CN113132276A

CN113132276A - 一种用于远程无人机图传的单载波频域均衡传输系统

Info

Publication number: CN113132276A
Application number: CN202110285835.6A
Authority: CN
Inventors: 边慧颖; 张德海; 刘鹏
Original assignee: National Space Science Center of CAS
Current assignee: National Space Science Center of CAS
Priority date: 2021-03-17
Filing date: 2021-03-17
Publication date: 2021-07-16
Anticipated expiration: 2041-03-17
Also published as: CN113132276B

Abstract

本发明属于无人机无线通信领域，尤其涉及一种用于远程无人机图传的单载波频域均衡传输系统，所述系统包括：部署在无人机上的发送端和部署在地面的接收端；其中，所述发送端，用于对采集的二进制图传信号进行编码和调制处理得到符号序列，并对符号序列进行分块处理同时插入独特字作为循环前缀，封装成自定义格式的数据帧并发送；所述接收端，用于接收经信道传输的数据帧，进行时频同步、解帧处理，移除循环前缀后进行FFT变换、频域均衡和IFFT变换，再经解调和译码处理，得到无人机图传的信息序列。本发明设计实现的自定义格式的数据帧结构增加了有效数据的长度，大大提高了有效数据的传输效率。

Description

一种用于远程无人机图传的单载波频域均衡传输系统

技术领域

本发明属于无人机无线通信领域，尤其涉及一种用于远程无人机图传的单载波频域均衡传输系统。

背景技术

无人机通信系统属于典型的无线通信系统，传输时，通信距离远、地形地貌复杂、移动台的移动速度、传播路径复杂等因素会导致严重的多径衰落，从而对无线通信系统的性能产生较大的影响，降低无人机通信的可靠性。目前常用的对抗多径衰落的方法主要有OFDM、SC-TDE、SC-FDE。其中SC-FDE系统兼具单载波和正交频分复用(OFDM)的优点，在有效消除码间串扰的同时又避免了多载波传输技术峰均比(PARA)高、对频偏敏感等缺点。

单载波频域均衡(SC-FDE)技术中数据是以帧为单位进行传输的。先将数据分成FFT数据块再进行处理，并通过在每个数据块的前端加入循环前缀(CP)来消除数据块之间的干扰。目前常用独特字(UW)来代替循环前缀(CP)，其具有自相关性好、频率响应平稳的特性，它不仅可以用来做循环前缀，还可用于同步及信道估计与均衡。由于SC-FDE系统分块传输和添加循环前缀的特性，设计合理的帧结构不仅可以改善系统的性能，而且可以提高系统的带宽利用率和数据传输的速率。在无人机高速数据传输系统中信道为时变信道，且传输模式多为突发传输，基于单载波频域均衡技术针对其特殊性并建立新的传输模式具有重要的意义。

传统的帧结构根据插入独特字的块数不同分为单块独特字传输帧、多块独特字传输帧，连续传输和突发传输模式下帧结构如图1、2、3、4所示：

不同帧结构的带宽利用率如表1所示：

表1不同帧结构的带宽利用率

无人机无线通信系统为时变信道，且传输环境较为复杂，因此在实际应用中，多采用突发传输模式，以保证数据的传输质量。由表1可知，在突发模式下，多块独特字传输帧带宽利用率低。单块独特字传输帧带宽利用率明显高于多块独特字传输帧。但由于单块独特字传输帧中每段负载数据前的UW序列既要用于克服码间串扰，避免前一个SC-FDE符号对当前符号的干扰，又要作为导频信号用于信道估计和频域均衡，信道估计的准确度会大大降低。因此，传统的帧结构无法兼顾带宽利用率与系统性能的不足。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种用于远程无人机图传的单载波频域均衡信号处理系统。

针对现有的单载波均衡(SC-FDE)技术中现有的突发传输模式下传输数据帧带宽利用率较低，且无法兼顾带宽利用率和无线通信系统性能的不足，提出了一种新的帧结构，增加了有效数据的长度，提高了带宽利用率和系统传输速率。

为了实现上述目的，本发明提出了一种用于远程无人机图传的单载波频域均衡传输系统，所述系统包括：部署在无人机上的发送端和部署在地面的接收端；其中，

所述发送端，用于对采集的二进制图传信号进行编码和调制处理得到符号序列，并对符号序列进行分块处理同时插入独特字作为循环前缀，封装成自定义格式的数据帧并发送；

所述接收端，用于接收经信道传输的数据帧，进行时频同步、解帧处理，移除循环前缀后进行FFT变换、频域均衡和IFFT变换，再经解调和译码处理，得到无人机图传的信息序列。

作为上述系统的一种改进，所述数据帧包括帧头和数据部分；其中，

所述帧头包括独特字UW和同步序列；

所述数据部分包括a个子帧；其中，每个子帧包括子帧头和b个小帧；a个子帧的子帧头相同；

所述子帧头包括独特字UW、UW组信道估计序列和独特字UW；其中，UW组信道估计序列包括B块独特字UW；

所述小帧包括符号序列和独特字UW。

作为上述系统的一种改进，所述接收端设置同步模块、解帧模块、时频变换及频域均衡模块和解调译码模块；其中，

所述同步模块，用于接收经信道传输的数据帧，对同步序列采用park算法进行时频同步，确定数据帧的帧头；

所述解帧模块，用于对确定了帧头的数据帧进行解帧处理，得到a个子帧；

所述时频变换及频域均衡模块，用于依次取出每个子帧，由该子帧的子帧头的UW组信道估计序列，计算得到信道估计，根据信道估计，对该子帧内b个小帧的数据分别进行FFT、频域均衡和IFFT，再进行并串变换，并输入解调译码模块；直至a个子帧都处理完毕；

所述解调译码模块，用于对收到的序列依次进行解调和译码处理，得到无人机图传的信息序列。

作为上述系统的一种改进，所述由该子帧的子帧头的UW组信道估计序列，计算得到信道估计，具体为：

UW组信道估计序列包括B块独特字UW，根据下式对B次估计值取平均值得到UW组信道估计

其中，U(j)_l为第l块独特字UW的频域表示，j表示频域，j＝0，1....A，由对应的第l块独特字UW的时域信号u(i)_l进行A点FFT变换得到，i表示时域，长度为A，D(j)_l为接收端收到的第l块独特字UW的频域表示，由接收端收到的第l块独特字UW的时域信号d(i)_l，进行A点FFT变换得到。

作为上述系统的一种改进，所述根据信道估计，对该子帧内b个小帧的数据分别进行FFT、频域均衡和IFFT，再进行并串变换，并输入解调译码模块；具体为：

将UW组信道估计

长度为A，变换为时域信道估计

e表示长度；

在

后进行插值补零，将长度补充为与FFT数据块长度相同的长度N，得到

f表示插值补零后的长度，对应的频域表示为

令信道传输函数

由下式计算得到频域均衡器的抽头系数W_m为：

其中，

为H_m的复共轭，SNR为信噪比，

σ为均方根误差；

根据频域均衡器的抽头系数W_m和信道传输函数H_m，对该子帧内每个小帧的数据分别进行FFT、频域均衡和IFFT，再进行并串变换，并输入解调译码模块。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本发明提出了一种用于远程无人机图传的单载波频域均衡传输系统，在进行传输时，使用的适合远程无人机图传的SC-FDE帧结构增加了有效数据的长度，大大提高了有效数据的传输效率；

2、本发明利用多个连续的UW序列进行信道估计后求平均，减少了噪声和信道突发情况对系统性能的影响，提高了信道估计的精度；在信道相干时间内使用相同的均衡系数对多组有效数据进行均衡，减少了不必要的信道估计；有效控制了FFT变换的点数，降低了硬件实现的难度；

3、本发明中的传输数据帧仅利用帧头的位置进行了时频同步，数据部分无需重复进行时频同步，即实现了仅一次同步便可对FFT数据块连续传输。

附图说明

图1是现有的单块字连续传输模式数据帧；

图2是现有的单块字突发传输模式数据帧；

图3是现有的多块字连续传输模式数据帧；

图4是现有的多块字突发传输模式数据帧；

图5是本发明的SC-FDE系统原理框图；

图6是本发明的自定义数据帧结构图；

图7是本发明的自定义数据帧的帧头结构图；

图8是本发明的自定义数据帧的数据部分结构图；

图9是本发明的自定义数据帧的同步序列结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

无人机无线通信系统多采用突发传输模式，在此模式下，要想提高数据的传输效率，可以增加每帧的有效数据的长度。当总帧长较大时，便不能假设信道在一帧的持续时间内近似恒定，这将大大降低信道估计的准确性。除此之外，一帧信号的时长与系统在做频域均衡之前FFT变换的点数密切相关，信号的持续时间越长，FFT变换的点数越多，在工程实现过程中对硬件的性能要求越高。

在实际的工程应用中，传输帧结构应该至少满足以下要求：一是循环前缀或者独特字的长度满足功能要求；二是在保证性能的同时尽可能提高数据传输的效率；三是要结合实际尽量降低硬件实现的难度。基于以上，本发明提出了一种新的数据传输帧。

数据帧分为同步头和数据部分。同步头用于接收端对信号进行时频同步。数据部分共包含a个子帧，这里假设每个子帧时长内信道是近似不变的。每个子帧里面包含信道估计序列和b个小帧，其中信道估计序列采用连续多块UW序列组成UW组，并取其信道估计的平均值作为信道估计的最终值。每个子帧中将数据部分分为b个小帧，FFT的长度如图7所示，减少了FFT变换的点数，可降低硬件的实现难度。FFT数据块用于时域到频域的转换，将信号转换到频域，并在接收端进行信道频域均衡。

由于假设每个子帧时长内信道是近似不变的，因此在子帧内做一组信道估计，可以用于子帧中b个小帧的信道均衡。FFT数据块用于时域到频域的转换，将信号转换到频域，并在接收端进行信道频域均衡。

实施例1

如图5所示，本发明的实施例1提供了一种用于远程无人机图传的单载波频域均衡传输系统。该系统包括：部署在无人机上的发送端和部署在地面的接收端；其中，

所述接收端，用于接收经信道传输的数据帧，进行解帧处理，移除循环前缀后进行时频同步、FFT变换、频域均衡和IFFT变换，再经解调和译码处理，得到无人机图传的信息序列。接收端设置同步模块、解帧模块、时频变换及频域均衡模块和解调译码模块；其中，

所述同步模块，用于接收经信道传输的数据帧，通过同步序列进行时频同步，确定数据帧的帧头；

数据帧结构如图6-9所示。数据帧包括帧头和数据部分；其中，所述帧头包括独特字UW和同步序列；所述数据部分包括a个子帧；其中，每个子帧包括子帧头和b个小帧；a个子帧的子帧头相同；所述子帧头包括独特字UW、UW组信道估计序列和独特字UW；其中，UW组信道估计序列包括B块独特字UW；所述小帧包括符号序列和独特字UW。本发明的数据帧结构增加了有效数据的长度，大大提高了有效数据的传输效率，是本发明的一个创新点。

整个系统处理分为三个步骤：

步骤1)对原始的二进制信号进行编码、调制得到符号序列，并对信号进行分块处理同时插入独特字UW作为循环前缀，封装成自定义格式的数据帧；

步骤2)完整的数据帧经过信道，在接收端利用同步序列进行时频同步，确定帧的起始位置；去除循环前缀，通过FFT变换将接收信号变换到时域，并利用已知的训练序列进行信道估计，得到信道的传输函数，并对信号进行频域均衡，以消除信道对信号产生的影响；

时频同步包括符号定时同步和载波同步，以确定数据帧的正确起始位置，找到帧头。本发明的一个创新点是传输数据帧仅利用帧头的位置进行时频同步，数据部分无需重复进行，即实现了仅一次同步便可对FFT数据块连续传输。

同步序列由如图9，由四部分组成，这四段具有共轭对称性，即序列C和序列D满足共轭对称。对同步序列采用park算法进行符号定时同步和载波同步，即统称为时频同步，具体的算法如下：

序列C表示长为M/4的独特字序列UW，同步序列的时域数据x＝[x₀,x₁,…,x_M-1]，有以下性质：

x_k＝x_k+M/2，k＝0,1,…,M/4-1

基于以上结构特点的同步序列，park算法的符号定时估计满足下式：

其中P(h)为定时测量函数，当P(h)最大时对应的符号即为符号定时的位置

当符号定时无误时，频偏估计

为：

为估计出的角频率，

相关函数E(h)和能量归一化项F(h)分别为：

将UW组信道估计

长度为A，变换为时域信道估计

e表示长度；

在

f表示插值补零后的长度，对应的频域表示为

令信道传输函数

由下式计算得到频域均衡器的抽头系数W_m为：

其中，

为H_m的复共轭，σ为均方根误差，SNR为信噪比，

由卷积定理可知，若发送端发送数据时域表示为s_n，长度为N，信道冲击响应为h_n，，接收端的时域表示为r_n，接收端接收的信号为：

式中v_n为加性高斯白噪声，方差为

对r_n进行FFT变换，转换到频域则有：

R_m＝S_mH_m+V_m，m＝0，1，...，N-1 (4)

R_m是接收数据的频域表示，S_m发送数据的频域表示，H_m是h_n对应的频率响应，因此频域接收信号R_m经过频域均衡器之后如下式所示，频域均衡器的抽头系数为W_m：

Y_m＝W_mR_m＝W_mH_mS_m+W_mV_m (5)

将均衡后的信号变换到时域，得到：

对于最小均方误差(MMSE)频域均衡，当系统均方误差无限小时，即可认为经过频域均衡器处理的数据接近于发送端发送的数据。

将系统的均方误差定义为：

E(|e_n|²)＝E((y_n-s_n)²) (7)

将均方误差变换到频域，则有：

对式(6)求导，令导数为零，便可得到下式，W_m即为使得系统均方误差最小的频域均衡系数。

式中

是H_m的复共轭，H_m可由信道估计所得的估计值

近似代替表示。本发明利用多个连续的UW序列进行信道估计后求平均，减少了噪声和信道突发情况对系统性能的影响，提高了信道估计的精度；在信道相干时间内使用相同的均衡系数对多组有效数据进行均衡，减少了不必要的信道估计；有效控制了FFT变换的点数，降低了硬件实现的难度；这是本发明的一个创新点。

步骤3)继续对均衡后的数据进行解调、译码，得到输出端的输出信息序列。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。