一种直升机与卫星通信中的突发信号捕获方法及系统与流程

1.本发明涉及一种直升机与卫星通信中的突发信号捕获方法及系统，属于卫星通信技术领域。


背景技术：

2.直升机卫星通信中机载终端通过卫星与地面关口站或其它终端进行通信，由于无需地面中继站进行中继转发，能够在更广阔的区域内进行信息传输，应用领域十分广泛。但是，受限于平台空间，直升机上只能安装口径较小的天线(如0.5m以下)，终端通信能力较弱，特别是vhf/uhf频段，通信速率一般只能达到数kbps。对于具有高机动特性的直升机，随着飞行姿态的剧烈变化，其通信信号具有较大的多普勒动态，提高了低载波速率信号的解调难度。同时，在直升机飞行过程中，通信链路会受到旋翼遮挡影响，造成接收信号周期性功率衰减。
3.直升机卫星通信一般采用突发通信方式，对于突发信号解调，突发捕获一般是后续其它参数估计和同步的基础。由于多个信道参数(如：频偏、频率变化率、突发起始位置等)处于未知状态，为了降低捕获难度，一般利用已知的前导头通过时域相关或者频域fft完成突发捕获。时域相关捕获方法实现复杂度低，但是对频偏的适应能力有限。常规的频域捕获算法对频偏不敏感，但是在高多普勒动态下，频率变化率会导致信号频谱出现平台效应，捕获性能急剧恶化。


技术实现要素：

4.本发明解决的技术问题是：克服现有频域捕获方法的不足，提出一种联合频率变化率估计的频域捕获方法及系统，解决了直升机卫星通信中高多普勒动态下的低信噪比突发信号捕获问题。
5.本发明的技术解决方案是：
6.一种直升机与卫星通信中的突发信号捕获方法，包括如下步骤：
7.1)接收机接收ad采样信号，经过符号同步处理后得到突发信号的调制符号，使用移位寄存器对调制符号进行移位寄存处理；
8.2)每接收一个新的调制符号后，执行一次频率变化率估计和补偿，获得频率变化率补偿后的导频符号；
9.3)根据步骤2)获得的频率变化率补偿后的导频符号，进行fft变换，获得fft变换结果，从而获得频谱峰值和均值的比值；
10.4)进行捕获判定，若判定捕获到突发信号则完成捕获工作，反之，则返回步骤2)。
11.可选地，步骤4)所述进行捕获判定的方法，具体为：
12.判断步骤3)所述比值是否大于门限，若比值大于门限，则判定捕获到突发信号，反之则跳到步骤2)。
13.可选地，步骤2)所述获得频率变化率补偿后的导频符号，具体为：
14.从移位寄存器中，按照突发信号帧格式，提取出导频符号，进行频率变化率估计和补偿，从而获得频率变化率补偿后的导频符号。
15.可选地，步骤4)所述门限的确定原则为根据要求的捕获概率和误捕概率指标，通过仿真确定。
16.一种用于实现上述一种直升机与卫星通信中的突发信号捕获方法的直升机卫星通信中的突发信号捕获系统，包括：移位寄存器、频率变化率估计和补偿模块、fft变换模块和捕获判定模块；
17.移位寄存器：接收经过符号同步处理后得到突发信号的调制符号，对调制符号进行移位寄存处理；
18.频率变化率估计和补偿模块：对于移位寄存器中的采样点，按照突发信号帧格式，提取出导频符号，进行频率变化率估计和补偿，获得频率变化率补偿后的导频符号；
19.fft变换和捕获判定模块：对于频率变化率补偿后的导频符号进行fft变换，然后计算频谱峰值和均值的比值并进行捕获判定。
20.移位寄存器每接收一个新的符号，频率变化率估计和补偿模块执行一次频率变化率估计和补偿。
21.移位寄存器每接收一个新的符号，fft变换和捕获判定模块执行一次fft变换和捕获判定。
22.fft变换和捕获判定模块进行捕获判定，具体为：
23.当比值大于设定的门限时，则认为捕获到突发信号。
24.突发信号采用分布式导频帧结构，突发帧长为lf，分成n段，每段长度为ld，每段均包含1个导频符号和(l
d-1)个数据符号。ld的取值范围为10到100个。
25.本发明与现有技术相比的优点在于：
26.1)本发明方法同时进行多普勒变化率估计和频域突发捕获，消除了多普勒变化率对捕获性能的影响；
27.2)本发明方法中多普勒变化率估计和频域突发捕获均采用基于数据辅助的方法，保证了低信噪比条件下的性能。
附图说明
28.图1为直升机卫星通信中旋翼遮挡示意图；
29.图2为旋翼遮挡导致的信号衰落示意图；
30.图3为分布式导频帧结构示意图；
31.图4为本发明结构图；
32.图5为移位寄存器示意图；
33.图6为本发明频域捕获方法频率变化率对信号频谱影响示意图。
具体实施方式
34.本发明一种直升机与卫星通信中的突发信号捕获方法，包括如下步骤：
35.1)接收机接收ad采样信号，经过符号同步处理后得到突发信号的调制符号，使用移位寄存器对调制符号进行移位寄存处理；
36.2)每接收一个新的调制符号后，执行一次频率变化率估计和补偿，获得频率变化率补偿后的导频符号；
37.3)根据步骤2)获得的频率变化率补偿后的导频符号，进行fft变换，获得fft变换结果，从而获得频谱峰值和均值的比值；
38.4)进行捕获判定，若判定捕获到突发信号则完成捕获工作，反之，则返回步骤2)。
39.步骤4)所述进行捕获判定的方法，具体为：
40.判断步骤3)所述比值是否大于门限，若比值大于门限，则判定捕获到突发信号，反之则跳到步骤2)继续进行捕获。
41.步骤2)所述获得频率变化率补偿后的导频符号，具体为：
42.从移位寄存器中，按照突发信号帧格式，提取出导频符号，进行频率变化率估计和补偿，从而获得频率变化率补偿后的导频符号；
43.步骤4)所述门限的确定原则为根据要求的捕获概率和误捕概率指标，通过仿真确定。
44.一种用于实现上述一种直升机与卫星通信中的突发信号捕获方法的直升机卫星通信中的突发信号捕获系统，包括：移位寄存器、频率变化率估计和补偿模块、fft变换模块和捕获判定模块；
45.移位寄存器：接收经过符号同步处理后得到突发信号的调制符号，对调制符号进行移位寄存处理；为了给其它处理模块提供数据，根据突发信号帧长，设置一个移位存储器，对于符号同步后的采样点，逐符号进行移位寄存。
46.频率变化率估计和补偿模块：对于移位寄存器中的采样点，按照突发信号帧格式，提取出导频符号，进行频率变化率估计和补偿，获得频率变化率补偿后的导频符号；
47.fft变换和捕获判定模块：对于频率变化率补偿后的导频符号进行fft变换，然后计算频谱峰值和均值的比值并进行捕获判定。
48.移位寄存器每接收一个新的符号，频率变化率估计和补偿模块执行一次频率变化率估计和补偿。
49.移位寄存器每接收一个新的符号，fft变换和捕获判定模块执行一次fft变换和捕获判定。
50.fft变换和捕获判定模块进行捕获判定，具体为：
51.当比值大于设定的门限时，则认为捕获到突发信号。此时，移位寄存器中缓存的便是一个完整的突发信号帧。
52.突发信号采用分布式导频帧结构，突发帧长为lf，分成n段，每段长度为ld，每段均包含1个导频符号和(l
d-1)个数据符号。ld的取值范围一般为10到100个。
53.下面就结合附图对本发明做进一步介绍。
54.直升机的收发天线一般只能安装在直升机旋翼下方，其安装示意图如图1所示。直升机卫星通信天线在收发卫通信号时,会受到直升机旋翼的遮挡,在直升机飞行的过程中,旋翼周期性地遮挡天线面,造成机载接收信号按照某种周期衰减，如图2所示。
55.为了辅助接收机信号解调，通常在物理层帧结构中插入一些导频符号，用来辅助信号信号检测和同步。在直升机旋翼遮挡期间，由于信号信噪比极低(es/no能够低到-10db以下)，为了接收端能够正常进行突发信号捕获和载波同步，采用分布式导频帧结构(如图3
所示)。
56.在直升机旋翼遮挡条件下，接收端解调处理流程如图4所示，主要包括：符号同步、突发信号检测、频偏和频率变化率估计、相偏估计、软解映射。具体如下。
57.(1)符号同步：接收ad采样信号，获取调制符号的最佳采样点；
58.(2)突发信号捕获：每接收一个新的符号，执行一次频率变化率估计和补偿，并对于频率变化率补偿后的导频符号进行fft变换，然后计算频谱峰值和均值的比值，当比值大于设定的门限时，则认为捕获到突发信号，将整个突发信号输出；
59.(3)载波同步和软软解映射：对于已定位的突发信号，采用数据辅助或非数据辅助方法进行载波频偏估计和补偿，然后按照所采用的调制方式进行解映射处理，输出软解映射信息。
60.其中，符号同步、载波同步和软解映射可以采用很多已有的方法进行处理，本专利不做详细说明。下面仅对突发信号捕获进行详细说明。
61.所述突发帧格式包括数据符号和导频符号，每间隔若干个数据符号插入一个导频符号，突发帧结构如图4所示。具体而言，突发帧长为lf，分成n段，每段长度为ld，包含1个导频符号和(l
d-1)个数据符号。经过符号同步后的等效基带信号可以表示为
[0062][0063]
其中，s(n发端发送的调制信号，ts为符号周期，fd为载波频偏，α为频率变化率，为初始相偏，w(n为一个复高斯随机变量，均值为0，方差为
[0064]
假定分散导频符号为p(n)n＝0,1,
…
,n-1。用于数据缓存的移位寄存器深度为lf，缓存的复信号数据为g(n)n＝0,1,
…
,l
f-1)。每收到1个符号r(n，对移位寄存器进行循环向左移位，如图5所示。
[0065]
突发信号捕获具体处理步骤如下：
[0066]
step 1：每收到1个新的符号后，进行数据辅助去调制：
[0067]
z(n)＝g((n-1)ld)*conj(p(n)),n＝0,1,
…
,n-1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0068]
step 2：对导频进行间隔为m的共轭差分：
[0069]
x(n)＝z((n+m))*conj(z(n)),n＝0,1,
…
,n-m-1
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0070]
step 3：在x(n后补0，得到
[0071][0072]
step 4：进行n2点的fft变换得到x(k)(k＝0,1,
…
,n
2-1)，并搜索得到频谱峰值所在位置γ，进而得到归一化的频率变化率估计值：
[0073][0074]
step 5：对z(n)进行频率变化率补偿：
[0075]
[0076]
step 6：在y(n)后补0，得到
[0077][0078]
step 7：进行n3点的fft变换得到y(k)(k＝0,1,
…
,n
3-1)，然后计算频谱峰值和均值，得到判决量：
[0079][0080]
step 8：对于设定的捕获门限j
′
th
，如果j
′
≥j
′
th
，则认为捕获到突发信号；否则，跳转到step 1继续进行捕获。
[0081]
在载波速率8ksps条件下，对本专利提出的捕获方法进行了仿真，如图6所示，当频率变化率分别为0hz/s、2000hz/s时，频谱峰值特性基本一致。仿真结果表明，所述捕获方法能够适应较大的多普勒动态。
[0082]
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
[0083]
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。