CN101707494A - 一种适用于无人机下行数据链通信的信号到达检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于无人机下行数据链通信的信号到达检测方法，包括以下步骤，步骤一、通信系统功能初始化；步骤二、能量检测单元进行信号能量持续监测，计算相关能量值；步骤三、比较模块确定相关能量的最大值及其位置；步骤四、信号确认到达；本发明所述方法缩短解调端同步功能模块的锁定时间；在检测信号到达的基础上确定最佳起始采样点，最佳采样点所在位置即为能量的最大值所在位置；本发明可以保证信号准确解调、降低误码率且具有良好的稳定性。

Description

一种适用于无人机下行数据链通信的信号到达检测方法

技术领域

本发明属于通信工程技术领域，具体涉及一种适用于无人机下行数据链通信的信号到达检测方法。

背景技术

无人驾驶飞行器，简称无人机，是一种以无线电遥控或自身程序控制为主的无人驾驶飞行器，诞生于20世纪初期，但其真正兴起是在第二次世界大战之后。经过近百年的发展，无人机在军事、国民经济与科学研究等领域得到了广泛的应用。当代无人机肩负着地面监测、目标跟踪、军事打击等任务，因其自身具备体积小、灵活性强等优点，在军事、民用领域扮演着极为重要的角色。无人机数据链的性能直接决定了无人机执行任务的安全性和飞行效能，是无人机的大脑和眼睛。

无人机数据链按数据传输方向的不同可分为上行链路和下行链路。上行链路主要完成地面站至无人机的遥控指令的发送，实现飞行姿态实时控制和指挥自动化；下行链路主要完成无人机至地面站的遥测数据和红外遥感或电视侦察图像的发送以及飞行姿态、GPS跟踪定位等信息的传输。为了使下行数据链满足突发通信的要求，满足实际战场环境的需要，需要在有用信息的前面附加前导序列进行信号到达检测。

常规的信号到达检测方法主要有以下几种：1.频域检测法。将接收信号变换到频域，计算其特征谱幅度值，然后与设定的门限值进行比较，若大于门限判为信号到达。这种方法运算量大，并且判决门限会随着信号电平而变化，信号的动态范围受到限制。2.功率检测法。计算接收信号的功率并与设定的门限比较进行判决。这种方法的优点是门限设置对载波频偏不敏感，但也有显著缺点即门限与信号幅度有关，信号的动态范围受限。3.匹配滤波法。这种方法对载波频偏敏感，需要动态判决，门限值确定困难。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种适用于无人机下行数据链通信的信号到达检测方法，与其他方法相比，本发明所述方法不仅可以同时进行信号检测和确定最佳起始采样点，而且可以工作在较低信噪比、较大载波频偏和较大的信号动态范围条件下，并且本方法的复杂程度低、易于实现。本方法利用特殊前导序列的相关性，即前后相邻的两个符号(每个符号包含若干个采样点)，每个符号相应位置采样值大小相近、正负相反，而噪声不具备这样的相关性，所以可利用相关能量检测的方法来检测信号是否到达。

一种适用于无人机下行数据链通信的信号到达检测方法，包括以下步骤：

步骤一、通信系统功能初始化；

在通信系统的发射端，信号到达之前为噪声，信号组帧的结构为：前导序列、帧头、有用信息、帧尾、帧间间隔，之后继续为帧头、有用信息…，依次重复；当信号为一路信号传输时前导序列长度选取要大于或等于512，为010101…序列，两路信号传输时前导序列的长度要大于或等于1024，为00110011…序列；

信号经过N₁倍上变频、匹配滤波、载波调制、发射、接收、相干解调、N₂倍下变频、匹配滤波、自动增益控制调整以后，到达达能量检测单元，信号中每个符号用n位信息表示，其中n为N₁与N₂的商，N₁、N₂为2的幂次；

在通信系统的接收端，将能量检测单元置于同步单元之前，下变频和自动增益控制单元之后；

步骤二、能量检测单元进行信号能量持续监测，计算相关能量值；

到达能量检测单元的信号，信号中的符号序列以若干符号为一组进行打包，打包后以滑动的方式进入能量检测单元，每滑动一次，进入一组符号，出来一组符号，每滑动一次能量检测单元计算一次相关能量值，最后输出n个相关能量值；

能量检测单元计算一次相关能量的具体过程为：

进入能量运算单元的一路信号为M个符号，一共为M＊n位信息，首先选择每个符号的第1位，相邻符号相同位之间进行乘法运算，得到M-1个乘积，再把这M-1个乘积进行累加求和，得到累加值；如果信号是按两路传输的则要把两路累加值求平方和，如果信号是按一路传输的则把累加值直接平方，其结果为的相关能量值1；同理，分别选择每个符号的第2位至第n位，得到相关能量值2至相关能量值n；

步骤三、比较模块确定相关能量的最大值及其位置；

比较模块包括m级比较器，第一级有2^m-1个比较器，第二级有2^m-2个比较器、…、第m-1级有2个比较器，第m级有1个比较器；每个比较器包含两个输入A/B、一个输出，如果A＞B，则输出为1，否则为0；第一级比较器的输出作为第二级比较器的输入，依次类推，将第m-1级的比较器输出作为第m级比较器的输入；把第一级比较器的输出定义为Comp_1_1到Comp_1_2^m-1，把第二级比较器的输出定义为Comp_2_1到Comp_2_2^m-2，…，把第m-1级比较器的输出定义为Comp_m-1_1和Comp_m-1_2，把第m级的输出定义为Comp_m；

将步骤二中得到的n个相关能量值依次送至比较模块的第一级比较器作为输入，最后根据m级比较器的输出值，得到相关能量的最大值及其位置，如果两个比较器之间有输入输出关系，则将这些比较器的输出从第m级至第一级依次排列为二进制序列，当二进制序列的值为0时，相关能量值n为最大值，位置为n，依次类推，当二进制序列的值为n时，相关能量值1为最大值，位置为1；

步骤四、信号确认到达；

判断步骤三中得到的相关能量最大值是否大于门限值，如果否，则返回步骤二，否则判断所标记的位置上是否连续出现k次相关能量最大值，如果是，则断定信号到达，启动同步跟踪环路对后续信号进行跟踪处理，并把该位置做为起始最佳采样点送至后续的同步单元，否则返回步骤二。

本发明的优点在于：

(1)本发明检测信号到达后，启动同步跟踪环路对后续信号进行跟踪等处理，以缩短解调端同步功能模块的锁定时间。

(2)本发明在检测信号到达的基础上确定最佳起始采样点。信号经过匹配滤波使得到达信号能量检测单元的信号，最佳采样点所在位置即为能量的最大值所在位置，可以将能量到达检测得到的最大值的位置作为起始最佳采样点送至后续单元进行同步处理。

(3)本发明准确解调，降低误码率.由于通信系统包含同步模块，同步跟踪锁定需要一定的时间，这必然导致一部分信号的失锁，本发明的这部分损耗消耗在前导符号上，保证后面的有用信号的解调处于同步跟踪状态，保证信号准确的解调，降低误码率.

(4)本发明具有良好的稳定性。将能量检测单元放在自动增益控制之后，可保证其输入在一定的动态范围内变化，这样信号到达检测不受距离、大气衰减等外界因素的影响，保证信号到达检测具有良好的稳定性。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是通信系统的组帧结构示意图；

图3是能量检测单元计算示意图；

图4是比较模块的结构示意图；

图5是QPSK调制的通信系统信号到达前后相关能量值的仿真示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明所述的一种适用于无人机下行数据链通信的信号到达检测方法，流程如图1所示，包括以下几个步骤：

步骤一、通信系统功能初始化；

在通信系统的发射端，通信系统的组帧结构如图2所示，信号到达之前为噪声，信号组帧的结构为：前导序列、帧头、有用信息、帧尾、帧间间隔，之后继续为帧头、有用信息…，依次重复。本发明中当信号为一路信号传输时前导序列长度选取要大于或等于512，两路信号传输时前导序列的长度要大于或等于1024，一路信号传输时前导序列为010101…序列，两路信号传输时为00110011…序列。

信号经过N1倍上变频、匹配滤波、载波调制、发射、接收、相干解调、N2倍下变频、匹配滤波、自动增益控制调整以后，信号到达能量检测单元。这时到达的信号中每个符号用n位信息表示，其中n为N1与N2的商，N1、N2为2的幂次。

在通信系统的接收端，将能量检测单元置于同步单元之前，下变频和自动增益控制单元之后。

下面以QPSK调制的通信系统为例进行说明，符号进入信号能量到达检测单元的信号依次为：噪声、前导序列(含噪声)、帧头(含噪声、用于帧同步)、有用信息(含噪声)、帧尾(含噪声，用于帧同步)。前导序列为1024个特殊的符号00110011...。信号经过串并转换，分成I、Q信号进行传输。每一路的前导序列为512个特殊的符号0101...。两路传输信号经过发射端32倍的上变频，和接收端4倍的下变频，传至信号能量到达检测单元的每个符号由8位信息来表示。发射端的I、Q两路信号的前导序列为0101...序列，0表示+，1表示-，到信号能量检测单元的前导序列正负循环变化的规律不变。

步骤二、能量检测单元进行信号能量持续监测，计算相关能量值；

信号中的符号序列以若干符号为一组进行打包，打包后的符号序列以滑动的方式进入能量检测单元，每滑动一次，进入一组符号，出来一组符号。每滑动一次能量检测单元计算一次相关能量值，最后输出n个相关能量值。

相关能量值的具体运算过程为：进入能量运算单元的一路信号是M个符号，一共为M＊n位信息，首先选择每个符号的第1位，相邻符号相同位之间进行乘法运算，得到M-1个乘积，再把这M-1个乘积进行累加求和，得到累加值。如果信号是按两路传输的则要把两路累加值求平方和，如果信号是按一路传输的则把累加值直接平方，其结果为相关能量值1。同理，分别选择每个符号的第2位至第n位，得到相关能量值2至相关能量值n。

下面以进入能量运算单元是32个符号、每个符号8位信息来进行说明，信号分组以滑动的方式进入相关能量检测单元。如图3所示，首先都选择每个符号的第1位，然后相邻符号相同位之间进行乘法运算，得到31个乘积，再把这31个乘积进行累加求和。最后，如果信号是按两路传输的则要把两路累加值求平方和，如果信号是按一路传输的则把累加值直接平方，其结果为相关能量值1。同理，按同样的方法可以得到相关能量值2至相关能量值8。

步骤三、比较模块确定相关能量的最大值及其位置；

比较模块包括m级比较器，第一级有2^m-1个比较器，第二级有2^m-2个比较器、…、第m-1级有2个比较器，第m级有1个比较器。每个比较器包含两个输入A/B、一个输出，如果A＞B，则输出为1，否则为0。第一级比较器的输出作为第二级比较器的输入，依次类推，将第m-1级的比较器输出作为第m级比较器的输入。把第一级比较器的输出定义为Comp_1_1到Comp_1_2^m-1，把第二级比较器的输出定义为Comp_2_1到Comp_2_2^m-2，…，把第m-1级比较器的输出定义为Comp_m-1_1和Comp_m-1_2，把第m级的输出定义为Comp_m。

将步骤二中得到的n个相关能量值依次送至比较模块的第一级比较器作为输入，最后根据m级比较器的输出值，得到相关能量的最大值及其位置，如果两个比较器之间有输入输出关系，则将这些比较器的输出从第m级至第一级依次排列为二进制序列，当二进制序列的值为0时，相关能量值n为最大值，位置为n，依次类推，当二进制序列的值为n时，相关能量值1为最大值，位置为1；

下面以对8个相关能量值进行比较为例进行说明，比较模块如图4所示。该模块的第一级由四个比较器、第二级两个比较器、第三级一个比较器组成。最后根据第一级、第二级、第三级比较器的输出值即可确定最大值及其所在的位置。具体的判断方法如下：

当{Comp_3，Comp_2_1，Comp_1_1}＝{1，1，1}时，相关能量值1最大，位置为1；

当{Comp_3，Comp_2_1，Comp_1_1}＝{1，1，0}时，相关能量值2最大，位置为2；

当{Comp_3，Comp_2_1，Comp_1_2}＝{1，0，1}时，相关能量值3最大，位置为3；

当{Comp_3，Comp_2_1，Comp_1_2}＝{1，0，0}时，相关能量值4最大，位置为4；

当{Comp_3，Comp_2_2，Comp_1_3}＝{0，1，1}时，相关能量值5最大，位置为5；

当{Comp_3，Comp_2_2，Comp_1_3}＝{0，1，0}时，相关能量值6最大，位置为6；

当{Comp_3，Comp_2_2，Comp_1_4}＝{0，0，1}时，相关能量值7最大，位置为7；

当{Comp_3，Comp_2_2，Comp_1_4}＝{0，0，0}时，相关能量值8最大，位置为8。

步骤四、信号确认到达；

判断步骤三中得到的相关能量最大值是否大于门限值，如果否，则返回步骤二，否则判断所标记的位置上是否连续出现k次相关能量最大值，如果是，则断定信号到达，启动同步跟踪环路对后续信号进行跟踪等处理，并把该位置做为起始最佳采样点送至后续的同步单元，否则返回步骤二。

为了避免信道传输时遇到突发干扰、避免错误判决，可以将k值设为6或更高，门限值根据信号到达前后相关能量值计算仿真结果确定。

以QPSK调制的通信系统为例，如图5所示，图中当信噪比为2-7dB时，信号到达前后相关能量值计算的仿真结果，根据仿真结果可以确定门限值的大小，门限值的大小和定点仿真时所取的位数有关，位数越多越精确门限值就越大，图5中门限值取15。

Claims (2)

1.一种适用于无人机下行数据链通信的信号到达检测方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一、通信系统功能初始化；

在通信系统的发射端，信号到达之前为噪声，信号组帧的结构为：前导序列、帧头、有用信息、帧尾、帧间间隔，之后继续为帧头、有用信息…，依次重复；当信号为一路信号传输时前导序列长度选取要大于或等于512，为010101…序列，两路信号传输时前导序列的长度要大于或等于1024，为00110011…序列；

信号经过N₁倍上变频、匹配滤波、载波调制、发射、接收、相干解调、N₂倍下变频、匹配滤波、自动增益控制调整以后，到达达能量检测单元，信号中每个符号用n位信息表示，其中n为N₁与N₂的商，N₁、N₂为2的幂次；

在通信系统的接收端，将能量检测单元置于同步单元之前，下变频和自动增益控制单元之后；

步骤二、能量检测单元进行信号能量持续监测，计算相关能量值；

到达能量检测单元的信号，信号中的符号序列以若干符号为一组进行打包，打包后以滑动的方式进入能量检测单元，每滑动一次，进入一组符号，出来一组符号，每滑动一次能量检测单元计算一次相关能量值，最后输出n个相关能量值；

能量检测单元计算一次相关能量的具体过程为：

进入能量运算单元的一路信号为M个符号，一共为M＊n位信息，首先选择每个符号的第1位，相邻符号相同位之间进行乘法运算，得到M-1个乘积，再把这M-1个乘积进行累加求和，得到累加值；如果信号是按两路传输的则要把两路累加值求平方和，如果信号是按一路传输的则把累加值直接平方，其结果为的相关能量值1；同理，分别选择每个符号的第2位至第n位，得到相关能量值2至相关能量值n；

步骤三、比较模块确定相关能量的最大值及其位置；

比较模块包括m级比较器，第一级有2^m-1个比较器，第二级有2^m-2个比较器、…、第m-1级有2个比较器，第m级有1个比较器；每个比较器包含两个输入A/B、一个输出，如果A＞B，则输出为1，否则为0；第一级比较器的输出作为第二级比较器的输入，依次类推，将第m-1级的比较器输出作为第m级比较器的输入；把第一级比较器的输出定义为Comp_1_1到Comp_1_2^m-1，把第二级比较器的输出定义为Comp_2_1到Comp_2_2^m-2，…，把第m-1级比较器的输出定义为Comp_m-1_1和Comp_m-1_2，把第m级的输出定义为Comp_m；

将步骤二中得到的n个相关能量值依次送至比较模块的第一级比较器作为输入，最后根据m级比较器的输出值，得到相关能量的最大值及其位置，如果两个比较器之间有输入输出关系，则将这些比较器的输出从第m级至第一级依次排列为二进制序列，当二进制序列的值为0时，相关能量值n为最大值，位置为n，依次类推，当二进制序列的值为n时，相关能量值1为最大值，位置为1；

步骤四、信号确认到达；

判断步骤三中得到的相关能量最大值是否大于门限值，如果否，则返回步骤二，否则判断所标记的位置上是否连续出现k次相关能量最大值，如果是，则断定信号到达，启动同步跟踪环路对后续信号进行跟踪处理，并把该位置做为起始最佳采样点送至后续的同步单元，否则返回步骤二。

2.根据权利要求1所述的一种适用于无人机下行数据链通信的信号到达检测方法，其特征在于，所述的步骤四中的门限值根据信号到达前后，相关能量值计算的仿真结果确定。

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