CN113783820B - 一种基于星载vde的qpsk-cpm扩频多用户检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于星载VDE的QPSK‑CPM扩频多用户检测方法，包括步骤1：对接收的VDE信号进行GPS的UTC时隙校正对齐和数据截取，在截取的数据中取前4096个采样点和补零后的本地帧头序列进行FFT相关运算；步骤2：取64个点为底噪滑动窗口大小，滑动找到任一频率的4096点相关峰值功率最小窗口计算底噪平均幅度值，并以底噪平均幅度值的固定倍数作为底噪门限；步骤3：依次找到幅度大于底噪门限，且幅度较大的64个相关峰值，记为最大相关峰组，用频偏和延时组成的二维区域扫描算法剔除同区域内的次大相关峰值和其它相关峰值，选出最大值；步骤4：对CPM相关固有的频率域旁瓣毛刺进行了干扰剔除。

Description

一种基于星载VDE的QPSK-CPM扩频多用户检测方法
技术领域
本发明涉及星载通信技术领域，特别涉及一种基于星载VDE的QPSK-CPM扩频多用户检测方法。
背景技术
星载VDE系统利用近地轨道卫星接收和发射VDE信号，能够实现对天线覆盖范围所有海域内船舶的星地通信。G1139 VDES标准定义了卫星上行的数据确认信令通道和随机接入通道必须使用Link ID 20物理层帧格式，而Link ID 20物理层帧格式选用的是QPSK-CPM扩频调制方式，其中CPM扩频采用CPM波形对QPSK调制信号进行16倍扩频。由于在随机接入时存在多用户竞争的情况，提升QPSK-CPM扩频多用户检测能力即可以有效提升用户随机接入的能力，提升VDE通信的整体性能，为未来复杂、多功能的海上VDE通信应用打下了基础。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种基于星载VDE的QPSK-CPM扩频多用户检测方法，解决星载VDE通信中数据确认信令通道和随机接入通道存在的多用户信号混叠冲突问题。
为了达到上述发明目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种基于星载VDE的QPSK-CPM扩频多用户检测方法，包括以下步骤：
步骤1：星载接收的VDE信号进行下变频和滤波后，进行GPS的UTC时隙校正对齐和数据截取，在截取的整帧数据中取前4096个采样点和补零后的本地帧头序列进行FFT相关运算；
步骤2：取64个点为底噪滑动窗口大小，滑动找到任一频率的4096点相关峰值的功率最小窗口计算底噪平均幅度值，并以底噪平均幅度值的固定倍数作为底噪门限；
步骤3：依次找到幅度大于底噪门限，且幅度较大的64个相关峰值，记为最大相关峰组，用频偏和延时组成的二维区域扫描算法剔除同区域内的次大相关峰值和其它相关峰值，选出最大值，避免同区域出现误检；
步骤4：对CPM相关固有的频率域旁瓣毛刺进行了干扰剔除。
进一步的，步骤3中，所述二维区域扫描算法以最大相关峰值开始，对最大相关峰组其它峰值进行扫描，若发现与最大相关峰所在同一区域内，则把其剔除出最大相关峰组；同样，在剔除后的最大相关峰组内找到次大值，并对最大相关峰组其它峰值进行扫描，若发现与次大相关峰所在同一区域内，则把其剔除出最大相关峰组；按以上方法依次扫描找出各个不同区域内的单个最大相关峰值。
进一步的，步骤4中，经过步骤3中找出的不同区域内的单个最大相关峰值需进行CPM相关固有频率域旁瓣剔除，固有旁瓣和CPM的扩频和过采样倍数有关，根据扩频和过采样倍数关系，对旁瓣频率区域进行二维区域扫描剔除，最终剔除后的最大相关峰组就是所需的多用户检测频率和延时位置。
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
本发明提供的基于星载VDE的QPSK-CPM扩频多用户检测方法，结合星载VDE上行QPSK-CPM扩频的最大解调能力，面对多用户复杂时隙冲突环境，设计了新型高效的QPSK-CPM扩频多用户检测方法，在克服了相关峰衰落影响的同时，剔除了CPM频率域旁瓣的干扰，加强了强信号和弱信号混叠的多用户准确检测能力，减少了帧头同步扫描搜索的复杂度和硬件实现难度，防止了相关峰同区域误检和强信号相关峰旁瓣对弱信号检测的影响，提升了多个混叠用户信号的综合处理能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：
图1为本发明一种基于星载VDE的QPSK-CPM扩频多用户检测方法的实现流程图；
图2为一种VDE卫星通信时隙分配方案；
图3为单用户时QPSK-CPM扩频信号的相关峰三维图；
图4为信号峰值频偏处的延时方向相关峰值图；
图5为信号峰值延时处的频偏方向相关峰值图；
图6为信号峰值延时处的频偏方向旁瓣相关峰值图；
图7为8个用户QPSK-CPM扩频信号混叠后的相关峰三维图；
图8为8个用户QPSK-CPM扩频信号混叠后的延时方向相关峰值图；
图9为8个用户QPSK-CPM扩频信号混叠后的频偏方向相关峰值图；
图10为两个功率相差12dB的用户信号进行混叠后的频偏方向相关峰值图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本实施例公开了一种基于星载VDE的QPSK-CPM扩频多用户检测方法，包括以下步骤：
步骤1：星载接收的VDE信号进行下变频和滤波后，进行GPS的UTC时隙校正对齐和数据截取，在截取的整帧数据中取前4096个采样点和补零后的本地帧头序列进行FFT相关运算；
步骤2：取64个点为底噪滑动窗口大小，滑动找到任一频率的4096点相关峰值的功率最小窗口计算底噪平均幅度值，并以底噪平均幅度值的固定倍数作为底噪门限；
步骤3：依次找到幅度大于底噪门限，且幅度较大的64个相关峰值，记为最大相关峰组，用频偏和延时组成的二维区域扫描算法剔除同区域内的次大相关峰值和其它相关峰值，选出最大值，避免同区域出现误检；
步骤4：对CPM相关固有的频率域旁瓣毛刺进行了干扰剔除。高效的区域扫描算法可有效减少多用户检测的硬件资源占用，提升了星载VDE的QPSK-CPM扩频多用户检测的准确性和有效性，增强了多用户检测的处理能力。
进一步的，步骤3中，所述二维区域扫描算法以最大相关峰值开始，对最大相关峰组其它峰值进行扫描，若发现与最大相关峰所在同一区域内，则把其剔除出最大相关峰组；同样，在剔除后的最大相关峰组内找到次大值，并对最大相关峰组其它峰值进行扫描，若发现与次大相关峰所在同一区域内，则把其剔除出最大相关峰组；按以上方法依次扫描找出各个不同区域内的单个最大相关峰值。
进一步的，步骤4中，经过步骤3中找出的不同区域内的单个最大相关峰值需进行CPM相关固有频率域旁瓣剔除，固有旁瓣和CPM的扩频和过采样倍数有关，根据扩频和过采样倍数关系，对旁瓣频率区域进行二维区域扫描剔除，最终剔除后的最大相关峰组就是所需的多用户检测频率和延时位置。
具体的，G1139 VDES标准定义了卫星上行的数据确认信令通道和随机接入通道必须使用Link ID 20物理层帧格式，如图2中的DSCH(数据确认信令)时隙通道和RAC(随机接入)时隙通道，而Link ID 20物理层帧格式选用的是QPSK-CPM扩频调制方式，其中CPM扩频采用CPM波形对QPSK调制信号进行16倍扩频。由于在随机接入时存在多用户竞争的情况，提升QPSK-CPM扩频多用户检测能力即可以有效提升用户随机接入的能力。为了提升星载VDE通信系统多用户的通信和接入效率，有效接收用户信息，本实施例提出了一种基于星载VDE的QPSK-CPM扩频多用户检测方法，采用频偏和延时组成的二维区域扫描剔除算法，选出最大值，并对同一区域的其它值进行剔除，避免出现误检，并且对CPM固有的频率域毛刺进行了干扰剔除，提升了CPM扩频多用户检测的准确性和有效性，为未来复杂、多功能的海上VDE信号通信应用打下了基础。
G1139 VDES标准定义的卫星上行Link ID 20的主要物理层指标如下：
Link ID 20
通道带宽 50KHz
信号带宽 42KHz
CPM扩频码片速率 33.6kcps
扩频倍数 16倍
符号速率 2.1Ksps
突发信号占用 5个时隙
突发信号持续时间 125.3ms
同步字长度 48个符号
同步字和数据调制方式 QPSK-CPM扩频
突发信号符号数 263个
首先，卫星根据协议层确定的接收数据确认信令及随机接入通道的对应时隙接收Link ID 20物理层帧格式的QPSK-CPM扩频信号，接收的VDE信号进行下变频后，以4倍符号速率采样处理(这里CPM扩频的码片速率为33.6Kcps，4倍采样速率为134.4KHz)，根据G1139VDES标准中计算的星地信号传输延时范围2ms～10ms，进行接收GPS信号的对应时隙UTC时间校正和延后2ms(对应269个采样点)时刻开始整帧数据截取，在截取的整帧数据中取前4096个采样点和补零后的本地帧头序列进行FFT相关运算，其中本地4096采样点的序列组成是：帧头48个符号×16倍扩频×4倍采样+1024个补0。
扫描相关的方法是对频率和延时进行二维扫描相关，其中由于这里选取的是4倍采样，采样率为134.4KHz，对本地序列进行4096点循环移位FFT，每循环移位1比特，频率步进为32.8Hz(即134.4KHz除以4096点)，根据G1139的VDES标准中建议的卫星轨道多普勒频移和天线覆盖角度范围，卫星接收最大频偏范围为±4.5KHz,即需要进行275点频率扫描(即9KHz除以32.8Hz)，可以覆盖±4.5KHz的最大频偏范围。
本地和外部输入数据的相关相当于时域的圆周相关，而时域卷积等于频域相乘，即时域的圆周相关和频域的FFT存在如下关系：
其中X(k)、Y(k)分别是x(k)、y(k)的傅立叶变换，“*”表示共轭。
对以上相关后的信号rxy(m)取绝对值，再对取绝对值后的相关峰值进行最大值检测。
根据以上频率和延时二维扫描相关结果，共产生了275组4096点的相关峰值，例如单用户时QPSK-CPM扩频信号的相关峰三维结果如图3；延时方向相关峰值如图4，因为4倍扩频码片过采样，延时方向相关峰宽度区域为±5个采样点内；频偏方向相关峰值如图5，频率步进为32.8Hz，频率方向相关峰宽度区域为±2个频偏点内(即±65.6Hz)。
另外频偏方向观测范围扩大后如图6，在同延时位置的频偏方向主峰两边还有2个较小幅度的相关峰旁瓣信号。
由以上QPSK-CPM扩频信号的相关峰特性，剔除区域的大小选择为记录最大峰值延时位置的±5个采样点，最大峰值频偏位置的±65.6Hz为剔除区域。
取275组中任一组4096点相关峰值，计算底噪门限值。计算底噪门限值的方法为设底噪滑动窗口大小为例如64点，滑动找到4096点相关峰值最小功率的64点窗口计算底噪平均值，并以最小底噪窗口平均幅度值的8倍作为底噪门限，用于对后续底噪信号进行剔除。
对产生的275组4096点的相关峰值与底噪门限进行流水线比较，若小于门限则直接剔除，若大于门限则记录并和前面的最大值进行比较，直到按从大到小的顺序记录多个最大值及对应频率和延时的位置(最大记录64个)。
一般处理方式采样首先以最大峰值延时分组，再以频偏剔除的方法，处理较为复杂，计算量大，这里采用创新的区域扫描剔除的方法，对同区域的信号进行剔除。
为了增强多用户检测能力，特别针对多用户混叠中较小幅度信号的相关峰检测，需要对CPM自相关固有的频率域毛刺进行了干扰剔除，以避免出现误检，提升了CPM扩频多用户检测的准确性和有效性。
具体方法为首先剔除第1个区域信号，以记录的最大峰值位置的±5个采样点，最大峰值频率的±65.6Hz为剔除区域，并对第1个区域的固有频率域的旁瓣毛刺信号的±5个采样点，固有频率域旁瓣的毛刺频率的±65.6Hz为剔除区域剔除第2到64个记录峰值，未剔除的峰值依次标号为2，3，4，...；再剔除第2个区域信号，以最新记录的第2个信号峰值位置的±5个采样点，峰值频率的±65.6Hz为剔除区域，并对第2个区域的固有频率域旁瓣的毛刺信号的±5个采样点，固有频率域旁瓣的毛刺频率的±65.6Hz为剔除区域剔除第2到64个记录峰值，剔除第3到64个记录峰值，未剔除的峰值依次标号为3，4，5，...；按以上方法依次剔除到第8个区域，可以找到8个区域的峰值。按以上8个区域峰值的频偏位置进行频率补偿，以每个区域的最大峰值延时位置作为数据延时截取的位置进行截取，截取出当前一帧数据送给后续解扩解调程序进行解扩解调。
以下以8个用户混叠和两个较大功率差的用户信号混叠为例，进一步说明此方法的用法。
8个用户QPSK-CPM扩频信号混叠后的相关峰三维图如图7，信号峰值频偏处的延时方向相关峰值图如图8，信号峰值延时处的频偏方向相关峰值图如图9。用以上具体方法可以找到8个最大峰值区域的单个最大峰值，可以准确和有效的区分出8个用户的相关峰频偏和延时位置，送给后续进行解扩解调。
卫星接收的VDE信号一般功率相差不大，若两个功率相差较大的用户信号进行混叠，例如相差12dB，相关结果如图10，会出现大信号相关峰的旁瓣峰值大于弱信号主相关峰值的情况，所以需要对大信号的旁瓣频偏信号进行区域剔除。根据以上具体方法，判断出强信号的相关主峰后，对其两边固定频偏位置进行区域剔除，可以剔除强信号旁瓣的峰值区域，对剩余区域进行第2个最大峰值区域搜索就可以找到弱信号的相关峰主峰值，不影响弱信号的截取和后续解扩解调。
上述的参数是最佳参数，其理由是：选择4096点相关是因为FFT相关蝶形运算长度要选择2的N次方，而4096点FFT可以覆盖VDE的48个同步头扩频符号的长度，且同步头长度外的1024点余量可以满足8ms的星地信号传输时延差范围；经过仿真和FPGA实现分析，区域扫描剔除算法硬件资源占用要远小于常规的二维依次比较剔除算法。
本实施例提供的一种基于星载VDE的QPSK-CPM扩频多用户检测方法，采用了新型的频偏和延时组成的二维区域扫描剔除算法，选出最大值，并对同一区域的所有其它值进行剔除，避免出现误检，并且对CPM固有频率域的旁瓣毛刺进行了区域干扰剔除，提升了CPM扩频多用户检测的准确性、有效性和接入效率，为未来复杂、多功能的海上VDE信号通信应用打下了基础。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于星载VDE的QPSK-CPM扩频多用户检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：星载接收的VDE信号进行下变频和滤波后，进行GPS的UTC时隙校正对齐和数据截取，在截取的整帧数据中取前4096个采样点和补零后的本地帧头序列进行FFT相关运算；
步骤2：取64个点为底噪滑动窗口大小，滑动找到任一频率的4096点相关峰值的功率最小窗口计算底噪平均幅度值，并以底噪平均幅度值的固定倍数作为底噪门限；
步骤3：依次找到幅度大于底噪门限，并和前面的最大值进行比较，直到按从大到小的顺序记录多个最大值及对应频率和延时位置的 64 个相关峰值，记为最大相关峰组，用频偏和延时组成的二维区域扫描算法剔除同区域内的次大相关峰值和其它相关峰值，选出最大值，避免同区域出现误检；
首先剔除第1个区域信号，以记录的最大峰值位置的±5个采样点、最大峰值频率的±65.6Hz为剔除区域，并对第1个区域的固有频率域的旁瓣毛刺信号的±5个采样点、固有频率域旁瓣的毛刺频率的±65.6Hz 为剔除区域剔除第2 到64个记录峰值，未剔除的峰值依次标号为2，3，4，...；再剔除第2个区域信号，以最新记录的第2个信号峰值位置的±5 个采样点、峰值频率的±65.6Hz 为剔除区域，并对第2个区域的固有频率域旁瓣的毛刺信号的±5个采样点、固有频率域旁瓣的毛刺频率的±65.6Hz为剔除区域剔除第2到64个记录峰值；按以上方法依次扫描找出各个不同区域内的单个最大相关峰值；
步骤4：对CPM相关固有的频率域旁瓣毛刺进行了干扰剔除。
2.根据权利要求1所述的一种基于星载VDE的QPSK-CPM扩频多用户检测方法，其特征在于，步骤3中，所述二维区域扫描算法以最大相关峰值开始，对最大相关峰组其它峰值进行扫描，若发现与最大相关峰所在同一区域内，则把其剔除出最大相关峰组；同样，在剔除后的最大相关峰组内找到次大值，并对最大相关峰组其它峰值进行扫描，若发现与次大相关峰所在同一区域内，则把其剔除出最大相关峰组；按以上方法依次扫描找出各个不同区域内的单个最大相关峰值。
3.根据权利要求2所述的一种基于星载VDE的QPSK-CPM扩频多用户检测方法，其特征在于，步骤4中，经过步骤3中找出的不同区域内的单个最大相关峰值需进行CPM相关固有频率域旁瓣剔除，固有旁瓣和CPM的扩频和过采样倍数有关，根据扩频和过采样倍数关系，对旁瓣频率区域进行二维区域扫描剔除，最终剔除后的最大相关峰组就是所需的多用户检测频率和延时位置。
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