CN115102666B - 一种提高无线电探空系统空地通信抗干扰能力的方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高无线电探空系统空地通信抗干扰的方法，在发送端首先采用前向纠错编码(FEC)方式对探空仪探测得到的气象信息进行扩编，从而得到具备抗突发干扰能力的可恢复码流；然后再用交织编码将该码流进行重排后发射；在地面接收端首先进行反交织，将一个较长的突发差错离散成随机差错，然后再用可纠正随机差错的前向纠错解码技术消除随机差错。本发明将比特交织和前向纠错相结合的优点是在接收端通过解交织可以使突发错误分散开来，变为各个码组的个别错误，然后可以采用前向纠错编码技术进行逐个纠正。
Description
技术领域：
本发明涉及高空气象探测领域，尤其是一种提高无线电探空系统空地通信抗干扰的方法，能够改善空地通信抗干扰能力，提高空地通信的可靠性，有效获取高空气象探测资料。
背景技术：
为获取高空温压湿风等大气垂直分布廓线信息，高空气象探测通常利用充有氢气或氦气的气象气球携带配置有温压湿等传感器的探空仪来完成。在气球上升过程中将探测的温、压、湿等信息通过发射机发送到地面，经地面接收处理后，得到气象要素的垂直分布信息，以满足大气科学研究和气象服务保障的需求。
探空仪是一次性使用的仪器，要保证探空仪能很好的响应风场，要求其重量、体积等不能太大，对其功耗、代价等也有严格的限定条件。探空仪在飞行探测过程中，收发距离最大可达到150km-200km，会长时间处于长距离无线通信状态。通信过程中，信号极易受到外界各种因素的干扰，如其他相近频段的信号、大气电场和大气中的放电过程、探空仪摆动姿态等等，不可避免会出现一定概率的随机误码。以往的探空仪每秒发送一次实时观测的气象要素值，经常会出现某一帧数据误码，此时必然造成接收机无法解调出正确的气象要素值，造成该次数据丢失导致缺测，缺测严重时必然会影响探空数据质量，进而影响气象应用。需要解决探空信号传输中的误码问题。
发明内容：
为了解决这个问题，本发明目的是，提出一种在探空仪空地通信中加入纠错编码的方法，提高空地通信抗干扰能力。
本发明的技术方案是：一种提高无线电探空系统空地通信抗干扰的方法，其特征在于：首先采用前向纠错编码(FEC)方式对每组编码进行扩编，然后再用交织编码将探空仪探测得到的气象信息码流进行重排，从而得到具备抗突发干扰能力的可恢复码流。
交织编码的目的是把一个较长的突发差错离散成随机差错，前向纠错编码具有抗个别错误的能力。探空信号在实际通信环境下的信道衰落，将造成数字信号传输的突发性差错。利用前向纠错编码结合交织编码技术后可离散并纠正这种突发性差错，改善探空仪飞行过程中通信的传输性能。
所采用的交织编码方法为按比特交织的线性交织编码；
探空仪发射频点为403MHz或1680MHz的气象专用频段，经CDMA扩频后作BPSK调制发射；下行发送信息包含仪器号、温度、湿度、气压、气压附温、大气电场、导航定位数据等各类数据共46字节，数据率为每秒一帧；
考虑到探空仪编码工作通过单片机CPU进行；首先CPU通过数字接口将接收到的各个传感器的气象要素原始数据进行无损压缩得到368比特，然后再补足28比特的0，编码成长度为396的比特流，然后按照36位长度截取为11段，对每一段均进行余式计算，得到11个RS(15，9)编码；此时比特流在内存中作为一维数组存放，然后按照15个码元的宽度填入数组，得到一个11行15列的二维数组，在此二维数组之前添加32个比特的同步帧头后逐列发送给后续的CDMA软件单元即完成了RS编码和交织编码工作。
鉴于前向编码能提高纠错率，而RS编码是一种性能优异的编码方式，因而在探空数据处理可优选地采用RS编码。考虑到降低系统复杂度，可采用按比特交织的线性交织编码。即对RS编码后的数据再进行交织，可更有效的提高探空数据传输的正确率。
有益技术效果：本发明设计了一种提高无线电探空系统空地通信抗干扰的方法，是一种通过前向纠错编码结合交织编码提高无线电探空系统空地通信抗干扰的方法，本发明将比特交织和前向纠错相结合的优点是在接收端通过解交织可以使突发错误分散开来，变为各个码组的个别错误，然后可以采用前向纠错编码技术进行逐个纠正。本发明能够改善空地通信抗干扰能力，提高空地通信的准确性，获得准确的高空气象探测资料，在高空气象探测领域具有较大应用前景。
附图说明
图1探空仪内数据流程；
图2交织编码矩阵；
图3交织编码示例。
具体实施方式：
探空仪内数据流程见附图1。
探空仪发射频点为403MHz或1680MHz的气象专用频段，经CDMA扩频后作BPSK调制发射。下行发送信息包含仪器号、温度、湿度、气压、气压附温、大气电场、导航定位数据等各类数据共46字节，数据率为每秒一帧。
考虑到探空仪为低码率设备且有严格的成本、功耗限制，实际的编码工作通过单片机软件进行。首先CPU通过数字接口将接收到的各个传感器的气象要素原始数据进行无损压缩得到368比特，然后再补足28比特的0，编码成长度为396的比特流，然后按照36位长度截取为11段，对每一段均进行余式计算，得到11个RS(15，9)编码(每4比特为一个码元)。此时比特流长度为660比特，在内存中作为一维数组存放，然后按照15个码元的宽度填入数组，得到一个11行15列的二维数组，在此二维数组之前添加32个比特的同步帧头后逐列发送给后续的CDMA软件单元即完成了RS编码和交织编码工作。图2、3示例中，一个11行15列的二维数组，在此二维数组之前添加32个比特的同步帧头后逐列发送给后续的CDMA软件单元即完成了RS编码和交织编码工作。采用现有的RS编码和RS的解码。
用36位长度编码11位信息的RS(36,11)编码过程如下：选择一个生成多项式g(x)，然后计算下式的余式x36-kd(x)/g(x)，其中d(x)为信息多项式。将余式的系数作为校验码添加到信息码后就完成了编码过程，此时的扩充码元多项式对g(x)的余式为0。RS(36,11)可纠正7个误码错误。
在地面接收设备中，射频信号经一次下变频后进行高速采样，然后所有解调均在DSP处理器内由软件完成。首先是BPSK解调和CDMA解码，接收到同步帧头后进行解交织：将后续的660个比特按列写入交织矩阵，然后再按行读出得到比特流。对该比特流按15个码元的间隔做分割，得到待纠错的11个RS(15，9)编码。后续工作是RS解码：对每一个编码计算伴随多项式，在这里一共有11组编码，假设每一组接收到的编码数据为r＝(m1,m2...m9,p1,p2..p6)(mi表示数据码、pi表示校验码)，伴随多项式s＝rHT＝cHT+eHT＝eHT(c是发送的数据码和校验码，e是信道传输过程中产生的错误，H为校验矩阵)，s＝rHT≠0时用Berlekamp-Massey Algorithm求错误位置多项式，得到错误位置s多项式后用钱搜索解错误多项式的根。根据Forney算法计算错误图样e，c＝r-e完成纠错。最后从纠错后码组中取出9个信息码元并拼接为374比特的信息数据流。
RS编码和交织编码工作：前向纠错编解码(FEC)技术：是指无需反向信道，在传输过程中发生错误后能在接收端自行发现和纠正的码。为使一种码具有检错或纠错能力，须对原码字增加多余的码元，以扩大码字之间的差别，即把原码字按某种规则变成有一定冗余度的码字。码字到达接收端后，可以根据是否满足编码规则以判定有无错误，当不能满足时，按一定规则确定错误所在位置并予以纠正。纠错并恢复原码字的过程称为解码。由于前向纠错方法简单，不需要反向信道，且能实时实现，因此在实时传输通信系统中，多采用前向纠错的方法来对数据信号的差错进行控制。
RS编码是一种常用的前向纠错码，用n位长度编码k位信息的RS(n,k)编码过程如下：选择一个生成多项式g(x)，然后计算下式的余式xn-kd(x)/g(x)，其中d(x)为信息多项式。将余式的系数作为校验码添加到信息码后就完成了编码过程，此时的扩充码元多项式对g(x)的余式为0。RS(n,k)可纠正(n-k)/2个误码错误。
RS编码的解码要比编码复杂得多，基本过程如下：
1、计算伴随多项式，假设R(x)为实际接收到的码元多项式，Sk＝R(αm0+k),αm0+k为生成多项式的根。若Sk均为0则误码为0，否则继续以下步骤。
2、由伴随多项式建立关键方程，M*б＝-S，用BM算法或Eucldsuanfa求出错误位置多项式б(x)的系数列矢量б。方程中M和S为由伴随多项式的系数构成的矩阵和列矢量。
3、用Chien搜索法求错误位置多项式б(x)的根。
4、由所得到的错误位置计算错误值。
5、在相应位置上加上错误值，从而完成纠错。
交织编码技术是具有应对突发连续错误能力的编码方式，信道编码中采用交织技术，可打乱码字比特之间的相关性，将信道中传输过程中的成群突发错误转换为随机错误，从而提高整个通信系统的可靠性。交织编码根据交织方式的不同，可分为线性交织、卷积交织和伪随机交织。
线性交织编码过程如下：把信号均匀分成m个码组，每个码组由n段数据构成，这样就构成一个n×m的矩阵，这个矩阵称为交织矩阵，如图2所示。数据流以a11，a12，…，a1n，a21，a22，…，a2n，…，aij，…，am1，am2，…，amn(i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n)的顺序进入交织矩阵，交织处理后以a11，a21，…，am1，a12，a22，…，am2，…，a1n，a2n，…，amn的顺序从交织矩阵中送出，这样就完成对数据的交织编码，如果aij只包含1个数据比特，称为按比特交织；如果aij包含多个数据比特，则称为按字交织。
接收到交织编码后需经过解交织过程才能完成接收：将数据流按列送入交织矩阵，然后再按行读出。
如果有n个(m，k)码，排成n×m矩阵，按列交织后存储或传送，读出或接收时恢复原来的排列，若(m，k)码能纠t个错误，那么交织后就可纠m×t个错误。
Claims (1)
1.一种提高无线电探空系统空地通信抗干扰的方法，其特征在于：在发送端首先采用前向纠错编码方式对探空仪探测得到的气象信息进行扩编，从而得到具备抗突发干扰能力的可恢复码流；然后再用交织编码将该码流进行重排后发射；在地面接收端首先进行反交织，将一个较长的突发差错离散成随机差错，然后再用可纠正随机差错的前向纠错解码技术消除随机差错；
气象信息码流的前向纠错编码方法采用RS编码；
所采用的交织编码方法为按比特交织的线性交织编码；
探空仪发射频点为403MHz或1680MHz的气象专用频段，经CDMA扩频后作BPSK调制发射；下行发送信息包含仪器号、温度、湿度、气压、气压附温、大气电场、导航定位数据共46字节，数据率为每秒一帧；探空仪编码工作通过单片机CPU进行；首先CPU通过数字接口将接收到的各个传感器的气象要素原始数据进行无损压缩得到368比特，然后再补足28比特的0，编码成长度为396的比特流，然后按照36位长度截取为11段，对每一段均进行余式计算，得到11个RS（15，9）编码；此时比特流在内存中作为一维数组存放，然后按照15个码元的宽度填入数组，得到一个11行15列的二维数组，在此二维数组之前添加32个比特的同步帧头后逐列发送给后续的CDMA软件单元即完成了RS编码和交织编码工作。
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