CN112422168B - 大动态卫星通信***中的信号调制解调方法和*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种大动态卫星通信***中的信号调制解调方法和***,包括:将长度为N个时隙的调制信号分为L个子帧,每个子帧包括M个时隙,并在每个子帧中选择K个时隙作为激活时隙;将目标串行信息比特序列转换为L个并行比特序列;基于每个并行比特序列的索引序列,在每个并行比特序列所对应的子帧中的M个时隙中,确定K个目标激活时隙;在每个并行比特序列对应的K个目标激活时隙上,对每个并行比特序列的调制序列进行线性频率调制,得到目标chirp信号序列。本发明缓解了现有技术中的卫星高机动通信***存在着在大多普勒频偏、大多普勒频偏变化率、低信噪比条件下难以实现可靠通信的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域,尤其是涉及一种大动态卫星通信***中的信号调制解调方法和***。
背景技术
卫星通信***可以为高移动性终端提供全球覆盖和各种服务,特别是可以在无服务地区扩展地面通信网络,并减少通信网络本身的脆弱性。随着高速移动终端的大规模发展,高移动性环境下的无线通信有望得到卫星通信***的支持。但是传统的卫星通信***不能直接应用于高机动性的场景,因为在卫星高机动性通信***中还有很多问题需要解决。
与传统卫星通信不同,卫星高机动通信***面临着更多的挑战。一方面,移动终端的高机动性通常会导致大多普勒频偏和大多普勒频偏变换率,这不可避免地会导致发射机和接收机的振荡器频率不匹配。时变载波频偏(CFO)一般难以跟踪和补偿,如果没有很好的同步,往往会严重降低通信***的性能。另一方面,卫星有限的链路预算通常会使通信***在低信噪比的情况下工作,这给同步带来了更大的困难。因此,现有技术中的卫星高机动通信***存在着在大多普勒频偏、大多普勒频偏变化率、低信噪比条件下难以实现可靠通信的技术问题。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种大动态卫星通信***中的信号调制解调方法和***,以缓解现有技术中的卫星高机动通信***存在着在大多普勒频偏、大多普勒频偏变化率、低信噪比条件下难以实现可靠通信的技术问题。
第一方面,本发明实施例提供了一种大动态卫星通信***中的信号调制方法,应用于卫星通信的发送端;包括:将长度为N个时隙的调制信号分为L个子帧,每个子帧包括M个时隙,并在每个子帧中选择K个时隙作为激活时隙;其中,L、M、N、K为正整数,且N=L·M,1≤K<M;将目标串行信息比特序列转换为L个并行比特序列;其中,每个并行比特序列包括索引序列和调制序列;所述目标串行信息比特序列为所述卫星通信中的待调制信息序列;一个并行比特序列对应所述调制信号的一个子帧;基于每个所述并行比特序列的索引序列,在每个所述并行比特序列所对应的子帧中的M个时隙中,确定K个目标激活时隙;在每个所述并行比特序列对应的所述K个目标激活时隙上,对每个所述并行比特序列的调制序列进行线性频率调制,得到目标chirp信号序列。
进一步地,所述方法还包括:将每个并行比特序列分成索引序列和调制序列;其中,所述并行比特序列的长度为B个比特,所述索引序列的长度为B1个比特,所述调制序列的长度为B2个比特,B2=K·log2(Q),B=B1+B2,Q表示所述chirp信号中不同的调频率的个数,且满足Q=2ν,ν为正整数,[]表示取整。
进一步地,在每个所述并行比特序列对应的所述K个目标激活时隙上,对每个所述并行比特序列的调制序列进行线性频率调制,得到目标chirp信号序列,包括:在每个所述并行比特序列对应的所述K个目标激活时隙上,对每个所述并行比特序列的调制序列进行线性频率调制,得到L个并行调制信号;其中,每个目标激活时隙对应一个目标chirp信号;将所述L个并行调制信号转换成串行信号,得到目标chirp信号序列。
第二方面,本发明实施例还提供了一种大动态卫星通信***中的信号解调方法,应用于卫星通信的接收端;包括:获取目标chirp信号序列;所述目标chirp信号序列为所述卫星通信中的待解调信号;对所述目标chirp信号序列进行下变频处理,分别得到up-chirp信号和down-chirp信号;所述up-chirp信号为信号频率随时间线性增加的chirp信号;所述down-chirp信号为信号频率随时间线性减小的chirp信号;对所述up-chirp信号和所述down-chirp信号进行快速傅里叶变换,分别得到第一FFT信号和第二FFT信号;对所述第一FFT信号和所述第二FFT信号进行峰值比较,得到每个时隙下的峰值信号;将所述每个时隙下的峰值信号和预设码本进行信息匹配,得到解调信息。
进一步地,对所述目标chirp信号序列进行下变频处理,分别得到up-chirp信号和down-chirp信号,包括:对所述目标chirp信号序列进行下变频处理,得到初始chirp信号序列;将所述初始chirp信号序列复制为两路相同的信号,并对所述两路相同的信号分别进行匹配滤波处理,得到up-chirp信号和down-chirp信号。
第三方面,本发明实施例还提供了一种大动态卫星通信***中的信号调制***,应用于卫星通信的发送端;包括:分组模块,转换模块,索引调制模块和线性频率调制模块,其中,所述分组模块,用于将长度为N个时隙的调制信号分为L个子帧,每个子帧包括M个时隙,并在每个子帧中选择K个时隙作为激活时隙;其中,L、M、N、K为正整数,且N=L·M,1≤K<M;所述转换模块,用于将目标串行信息比特序列转换为L个并行比特序列;其中,每个并行比特序列包括索引序列和调制序列;所述目标串行信息比特序列为所述卫星通信中的待调制信息序列;一个并行比特序列对应所述调制信号的一个子帧;所述索引调制模块,用于基于每个所述并行比特序列的索引序列,在每个所述并行比特序列所对应的子帧中的M个时隙中,确定K个目标激活时隙;所述线性频率调制模块,用于在每个所述并行比特序列对应的所述K个目标激活时隙上,对每个所述并行比特序列的调制序列进行线性频率调制,得到目标chirp信号序列。
进一步地,所述线性频率调制模块,还用于:在每个所述并行比特序列对应的所述K个目标激活时隙上,对每个所述并行比特序列的调制序列进行线性频率调制,得到L个并行调制信号;其中,每个目标激活时隙对应一个目标chirp信号;将所述L个并行调制信号转换成串行信号,得到目标chirp信号序列。
第四方面,本发明实施例还提供了一种大动态卫星通信***中的信号解调***,应用于卫星通信的接收端;包括:获取模块,下变频模块,快速傅里叶变换模块,峰值比较模块,和码本匹配模块,其中,所述获取模块,用于获取目标chirp信号序列;所述目标chirp信号序列为所述卫星通信中的待解调信号;所述下变频模块,用于对所述目标chirp信号序列进行下变频处理,分别得到up-chirp信号和down-chirp信号;所述up-chirp信号为信号频率随时间线性增加的chirp信号;所述down-chirp信号为信号频率随时间线性减小的chirp信号;所述快速傅里叶变换模块,用于对所述up-chirp信号和所述down-chirp信号进行快速傅里叶变换,分别得到第一FFT信号和第二FFT信号;所述峰值比较模块,用于对所述第一FFT信号和所述第二FFT信号进行峰值比较,得到每个时隙下的峰值信号;所述码本匹配模块,用于将所述每个时隙下的峰值信号和预设码本进行信息匹配,得到解调信息。
第五方面,本发明实施例还提供了一种电子设备,包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现上述第一方面和第二方面所述的方法的步骤。
第六方面,本发明实施例还提供了一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质,所述程序代码使所述处理器执行上述第一方面和第二方面所述方法。
本发明实施例提供了一种大动态卫星通信***中的信号调制解调方法和***,通过将目标串行信息比特序列转换为多个并行比特序列,然后进行索引调制和线性频率调制,利用现行频率调制过程中的chirp信号抗多普勒的优势结合索引调制低误码率的优势,使得得到的目标chirp信号序列在低信噪比和高动态条件下实现了可靠通信,缓解了现有技术中的卫星高机动通信***存在着在大多普勒频偏、大多普勒频偏变化率、低信噪比条件下难以实现可靠通信的技术问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种大动态卫星通信***中的信号调制方法的流程图;
图2为本发明实施例提供的一种载波信号的子帧时频图;
图3为本发明实施例提供的一种大动态卫星通信***中的信号调制过程的模型示意图;
图4为本发明实施例提供的一种大动态卫星通信***中的信号解调方法的流程图;
图5为本发明实施例提供的一种大动态卫星通信***中的信号解调过程的模型示意图;
图6为本发明实施例提供的一种大动态卫星通信***中的信号调制***的示意图;
图7为本发明实施例提供的一种大动态卫星通信***中的信号解调***的示意图;
图8为本发明实施例提供的一种误码率性能仿真结果示意图;
图9为本发明实施例提供的一种在高机动环境下的误码率性能仿真结果示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例一:
图1是根据本发明实施例提供的一种大动态卫星通信***中的信号调制方法的流程图,该方法应用于卫星通信的发送端,其中,卫星通信的发送端为高速运动的移动终端。如图1所示,该方法具体包括如下步骤:
步骤S102,将长度为N个时隙的调制信号分为L个子帧,每个子帧包括M个时隙,并在每个子帧中选择K个时隙作为激活时隙;其中,L、M、N、K为正整数,且N=L·M,1≤K<M。
具体地,可以表示为:s=(s(1),s(2),…,s(L)),其中,s为调制信号,s(1),s(2),…,s(L)表示从第一个到第L个子帧,每个子帧持续时间为M个时隙,可以表示为: 表示第M个时隙。在每个子帧中,M个时隙中选择K个时隙被激活作为激活时隙,用来进行线性频率调制(linear frequencymodulation,LFM),而其他时隙不进行调制,被置为0,作为空闲时隙。
步骤S104,将目标串行信息比特序列转换为L个并行比特序列;其中,每个并行比特序列包括索引序列和调制序列;目标串行信息比特序列为卫星通信中的待调制信息序列;且一个并行比特序列对应调制信号的一个子帧。
对于索引序列它可以激活子帧中不同的位置来承载信息,索引序列的长度为对于调制序列调制序列的长度取决于可以被激活的时隙个数K,可以在激活的时隙上进行LFM调制以承载信息,调制序列的长度为B2=K·log2(Q),B=B1+B2,Q表示chirp信号中不同的调频率的个数,且满足Q=2ν,ν为正整数,[]表示取整。
步骤S106,基于每个并行比特序列的索引序列,在每个并行比特序列所对应的子帧中的M个时隙中,确定K个目标激活时隙。
步骤S108,在每个并行比特序列对应的K个目标激活时隙上,对每个并行比特序列的调制序列进行线性频率调制,得到目标chirp信号序列。
具体地,在第l个子帧的第m个时隙,chirp信号可以表示为:其中,f0表示中心频率,Ts表示信号持续时间,k代表调频率。当k≥0时,chirp信号的频率由低频向高频变化,即up-chirp信号;反之,当k<0时,chirp信号的频率由高频变为低频,即down-chirp信号;调频率是被调制比特序列决定的,当Q=2时,up-chirp信号对应的是1比特,down-chirp信号对应的是0比特。
例如,当(K,M,Q)=(1,4,2)时,一个子帧有四个时隙,其中一个时隙被激活,并在激活的时隙上进行LFM调制,在这种情况下,合法子帧符号集合为:
其中T表示矩阵转置,图2是本发明实施例提供的一种载波信号的子帧时频图,如图2所示,图中的(K,M,Q)=(1,4,2),虚线表示down-chirp信号,实线表示up-chirp信号。
本发明实施例提供了一种大动态卫星通信***中的信号调制方法,通过将目标串行信息比特序列转换为多个并行比特序列,然后进行索引调制和线性频率调制,利用现行频率调制过程中的chirp信号抗多普勒的优势结合索引调制低误码率的优势,使得得到的目标chirp信号序列在低信噪比和高动态条件下实现了可靠通信,缓解了现有技术中的卫星高机动通信***存在着在大多普勒频偏、大多普勒频偏变化率、低信噪比条件下难以实现可靠通信的技术问题。
具体地,步骤S108还包括如下步骤:
步骤S1081,在每个并行比特序列对应的K个目标激活时隙上,对每个并行比特序列的调制序列进行线性频率调制,得到L个并行调制信号;其中,每个目标激活时隙对应一个目标chirp信号。
步骤S1082,将L个并行调制信号转换成串行信号,得到目标chirp信号序列。
假设在接收端目标chirp信号序列可以被成功捕获,且上下变频理想,并且定时同步已经完成,当移动终端在直射视线距离内时,接收到的目标chirp信号序列可以表示为:
v表示卫星和移动终端的相对运动速度,a表示两者之间的相对加速度,θ表示相对运动方向和信号入射方向的夹角,c表示电磁波传播速度。
可选地,图3是根据本发明实施例提供的一种大动态卫星通信***中的信号调制过程的模型示意图。如图3所示,本发明实施例提供的方法将数据比特流通过比特分组器分为L个分组,然后对于每一个分组进行索引调制和线性频率调制,最终再将得到的调制后的信号进行子帧组合,得到经过二阶时频调制之后的目标chirp信号序列。
实施例二:
图4是根据本发明实施例提供的一种大动态卫星通信***中的信号解调方法的流程图,该方法应用于卫星通信的接收端。如图4所示,该方法具体包括如下步骤:
步骤S402,获取目标chirp信号序列;目标chirp信号序列为卫星通信中的待解调信号。
步骤S404,对目标chirp信号序列进行下变频处理,分别得到up-chirp信号和down-chirp信号;up-chirp信号为信号频率随时间线性增加的chirp信号;down-chirp信号为信号频率随时间线性减小的chirp信号。
具体地,对目标chirp信号进行下变频处理,得到初始chirp信号;将初始chirp信号复制为两路相同的信号,并对两路相同的信号分别进行匹配滤波处理,得到up-chirp信号和down-chirp信号。
步骤S406,对up-chirp信号和down-chirp信号进行快速傅里叶变换,分别得到第一FFT信号和第二FFT信号。
步骤S408,对第一FFT信号和第二FFT信号进行峰值比较,得到每个时隙下的峰值信号。
步骤S410,将每个时隙下的峰值信号和预设码本进行信息匹配,得到解调信息。
图5是根据本发明实施例提供的一种大动态卫星通信***中的信号解调过程的模型示意图。如图5所示,目标chirp信号序列r通过下变频处理之后,分成两路完全一样的初始chirp信号,然后分别经过乘法器得到up-chirp信号和down-chirp信号,经过FFT处理之后,再经过峰值比较,得到峰值信号,最终通过码本匹配得到解调信息和
具体地,峰值比较结果可以表示为:
其中,p1和p2分别表示up-chirp信号和down-chirp信号的FFT峰值。
通过FFT峰值比较,可以将每个chirp信号在第l个子帧中的峰值写成:
通过码本匹配,搜索过程可以表示为:
采用穷举搜索的方法检测预设码本中所有合法序列之间接收到的信息位。本发明实施例通过码本匹配的方式能够实现可达到的编码增益,从而大大提高了误码率性能。
实施例三:
图6是根据本发明实施例提供的一种大动态卫星通信***中的信号调制***的示意图,该***应用于卫星通信的发送端。如图6所示,该***包括:分组模块10,转换模块20,索引调制模块30和线性频率调制模块40。
具体地,分组模块10,用于将长度为N个时隙的调制信号分为L个子帧,每个子帧包括M个时隙,并在每个子帧中选择K个时隙作为激活时隙;其中,L、M、N、K为正整数,且N=L·M,1≤K<M。
转换模块20,用于将目标串行信息比特序列转换为L个并行比特序列;其中,每个并行比特序列包括索引序列和调制序列;目标串行信息比特序列为卫星通信中的待调制信息序列;一个并行比特序列对应调制信号的一个子帧。
索引调制模块30,用于基于每个并行比特序列的索引序列,在每个并行比特序列所对应的子帧中的M个时隙中,确定K个目标激活时隙。
线性频率调制模块40,用于在每个并行比特序列对应的K个目标激活时隙上,对每个并行比特序列的调制序列进行线性频率调制,得到目标chirp信号序列。
可选地,线性频率调制模块40,还用于:在每个并行比特序列对应的K个目标激活时隙上,对每个并行比特序列的调制序列进行线性频率调制,得到L个并行调制信号;将L个并行调制信号转换成串行信号,得到目标chirp信号序列。
图7是根据本发明实施例提供的一种大动态卫星通信***中的信号解调***的示意图,该***应用于卫星通信的接收端。如图7所示,该***包括:获取模块50,下变频模块60,快速傅里叶变换模块70,峰值比较模块80,和码本匹配模块90。
具体地,获取模块50,用于获取目标chirp信号序列;目标chirp信号序列为卫星通信中的待解调信号。
下变频模块60,用于对目标chirp信号序列进行下变频处理,分别得到up-chirp信号和down-chirp信号;up-chirp信号为信号频率随时间线性增加的chirp信号;down-chirp信号为信号频率随时间线性减小的chirp信号。
快速傅里叶变换模块70,用于对up-chirp信号和down-chirp信号进行快速傅里叶变换,分别得到第一FFT信号和第二FFT信号。
峰值比较模块80,用于对第一FFT信号和第二FFT信号进行峰值比较,得到每个时隙下的峰值信号。
码本匹配模块90,用于将每个时隙下的峰值信号和预设码本进行信息匹配,得到解调信息。
本发明实施例提供了一种大动态卫星通信***中的信号调制***和信号解调,通过将目标串行信息比特序列转换为多个并行比特序列,然后进行索引调制和线性频率调制,利用现行频率调制过程中的chirp信号抗多普勒的优势结合索引调制低误码率的优势,使得得到的目标chirp信号序列在低信噪比和高动态条件下实现了可靠通信,缓解了现有技术中的卫星高机动通信***存在着在大多普勒频偏、大多普勒频偏变化率、低信噪比条件下难以实现可靠通信的技术问题。
下面举例说明本发明实施例提供的调制***和解调***的仿真结果。例如,移动终端的最大速度为17马赫(5780m/s),最大的速度变化率为300m/s^2,可视角度大于18°。在这种情况下,最大载波偏移为55kHz当载频为3GHz时,因此,最大频偏为55kHz。其他必要参数为,中心频率f0=1MHz,符号周期Ts=400us,调频率k=±1.28GHz,采样率fs=4MHz。
图8是根据本发明实施例提供的一种误码率性能仿真结果示意图。如图8所示,相比于传统的调制方法BPSK和LFM,该调制方案有更优的误码率性能。当误码率Pe=10-5时,当参数(K,M,Q)=(1,8,2)时,该调制方案有大约2.6dB的性能增益,(K,M,Q)=(1,16,2)时,性能增益大约3.4dB。通过仿真结果可以看出,本发明提供的***可以有效地降低解调门限。
图9是跟本发明实施例提供的一种在高机动环境下的误码率性能仿真结果示意图。如图9所示,相比于传统的方法,该方案能够更好的克服高机动环境对通信***产生的影响。即使在多普勒频偏达55kHz时,误码率性能仍旧优于理想的BPSK***。由高动态引起的性能损失约为0.05dB。
本发明实施例还提供了一种电子设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,处理器执行计算机程序时实现上述实施例一和实施例二中的方法的步骤。
本发明实施例还提供了一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质,程序代码使处理器执行上述实施例一和实施例二中的方法。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种大动态卫星通信***中的信号调制方法,应用于卫星通信的发送端;其特征在于,包括:
将长度为N个时隙的调制信号分为L个子帧,每个子帧包括M个时隙,并在每个子帧中选择K个时隙作为激活时隙;其中,L、M、N、K为正整数,且N=L·M,1≤K<M;
将目标串行信息比特序列转换为L个并行比特序列;其中,每个并行比特序列包括索引序列和调制序列;所述目标串行信息比特序列为所述卫星通信中的待调制信息序列;一个并行比特序列对应所述调制信号的一个子帧;
基于每个所述并行比特序列的索引序列,在每个所述并行比特序列所对应的子帧中的M个时隙中,确定K个目标激活时隙;
在每个所述并行比特序列对应的所述K个目标激活时隙上,对每个所述并行比特序列的调制序列进行线性频率调制,得到目标chirp信号序列。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在每个所述并行比特序列对应的所述K个目标激活时隙上,对每个所述并行比特序列的调制序列进行线性频率调制,得到目标chirp信号序列,包括:
在每个所述并行比特序列对应的所述K个目标激活时隙上,对每个所述并行比特序列的调制序列进行线性频率调制,得到L个并行调制信号;其中,每个目标激活时隙对应一个目标chirp信号;
将所述L个并行调制信号转换成串行信号,得到目标chirp信号序列。
4.一种大动态卫星通信***中的信号调制***,应用于卫星通信的发送端;其特征在于,包括:分组模块,转换模块,索引调制模块和线性频率调制模块,其中,
所述分组模块,用于将长度为N个时隙的调制信号分为L个子帧,每个子帧包括M个时隙,并在每个子帧中选择K个时隙作为激活时隙;其中,L、M、N、K为正整数,且N=L·M,1≤K<M;
所述转换模块,用于将目标串行信息比特序列转换为L个并行比特序列;其中,每个并行比特序列包括索引序列和调制序列;所述目标串行信息比特序列为所述卫星通信中的待调制信息序列;一个并行比特序列对应所述调制信号的一个子帧;
所述索引调制模块,用于基于每个所述并行比特序列的索引序列,在每个所述并行比特序列所对应的子帧中的M个时隙中,确定K个目标激活时隙;
所述线性频率调制模块,用于在每个所述并行比特序列对应的所述K个目标激活时隙上,对每个所述并行比特序列的调制序列进行线性频率调制,得到目标chirp信号序列。
5.根据权利要求4所述的***,其特征在于,所述线性频率调制模块,还用于:
在每个所述并行比特序列对应的所述K个目标激活时隙上,对每个所述并行比特序列的调制序列进行线性频率调制,得到L个并行调制信号;其中,每个目标激活时隙对应一个目标chirp信号;
将所述L个并行调制信号转换成串行信号,得到目标chirp信号序列。
6.一种电子设备,包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至3任一项所述的方法的步骤。
7.一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质,其特征在于,所述程序代码使所述处理器执行所述权利要求1-3任一项所述方法。
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