CN102624487A - 一种适用于卫星断续信道下的可变速率编码通信装置 - Google Patents

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Abstract

本发明为一种适用于卫星断续信道下的可变速率编码通信装置,其目的是在卫星断续信道下提高信道利用率,减小处理延迟,通过接收信号检测或者其它检测方法,预测信道下一次断续周期、中断时间和中断相位,发射机根据信道的预测信息将整个断续周期划分为不同的信道工作状态,进而选择不同性能的编码方案,达到传输可靠性和增益之间的平衡;通过支持变速率编码的可变长数据帧格式,克服信道断续周期的变化,实现在断续信道下自适应的变速率连续传输,大幅度提高信道利用率,本发明所述的通信方法和装置具有结构灵活、算法简单、易于实现的优点,适宜装配在卫星通信系统中。

Description

一种适用于卫星断续信道下的可变速率编码通信装置
技术领域
本发明涉及数字通信技术领域,特别涉及一种适用于卫星断续信道下的可变速率编码通信装置。
背景技术
在传统的卫星动中通应用中,对于广播、数据等非实时业务,对抗深衰落的方法是进行深交织和前向纠错,通过时间分集最大程度的提高中断信道下的平均容量,事实上,诸如LT编码或Raptor编码等基于数字喷泉编码的时间分集方案可以获得容量的最大化。在直升机与卫星通信过程中,直升机旋翼对通信天线的遮挡导致通信信道的周期性中断,以此种卫星断续信道为例,基于编码的时间分集通常需要收集到足够的编码包后才能够译码,直升机桨叶遮挡时间长度达到5~10ms,至少需要50~100ms以上的分集时间延迟。对于实时业务,如语音、实时视频监视等,这样的时间分集导致的延迟是难以接受的。而在一些现有的支持卫星断续信道通信的系统中,往往采用突发传输的方式来减少时间延迟,但是由于突发传输需要预留一定长度的前导序列和保护时间,不能最大程度的利用信道间隙,即信道利用率较低,其通信容量受到限制。
中国发明专利201110404404.3涉及到基于LMS的直升机旋翼缝隙时间预测方法及装置,检测方法通过如下步骤:
检测计数步骤,分别对直升机宽带卫星通信信号正常传输状态和被遮挡状态进行时间计数,从而得到旋翼的缝隙时间长度Tb和遮挡时间长度Ts
时间速度转换步骤,根据旋翼的缝隙时间长度Tb和遮挡时间长度Ts获取直升机每个桨叶周期内的旋翼平均转速
Figure BDA0000141898110000011
速度预测步骤,依次计算出每个桨叶周期内的旋翼平均转速
Figure BDA0000141898110000021
得到一系列的平均转速
Figure BDA0000141898110000022
n=1,2,...,n为旋翼转速采样标号,将
Figure BDA0000141898110000023
看成是随机信号,应用LMS自适应滤波器来对其进行预测,以获取下一个桨叶周期内的旋翼平均转速的预测值
Figure BDA0000141898110000024
速度时间转换步骤,根据上一步得到的下一个桨叶周期内的旋翼平均转速的预测值
Figure BDA0000141898110000025
获取下一个缝隙时间长度的预测值
Figure BDA0000141898110000026
该发明通过预测下一个缝隙时间的长度,克服旋翼转速变化导致的传输信息损失,保证信息传输的完整性。该方法简单易于实现,整个过程无矩阵运算,易于硬件实现。
利用上述方法,可很好地预测卫星信道下一次的断续周期、中断时间和中断相位,之后就需要发送调制信号并进行变速率解码。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种适用于卫星断续信道下的可变速率编码通信装置,能够在卫星断续信道下提高信道利用率,减小处理延迟。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种适用于卫星断续信道下的可变速率编码通信装置,包括在卫星断续信道下进行连续调制的发射机,其中,发射机含有:
状态生成器101,用于将信号检测系统预测的断续周期和中断时间转化为计数器初值,在给定的初始中断相位时刻启动计数器计数,计数器输出控制启动4种状态的转换,4种状态的转换逻辑关系为:连续状态→前保护状态→中断状态→后保护状态→连续状态;
数据缓存器102,用于将需要发送的有效数据进行缓存,输出端与第一数据切换器103的输入端相连;
第一数据切换器103,用于在状态生成器101的控制下,将数据缓存器102中待发送的有效数据输入到高速率编码器104或低速率编码器105,第一数据切换器103的两个数据输出端分别与高速率编码器104和低速率编码器105相连,第一数据切换器103的数据输入端与数据缓存器102的输出端相连,第一数据切换器103的控制输入端与状态生成器101的输出端相连;当状态生成器101输出为连续状态时,第一数据切换器103将有效数据输入至高速率编码器104,前保护状态和后保护状态时将有效数据输入至低速率编码器105,中断状态时第一数据切换器103不输出,数据缓存器102将数据缓存等待中断状态转换完成后继续发送;
高速率编码器104,用于以1/2或以上的编码速率对需要发送的有效数据进行编码,高速率编码器104的输入端与第一数据切换器103的输出端相连,产生高速率编码保护数据,高速率编码器104的输出端与第二数据切换器107的一个输入端相连;
低速率编码器105,用于以1/3或以下的编码速率对需要发送的有效数据进行编码;低速率编码器105的输入端与第一数据切换器103的输出端相连,产生低速率编码保护数据,低速率编码器105的输出端与第二数据切换器107的一个输入端相连;
填充数据发生器106,用于产生在中断时段发送的填充数据,输出端与第二数据切换器107的一个输入端相连;
第二数据切换器107,用于在状态生成器101的控制下,接收来自高速率编码器104、低速率编码器105或填充数据发生器106的输入,第二数据切换器107的数据输出端与调制器108相连;当状态生成器101输出为连续状态时,第二数据切换器107接收来自高速率编码器104的编码数据,前保护状态和后保护状态时接收来自低速率编码器105的编码数据,中断状态时接收来自填充数据发生器106的填充数据;
调制器108,用于将第二数据切换器107输出的数据流进行调制,输出发送信号。
所述4种状态可简化为2种:连续状态和非连续状态,其中非连续状态由所述前保护状态、所述中断状态和所述后保护状态合并而成,在连续状态下,采用高速率编码保证传输增益,在非连续状态下,采用低速率编码保证传输可靠性。
相应地,可变速率编码的可变长数据帧格式简化如下:信令帧中的保护状态帧长和中断状态时段长度合并,由非连续状态帧长替换;保护状态编码调制方式由非连续状态编码调制方式替换;数据区中的前保护状态、后保护状态的有效数据区域和中断状态的填充数据区域合并,由非连续状态下的有效数据替换。
相应地,可移除填充数据发生器106;在连续状态下,高速率编码器104采用以1/2或以上的高速率编码,在非连续状态下,低速率编码器105采用1/4或以下的低速率编码。
本发明思路为:通过接收信号检测或者其它检测方法,如中国发明专利201110404404.3涉及的信号检测方法,预测卫星信道下一次的断续周期、中断时间和中断相位,将断续周期、中断时间和中断相位提供给发射机,发射机连续发送调制信号,同时将整个断续周期时间划分成不同的信道状态段,对应不同信道状态段设置不同的编码方案,调制后将数据编码发射出去,并通过简单信令字通知对端通信设备的接收机进行变速率解码。
具体来说,发射机采用了连续调制的方式。首先,如附图4中所示,将整个断续周期时间内的发射机工作状态划分为4种,分别是连续状态、前保护状态、中断状态和后保护状态,这4种状态之间是循环转换的关系,显然:
Tc=Ts+Tf+Td+Tb
其中,Tc为断续周期时间,Ts为连续状态时间,Tf为前保护状态时间,Td为中断状态时间,Tb为后保护状态时间。
然后,发射机根据预测的断续周期时段长度Lc,计算连续状态、前保护状态和后保护状态的时段长度,并分别除以各自编码分组的长度,向下取整求出三个状态时段的帧长,用断续间隔时段长度Lc减去上述三个时段的实际长度,即为中断状态时段长度,计算公式如下:
Figure BDA0000141898110000051
Figure BDA0000141898110000052
Figure BDA0000141898110000053
Ld=Lc-NsLsp-NfLfp-NbLbp
其中,Ls为连续状态下的时段长度,Lsp为连续状态下的编码分组长度,则连续状态帧长
Figure BDA0000141898110000054
Lf为前保护状态下的时段长度,Lfp为前保护状态下的编码分组长度,则前保护状态帧长
Figure BDA0000141898110000055
Lb为后保护状态下的时段长度,Lbp为后保护状态下的编码分组长度,则后保护状态帧长
Figure BDA0000141898110000056
Ld为中断状态下的时段长度。
再次,发射机根据中断相位和上述4种状态的时段长度产生若干计数器进行时间计数,由计数器控制发射机的状态转移,在不同状态下,切换送往调制器的数据源。发射机的工作状态生成如附图1所示。
发送到调制器的数据源分为填充数据、高速率编码保护数据和低速率编码保护数据。中断状态时段只发送填充数据,连续状态时段只发送高速率编码保护数据,前保护状态时段和后保护状态时段只发送低速率编码保护数据。
发射机采用的数据帧格式如附图2所示。一个数据传输周期从连续状态开始。在连续状态时段,数据帧的头部是前导帧和信令帧,前导帧用于接收机对信号的捕获和获得帧同步,信令帧包括连续状态帧长、保护状态帧长、中断状态时段长度、连续状态调制编码方式和保护状态调制编码方式5个字段。连续状态帧长用于指示连续状态时段所发送的携带高速率编码保护数据的有效数据帧的长度。保护状态帧长用于指示前保护状态时段和后保护状态时段所发送的携带低速率编码保护数据的有效数据帧的长度。中断状态时段长度用于指示中断状态时段所发送的填充数据帧的长度。连续状态调制编码方式用于指示连续状态时段所发送的携带高速率编码保护数据的调制编码方式。保护状态调制编码方式用于指示保护状态时段所发送的携带低速率编码保护数据的调制编码方式。在信令帧中,连续状态帧长和中断状态时段长度是必须的,保护状态帧长、连续状态调制编码方式和保护状态调制编码方式三个字段是可选的,保护状态帧长可以设计成与连续状态帧长存在固定比例关系,从而去掉该字段,连续状态调制编码方式和保护状态调制编码方式也可以设计为固定的,从而去掉这两个字段。在信令帧之后,依次是连续状态时段的携带高速率编码保护数据的有效数据帧、前保护状态时段的携带低速率编码保护数据的有效数据帧、中断状态时段的填充数据帧,以及后保护状态时段的携带低速率编码保护数据的有效数据帧。至此,一个数据传输周期完成,下一个数据传输周期按照上述数据帧格式重新开始。
由于发射机从外部获得的断续周期、中断时间和中断相位是随着信道变化而变化的,因此发射机状态生成器计算出的4种状态时段的长度也是变化的。从而发射机可以适应由于信道变化导致的断续周期的变化。
至此,本发明所述的变速率编码通信装置完成了其设计的目的,即以连续调制的方法对抗因卫星断续信道的中断导致的信号中断。
在接收机端,接收机将通过搜索前导帧获得帧同步,并解调信令帧,获得各时段的帧长和调制编码方式,之后对包含了高速率编码保护数据的有效数据帧进行解调解码,对低速率编码保护数据的有效数据帧进行解调解码,对中断时段的填充数据帧进行解调。接收机从有效数据帧所获得的所有数据就是通信设备所要传送的数据,可送往后续处理。
与现有技术相比,本发明的目的和优点是避免因使用长时间分集导致延迟,有效提高了信道利用率。此外,所述的发射机方法和装置还具有结构灵活、算法简单、易于实现的优点。
附图说明
图1是本发明所述的断续周期与发射机工作状态之间的关系图。
图2是本发明所述的支持变速率编码的可变长数据帧格式。
图3是本发明所述的适用于卫星断续信道下的可变速率编码调制发射机的设计原理图。
图4是本发明所述的状态生成器的状态转换逻辑关系图。。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
根据本发明的一个方面,附图1提供一种基于卫星断续信道预测的可变速率编码方法。在图1中,首先,通过接收信号检测(申请号:201110404404.3)或者其它检测方法,获取断续周期、中断时间和中断相位;然后,发射机利用上述卫星断续信道的特征信息,在不同的工作状态下分别采取不同性能的编码速率。由于断续周期是随着信道变化而变化的,相应的编码速率也是灵活可变的。
假设断续周期时间为Tc,前保护状态时间为Tf,后保护状态时间为Tb,连续状态时间为Ts,则中断状态时间Td=Tc-Ts-Tf-Tb。在前保护状态时间Tf和后保护状态时间Tb内,由于信道中断影响不可忽略,此时可以采用1/3或以下的低速率编码,降低编码性能保证传输的可靠性;在连续状态时间Ts内,由于信道中断影响基本可以忽略,此时可以采用1/2或以上的高速率编码,获取更多的传输增益。本发明在卫星断续信道下,采用不同性能的速率编码,达到传输可靠性和增益之间的平衡。
根据本发明的一个方面,附图2提供一种支持变速率编码的可变长数据帧格式。在图2中,支持变速率编码的可变长数据帧格式由前导帧、信令帧和数据帧组成;其中,信令帧被细分为:连续状态帧长、保护状态帧长、中断状态时段长度、连续状态调制编码方式和保护状态调制编码方式;数据帧被细分为:前保护状态时段的有效数据帧、连续状态时段的有效数据帧、后保护状态时段的有效数据帧和中断状态时段的填充数据帧。
假设断续周期时段长度为Lc,连续状态时段长度为Ls,前保护状态时段长度为Lf,后保护状态时段长度为Lb,当连续状态下的编码分组长度为Lsp时,连续状态帧长
Figure BDA0000141898110000081
当前保护状态下的编码分组长度为Lfp时,前保护状态帧长
Figure BDA0000141898110000082
当后保护状态下的编码分组长度为Lbp时,后保护状态帧长
Figure BDA0000141898110000083
中断状态时段长度Ld=Lc-NsLsp-NfLfp-NbLbp;连续状态调制编码方式可以采用1/2或以上的高速率编码,保护状态调制编码方式可以采用1/3或以下低速率编码,对应的编码保护数据分别填充于有效数据帧中。
由于断续周期是随着信道变化而变化的,因此上述数据帧格式的长度是随着断续周期变化的,编码方式和各组数据帧长也是变化的,体现了本发明的灵活性和实用性。
参见图3,本发明的适用于卫星断续信道下的可变速率编码调制发射机装置,状态生成器101将预测装置(本实施例中使用中国发明专利201110404404.3涉及到的预测装置)提供的断续周期和中断时间转化为计数器初值,在给定的初始中断相位时刻启动计数器计数,计数器输出控制4种状态的转换,状态生成器的输出端与两个数据切换器的控制输入端相连;数据缓存器102将需要发送的有效数据进行缓存;第一数据切换器103在状态生成器101的控制下,将数据缓存器中缓存的待发送数据,选择连接到高速率编码器104或低速率编码器105,第一数据切换器的两个数据输出端分别与高速率编码器和低速率编码器相连;高速率编码器104以1/2或以上的编码速率对需要发送的有效数据进行编码,输入端与第一数据切换器103输出端相连,产生高速率编码保护数据,输出端与第二数据切换器107的一个输入端相连;低速率编码器105以1/3或以下的编码速率对需要发送的有效数据进行编码,输入端与第一数据切换器103输出端相连,产生低速率编码保护数据,输出端与第二数据切换器107的一个输入端相连;填充数据发生器106产生在中断时段发送的填充数据,输出端与第二数据切换器107的一个输入端相连;第二数据切换器107在状态生成器101的控制下,选择高速率编码器104、低速率编码器105或填充数据发生器106的输出连接到第二数据切换器107的输入端,第二数据切换器的数据输出端与调制器108相连;调制器108将第二数据切换器107输出的数据流进行调制,输出发送信号。
根据本发明的一个方面,附图4描述发射机中状态生成器101内的状态转换逻辑关系。在图4中,将整个断续周期内发射机的工作状态划分为4种状态,分别是:连续状态(状态I)、前保护状态(状态II)、中断状态(状态III)和后保护状态(状态IV),这4种状态按照顺时针方向相互装换,形成一个断续周期。状态生成器通过计数器输出控制4种状态的转换,进而实现对发射机工作状态的控制。
对图1描述本发明的装置进行简化,本发明还可进一步简化实施。首先,将发射机工作状态简化为2种:连续状态和非连续状态,其中非连续状态由前保护状态、中断状态和后保护状态合并而成。在连续状态下,采用高速率编码保证传输增益,在非连续状态下,采用低速率编码保证传输可靠性。其次,支持变速率编码的可变长数据帧格式也作相应简化:信令帧中的保护状态帧长和中断状态时段长度合并,由非连续状态帧长替换;保护状态编码调制方式由非连续状态编码调制方式替换;数据区中的前保护状态、后保护状态的有效数据区域和中断状态的填充数据区域合并,由非连续状态下的有效数据替换。最后,发射机结构也作简化,状态生成器101的状态控制由4种减少为2种,填充数据发生器106被移除;在连续状态下,高速率编码器104采用以1/2或以上的高速率编码,在非连续状态下,低速率编码器105可以采用1/4或以下的低速率编码,体现了本发明结构灵活的优点。

Claims (4)

1.一种适用于卫星断续信道下的可变速率编码通信装置,其特征在于,包括在卫星断续信道下进行连续调制的发射机,其中,发射机含有:
状态生成器(101),用于将信号检测系统预测的断续周期和中断时间转化为计数器初值,在给定的初始中断相位时刻启动计数器计数,计数器输出控制启动4种状态的转换,4种状态的转换逻辑关系为:连续状态→前保护状态→中断状态→后保护状态→连续状态;
数据缓存器(102),用于将需要发送的有效数据进行缓存,输出端与第一数据切换器(103)的输入端相连;
第一数据切换器(103),用于在状态生成器(101)的控制下,将数据缓存器(102)中待发送的有效数据输入到高速率编码器(104)或低速率编码器(105),第一数据切换器(103)的两个数据输出端分别与高速率编码器(104)和低速率编码器(105)相连,第一数据切换器(103)的数据输入端与数据缓存器(102)的输出端相连,第一数据切换器(103)的控制输入端与状态生成器(101)的输出端相连;当状态生成器(101)输出为连续状态时,第一数据切换器(103)将有效数据输入至高速率编码器(104),前保护状态和后保护状态时将有效数据输入至低速率编码器(105),中断状态时第一数据切换器(103)不输出,数据缓存器(102)将数据缓存等待中断状态转换完成后继续发送;
高速率编码器(104),用于以1/2或以上的编码速率对需要发送的有效数据进行编码,高速率编码器(104)的输入端与第一数据切换器(103)的输出端相连,产生高速率编码保护数据,高速率编码器(104)的输出端与第二数据切换器(107)的一个输入端相连;
低速率编码器(105),用于以1/3或以下的编码速率对需要发送的有效数据进行编码;低速率编码器(105)的输入端与第一数据切换器(103)的输出端相连,产生低速率编码保护数据,低速率编码器(105)的输出端与第二数据切换器(107)的一个输入端相连;
填充数据发生器(106),用于产生在中断时段发送的填充数据,输出端与第二数据切换器(107)的一个输入端相连;
第二数据切换器(107),用于在状态生成器(101)的控制下,接收来自高速率编码器(104)、低速率编码器(105)或填充数据发生器(106)的输入,第二数据切换器(107)的数据输出端与调制器(108)相连;当状态生成器(101)输出为连续状态时,第二数据切换器(107)接收来自高速率编码器(104)的编码数据,前保护状态和后保护状态时接收来自低速率编码器(105)的编码数据,中断状态时接收来自填充数据发生器(106)的填充数据;
调制器(108),用于将第二数据切换器(107)输出的数据流进行调制,输出发送信号。
2.根据权利要求1所述可变速率编码通信装置,其特征在于:所述4种状态简化为2种:连续状态和非连续状态,其中非连续状态由所述前保护状态、所述中断状态和所述后保护状态合并而成,在连续状态下,采用高速率编码保证传输增益,在非连续状态下,采用低速率编码保证传输可靠性。
3.根据权利要求2所述可变速率编码通信装置,其特征在于:可变速率编码的可变长数据帧格式简化如下:信令帧中的保护状态帧长和中断状态时段长度合并,由非连续状态帧长替换;保护状态编码调制方式由非连续状态编码调制方式替换;数据区中的前保护状态、后保护状态的有效数据区域和中断状态的填充数据区域合并,由非连续状态下的有效数据替换。
4.根据权利要求2所述可变速率编码通信装置,其特征在于:移除填充数据发生器(106),在连续状态下,第一数据切换器(103)将有效数据输入至高速率编码器(104),此时采用1/2或以上的高速率编码;在非连续状态下,第一数据切换器(103)将有效数据输入到低速率编码器(105),此时采用1/4或以下的低速率编码。
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