CN108736958A - 一种适用于星载环境下的uat接收系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于星载环境下的UAT接收系统，属于属于通信技术邻域。本发明包括信号接收模块、信号检测与帧同步模块、载波同步模块、相干解调与RS译码模块、本地第一存储模块和本地第二存储模块；第一、二存储模块分别用于存储本地基带I、Q信号的一比特、三比特和五比特差分信号，以及本地复基带信号；信号接收模块用于接收UAT射频信号、解调出接收基带I、Q信号并发送至后端的信号检测与帧同步模块、载波同步模块，以及相干解调与RS译码模块，信号检测与帧同步模块基于本地与接收的一、三、五比特的互相关运算完成帧同步检测，进而完成载波同步和相干解调与RS译码。本发明具有大的动态范围、强的抗频偏性能以及高的接收灵敏度。

Description

一种适用于星载环境下的UAT接收系统
技术领域
本发明属于通信技术邻域，具体涉及一种适用于星载环境下的UAT(UniversalAccess Transceiver)接收系统。
背景技术
传统空中雷达监管技术的监管能力不足随着航空事业的发展愈发凸显，近些年来，随着ADS-B(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast)广播式自动相关监视技术的迅速应用和发展，该问题得到了有效地解决。ADS-B能够提供非常有效的监视服务，用于实现飞行中的飞机与飞机、飞行中的飞机与地面站之间的相互监视，达到减少飞行事故发生的目的。UAT是ADS-B系统中的一种用于民航飞机与飞机之间、飞机与监测站之间的一种数据链路技术，用于在飞机与飞机、飞机与地面站之间建立通信链路。
地面UAT观测站不仅覆盖范围相当有限，而且在沙漠、海洋等特殊地形环境中架设地面观测站站难度高、成本大，而通过卫星覆盖这些特殊区域可以有效地解决地面站所面临的问题。
传统的UAT接收系统多采用差分解调接收技术，该接收技术具有简单易实现、抗频偏性能强的优点，但是采用该接收技术的接收机灵敏度低，抗噪声性能不强，只适用于接收信号功率较大的应用场景。对于星载环境下的接收，由于卫星与飞机之间的距离较远，接收信号功率较小，这使得传统的UAT接收系统在星载环境下的接收性能极差，在星载环境下不再适用。为了适应于星载环境高多普勒频移、低接收功率的特点，
发明内容
本发明的发明目的在于：为了克服传统UAT接收机的缺点，本发明提出了一种适用于星载环境下的UAT接收系统，其具有大的动态范围、强的抗频偏性能以及高的接收灵敏度。
本发明的一种适用于星载环境下的UAT接收系统，包括信号接收模块、信号检测与帧同步模块、载波同步模块、相干解调与RS译码模块、本地第一存储模块和本地第二存储模块；
所述本地第一存储模块用于存储本地基带I、Q信号的一比特、三比特和五比特差分信号；
所述本地第二存储模块用于存储本地基带I、Q信号的本地复基带信号，即(I+jQ)，其中j表示虚数单位；
所述信号接收模块用于接收UAT射频信号，并进行射频解调，得到接收基带I、Q信号并发送至后端的信号检测与帧同步模块、载波同步模块，以及相干解调与RS译码模块；
所述检测与帧同步模块包括差分运算模块、互相关模块和帧同步检测模块；
其中，差分运算模块用于对接收基带I、Q信号进行运算，得到接收基带I、Q信号的一比特、三比特以及五比特差分信号；
互相关模块用于计算本地与接收基带I、Q信号的一比特信号的互相关结果，三比特信号的互相关结果，以及五比特差分信号的互相关结果，并且将同一时刻的互相关结果进行累加作为双相关结果并发送给帧同步检测模块；
其中互相关计算的公式为其中corλ(nT)表示对应比特的差分信号的互相关结果，Lλ(t)表示本地基带I、Q信号的对应比特的差分信号，Δλ(t)表示接收基带I、Q信号的对应比特的差分信号，t表示采样时间，N表示前导序列的长度，T为码元周期，n为大于等于1的整数，比特标识符λ∈{1,3,5}；
帧同步检测模块用于基于互相关模块输出的各时刻的双相关结果值，根据峰值进行帧同步检测，并将帧同步检测结果发送给后端的载波同步模块；
所述载波同步模块用于对接收基带I、Q信号的复基带信号与本地复基带信号的共轭进行复数乘法运算后，对运算结果进行FFT运算，将FFT运算结果进行求模后输出至相干解调与RS译码模块；
所述相干解调与RS译码模块用于计算接收基带I、Q信号与本地本地基带I、Q信号的互相关，然后对互相关结果进行exp指数运算，判决解调，最后对解调比特进行RS译码输出。
进一步的，帧同步检测模块的帧同步检测具体为：
按照采样时序排列局部脉冲峰值点，得到局部脉冲峰值序列，采用滑窗的方式对局部脉冲峰值序列进行帧同步检测：
设置滑窗的大小为2k+1，步长为1，其中k为大于等于1的自然数；
按照滑窗方向，依次将滑窗内的2k+1个局部脉冲峰值点位置的位置编号设置为0,1,2，…，2k，各位置的局部脉冲峰值定义为S0，S1，…，Sk，Sk+1，…，S2k；
将位置编号为k的局部脉冲峰值Sk分别与其他2k个局部脉冲峰值进行比较判决，若则当前比较结果δi＝1，否则当前比较结果δi＝0，其中Thi表示位置编号为i的比较门限，且Thi≥1，位置标识符i＝0,2,…,2k+1且i≠k；
若满足判决结果则将当前滑窗所在的位置置为帧同步标识，得到帧同步检测结果。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：适用于星载环境，具有大的动态范围、强的抗频偏性能以及高的接收灵敏度。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图；
图2是信号检测以及帧同步部分结构示意图。
图3是载波同步部分结构示意图。
图4是相干解调及RS译码部分结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
参见图1，本发明的适用于星载环境下的UAT接收系统，包括信号接收模块、信号检测与帧同步模块、载波同步模块、相干解调与RS译码模块、本地第存储模块1和本地存储模块2；
其中，本地存储模块1用于存储本地基带I、Q信号的一比特、三比特和五比特差分信号；本地存储模块2用于存储本地基带I、Q信号的本地复基带信号；信号接收模块用于接收UAT射频信号，并进行射频解调，得到接收基带I、Q信号并发送至后端的信号检测与帧同步模块、载波同步模块，以及相干解调与RS译码模块。
其中，本地基带I、Q信号的获取方式通常为：根据采用的CPM调制方式，对接收报文的同步头进行信号调制，得到本地基带I、Q信号。例如将UAT接收报文中的36比特同步序列按照UAT技术协议中规定的信号调制方式调制得到本地基带I、Q信号。
检测与帧同步模块包括差分运算模块、互相关模块和帧同步检测模块，如图2所示，其中差分运算模块用于完成对接收基带信号的差分运算，分别包括一比特、三比特以及五比特差分运算。
接收基带I、Q信号的表达式为：
其中，fd为未知频偏，为信息相位，θ为未知初相。根据以上表达式，求解nT时刻(T为码元周期，n为大于等于1的整数，)与(n+1)T时刻的一比特差分、nT时刻与(n+3)T时刻的三比特差分以及nT时刻与(n+5)T时刻的五比特差分运算表达式为：
其中，Δ1(nT)、Δ3(nT)与Δ5(nT)分别为nT时刻的一比特、三比特以及五比特差分运算结果，为(n+1)T时刻与nT时刻的信息相位差，为(n+3)T时刻与nT时刻的信息相位差，为(n+5)T时刻与nT时刻的信息相位差。
互相关模块用于完成接收基带I、Q信号的一比特、三比特和五比特差分信号与本地基带I、Q信号的一比特、三比特和五比特差分信号之间的互相关运算，分别将接收基带I、Q信号的一比特、三比特和五比特差分信号与本地基带I、Q信号的一比特、三比特、五比特差分信号进行互相关运算，然后将同一时刻的三组互相关结果值累加作为双相关结果输出。互相关模块的运算表达式表示如下：
其中，cor(nT)为nT时刻输出的双相关结果值，N为UAT技术协议中规定的前导序列的长度，L1(t)、L3(t)和L5(t)分别为本地基带I、Q信号的一比特、三比特以及五比特差分信号，Δ1(t)、Δ3(t)和Δ5(t)分别为接收基带I、Q信号的一比特、三比特以及五比特差分信号。
帧同步检测模块(即互相关峰搜索模块)用于基于互相关模块输出的各时刻的双相关结果值，根据峰值进行帧同步检测，并将帧同步检测结果发送给后端的载波同步模块；其中帧同步检测具体为：
基于各采样点的双相关结果值cor(nT)，得到按照采样点时序排列的局部脉冲峰值点序列，采用滑窗的方式对窗口内局部脉冲峰值点进行帧同步检测，其中滑窗的步长为1，窗口大小为2k+1，k为大于等于1的自然数，具体取值基于使用场景根据经验值进行设置。
滑窗内的帧同步检测具体为：
按照滑窗方向(从左到右或从右到左)，依次设置将滑窗内的2k+1个局部脉冲峰值点位置的位置编号为0,1,2，…，2k，则各位置的局部脉冲峰值定义为S0，S1，…，Sk，Sk+1，…，S2k；同时为2k个位置分别设置一个比较门限值Thi(i＝0,2,…,2k+1且i≠k)，比较门限值Thi可综合实际接收信号以及设计要求进行设定即可，取值为Thi≥1，优选的取值范围为[1,2]；
然后如下比较判决：若满足判决结果则认为检测到前导序列，同时将当前滑窗所在的位置置为帧同步标识，得到帧同步检测结果。
例如，设置k＝3，则每次帧同步检测判断的长度为7，除同步检测判断序列的第4个外，设置6个比较门限值Thi，对已得到的互相关值进行局部脉冲峰值检测后，对得到的局部脉冲峰值序列按步长为1、窗口为7的滑窗进行比较门限判决，将满足的当前滑窗所在的位置置为帧同步标识，如图4所示。
此外，还可以设置一个长度为2k+1的先进先出队列，基于各采样点的双相关结果值cor(nT)，将检测出的双相关结果值的局部脉冲峰值按采样点时序压入队列，实时对队列的2k+1个局部脉冲峰值进行帧同步判断，判断方式与滑窗内的帧同步检测方式类似。即为每个非队列中间位置设置一个比较门限，得到2k个比较门限值，其中比较门限为大于或等于1的数值；并实时对队列的2k+1个局部脉冲峰值进行帧同步判断：将位于队列的中间位置的的局部脉冲峰值与非队列中间位置的局部脉冲峰值的比值与对应的比较门限进行比较，若比值大于或等于比较门限值，则将当前非队列中间位置的判决结果置为1；否则置为0；判断所有判决结果的累加和是否为2k，若是，则将先进先出队列的当前2k+1个局部脉冲峰值所对应的序列段置为帧同步标识，得到帧同步检测结果。
载波同步模块用于对接收基带I、Q信号的复基带信号与本地复基带信号的共轭进行复数乘法运算后，对运算结果进行FFT运算，将FFT运算结果进行求模后输出至相干解调与RS译码模块，其具体结构可参考图3，包括复数乘法模块、FFT运算模块以及频偏与相位计算模块。
其中，复数乘法模块用于从接收基带信号中剥离掉由于36比特同步序列所引入的信息相位，接收复基带信号的表达式为本地复基带信号的共轭表达式为其中e表示自然底数，j表示虚数单位，进行复数乘法，如下式所示：
该信号为单频信号，信号的频率为UAT接收信号中的未知频偏，信号的初相UAT信号中的未知相位。
FFT运算模块用于对单频信号进行FFT运算，并且求解FFT结果的模值。
频偏与相位计算模块的处理过程如下：
首先，从FFT模块输出的模值结果中搜索峰值，假设搜索到的峰值为X0，峰值索引为p，将与该峰值左右相邻的两个FFT模值结果记为X-1和X1，将峰值X0所对应的FFT结果的实部和虚部分别记为Xr和Xi。
然后，根据X-1、X0和X1进行高斯插值，插值计算公式如下所示：
其中，v0和v均为归一化频率，T为码元周期，K为基带信号的过采样倍数，fft_len为FFT运算的长度，N为UAT技术协议中规定的同步序列的长度。
接着，计算频偏估计值计算公式为：
最后，计算初相估计值计算公式为：
所述相干解调与RS译码模块用于计算接收基带I、Q信号与本地本地基带I、Q信号的互相关，然后对互相关结果进行exp指数运算，判决解调，最后对解调比特进行RS译码输出。参见图4，其具体包括互相关模块、本地基带I、Q信号计算模块、求模累加模块、exp指数运算模块、比较判决模块和RS译码模块；
其中，本地基带I、Q信号计算模块用于向互相关模块输出本地基带I、Q信号的0或1比特；
四个互相关模块用于分别计算接收基带I信号预本地基带I信号的0比特、1比特；以及接收基带Q信号预本地基带Q信号的0比特、1比特的互相关结果，并将I、Q信号的互相关结果分别输入求模累加模块；
两个求模累加模块用于分别计算I和Q信号的0比特的互相关结果的求模累加，并将累加结果输入exp指数运算模块；
比较判决模块用于对两个exp指数运算模块输出的exp指数运算结果进行判决处理，并将判决结果输入RS译码模块，其中判决处理为：若比特0的结果大于比特1，则判为比特0，反之则判为比特1；将一帧数据判决完毕之后，便可将解调比特送入RS译码模块。
RS译码模块基于判决结果对解调比特进行RS译码，输出译码信息。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
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 (3)

1.一种适用于星载环境下的UAT接收系统，其特征在于，包括信号接收模块、信号检测与帧同步模块、载波同步模块、相干解调与RS译码模块、本地第一存储模块和本地第二存储模块；
所述本地第一存储模块用于存储本地基带I、Q信号的一比特、三比特和五比特差分信号；
所述本地第二存储模块用于存储本地基带I、Q信号的本地复基带信号；
所述信号接收模块用于接收UAT射频信号，并进行射频解调，得到接收基带I、Q信号并发送至后端的信号检测与帧同步模块、载波同步模块，以及相干解调与RS译码模块；
所述检测与帧同步模块包括差分运算模块、互相关模块和帧同步检测模块；
其中，差分运算模块用于对接收基带I、Q信号进行运算，得到接收基带I、Q信号的一比特、三比特以及五比特差分信号；
互相关模块用于计算本地与接收基带I、Q信号的一比特信号的互相关结果，三比特信号的互相关结果，以及五比特差分信号的互相关结果，并且将同一时刻的互相关结果进行累加作为双相关结果并发送给帧同步检测模块；
其中互相关计算的公式为其中corλ(nT)表示对应比特的差分信号的互相关结果，Lλ(t)表示本地基带I、Q信号的对应比特的差分信号，Δλ(t)表示接收基带I、Q信号的对应比特的差分信号，t表示采样时间，N表示前导序列的长度，T为码元周期，n为大于等于1的整数，比特标识符λ∈{1,3,5}；
帧同步检测模块用于基于互相关模块输出的各时刻的双相关结果值，根据峰值进行帧同步检测，并将帧同步检测结果发送给后端的载波同步模块；
所述载波同步模块用于对接收基带I、Q信号的复基带信号与本地复基带信号的共轭进行复数乘法运算后，对运算结果进行FFT运算，将FFT运算结果进行求模后输出至相干解调与RS译码模块；
所述相干解调与RS译码模块用于计算接收基带I、Q信号与本地本地基带I、Q信号的互相关，然后对互相关结果进行exp指数运算，判决解调，最后对解调比特进行RS译码输出。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，帧同步检测模块的帧同步检测具体为：
按照采样时序排列局部脉冲峰值点，得到局部脉冲峰值序列，采用滑窗的方式对局部脉冲峰值序列进行帧同步检测：
设置滑窗的大小为2k+1，步长为1，其中k为大于等于1的自然数；
按照滑窗方向，依次将滑窗内的2k+1个局部脉冲峰值点位置的位置编号设置为0,1,2，…，2k，各位置的局部脉冲峰值定义为S0，S1，…，Sk，Sk+1，…，S2k；
将位置编号为k的局部脉冲峰值Sk分别与其他2k个局部脉冲峰值进行比较判决，若则当前比较结果δi＝1，否则当前比较结果δi＝0，其中Thi表示位置编号为i的比较门限，且Thi≥1，位置标识符i＝0,2,…,2k+1且i≠k；
若满足判决结果则将当前滑窗所在的位置置为帧同步标识，得到帧同步检测结果。
3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述相干解调与RS译码模块包括互相关模块、本地基带I、Q信号计算模块、求模累加模块、exp指数运算模块、比较判决模块和RS译码模块；
其中，本地基带I、Q信号计算模块用于向互相关模块输出本地基带I、Q信号的0或1比特；
四个互相关模块用于分别计算接收基带I信号预本地基带I信号的0比特、1比特；以及接收基带Q信号预本地基带Q信号的0比特、1比特的互相关结果，并将I、Q信号的互相关结果分别输入求模累加模块；
两个求模累加模块用于分别计算I和Q信号的0比特的互相关结果的求模累加，并将累加结果输入exp指数运算模块；
比较判决模块用于对两个exp指数运算模块输出的exp指数运算结果进行判决处理，并将判决结果输入RS译码模块，其中判决处理为：若比特0的结果大于比特1，则判为比特0，反之则判为比特1；
RS译码模块基于判决结果对解调比特进行RS译码，输出译码信息。
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