然本发明所提出的星载交换方法，主要是针对卫星通信***而言，但也可适用于其它软件无线电***。

Claims (4)

1.一种星载可重构宽带数字信道化交换方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)对星地上行信号进行二次采样，得到等效基本子信道数V_e为2的次幂的并与一次采样信号具有不同采样率的数字信号；

(2)根据上述二次采样信号的频谱，用二通道无损网格方法，构建一个完美重构原型滤波模块，对完美重构原型滤波模块进行复指数调制，得到一个复指数调制完美重构滤波器组模块；

(3)用上述复指数调制完美重构滤波器组模块中的分析滤波部分对上述二次采样信号进行滤波，得到分离的子信道基带信号；

(4)根据卫星设定的交换信息，对上述分离的子信道基带信号进行交换，得到交换后的数据；

(5)用上述复指数调制完美重构滤波器组模块中的综合滤波部分对上述交换后的数据进行综合，得到一个星地下行信号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的构建完美重构原型滤波模块的充分必要条件是完美重构原型滤波模块的多相分量对B_k(z)和B_M+k(z)满足如下两种关系

$\left[\begin{array}{c}{B}_k^{\left(p\right)}\left(z\right)\\ B_{M+k}^{\left(p\right)}\left(z\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\cos \mathrm{\θ}}_{k,p}& \sin {\mathrm{\θ}}_{k,p}\\ {\sin \mathrm{\θ}}_{k,p}& -\cos {\mathrm{\θ}}_{k,p}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{B}_k^{(p-1)}\left(z\right)\\ z^{-1}{B}_{M+k}^{(p-1)}\left(z\right)\end{array}\right]$

$\left\{\begin{array}{c}{B}_{M-k-1}\left(z\right)=z^{-(m-1)}{B}_{M+k}\left(z^{-1}\right)\\ B_{2M-k-1}\left(z\right)=z^{-(m-1)}{B}_k\left(z^{-1}\right)\end{array}\right.$

其中，θ为迭代过程中的形式参数，m为任意大于等于1的整数，M为最大抽取或内插因子，其取值由子信道间的最小保护带宽G_min确定，即

p≥1，

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的复指数调制完美重构滤波器组模块的通道数为2M。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的复指数调制完美重构滤波器组模块中各分析滤波部分的冲击响应与对应的综合滤波部分的冲击响应相同。

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