CN108494467A - 一种基于卫星通信的物理层自适应acm同步方法 - Google Patents

一种基于卫星通信的物理层自适应acm同步方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于卫星通信的物理层自适应ACM同步方法，包括ACM物理帧发送模块和ACM物理帧同步接收模块，ACM物理帧发送模块和ACM物理帧同步接收模块通过卫星信道串联，本发明结构简单，在低噪声下SNR估计精度高、有效地降低频率补偿后的偏频、时钟信号锁定速度快且能进行稳定的跟踪，具有较强的实用性。

Description

一种基于卫星通信的物理层自适应ACM同步方法
技术领域
本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种基于卫星通信的物理层自适应ACM同步方法。
背景技术
在卫星通信系统中，通常采用ACM(Adaptive Modulation and Coding，自适应调制编码)技术来根据信道环境调整调制编码等级，调制与编码策略，因此ACM技术作为卫星通信系统的关键技术，其适用于点对点通信的单路单载波系统。
ACM技术通过回传信道建立一个闭环控制系统，是提高信道利用率的有效措施之一，其基本思想时接收端根据接收信号质量对信道进行实时的估计，并将估计的信道状态信息通过反馈信道转送给发射端，发射端再根据信道状态信息动态改变编码和调制方式，接收机也同时更改相应的参数，以适应无线信道衰落的变化，从而充分利用信道资源，可在不增加信道带宽的情况下提高链路的吞吐量和改善系统的误码率性能，因为抗干扰能力强，频谱利用率高等优点，从而达到改善数据传输服务质量的目的。
现有的ACM调整存在的问题：在低噪声下SNR(Signal-Noise Ratio，信噪比)估计精度低、频率补偿后的偏频较大、时钟误差信号锁定速度较慢且不能进行稳定的跟踪等问题。
发明内容
本发明提供一种基于卫星通信的物理层自适应ACM同步方法，以解决上述现有技术的不足，在低噪声下SNR估计精度高、有效地降低频率补偿后的偏频、时钟信号锁定速度快且能进行稳定的跟踪，具有较强的实用性。
为了实现本发明的目的，拟采用以下技术：
一种基于卫星通信的物理层自适应ACM同步方法，包括ACM物理帧发送模块和ACM物理帧同步接收模块，ACM物理帧发送模块和ACM物理帧同步接收模块通过卫星信道串联；
所述ACM物理帧发送模块包括ACM物理组帧模块、数字上变频模块以及数字模拟转换器，所述ACM物理组帧模块串联于数字上变频模块上，所述数字上变频模块串联于数字模拟转换器上，且所述ACM物理组帧模块为SNR信息的接收端，所述数字模拟转换器为信号输出端；
所述ACM物理帧同步接收模块包括信号转换器和ACM信息提取模块，所述信号转换器通过卫星信道串联于数字模拟转换器上，所述信号转换器上还串联有自动频率控制器，所述自动频率控制器上串联有直接数字控制器，所述直接数字控制器串联有平方根升余弦滤波器，所述平方根升余弦滤波器上串联有符号同步模块，所述符号同步模块上串联有细同步模块，所述细同步模块通过信号传输通道串联有业务功能链模块，所述业务功能链模块上串联有相位同步模块，所述相位同步模块上串联有信噪比估计模块，所述信噪比估计模块为信号输出端，所述信号传输通道的细同步模块所在端上连接有频偏估计模块，所述频偏估计模块上串联有环路滤波器，所述环路滤波器上串联有状态控制模块，所述环路滤波器同时还连接于细同步模块和自动频率控制器上，所述ACM信息提取模块包括相位恢复模块和里德穆勒解码模块，所述相位恢复模块连接于信号传输通道的业务功能链模块所在端，所述相位恢复模块和里德穆勒解码模块串联连接，且所述里德穆勒解码模块连接于业务功能链模块上。
进一步地，所述细同步模块为热噪声增加量同步模块。
进一步地，所述相位同步模块存在数据辅助模式和盲处理模式两种工作模式。
进一步地，所述信噪比估计模块的工作模式为数据辅助模式
上述技术方案的优点在于：
1、在卫星传输系统中，经常受天气情况的影响，信道质量随之发生变化。发送端通过读取返回的SNR信息，以获取整个信道通信质量状况。并在在ACM物理组帧模块中改变前向纠错编码方式和调制方式，在均衡解调门限和传输效率的基础上，组成了适应不同信道质量的物理帧。换言之，当信道质量较低时，为优先保证在较差SNR下解调器能正常工作，故组成的物理帧具有解调门限低、传输效率较低的特性；而当信道质量变高时，为使传输效率提高，故调整ACM方案，组成解调门限高、传输效率高的物理帧；
2、依据本发明ACM物理帧同步接收模块中的符号同步模块，符号同步模块位于同步模块的最前端，此处无可利用的训练序列，因而采用盲同步方案，估计得到时钟误差为τ。该误差信号经环路滤波后，作为插值滤波器的输入控制字，样本经插值后得到最佳采样点，最终完成符号同步。另一方面，为使该模块具备能快速锁定且又能稳定跟踪的特性，故通过控制环路滤波器的参数使模块工作于两种模式下，即捕获模式和跟踪模式。初始化后，模块工作在捕获模式下，此时环路滤波器带宽较大，模块能快速锁定；待模块锁定后，立即进入跟踪模式，通过减小环路滤波器的带宽，减小错误估计带来干扰的影响，使模块能稳定跟踪；
3、依据本发明ACM物理帧同步接收模块中频偏估计模块，该模块采用数据辅助方案估计出信号频偏并经环路滤波器后，产生频率控制字以对信号进行频偏补偿。为使频率补偿后的频偏尽可能的小，本设备采用两种同步模式：频率粗同步、频率细同步。换言之，最初由于频偏较大，此时工作在粗同步模式，频偏补偿控制字直接作用于自动频率控制器，此时该模块的频偏调整步进较大；当残余频偏达到10^-3以下时，此时进入细同步模式，频偏补偿控制字作用于细同步模块，此时该模块的频偏调整步进较小，以实现微小频偏补偿，使残余频偏达到10^-5以下；
4、依据本发明ACM物理帧同步接收模块中ACM信息提取模块，在ACM模式下，解调器接收到的物理帧有可能随时在调整，故解调器需提取ACM信息。由于该模快处于频偏估计模块之后，故其残余频偏达到10^-5以下。并且帧头符号个数只有几十个，故可将帧头符号直接送入相位恢复模块，即可完成帧头符号的相位恢复，之后经里德穆勒软解码模块，即可得出ACM信息。该信息包含调制方式、编码方式、物理帧长等信息；
5、依据本发明ACM物理帧同步接收模块中相位同步模块，对于物理帧来说其存在有导频和无导频两种格式，为了尽可能的降低解调性能的损失，故相位同步模块采用数据辅助模式和盲处理模式两种工作模式，当物理帧为有导频格式时，该模块工作在数据辅助模式下，通过导频辅助提取相位信息，并将该相位信息补偿至信号中，即完成相位同步，该模式下由于采用了数据辅助模式，其解调门限要比盲处理方案低3分贝。当物理帧为无导频格式时，该模块工作在盲处理模式下，在盲处理模式下解调性能较高，但传输效率也比有导频模式高；
6、依据本发明ACM物理帧同步接收模块中信噪比估计模块，该模块采用数据辅助方式估计SNR信息，即通过将帧头、导频作为训练序列，从而在低噪声情况下提高估计精度。
7、本发明结构简单，在低噪声下SNR估计精度高、有效地降低频率补偿后的偏频、时钟信号锁定速度快且能进行稳定的跟踪，具有较强的实用性。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明做进一步的详细描述。其中：
图1示出了本发明设备结构示意框图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于卫星通信的物理层自适应ACM同步方法，包括ACM物理帧发送模块1和ACM物理帧同步接收模块3，ACM物理帧发送模块1和ACM物理帧同步接收模块3通过卫星信道2串联；
所述ACM物理帧发送模块1包括ACM物理组帧模块11、数字上变频模块12以及数字模拟转换器13，所述ACM物理组帧模块11串联于数字上变频模块12上，所述数字上变频模块12串联于数字模拟转换器13上，且所述ACM物理组帧模块11为SNR信息10的接收端，所述数字模拟转换器13为信号输出端；
所述ACM物理帧同步接收模块3包括信号转换器30和ACM信息提取模块4，所述信号转换器30通过卫星信道2串联于数字模拟转换器13上，所述信号转换器30上还串联有自动频率控制器31，所述自动频率控制器31上串联有直接数字控制器32，所述直接数字控制器32串联有平方根升余弦滤波器33，所述平方根升余弦滤波器33上串联有符号同步模块34，所述符号同步模块34上串联有细同步模块35，所述细同步模块35通过信号传输通道3c串联有业务功能链模块39，所述业务功能链模块39上串联有相位同步模块3a，所述相位同步模块3a上串联有信噪比估计模块3b，所述信噪比估计模块3b为信号输出端，所述信号传输通道3c的细同步模块35所在端上连接有频偏估计模块36，所述频偏估计模块36上串联有环路滤波器37，所述环路滤波器37上串联有状态控制模块38，所述环路滤波器37同时还连接于细同步模块35和自动频率控制器31上，所述ACM信息提取模块4包括相位恢复模块40和里德穆勒解码模块41，所述相位恢复模块40连接于信号传输通道3c的业务功能链模块39所在端，所述相位恢复模块40和里德穆勒解码模块41串联连接，且所述里德穆勒解码模块41连接于业务功能链模块39上。
所述细同步模块35为热噪声增加量同步模块。
所述相位同步模块3a存在数据辅助模式和盲处理模式两种工作模式。
所述信噪比估计模块3b的工作模式为数据辅助模式。
本发明的原理为：ACM物理组帧模块11接受到SNR(Signal-Noise Ratio，信噪比)信息10，获取了整个信道通信质量状况。通过在ACM物理组帧模块中改变向前纠错编码方式和调制方式，在均衡解调门限和传输效率的基础上，组成适应不同信道质量的物理帧。即，当信道质量较低时，此时为优先保证在较差信噪比下解调器能正常工作，故组成的物理帧具有解调门限低、传输效率较低的特性；而当信道质量变高时，为使传输效率提高，故调整ACM方案，组成解调门限高、传输效率高的物理帧。当ACM物理组帧模块11组帧完成后，信号依次经数字上变频模块12和数字模拟转换器13并通过卫星信道2将信号传输给信号转换器30、自动频率控制器31和平方根升余弦滤波器33，而经过平方根升余弦滤波器33处理的信号将传输给符号同步模块34，由于符号同步模块34处于细同步模块35的前端，而此时为无可利用的训练序列状态，故采用盲同步方式，估计得到时钟误差。该误差信号经环路滤波器37后，作为插值滤波器的输入控制字，样本经插值后得到最佳采样点，最终完成符号同步。并且为使符号同步模块34具备能快速锁定且又能稳定跟踪的特性，故通过控制环路滤波器37的参数使模块工作于两种模式下，即捕获模式和跟踪模式。初始化后，模块工作在捕获模式下，此时环路滤波器37带宽较大，模块能快速锁定；待模块锁定后，立即进入跟踪模式，通过减小环路滤波器37的带宽，减小错误估计带来干扰的影响，使模块能稳定跟踪。信号从符号同步模块34传出至细同步模块35中经过频率细同步之后接着传输至频偏估计模块36中，频偏估计模块36采用数据辅助方案估计出信号频偏，然后经环路滤波器37后，产生频率控制字以对信号进行频偏补偿。在频偏补偿中采用频率粗同步和频率细同步两种同步模式，即，最初由于频偏较大，此时工作在粗同步模式，频偏补偿控制字直接作用于频偏调整步进较大的符号同步模块34；当残余频偏达到10^-3以下时，此时进入细同步模式，频偏补偿控制字作用于频偏调整步进较小的细同步模块35，以实现微小频偏补偿，使残余频偏达到10^-5以下。而在信号继续向前传输时被ACM信息提取模块4中的相位恢复模块40接收到，随之完成帧头符号的相位恢复，之后经里德穆勒软解码模块41，得出ACM相关信息，并将ACM相关信息随路送入业务功能链模块39中，接着信号和ACM相关信息共同传送至相位同步模块3a，为尽可能的降低解调性能损失，相位同步模块3a工作在数据辅助模式和盲处理模式下，当物理帧为有导频格式时，相位同步模块3a工作在数据辅助模式下，通过导频辅助提取相位信息，并将该相位信息补偿至信号中，即完成相位同步；当物理帧为无导频格式时，该模块工作在盲处理模式下，盲处理模式的解调性能高，且传输效率也比有导频模式高，最终将该相位信息补偿至信号中，打包传输至信噪比估计模块3b中，而信噪比估计模块3b采用数据辅助方式估计SNR信息，最终将估计精度较高的估计值传输至交互界面。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种基于卫星通信的物理层自适应ACM同步方法，其特征在于，包括ACM物理帧发送模块(1)和ACM物理帧同步接收模块(3)，ACM物理帧发送模块(1)和ACM物理帧同步接收模块(3)通过卫星信道(2)串联；
所述ACM物理帧发送模块(1)包括ACM物理组帧模块(11)、数字上变频模块(12)以及数字模拟转换器(13)，所述ACM物理组帧模块(11)串联于数字上变频模块(12)上，所述数字上变频模块(12)串联于数字模拟转换器(13)上，且所述ACM物理组帧模块(11)为SNR信息(10)的接收端，所述数字模拟转换器(13)为信号输出端；
所述ACM物理帧同步接收模块(3)包括信号转换器(30)和ACM信息提取模块(4)，所述信号转换器(30)通过卫星信道(2)串联于数字模拟转换器(13)上，所述信号转换器(30)上还串联有自动频率控制器(31)，所述自动频率控制器(31)上串联有直接数字控制器(32)，所述直接数字控制器(32)串联有平方根升余弦滤波器(33)，所述平方根升余弦滤波器(33)上串联有符号同步模块(34)，所述符号同步模块(34)上串联有细同步模块(35)，所述细同步模块(35)通过信号传输通道(3c)串联有业务功能链模块(39)，所述业务功能链模块(39)上串联有相位同步模块(3a)，所述相位同步模块(3a)上串联有信噪比估计模块(3b)，所述信噪比估计模块(3b)为信号输出端，所述信号传输通道(3c)的细同步模块(35)所在端上连接有频偏估计模块(36)，所述频偏估计模块(36)上串联有环路滤波器(37)，所述环路滤波器(37)上串联有状态控制模块(38)，所述环路滤波器(37)同时还连接于细同步模块(35)和自动频率控制器(31)上，所述ACM信息提取模块(4)包括相位恢复模块(40)和里德穆勒解码模块(41)，所述相位恢复模块(40)连接于信号传输通道(3c)的业务功能链模块(39)所在端，所述相位恢复模块(40)和里德穆勒解码模块(41)串联连接，且所述里德穆勒解码模块(41)连接于业务功能链模块(39)上。
2.根据权利要求1所述的基于卫星通信的物理层自适应ACM同步设备，其特征在于，所述细同步模块(35)为热噪声增加量同步模块。
3.根据权利要求1所述的基于卫星通信的物理层自适应ACM同步设备，其特征在于，所述相位同步模块(3a)存在数据辅助模式和盲处理模式两种工作模式。
4.根据权利要求1所述的基于卫星通信的物理层自适应ACM同步设备，其特征在于，所述信噪比估计模块(3b)的工作模式为数据辅助模式。
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