CN115118334A - 卫星通信帧头捕获方法、装置、通信设备和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通信技术领域，提供一种卫星通信帧头捕获方法、装置、通信设备和存储介质。通过基于待定信号段，计算待定信号段的平均功率和待定信号段与预设帧头序列的相关值；然后对待定信号段进行频偏估计得到频偏值，并基于频偏值获取待定信号段对应的系数值，其中系数值表征频偏对待定信号段捕获到帧头的影响；再基于待定信号段的平均功率和待定信号段对应的系数值，计算阈值参数，其中阈值参数表征在噪声和频偏的影响下，待定信号段与预设帧头序列的相关值的下限值；若待定信号段的相关值大于阈值参数，则判定待定信号段为帧头并进行捕获。通过估计出频偏值并获取对应的系数值，能够得到更合理的阈值参数，从而提升了捕获到真实帧头的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体而言，涉及一种卫星通信帧头捕获方法、装置、通信设备和存储介质。
背景技术
在连续帧传输卫星通信接收系统中，接收端需要对发送端发送的信号进行帧头捕获，即确定出每帧信号的帧头，但是由于信号在传输过程中受到干扰，存在捕获到的并不是真实帧头的情况。现有的卫星通信帧头捕获方式通常只考虑噪声的影响，从而导致捕获到真实帧头的准确性低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种卫星通信帧头捕获方法、装置、通信设备和存储介质。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种卫星通信帧头捕获方法，应用于通信设备，所述方法包括：
基于待定信号段，计算所述待定信号段的平均功率和所述待定信号段与预设帧头序列的相关值；
对所述待定信号段进行频偏估计得到频偏值；
基于所述频偏值获取所述待定信号段对应的系数值；所述系数值表征频偏对所述待定信号段捕获到帧头的影响；
基于所述待定信号段的平均功率和所述待定信号段对应的系数值，计算阈值参数；所述阈值参数表征在噪声和频偏的影响下，所述待定信号段与所述预设帧头序列的相关值的下限值；
若所述待定信号段的相关值大于所述阈值参数，则判定所述待定信号段为帧头并进行捕获。
在可选的实施方式中，所述对所述待定信号段进行频偏估计得到频偏值的步骤，包括：
基于预设调制参数对所述待定信号段进行去调制处理，得到第一信号段；
基于预设变换点数对所述第一信号段进行傅里叶变换处理，得到频偏参数；
按照第一预设公式，基于所述预设调制参数、所述预设变换点数、所述频偏参数以及预设符号速率进行计算，得到所述频偏值；
所述第一预设公式为：
其中，
表示频偏值；M表示预设调制参数；n表示预设变换点数；
表示频偏参数；
表示预设符号速率。
在可选的实施方式中，所述通信设备预存有第一预设关系，所述第一预设关系包括多个第一区间及其对应的系数值；
所述基于所述频偏值获取所述待定信号段对应的系数值的步骤，包括：
计算所述频偏值与预设最大频偏值的比值；
基于所述第一预设关系，获取所述比值所属的第一区间对应的系数值，得到所述待定信号段对应的系数值。
在可选的实施方式中，所述第一预设关系是按照以下方式得到的：
将所述预设最大频偏值与每个预设比例相乘，得到每个样本频偏值，所述样本频偏值的总个数为预设数目；
分别将每个所述样本频偏值作为目标频偏值，基于所述目标频偏值确定对应的最佳系数值，得到每个所述样本频偏值对应的最佳系数值；
基于预设划分参数对预设区间进行等间距划分，得到每个所述第一区间；
基于全部最佳系数值和全部第一区间进行插值处理，获得每个所述第一区间对应的系数值，得到所述第一预设关系。
在可选的实施方式中，所述基于所述目标频偏值确定对应的最佳系数值的步骤，包括：
获取多个预设捕获概率值；所述预设捕获概率值表示一个样本信号段被捕获的概率值；
将任意一个预设捕获概率值作为目标捕获概率值；
基于所述目标捕获概率值、所述目标频偏值、预设符号速率、预设信噪比区间和每个预设系数值进行计算，获得每个虚警概率值；所述虚警概率值表示一个样本信号段被捕获且非真实帧头的概率值；
将全部虚警概率值中最小虚警概率值对应的预设系数值，作为第一系数值；
遍历每个所述预设捕获概率值，得到每个所述第一系数值；
从全部第一系数值中选取满足预设条件的第一系数值，获得所述目标频偏值对应的最佳系数值。
在可选的实施方式中，所述基于全部最佳系数值和全部第一区间进行插值处理，获得每个所述第一区间对应的系数值的步骤，包括：
按照第二预设公式，基于所述预设划分参数和每个所述最佳系数值进行计算，得到每个所述第一区间的插值点的系数值；
所述第二预设公式为：
其中，
表示第j个第一区间的插值点的系数值；
表示第j个第一区间的插值点；j为1到p的自然数；p表示预设划分参数；N表示预设数目；
表示第i个最佳系数值；i为1到N的自然数；k为1到N的自然数；
将每个所述第一区间的插值点的系数值，作为每个所述第一区间对应的系数值。
第二方面，本发明提供一种卫星通信帧头捕获装置，应用于通信设备，所述装置包括：
计算模块，用于基于待定信号段，计算所述待定信号段的平均功率和所述待定信号段与预设帧头序列的相关值；
估计模块，用于对所述待定信号段进行频偏估计得到频偏值；
基于所述频偏值获取所述待定信号段对应的系数值；所述系数值表征频偏对所述待定信号段捕获到帧头的影响；
判定模块，用于基于所述待定信号段的平均功率和所述待定信号段对应的系数值，计算阈值参数；所述阈值参数表征在噪声和频偏的影响下，所述待定信号段与所述预设帧头序列的相关值的下限值；
若所述待定信号段的相关值大于所述阈值参数，则判定所述待定信号段为帧头并进行捕获。
在可选的实施方式中，所述通信设备预存有第一预设关系，所述第一预设关系包括多个第一区间及其对应的系数值；所述估计模块还用于：
计算所述频偏值与预设最大频偏值的比值；
基于所述第一预设关系，获取所述比值所属的第一区间对应的系数值，得到所述待定信号段对应的系数值。
第三方面，本发明提供一种通信设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现前述实施方式中任一项所述的方法。
第四方面，本发明提供一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现前述实施方式中任一项所述的方法。
本发明提供的卫星通信帧头捕获方法、装置、通信设备和存储介质，通过基于待定信号段，计算待定信号段的平均功率和待定信号段与预设帧头序列的相关值；然后对待定信号段进行频偏估计得到频偏值，并基于频偏值获取待定信号段对应的系数值，其中系数值表征频偏对待定信号段捕获到帧头的影响；再基于待定信号段的平均功率和待定信号段对应的系数值，计算阈值参数，其中阈值参数表征在噪声和频偏的影响下，待定信号段与预设帧头序列的相关值的下限值；若待定信号段的相关值大于阈值参数，则判定待定信号段为帧头并进行捕获。相比于现有只考虑噪声影响的卫星通信帧头捕获方式，本发明通过估计出频偏值并获取对应的系数值，同时考虑了噪声与频偏的影响，基于平均功率和系数值能够得到更合理的阈值参数，从而提升了捕获到真实帧头的准确性和帧头捕获的有效性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。
图1示出了现有的卫星通信帧头捕获方法的示例图之一；
图2示出了现有的卫星通信帧头捕获方法的示例图之二；
图3示出了本发明实施例提供的通信设备方框示意图；
图4示出了本发明实施例提供的卫星通信帧头捕获方法的流程示意图之一；
图5示出了本发明实施例提供的卫星通信帧头捕获方法的流程示意图之二；
图6示出了本发明实施例提供的卫星通信帧头捕获方法的流程示意图之三；
图7示出了本发明实施例提供的卫星通信帧头捕获方法的流程示意图之四；
图8示出了本发明实施例提供的卫星通信帧头捕获方法的一个示例图；
图9示出了本发明实施例提供的卫星通信帧头捕获装置的一种功能模块图。
图标：110-总线；120-处理器；130-存储器；150-I/O模块；170-通信接口；300-卫星通信帧头捕获装置；310-计算模块；330-估计模块；350-判定模块；370-构建模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
在连续帧传输卫星通信接收系统中，接收端需要对发送端发送的信号进行帧头捕获，即确定出每帧信号的帧头，但是由于信号在传输过程中受到干扰，存在捕获到的并不是真实帧头的情况。现有的卫星通信帧头捕获方式通常只考虑噪声的影响，从而导致捕获到真实帧头的准确性低。为了便于理解现有技术存在的缺陷，下面将对现有的卫星通信帧头捕获方式进行介绍。
例如，发送端在发送信号时，会在每帧信号的帧头插入D位取值为±1的帧头符号，组成预设帧头序列
；然后经过G倍过采样，并通过根升余弦滤波后，进行数模转化调制并发送复信号
。
接收端接收到复信号
，其存在如噪声、频偏等干扰，因此不能与发送端发送的信号一一对应。在进行帧头捕获之前，需要先对接收到的信号进行扫频处理以补偿信号，得到补偿后的信号
。然后，基于预设滑动窗口按照每次滑动一个步长的方式，依次对补偿后的信号进行截取，每次截取即是从补偿后的信号中获取D*G个连续的信号值，得到每个信号段。
对于第a个信号段
，每G个信号值取一个信号值，即取出D个信号值
；然后按照预设公式，基于这D个信号值和预设帧头序列进行计算，得到第a个信号段与预设帧头序列的相关值
；预设公式为：
，其中
表示求实部的函数；
表示求虚部的函数。并且，计算这D个信号值的平均功率
，以及利用平均功率
和设定的系数值
，计算第a个信号段对应的阈值参数
。再通过比较相关值
和阈值参数
的大小，判断第a个信号段是否为帧头，若相关值
大于阈值参数
，则判定第a个信号段是帧头并进行捕获。
卫星通信帧头捕获存在三种结果：第一种是信号段被捕获且为真实帧头；第二种是信号段被捕获且非真实帧头，这种可以称为虚警；第三种是信号段未被捕获。可以看出，判定每个信号段是否为帧头的依据是其相关值与阈值参数的大小，只要相关值大于阈值参数就进行帧头捕获，因此阈值参数的设定很关键。
经发明人研究发现，现有的卫星通信帧头捕获方式采用平均功率和设定的系数值来得到阈值参数，其只考虑了噪声的影响，导致捕获到真实帧头的准确性较低，并且发现经扫频处理后的信号依然存在频偏，其对帧头捕获的准确性存在影响。
首先，设定一个信号段被捕获的概率为捕获概率，设定一个信号段被捕获且非真实帧头的概率为虚警概率。假设捕获概率的值为1，帧头符号为32位、调制方式为QPSK、过采样倍数为2倍，符号速率为
，扫频间隔为
，最大频偏值为
，系数值
。基于这些参数进行仿真，可以得到如图1和图2所示的结果。图1为扫频处理后的频偏值为0，在设定信噪比区间下虚警概率的值；图2为扫频处理后的频偏值为782Hz，在设定信噪比区间下虚警概率的值。
可以看出，当捕获概率值一定时，扫频处理后的频偏值的变化会影响虚警概率变化，则会影响捕获到真实帧头的准确性。即使扫频处理后的频偏值固定，虚警概率的范围也会随着信噪比的提升而大幅变化。即频偏对虚警概率具有较大的影响，因此现有的捕获方式仅考虑噪声的影响，则无法获得较低的虚警概率，导致捕获到真实帧头的准确性低。
进而本发明实施例提供了一种卫星通信帧头捕获方法，同时考虑了噪声和频偏的影响，通过估计出频偏值并获取对应的系数值，从而能够获得更合理的阈值参数，降低了虚警概率，提升了捕获到真实帧头的准确性。
请参照图3，是本发明实施例提供的一种通信设备的方框示意图。通信设备包括总线110、处理器120、存储器130、I/O模块150、通信接口170。
总线110可以是将上述元件相互连接并在上述元件之间传递通信(例如控制消息)的电路。
处理器120可以通过总线110从上述其它元件(例如存储器130、I/O模块150、通信接口170等)接收命令，可以解释接收到的命令，并可以根据所解释的命令来执行计算或数据处理。
处理器120可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。该处理器120可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，NP)等；还可以是数字信号处理器（DSP)、专用集成电路（ASIC）、现成可编程门阵列（FPGA）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
存储器130可以存储从处理器120或其它元件(例如I/O模块150、通信接口170等)接收的命令或数据或者由处理器120或其它元件产生的命令或数据。
存储器130可以是但不限于，随机存取存储器（Random Access Memory，RAM），只读存储器（Read Only Memory，ROM），可编程只读存储器（Programmable Read-Only Memory，PROM），可擦除只读存储器（Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM），电可擦除只读存储器（Electric Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM）。
I/O模块150可以接收经由输入-输出手段(例如，传感器、键盘、触摸屏等)从用户输入的命令或数据，并可以通过总线110向处理器120或存储器130传送接收到的命令或数据。并且用于显示从上述元件接收、存储、处理的各种信息(例如多媒体数据、文本数据)，可以向用户显示视频、图像、数据等。
通信接口170可用于与其他节点设备进行信令或数据的通信。
可以理解的是，图3所示的结构仅为通信设备的结构示意图，通信设备还可包括比图3中所示更多或者更少的组件，或者具有与图3所示不同的配置。图3中所示的各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。
下面将以上述的通信设备作为执行主体，执行本发明实施例提供的各个方法中的各个步骤，并实现对应技术效果。请参阅图4，图4是本发明实施例提供的一种卫星通信帧头捕获方法的流程示意图。
步骤S202，基于待定信号段，计算待定信号段的平均功率和待定信号段与预设帧头序列的相关值；
在本实施例中，信号的发送端和接收端会预先对帧头进行约定，可以将多位设定符号组成的序列作为预设帧头序列。
通信设备对接收到的信号进行扫频处理以补偿信号，并基于预设滑动窗口按照每次滑动一个步长，依次对补偿后的信号进行截取，即从补偿后的信号中获取设定数目个连续的信号值，设定数目为预设帧头符号的位数D与过采样倍数G的乘积，每次截取的D*G个信号值即为待定信号段，待定信号段中包括多个信号值。
对于待定信号段中的全部信号值，每隔G个信号值取一个信号值，得到D个目标信号值。基于这D个目标信号值计算平均功率得到待定信号段的平均功率；并按照预设公式，基于这D个目标信号值和预设帧头序列进行计算，得到待定信号段与预设帧头序列的相关值，相关值可以理解为待定信号段与预设帧头序列的相似度。
步骤S204，对待定信号段进行频偏估计得到频偏值；
在本实施例中，可以采用预设算法对待定信号段经扫频处理后存在的频偏进行估计得到频偏值。
步骤S206，基于频偏值获取待定信号段对应的系数值；系数值表征频偏对待定信号段捕获到帧头的影响；
在本实施例中，可以预先基于频偏对卫星通信帧头捕获的影响设定关联关系，基于关联关系和频偏值获取到对应的系数值，其可以理解为与待定信号段匹配的系数值。
步骤S208，基于待定信号段的平均功率和待定信号段对应的系数值，计算阈值参数；阈值参数表征在噪声和频偏的影响下，待定信号段与预设帧头序列的相关值的下限值；
在本实施例中，基于获取的待定信号段的平均功率和待定信号段对应的系数值，可以计算出阈值参数，该阈值参数可以理解为该待定信号段对应的下限值。
步骤S210，若待定信号段的相关值大于阈值参数，则判定待定信号段为帧头并进行捕获。
在本实施例中，可以将待定信号段的相关值与阈值参数进行比较，若相关值大于阈值参数，即其超过了下限值，则判定该待定信号段为帧头，并对该待定信号段标记帧头标志以进行捕获；若相关值小于或者等于阈值参数，即相关值没有超过下限值，则判定该待定信号段不是帧头。
可见基于上述步骤，通过基于待定信号段，计算待定信号段的平均功率和待定信号段与预设帧头序列的相关值；然后对待定信号段进行频偏估计得到频偏值，并基于频偏值获取待定信号段对应的系数值，其中系数值表征频偏对待定信号段捕获到帧头的影响；再基于待定信号段的平均功率和待定信号段对应的系数值，计算阈值参数，其中阈值参数表征在噪声和频偏的影响下，待定信号段与预设帧头序列的相关值的下限值；若待定信号段的相关值大于阈值参数，则判定待定信号段为帧头并进行捕获。相比于现有只考虑噪声影响的卫星通信帧头捕获方式，本发明通过估计出频偏值并获取对应的系数值，同时考虑了噪声与频偏的影响，基于平均功率和系数值能够得到更合理的阈值参数，从而提升了捕获到真实帧头的准确性和帧头捕获的有效性。
可选地，对于上述步骤S204，可以采用频偏盲估计算法如维特比算法来估计频偏，进而本发明实施例提供了一种可能的实现方式，请参阅图5，其中步骤S204包括以下步骤：
步骤S204-1，基于预设调制参数对待定信号段进行去调制处理，得到第一信号段；
在本实施例中，预设调整参数可以理解为调制的星座点数。可以基于预设调制参数对待定信号段进行去调制处理，得到第一信号段。例如，待定信号段为
，预设调整参数为M，当调制方式为QPSK，M等于4，第一信号段为
。
步骤S204-3，基于预设变换点数对第一信号段进行傅里叶变换处理，得到频偏参数；
在本实施例中，可以基于预设变换点数对第一信号段进行快速傅里叶变换处理，得到频谱并确定频谱中最大谱线的位置即得到频偏参数。例如，预设变换点数为n，频谱为X，频偏参数为
。
步骤S204-5，按照第一预设公式，基于预设调制参数、预设变换点数、频偏参数以及预设符号速率进行计算，得到频偏值；
第一预设公式为：
其中，
表示频偏值；M表示预设调制参数；n表示预设变换点数；
表示频偏参数；
表示预设符号速率。
在本实施例中，基于预设调制参数、预设变换点数、预设符号速率以及获得的频偏参数，按照第一预设公式进行计算，可以得到待定信号段的频偏值。可以理解的是，基于第一预设公式，其估计精度为
。
可见，通过基于预设调制参数对待定信号段进行去调制处理，得到第一信号段；并基于预设变换点数对第一信号段进行傅里叶变换处理，得到频偏参数；再按照第一预设公式，基于预设调制参数、预设变换点数、频偏参数以及预设符号速率进行计算，得到频偏值。通过对待定信号段经扫频处理后的频偏进行估计，便于根据准确的频偏值获取到对应的系数值，以计算出合理的阈值参数，从而提升捕获到真实帧头的准确性。
可选地，针对上述步骤S206，本发明实施例提供了一种可能的实现方式，请参阅图6，其中步骤S206包括以下步骤：
步骤S206-1，计算频偏值与预设最大频偏值的比值；
步骤S206-3，基于第一预设关系，获取比值所属的第一区间对应的系数值，得到待定信号段对应的系数值；
可以理解的是，通信设备预存有第一预设关系，该第一预设关系包括多个第一区间和每个第一区间对应的系数值。
在本实施例中，可以计算待定信号段的频偏值与预设最大频偏值的比值，并在第一预设关系中确定该比值所属的第一区间，将该第一区间对应的系数值作为待定信号段对应的系数值。
可见，通过计算频偏值与预设最大频偏值的比值，并基于第一预设关系，获取比值所属的第一区间对应的系数值，得到待定信号段对应的系数值。从而考虑了频偏对帧头捕获的影响，并获取频偏值对应的系数值，以计算出合理的阈值参数，提升了捕获到真实帧头的准确性。
可选地，对于上述第一预设关系，本发明实施例提供了一种获得第一预设关系的可能实现方式，请参阅图7，其中包括以下步骤：
步骤S212，将预设最大频偏值与每个预设比例相乘，得到每个样本频偏值，样本频偏值的总个数为预设数目；
在本实施例中，可以先设定预设数目个比例即预设比例。将每个预设比例与预设最大频偏值相乘，得到每个乘积即为每个样本频偏值。该样本频偏值的总个数为预设数目。
步骤S214，分别将每个样本频偏值作为目标频偏值，基于目标频偏值确定对应的最佳系数值，得到每个样本频偏值对应的最佳系数值；
在本实施例中，可以基于每个样本频偏值，确定每个样本频偏值对应的最佳系数值，得到每个最佳系数值。
步骤S216，基于预设划分参数对预设区间进行等间距划分，得到每个第一区间；
在本实施例中，预设区间为0至1的区间。预设划分参数可以理解为第一区间的总个数。基于预设划分参数对预设区间进行等间距划分，得到每个第一区间，即每个第一区间的长度相同。
步骤S218，基于全部最佳系数值和全部第一区间进行插值处理，获得每个第一区间对应的系数值，得到第一预设关系；
在本实施例中，可以采用插值算法，基于全部最佳系数值和全部第一区间进行插值处理，得到每个第一区间对应的系数值。基于全部第一区间和每个区间对应的系数值，即得到第一预设关系。
可见，通过将预设最大频偏值与每个预设比例相乘，得到每个样本频偏值，其中样本频偏值的总个数为预设数目；然后分别将每个样本频偏值作为目标频偏值，基于目标频偏值确定对应的最佳系数值，得到每个样本频偏值对应的最佳系数值；再基于预设划分参数对预设区间进行等间距划分，得到每个第一区间；最后基于全部最佳系数值和全部第一区间进行插值处理，获得每个第一区间对应的系数值，得到第一预设关系。通过抽取多个样本频偏值并确定其对应的最佳系数值，并基于全部最佳系数值进行插值处理获得每个第一区间对应的系数值，得到第一预设关系，从而建立频偏值与系数值的对应关系，进而可以获取与信号段的频偏值对应的系数值，以计算出合理的阈值参数，提升了捕获到真实帧头的准确性。
可选地，对于步骤S214中的基于目标频偏值确定对应的最佳系数值，本发明实施例提供了一种可能的实现方式。
步骤214-1，获取多个预设捕获概率值；预设捕获概率值表示一个样本信号段被捕获的概率值；
在本实施例中，可以预先设置多个捕获概率值即预设捕获概率值，在确定目标频偏值对应的最佳系数值时，获取这多个预设捕获概率值。
步骤214-3，将任意一个预设捕获概率值作为目标捕获概率值；
可以理解的是，每个预设捕获概率值均执行步骤214-5至步骤214-7，下面将以任意一个预设捕获概率值作为目标捕获概率值，对步骤214-5至步骤214-7进行说明。
步骤214-5，基于目标捕获概率值、目标频偏值、预设符号速率、预设信噪比区间和每个预设系数值进行计算，获得每个虚警概率值；虚警概率值表示一个样本信号段被捕获且非真实帧头的概率值；
在本实施例中，可以预先设定符号速率、信噪比区间和多个预设系数值。基于目标捕获概率值、目标频偏值、预设符号速率、预设信噪比区间和每个预设系数值进行仿真计算，得到每个预设系数值对应的虚警概率值。即在目标捕获概率值、目标频偏值、预设符号速率、预设信噪比区间均相同的情况下，计算不同预设系数值对应的虚警概率值。
步骤214-7，将全部虚警概率值中最小虚警概率值对应的预设系数值，作为第一系数值；
可以理解的是，在预设捕获概率值确定的情况下，虚警概率值越小表示一个样本信号被捕获且非真实帧头的概率越小，则捕获到真实帧头的概率越大。
在本实施例中，全部虚警概率值中最小虚警概率值对应的预设系数值，可以理解为是在目标捕获概率值、目标频偏值、预设符号速率、预设信噪比区间均相同的情况下，采用该预设系数值可以是使捕获到真实帧头的准确性最高，则将该预设系数值作为第一系数值。
步骤214-9，遍历每个预设捕获概率值，得到每个第一系数值；
在本实施例中，每个预设捕获概率值均执行步骤214-5至步骤214-7，获得每个预设捕获概率值所对应的第一系数值，即得到每个第一系数值。
步骤214-11，从全部第一系数值中选取满足预设条件的第一系数值，获得目标频偏值对应的最佳系数值；
在本实施例中，可以基于全部第一系数值计算平均值，预设条件可以是与平均值的差值最小。可以从全部第一系数值中选取与其平均值的差值最小的第一系数值，将其作为目标频偏值对应的最佳系数值。可选地，也可以基于全部第一系数值计算其他统计数值，预设条件也可以按照实际应用设置，本发明实施例不做限定。
可选地，对于上述步骤S218，本发明实施例中的提供了一种可能的实现方式。
步骤S218-1，按照第二预设公式，基于预设划分参数和每个最佳系数值进行计算，得到每个第一区间的插值点的系数值；
第二预设公式为：
其中，
表示第j个第一区间的插值点的系数值；
表示第j个第一区间的插值点；j为1到p的自然数；p表示预设划分参数；N表示预设数目；
表示第i个最佳系数值；i为1到N的自然数；k为1到N的自然数。
步骤S218-3，将每个第一区间的插值点的系数值，作为每个第一区间对应的系数值。
在本实施例中，基于预设划分参数和获得的全部最佳系数值，按照第二预设公式进行计算，得到每个第一区间的插值点的系数值，并将每个第一区间的插值点的系数值作为每个第一区间对应的系数值。
可以理解的是，本发明实施例获得第一预设关系的方式是通过预设数目个预设比例和预设最大频偏值，得到预设数目个样本频偏值；然后对于每个样本频偏值，通过设定参数如捕获概率值、符号速率和信噪比区间，对该样本频偏值下的系数值与虚警概率进行分析，以确定出每个样本频偏值对应的最佳系数值。每个样本频偏值对应的最佳系数值可以理解为每个预设比例对应的最佳系数值，则可以将0到1的区间等间距划分为多个第一区间即多个比例区间，基于全部最佳系数值进行插值处理确定出每个第一区间对应的系数值，即得到第一预设关系。进而可以基于待定信号段的频偏值与预设最大频偏值的比值，确定出对应的系数值。
为了便于理解，本发明实施例提供了一个示例。例如，帧头符号为32位、调制方式为QPSK、过采样倍数为2倍，扫频间隔为
，预设最大频偏值为
，预设变换点数
，预设符号速率为
，预设捕获概率值为1，预设信噪比区间为3至10dB，预设划分参数为
，预设数目
，6个预设比例分别为0、0.2、0.4、0.6、0.8、1。
通过上述实施例的步骤，可以得到如表1所示的每个样本频偏值及其对应的最佳系数阈值。
表1
| 预设比例 | 0 | 0.2 | 0.4 | 0.6 | 0.8 | 1 |
| 样本频偏值 | 0 | 156.4 | 312.8 | 496.2 | 625.6 | 782 |
| 最佳系数值 | 554 | 551 | 544 | 535 | 519 | 500 |
通过上述实施例的步骤，按照预设划分参数将预设区间即0到1的区间等间距划分为多个第一区间，可以得到如表2所示的100个第一区间，其中每个第一区间的左端点为该第一区间的插值点。基于表示1所示的全部最佳系数值进行插值处理，可以得到如表2所示的每个第一区间对应的系数值。
表2
| 第一区间 | [ 0 ,0.01) （ j=1 ） | [0.01,0.02) （ j=2 ） | [0.02,0.03) （ j=3 ） | [0.03,0.04) （ j=4 ） | [0.04,0.05) （ j=5 ） |
| 系数值 | 554 | 553.85 | 553.70 | 553.55 | 553.4 |
| 第一区间 | [0.05,0.06) （ j=6 ） | [0.06,0.07) （ j=7 ） | [0.07,0.08) （ j=8 ） | [0.08,0.09) （ j=9 ） | [0.09,0.10) （ j=10 ） |
| 系数值 | 553.25 | 553.1 | 552.95 | 552.8 | 552.65 |
| 第一区间 | [0.10,0.11) （ j=11 ） | [0.11,0.12) （ j=12 ） | [0.12,0.13) （ j=13 ） | [0.13,0.14) （ j=14 ） | [0.14,0.15) （ j=15 ） |
| 系数值 | 552.5 | 552.35 | 552.2 | 552.05 | 551.9 |
| 第一区间 | [0.15,0.16) （ j=16 ） | [0.16,0.17) （ j=17 ） | [0.17,0.18) （ j=18 ） | [0.18,0.19) （ j=19 ） | [0.19,0.20) （ j=20 ） |
| 系数值 | 551.75 | 551.6 | 551.45 | 551.3 | 551.15 |
| 第一区间 | [0.20,0.21) （ j=21 ） | [0.21,0.22) （ j=22 ） | [0.22,0.23) （ j=23 ） | [0.23,0.24) （ j=24 ） | [0.24,0.25) （ j=25 ） |
| 系数值 | 551 | 550.65 | 550.3 | 549.95 | 549.6 |
| 第一区间 | [0.25,0.26) （ j=26 ） | [0.26,0.27) （ j=27 ） | [0.27,0.28) （ j=28 ） | [0.28,0.29) （ j=29 ） | [0.29,0.30) （ j=30 ） |
| 系数值 | 549.25 | 548.9 | 548.55 | 548.2 | 547.85 |
| 第一区间 | [0.30,0.31) （ j=31 ） | [0.31,0.32) （ j=32 ） | [0.32,0.33) （ j=33 ） | [0.33,0.34) （ j=34 ） | [0.34,0.35) （ j=35 ） |
| 系数值 | 547.5 | 547.15 | 546.8 | 546.45 | 546.1 |
| 第一区间 | [0.35,0.36) （ j=36 ） | [0.36,0.37) （ j=37 ） | [0.37,0.38) （ j=38 ） | [0.38,0.39) （ j=39 ） | [0.39,0.40) （ j=40 ） |
| 系数值 | 545.75 | 545.4 | 545.05 | 544.7 | 544.35 |
| 第一区间 | [0.40,0.41) （ j=41 ） | [0.41,0.42) （ j=42 ） | [0.42,0.43) （ j=43 ） | [0.43,0.44) （ j=44 ） | [0.44,0.45) （ j=45 ） |
| 系数值 | 544 | 543.55 | 543.1 | 542.65 | 542.2 |
| 第一区间 | [0.45,0.46) （ j=46 ） | [0.46,0.47) （ j=47 ） | [0.47,0.48) （ j=48 ） | [0.48,0.49) （ j=49 ） | [0.49,0.50) （ j=50 ） |
| 系数值 | 541.75 | 541.3 | 540.85 | 540.4 | 539.95 |
| 第一区间 | [0.50,0.51) （ j=51 ） | [0.51,0.52) （ j=52 ） | [0.52,0.53) （ j=53 ） | [0.53,0.54) （ j=54 ） | [0.54,0.55) （ j=55 ） |
| 系数值 | 539.5 | 539.05 | 538.6 | 538.15 | 537.7 |
| 第一区间 | [0.55,0.56) （ j=55 ） | [0.56,0.57) （ j=57 ） | [0.57,0.58) （ j=58 ） | [0.58,0.59) （ j=59 ） | [0.59,0.60) （ j=60 ） |
| 系数值 | 537.25 | 536.8 | 536.35 | 535.9 | 535.45 |
| 第一区间 | [0.60,0.61) （ j=61 ） | [0.61,0.62) （ j=62 ） | [0.62,0.63) （ j=63 ） | [0.63,0.64) （ j=64 ） | [0.64,0.65) （ j=65 ） |
| 系数值 | 535 | 534.2 | 533.4 | 532.6 | 531.8 |
| 第一区间 | [0.65,0.66) （ j=66 ） | [0.66,0.67) （ j=67 ） | [0.67,0.68) （ j=68 ） | [0.68,0.69) （ j=69 ） | [0.60,0.70) （ j=70 ） |
| 系数值 | 531 | 530.2 | 529.4 | 528.6 | 527.8 |
| 第一区间 | [0.70,0.71) （ j=71 ） | [0.71,0.72) （ j=72 ） | [0.72,0.73) （ j=73 ） | [0.73,0.74) （ j=74 ） | [0.74,0.75) （ j=75 ） |
| 系数值 | 527 | 526.2 | 525.4 | 524.6 | 523.8 |
| 第一区间 | [0.75,0.76) （ j=76 ） | [0.76,0.77) （ j=77 ） | [0.77,0.78) （ j=78 ） | [0.78,0.79) （ j=79 ） | [0.79,0.80) （ j=80 ） |
| 系数值 | 523 | 522.2 | 521.4 | 520.6 | 519.8 |
| 第一区间 | [0.80,0.81) （ j=81 ） | [0.81,0.82) （ j=82 ） | [0.82,0.83) （ j=83 ） | [0.83,0.84) （ j=84 ） | [0.84,0.85) （ j=85 ） |
| 系数值 | 519 | 518.05 | 517.1 | 516.15 | 515.2 |
| 第一区间 | [0.85,0.86) （ j=86 ） | [0.86,0.87) （ j=87 ） | [0.87,0.88) （ j=88 ） | [0.88,0.89) （ j=89 ） | [0.89,0.90) （ j=90 ） |
| 系数值 | 514.25 | 513.3 | 512.35 | 511.4 | 510.45 |
| 第一区间 | [0.90,0.91) （ j=91 ） | [0.91,0.92) （ j=92 ） | [0.92,0.93) （ j=93 ） | [0.93,0.94) （ j=94 ） | [0.94,0.95) （ j=95 ） |
| 系数值 | 509.5 | 508.55 | 507.6 | 506.65 | 505.7 |
| 第一区间 | [0.95,0.96) （ j=96 ） | [0.96,0.97) （ j=97 ） | [0.97,0.98) （ j=98 ） | [0.98,0.99) （ j=99 ） | [0.99,1) （ j=100 ） |
| 系数值 | 504.75 | 503.8 | 502.85 | 501.9 | 500.95 |
可以理解的是，第一预设关系还可以包括预设区间的右端点即1对应的系数值为500。
为了便于更好地理解本发明，本发明实施例将基于现有的卫星通信帧头捕获方式（采用系数值为521）得到的虚警概率，和基于本发明实施例提供的卫星通信帧头捕获方式（采用上述表2所示的第一预设关系）得到的虚警概率进行对比，得到如图8所示的对比结果。基于图8可以看出，采用本发明得到的虚警概率相比于现有技术低了3-5倍，有效地提升了捕获到真实帧头的准确性。
为了执行上述实施例及各个可能的方式中的相应步骤，下面给出一种卫星通信帧头捕获装置的实现方式。请参阅图9，图9为本发明实施例提供的一种卫星通信帧头捕获装置300的功能模块图。需要说明的是，本实施例所提供的卫星通信帧头捕获装置，其基本原理及产生的技术效果和上述实施例相同，为简要描述，本实施例部分未提及之处，可参考上述的实施例中相应内容。该卫星通信帧头捕获装置300包括：
计算模块310，用于基于待定信号段，计算待定信号段的平均功率和待定信号段与预设帧头序列的相关值；
估计模块330，用于对待定信号段进行频偏估计得到频偏值；
基于频偏值获取待定信号段对应的系数值；系数值表征频偏对待定信号段捕获到帧头的影响；
判定模块350，用于基于待定信号段的平均功率和待定信号段对应的系数值，计算阈值参数；阈值参数表征在噪声和频偏的影响下，待定信号段与预设帧头序列的相关值的下限值；
若待定信号段的相关值大于阈值参数，则判定待定信号段为帧头并进行捕获。
可选地，估计模块330还用于：基于预设调制参数对待定信号段进行去调制处理，得到第一信号段；
基于预设变换点数对第一信号段进行傅里叶变换处理，得到频偏参数；
按照第一预设公式，基于预设调制参数、预设变换点数、频偏参数以及预设符号速率进行计算，得到频偏值；
第一预设公式为：
其中，
表示频偏值；M表示预设调制参数；n表示预设变换点数；
表示频偏参数；
表示预设符号速率。
可选地，估计模块330还用于：计算频偏值与预设最大频偏值的比值；基于第一预设关系，获取比值所属的第一区间对应的系数值，得到待定信号段对应的系数值。
可选地，卫星通信帧头捕获装置300还包括构建模块370，用于将预设最大频偏值与每个预设比例相乘，得到每个样本频偏值，样本频偏值的总个数为预设数目；分别将每个样本频偏值作为目标频偏值，基于目标频偏值确定对应的最佳系数值，得到每个样本频偏值对应的最佳系数值；基于预设划分参数对预设区间进行等间距划分，得到每个第一区间；基于全部最佳系数值和全部第一区间进行插值处理，获得每个第一区间对应的系数值，得到第一预设关系。
可选地，构建模块370还用于：获取多个预设捕获概率值；预设捕获概率值表示一个样本信号段被捕获的概率值；
将任意一个预设捕获概率值作为目标捕获概率值；基于目标捕获概率值、目标频偏值、预设符号速率、预设信噪比区间和每个预设系数值进行计算，获得每个虚警概率值；虚警概率值表示一个样本信号段被捕获且非真实帧头的概率值；将全部虚警概率值中最小虚警概率值对应的预设系数值，作为第一系数值；遍历每个预设捕获概率值，得到每个第一系数值；
从全部第一系数值中选取满足预设条件的第一系数值，获得目标频偏值对应的最佳系数值。
可选地，构建模块370还用于：按照第二预设公式，基于预设划分参数和每个最佳系数值进行计算，得到每个第一区间的插值点的系数值；
第二预设公式为：
其中，
表示第j个第一区间的插值点的系数值；
表示第j个第一区间的插值点；j为1到p的自然数；p表示预设划分参数；N表示预设数目；
表示第i个最佳系数值；i为1到N的自然数；k为1到N的自然数；
将每个第一区间的插值点的系数值，作为每个第一区间对应的系数值。
本发明实施例还提供了一种通信设备，包括处理器120和存储器130，存储器130存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时，实现上述实施例揭示的卫星通信帧头捕获方法。
本发明实施例还提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器120执行时实现本发明实施例揭示的卫星通信帧头捕获方法。
综上所述，本发明实施例提供的卫星通信帧头捕获方法、装置、通信设备和存储介质，通过基于待定信号段，计算待定信号段的平均功率和待定信号段与预设帧头序列的相关值；然后对待定信号段进行频偏估计得到频偏值，并基于频偏值获取待定信号段对应的系数值，其中系数值表征频偏对待定信号段捕获到帧头的影响；再基于待定信号段的平均功率和待定信号段对应的系数值，计算阈值参数，其中阈值参数表征在噪声和频偏的影响下，待定信号段与预设帧头序列的相关值的下限值；若待定信号段的相关值大于阈值参数，则判定待定信号段为帧头并进行捕获。通过估计出频偏值并获取对应的系数值，同时考虑了噪声与频偏的影响，基于平均功率和系数值能够得到更合理的阈值参数，从而提升了捕获到真实帧头的准确性和帧头捕获的有效性。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种卫星通信帧头捕获方法，其特征在于，应用于通信设备，所述方法包括：
基于待定信号段，计算所述待定信号段的平均功率和所述待定信号段与预设帧头序列的相关值；
对所述待定信号段进行频偏估计得到频偏值；
基于所述频偏值获取所述待定信号段对应的系数值；所述系数值表征频偏对所述待定信号段捕获到帧头的影响；
基于所述待定信号段的平均功率和所述待定信号段对应的系数值，计算阈值参数；所述阈值参数表征在噪声和频偏的影响下，所述待定信号段与所述预设帧头序列的相关值的下限值；
若所述待定信号段的相关值大于所述阈值参数，则判定所述待定信号段为帧头并进行捕获。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述待定信号段进行频偏估计得到频偏值的步骤，包括：
基于预设调制参数对所述待定信号段进行去调制处理，得到第一信号段；
基于预设变换点数对所述第一信号段进行傅里叶变换处理，得到频偏参数；
按照第一预设公式，基于所述预设调制参数、所述预设变换点数、所述频偏参数以及预设符号速率进行计算，得到所述频偏值；
所述第一预设公式为：
其中，
表示频偏值；M表示预设调制参数；n表示预设变换点数；
表示频偏参数；
表示预设符号速率。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通信设备预存有第一预设关系，所述第一预设关系包括多个第一区间及其对应的系数值；
所述基于所述频偏值获取所述待定信号段对应的系数值的步骤，包括：
计算所述频偏值与预设最大频偏值的比值；
基于所述第一预设关系，获取所述比值所属的第一区间对应的系数值，得到所述待定信号段对应的系数值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一预设关系是按照以下方式得到的：
将所述预设最大频偏值与每个预设比例相乘，得到每个样本频偏值，所述样本频偏值的总个数为预设数目；
分别将每个所述样本频偏值作为目标频偏值，基于所述目标频偏值确定对应的最佳系数值，得到每个所述样本频偏值对应的最佳系数值；
基于预设划分参数对预设区间进行等间距划分，得到每个所述第一区间；
基于全部最佳系数值和全部第一区间进行插值处理，获得每个所述第一区间对应的系数值，得到所述第一预设关系。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基于所述目标频偏值确定对应的最佳系数值的步骤，包括：
获取多个预设捕获概率值；所述预设捕获概率值表示一个样本信号段被捕获的概率值；
将任意一个预设捕获概率值作为目标捕获概率值；
基于所述目标捕获概率值、所述目标频偏值、预设符号速率、预设信噪比区间和每个预设系数值进行计算，获得每个虚警概率值；所述虚警概率值表示一个样本信号段被捕获且非真实帧头的概率值；
将全部虚警概率值中最小虚警概率值对应的预设系数值，作为第一系数值；
遍历每个所述预设捕获概率值，得到每个所述第一系数值；
从全部第一系数值中选取满足预设条件的第一系数值，获得所述目标频偏值对应的最佳系数值。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基于全部最佳系数值和全部第一区间进行插值处理，获得每个所述第一区间对应的系数值的步骤，包括：
按照第二预设公式，基于所述预设划分参数和每个所述最佳系数值进行计算，得到每个所述第一区间的插值点的系数值；
所述第二预设公式为：
其中，
表示第j个第一区间的插值点的系数值；
表示第j个第一区间的插值点；j为1到p的自然数；p表示预设划分参数；N表示预设数目；
表示第i个最佳系数值；i为1到N的自然数；k为1到N的自然数；
将每个所述第一区间的插值点的系数值，作为每个所述第一区间对应的系数值。
7.一种卫星通信帧头捕获装置，其特征在于，应用于通信设备，所述装置包括：
计算模块，用于基于待定信号段，计算所述待定信号段的平均功率和所述待定信号段与预设帧头序列的相关值；
估计模块，用于对所述待定信号段进行频偏估计得到频偏值；
基于所述频偏值获取所述待定信号段对应的系数值；所述系数值表征频偏对所述待定信号段捕获到帧头的影响；
判定模块，用于基于所述待定信号段的平均功率和所述待定信号段对应的系数值，计算阈值参数；所述阈值参数表征在噪声和频偏的影响下，所述待定信号段与所述预设帧头序列的相关值的下限值；
若所述待定信号段的相关值大于所述阈值参数，则判定所述待定信号段为帧头并进行捕获。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述通信设备预存有第一预设关系，所述第一预设关系包括多个第一区间及其对应的系数值；所述估计模块还用于：
计算所述频偏值与预设最大频偏值的比值；
基于所述第一预设关系，获取所述比值所属的第一区间对应的系数值，得到所述待定信号段对应的系数值。
9.一种通信设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现权利要求1至6中任一项所述的方法。
10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，实现权利要求1至6中任一项所述的方法。
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