CN106549893A - 一种无人机数据链路频偏检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人机数据链路频偏检测方法，包括数据链路系统功能初始化、小数倍频偏值计算、整数倍频偏值计算和频偏值有效性判别的步骤。本发明提出的频偏检测方法，采用PN码作为同步信息序列，并利用通信系统原有模块，进行同步检测，不再占用新的资源。

Description

一种无人机数据链路频偏检测方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种无人机数据链的频偏检测方法。

背景技术

无人机(UAV)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。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。当代无人机肩负着目标跟踪、地面监测等任务，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。

无人机主要包括飞机机体、飞控系统、数据链系统、发射回收系统、电源系统等。在无人机系统中，数据链发挥着很重要的作用，它可以保证对遥控指令的准确传输，保证对无人机接收、发送信息的实时性和可靠性，保证信息反馈的即时、有效、顺利和准确。无人机数据链是一种测控与信息传输系统，可用于完成对无人机的遥控、遥测、跟踪定位以及视频信息的传输。它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。

无人机数据链路按数据传输方向的不同可分为上行(遥控)链路和下行(遥测、遥感)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等图像、视频的发送以及飞行姿态、GPS跟踪定位等信息的传输。下行链路主要的性能要求是更高的保密性、更快的数据传输速率和更强抗干扰能力。

无人机数据链路对误码率要求非常高，通常为10^-7以上，因此，一般采用较低的通信码速率，若接收信号中的频偏与码速率相当或者大于码速率，则会使结合搜集中的解调器无法正常工作，造成按照一定的帧格式进行发送和接收的数据无法正常接收。因此，频偏检测和相应的补偿是后续数据处理的前提和基础。

现有的频偏检测估计方法按照实现结构分类，主要有开环估计法和闭环估计法两种；按照实现帧结构分类，主要有数据辅助(DA：Data-Aided)法和非数据辅助(NDA：Non Data-Aided)法两种。方法不同，所实现的结构也不同。

针对无人机数据链路特殊的频偏估计的实现需求，本发明采用不需要在信息帧中插入额外的辅助信息的非数据辅助法并根据其中应用广泛的FFT估计频偏存在的包括无法收敛性判断等问题进行改进。

对于上述创新保护技术点，通过在国家专利局等网站的搜索并未发现同等领域内的相似技术。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有无人机数据链路通信系统对低误码率下相干解调中频偏问题提出一种新的频偏检测方法，该方法采用PN码作为同步信息序列，并利用通信系统原有模块，进行同步检测，不再占用新的资源。

考虑到现有技术的上述问题，根据本发明公开的一个方面，本发明采用以下技术方案：

一种无人机数据链路频偏检测方法，针对以QPSK调制方式为主的数据链进行频偏检测，包括以下步骤：

步骤一：数据链路系统功能初始化；

在数据链路系统的发射端，将要发射的信号分成I，Q两路，然后将I，Q两路信号分别进行组帧，信号帧的结构为：同步信息序列，之后依次重复为帧起始、数据区、校验信息、帧结束；I，Q两路的同步信息序列分别选择N位的PN序列，N为2的幂次且N≥10；

步骤二：小数倍频偏值计算；

设发射端的同步信息时域序列为m_t(n)，n为整数且n≥1，周期为K为大于等于2的整数，[]表示按四舍五入准则取整操作。根据公式 计算在发射端同步信息序列之间的互相关值，并把最大互相关值所对应的相位作为发射相位θ_t；

对接收到的信息数据序列进行解调和译码得到接收端的同步信息时域序列m_r(n)，n为整数且n≥1。设同步信息序列的起始帧头位置为n₀，根据公式计算在接收端同步信息序列之间的互相关值，并把最大互相关值所对应的相位作为接收相位θ_r；

通过比较接收相位θ_r和发射相位θ_t之间的差别，根据公式

来计算小数倍频偏值

步骤三：整数倍频偏值计算；

根据计算出来的频点小数倍频偏值对接收信号y(n)进行频偏补偿，

然后对频偏补偿后的信号m_t ^*(n)进行FFT变换，转换成频域序列M_r ^*(n)；

M_r ^*(n)＝FFT(m_r ^*(n))

对发射端同步信息序列m_t(n)进行FFT变换，转换成频域序列M_t(n)；

M_t(n)＝FFT(m_t(n))

FFT点数为N，N选取128、512、1024、2048这些2的幂次值；

将M_r ^*(n)与M_t(n)进行互相关运算：

根据计算得到的最大互相关值所对应的频率作为整数倍频偏；

步骤四：频偏值有效性判别；

将接收端的I，Q两路数据分别进行各自的小数倍和整数倍频偏值补偿，根据得到的频偏补偿后的I^*、Q^*两路数据进行能量计算，I^*2+Q^*2，以此作为频偏值有效性的判别，如果(I^*2+Q^*2)>(I²+Q²)，则此频偏值有效，将以此作为接收信号的频偏补偿值；反之，则判为无效，重新进行迭代计算。

本发明的优点在于：

(1)本发明的同步信息序列选用PN码，PN码具有良好的自相关性，能够提高根据互相关性计算频率偏差时的精度；

(2)本发明的小数倍频偏计算补偿能够根据K值的选取来控制迭代周期，进而能够整合系统资源和时效性控制小数倍频偏补偿计算的精度；

(3)本发明根据频偏补偿后的I^*、Q^*两路数据进行能量计算作为频偏值有效性的判断依据，进而作为迭代是否收敛的依据，降低了不必要的系统资源浪费。

附图说明

图1是本发明中的数据链路频偏检测步骤框图；

图2是本发明中的PN码作为同步信息序列帧结构框图；

图3是本发明中的频偏检测互相关运算模块示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

本发明的一种适用于无人机数据链路频偏检测方法，针对以QPSK为调制方式的数据链，上行链路频偏检测流程结构框图如图1所示，包括以下几个步骤：

步骤一：数据链路系统功能初始化；

在数据链路系统的发射端，本设计的符号映射采用QPSK映射，QPSK的基带调制过程包括串并转换和单双极性变换，映射后数据分为I、Q两路，然后将I，Q两路信号分别进行组帧。信号帧的结构为：同步信息序列，之后依次重复为帧起始、数据区、校验信息、帧结束，见图2所示；I，Q两路的同步信息序列分别选择N位的PN序列，N为2的幂次且N≥10；

步骤二：小数倍频偏值计算；

设发射端的同步信息时域序列为m_t(n)，n为整数且n≥1，周期为K为大于等于2的整数，[]表示按四舍五入准则取整操作。根据公式 计算在发射端同步信息序列之间的互相关值，并把最大互相关值所对应的相位作为发射相位θ_t；

对接收到的信息数据序列进行解调和译码得到接收端的同步信息时域序列m_r(n)，n为整数且n≥1。设同步信息序列的起始帧头位置为n₀，根据公式计算在接收端同步信息序列之间的互相关值，并把最大互相关值所对应的相位作为接收相位θ_r；

通过比较接收相位θ_r和发射相位θ_t之间的差别，根据公式

来计算小数倍频偏值

步骤三：整数倍频偏值计算；

根据计算出来的频点小数倍频偏值对接收信号y(n)进行频偏补偿，

然后对频偏补偿后的信号m_t ^*(n)进行FFT变换，转换成频域序列M_r ^*(n)；

M_r ^*(n)＝FFT(m_r ^*(n))

对发射端同步信息序列m_t(n)进行FFT变换，转换成频域序列M_t(n)；

M_t(n)＝FFT(m_t(n))

FFT点数为N，N选取128、512、1024、2048这些2的幂次值；

将M_r ^*(n)与M_t(n)进行互相关运算：

根据计算得到的最大互相关值所对应的频率作为整数倍频偏；

步骤二和步骤三中搜索最大互相关值的方法如下：假定第一个值为最大值，从第二个值开始与上一个值进行比较，若该值大于最大值，则将其更新为新的当前最大值；否则最大值进行保持，保持上一次的最大值，如此循环直至将整个序列比较完毕，得到最大值及其所在的位置。

步骤二和步骤三中频偏检测互相关运算模块示意图如图3所示；

步骤四：频偏值有效性判别；

将接收端的I，Q两路数据分别进行各自的小数倍和整数倍频偏值补偿，根据得到的频偏补偿后的I^*、Q^*两路数据进行能量计算，I^*2+Q^*2，以此作为频偏值有效性的判别，如果(I^*2+Q^*2)>(I²+Q²)，则此频偏值有效，将以此作为接收信号的频偏补偿值；反之，则判为无效，重新进行迭代计算。

Claims (1)

1.一种无人机数据链路频偏检测方法，针对以QPSK调制方式为主的数据链进行频偏检测，包括以下步骤：

步骤一：数据链路系统功能初始化；

在数据链路系统的发射端，将要发射的信号分成I，Q两路，然后将I，Q两路信号分别进行组帧，信号帧的结构为：同步信息序列，之后依次重复为帧起始、数据区、校验信息、帧结束；I，Q两路的同步信息序列分别选择N位的PN序列，N为2的幂次且N≥10；

步骤二：小数倍频偏值计算；

设发射端的同步信息时域序列为m_t(n)，n为整数且n≥1，周期为K为大于等于2的整数，[ ]表示按四舍五入准则取整操作。根据公式 计算在发射端同步信息序列之间的互相关值，并把最大互相关值所对应的相位作为发射相位θ_t；

对接收到的信息数据序列进行解调和译码得到接收端的同步信息时域序列m_r(n)，n为整数且n≥1。设同步信息序列的起始帧头位置为n₀，根据公式 $R_r={\Σ}_{i=0}^{T-1}{m}_r(n_0+i){m_r}^{*}(n_0+i+T)$ 计算在接收端同步信息序列之间的互相关值，并把最大互相关值所对应的相位作为接收相位θ_r；

通过比较接收相位θ_r和发射相位θ_t之间的差别，根据公式

$\widehat{\mathrm{\ϵ}}=\frac{K}{2\mathrm{\π}}({\mathrm{\θ}}_r-{\mathrm{\θ}}_t)$

来计算小数倍频偏值

步骤三：整数倍频偏值计算；

根据计算出来的频点小数倍频偏值对接收信号y(n)进行频偏补偿，

${m_r}^{*}\left(n\right)=m_r\left(n\right)e^{j\widehat{\mathrm{\ϵ}}}$

然后对频偏补偿后的信号m_t ^*(n)进行FFT变换，转换成频域序列M_r ^*(n)；

M_r ^*(n)＝FFT(m_r ^*(n))

对发射端同步信息序列m_t(n)进行FFT变换，转换成频域序列M_t(n)；

M_t(n)＝FFT(m_t(n))

FFT点数为N，N选取128、512、1024、2048这些2的幂次值；

将M_r ^*(n)与M_t(n)进行互相关运算：

$C\left(f\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Σ}}{M}_t(n+f){M_r}^{*}\left(n\right),-(N-1)\≤f\≤(N-1)$

根据计算得到的最大互相关值所对应的频率作为整数倍频偏；

步骤四：频偏值有效性判别；

将接收端的I，Q两路数据分别进行各自的小数倍和整数倍频偏值补偿，根据得到的频偏补偿后的I^*、Q^*两路数据进行能量计算，I^*2+Q^*2，以此作为频偏值有效性的判别，如果(I^*2+Q^*2)>(I²+Q²)，则此频偏值有效，将以此作为接收信号的频偏补偿值；反之，则判为无效，重新进行迭代计算。