CN106549899A - 一种无人机数据链信道均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无人机数据链信道均衡方法，包括数据链路系统功能初始化、频点小数倍频偏值计算、频点整数倍频偏值计算和构造频域均衡查找表进行频域信道均衡的步骤。本发明的信道均衡方法，能够提高根据相关性计算频率偏差时的精度，整合系统资源和时效性控制小数倍频偏补偿计算的精度，同时可以将特定条件下的，频域信道均衡查找表固化在系统中，降低前期运算资源；并能根据外界环境等变化对其进行二次修正。

Description

一种无人机数据链信道均衡方法

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，具体涉及一种无人机数据链的信道均衡方法。

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。

无人机数据链由于传输的是非常关键的遥控指令，对误码率要求非常高，通常为10^-7以上，因此对信道的质量要求很高。

现有的信道均衡多采用自适应滤波器，最小均方误差LMMSE等方法在内计算复杂度较高的算法或在帧结构中加入循环前缀等方法，这对于无人机数据链来讲，无疑都需要消耗更多的系统资源，且信道均衡精度较低，效果并不理想。

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通信系统对低误码率下相干解调中信道干扰问题提出一种新的信道均衡方法，该方法采用调制在频点上的PN码作为同步信息序列，并根据相应的小数倍和整数倍频偏计算方法获取在频点上的补偿值，然后根据不同频点上的频偏补偿值，通过对其进一步内插构造频域均衡查找表，然后利用该频域均衡查找表在频域对数据链的整个接收信号进行信道均衡处理，然后再将其转换为时域信号进行后续处理。

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：

一种无人机数据链信道均衡方法，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，将要发射的信号进行组帧，信号帧的结构为：同步信息序列，及之后依次重复出现的帧起始、数据区、校验信息、帧结束；其中，同步信息序列选择N位的调制在能够覆盖整个发射接收带宽范围内不同频点上的PN序列，N为2的幂次且N≥10；

步骤二：频点小数倍频偏值计算；

设发射端的同步信息时域序列为m_t(t)，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：频点整数倍频偏值计算；

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：构造频域均衡查找表进行频域信道均衡；

根据不同频点上的整数倍频偏值和小数倍频偏值构造频域均衡查找表，然后利用该频域均衡查找表在频域对数据链的整个接收信号进行信道均衡处理，然后再转换为时域信号，完成信道均衡过程。

本发明的优点在于：

(1)本发明的同步信息序列选择N位的调制在能够覆盖整个发射接收带宽范围内不同频点上的PN序列，在覆盖信道均衡检测频点的同时，利用了PN码具有良好的自相关性，能够提高根据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)本发明根据不同频点上的整数倍频偏和小数倍频偏值构造频域均衡查找表，然后利用该频域均衡查找表在频域对数据链的整个接收信号进行信道均衡处理。这种处理思路可以将特定条件下的，频域信道均衡查找表固化在系统中，降低前期运算资源；并能根据外界环境等变化对其进行二次修正。

附图说明

图1是本发明中的信道均衡方法步骤图；

图2是本发明中的PN码作为频率同步信息序列帧结构框图；

图3是本发明中的整数和小数倍频偏计算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的信道均衡方法，上行链路信道均衡流程结构框图如图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，将要发射的信号进行组帧，信号帧的结构为：同步信息序列，及之后依次重复出现的帧起始、数据区、校验信息、帧结束；其中，同步信息序列选择N位的调制在能够覆盖整个发射接收带宽范围内不同频点上的PN序列，N为2的幂次且N≥10；

步骤二：频点小数倍频偏值计算；

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：频点整数倍频偏值计算；

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；

步骤二和步骤三中找到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。

步骤四：构造频域均衡查找表进行频域信道均衡；

根据不同频点上的整数倍频偏值和小数倍频偏值构造频域均衡查找表，然后利用该频域均衡查找表在频域对数据链的整个接收信号进行信道均衡处理，然后再转换为时域信号，完成信道均衡过程。

步骤四的具体实现过程为：将得到每一个频点的整数倍频偏和小数倍频偏值得到频域响应估计值{H_k，1≤k≤N}，其中N为频率的点数。进一步对得到的N个频域响应估计值进行频域内插得到M个频域响应估计值。

实现方法是先对{H_k}进行N点的IFFT变换，然后在得到的长度为N的时域序列尾部补零至长度M，最后进行M点的FFT运算，就得到M个子信道的频域响应估计值{H_γ}。

频域均衡采用迫零均衡的方法，迫零均衡的计算公式为：

其中，Y_γ为数据块进行M点FFT之后的序列，为频域均衡后重构的序列，C_γ可从下式得到：

迫零均衡可以完全消除ISI，但是会在信道深衰落点处放大噪声。

经过上述频域均衡处理，然后再转换为时域信号，完成信道均衡过程。

Claims (2)

1.一种无人机数据链信道均衡方法，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，将要发射的信号进行组帧，信号帧的结构为：同步信息序列，及之后依次重复出现的帧起始、数据区、校验信息、帧结束；其中，同步信息序列选择N位的调制在能够覆盖整个发射接收带宽范围内不同频点上的PN序列，N为2的幂次且N≥10；

步骤二：频点小数倍频偏值计算；

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n_o，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

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

来计算小数倍频偏值

步骤三：频点整数倍频偏值计算；

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，

${m_r}^{*}\left(n\right)=m_r\left(n\right)e^{j\hat{z}}$

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N_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：

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

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：构造频域均衡查找表进行频域信道均衡；

根据不同频点上的整数倍频偏值和小数倍频偏值构造频域均衡查找表，然后利用该频域均衡查找表在频域对数据链的整个接收信号进行信道均衡处理，然后再转换为时域信号，完成信道均衡过程。

2.如权利要求1所述的无人机数据链信道均衡方法，其特征在于：步骤二和步骤三中找到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。