CN115361041B - 一种适应极高速飞行器的抗多普勒效应信息传输方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种适应极高速飞行器的抗多普勒效应信息传输方法，利用两个极化通道分别传输扩频调制射频信号和扩频伪码射频信号；在接收端，对两个极化通道信号进行加、减、取模、滤波等处理，恢复基带信号。使用本方法，能够有效抑制传输信道引入的多普勒效应影响，实现稳定可靠传输，为卫星通信等数字信息传输系统在高动态应用场景中的应用提供有力支撑。

Description

一种适应极高速飞行器的抗多普勒效应信息传输方法

技术领域

本公开涉及无线数字信息传输领域，尤其涉及一种适应极高速飞行器的抗多普勒效应的信息传输方法。

背景技术

伴随人们工作生活对信息传输要求的日益提升，第6代移动通信系统已将卫星通信定为发展方向。卫星通信具有覆盖范围广、通信距离远的优势，但卫星通信通常采用Ku和Ka等高频段，同时无人机、超音速飞机、宇宙飞船等极高速飞行器，使其传输信道表现出了高动态特性，收发两端存在较大的多普勒效应，即载波频偏和载波频率变化率。高动态信道产生的多普勒频移将严重影响系统的传输性能，且系统传输速率越低越易受到影响。

因此，需要进一步研究如何有效应对高动态信道的多普勒效应，以提升无线数字信息传输系统传输性能。

发明内容

为提升卫星通信等无线数字信息传输系统的抗多普勒效应的性能，本公开提供一种适应极高速飞行器的抗多普勒效应信息传输方法。

根据本公开实施例的第一方面，提供一种适应极高速飞行器的抗多普勒效应信息传输方法，应用于发送端，所述信息的传输方法包括利用两个极化通道的扩频的抗多普勒频偏的信息传输方法，所述信息传输方法包括：

对待发送的BPSK调制基带信号进行扩频处理，得到扩频调制信号和扩频伪码；

在相同条件下，对所述扩频调制信号和所述扩频伪码进行第一预设处理，得到扩频调制射频信号和扩频伪码射频信号；

在预设条件下，发送所述扩频调制射频信号和所述扩频伪码射频信号。

在一示例性实施例中，在相同条件下，对所述扩频调制信号和所述扩频伪码进行第一预设处理，得到扩频调制射频信号和扩频伪码射频信号，包括

在相同的载波相位下，对所述扩频调制信号和所述扩频伪码进行成形滤波、内插、正交调制和模数转换后，得到模拟调制信号和模拟扩频伪码；

对所述模拟调制信号和所述模拟扩频伪码，以相同幅度和相位的本振信号变频，向射频进行频谱搬移后，得到所述扩频调制射频信号和所述扩频伪码射频信号。

在一示例性实施例中，在预设条件下，发送所述扩频调制射频信号和所述扩频伪码射频信号，包括：

分别以左旋和右旋极化方式由天线发送所述扩频调制射频信号和所述扩频伪码射频信号。

根据本公开实施例的第二方面，提供一种适应极高速飞行器的抗多普勒效应信息传输方法，应用于接收端，所述信息传输方法包括利用两个极化通道的扩频的抗多普勒频偏的信息传输方法，所述信息传输方法包括：

在预设条件下，接收扩频调制射频信号和扩频伪码射频信号；

在相同条件下，对所述扩频调制射频信号和所述扩频伪码射频信号进行第二预设处理，得到扩频调制信号和扩频伪码；

根据所述扩频调制信号和所述扩频伪码，确定BPSK调制基带信号。

在一示例性实施例中，在预设条件下，接收扩频调制射频信号和扩频伪码射频信号，包括：

分别以左旋和右旋极化方式由天线接收所述扩频调制射频信号和所述扩频伪码射频信号。

在一示例性实施例中，在相同条件下，对所述扩频调制射频信号和所述扩频伪码射频信号进行第二预设处理，得到扩频调制信号和扩频伪码，包括：

对所述扩频调制射频信号和所述扩频伪码射频信号，以相同幅度和相位的本振信号变频，向中频进行频谱搬移后，得到模拟调制信号和模拟扩频伪码；

在相同的载波相位下，对所述扩频调制信号和所述扩频伪码进行模数转换、抽取、滤波后，得到所述扩频调制信号和所述扩频伪码。

在一示例性实施例中，根据所述扩频调制信号和所述扩频伪码，确定BPSK调制基带信号，包括：

将所述扩频调制信号和所述扩频伪码求和后得到求和信号；

将所述扩频调制信号和所述扩频伪码求差后，得到求差信号；

将所述求和信号和所述求差信号，分别取模值，得到两路模值信号；

将两路模值信号相减，再进行预设倍数的抽取、滤波，以确定BPSK调制基带信号。

采用本公开的上述方法，具有以下有益效果：通过天线双极化隔离发送并接收信号，并对两个极化通道信号进行求和/求差处理，能够有效抑制传输信道引入的多普勒频偏影响，实现稳定可靠传输，为卫星通信系统在高动态应用场景的效能发挥提供有力支撑。采用扩频方式传输，提升信号抗干扰和隐蔽性能。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1是根据一示例性的实施例示出的一种适应极高速飞行器的抗多普勒效应信息传输方法的流程图，应用于发送端；

图2是根据一示例性的实施例示出的一种适应极高速飞行器的抗多普勒效应信息传输方法的流程图，应用于接收端；

图3是根据一示例性的实施例示出的普勒频偏条件下的传输性能图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

高动态信道的多普勒效应包括多普勒频移和多普勒频移变化率等指标。多普勒频移随着通信系统的载波频率而变化，相对速度一定时，载波频率越高，多普勒效应越明显；同时链路传输符号速率越高抗多普勒能力约强。对于低速率的传输链路更需要采用相应处理，以适应传输信道的大多普勒频偏和多普勒变化率。相关技术中，对于5G低轨卫星移动通信系统存在的多普勒频偏，利用卫星轨道运动特性和信号导频相结合计算多普勒频偏，为信号解调恢复提供参考；对于低信噪比条件下的多普勒频偏估计，采用一阶多普勒变化率补偿的相干累加频率估计方法；在频偏估计基础上，需要利用估计值进行频偏补偿，以消除多普勒效应的影响，对于CDMA系统可利用前向导频信道进行频偏校正，一定程度上解决CDMA2000系统在高速移动场景的应用。对于无线数字信息传输系统面临的高动态信道多普勒效应问题，相关技术中通常采用多普勒频偏估计和校正补偿的方式进行解决，但是频偏估计能力受限于链路传输的符号速率，对于低速率的传输链路无法有效估计多普勒频偏，需要采用其他方法消除多普勒效应的影响，进而保证接收端能够实现数据的有效恢复。

本公开示例性的实施例提供了一种适应极高速飞行器的抗多普勒效应信息传输方法，应用于发送端，信息的传输方法包括利用两个极化通道的扩频的抗多普勒频偏的信息传输方法。图1是根据一示例性的实施例示出的一种适应极高速飞行器的抗多普勒效应信息传输方法的流程图，如图1所示，信息传输方法包括以下步骤：

步骤S101，对待发送的BPSK调制基带信号进行扩频处理，得到扩频调制信号和扩频伪码；

步骤S102，在相同条件下，对扩频调制信号和扩频伪码进行第一预设处理，得到扩频调制射频信号和扩频伪码射频信号；

步骤S103，在预设条件下，发送扩频调制射频信号和扩频伪码射频信号。

步骤S101中，卫星通信系统的发送端对待发送的调制基带信号s(n)进行扩频处理，得到扩频伪码信号为p(n)，则扩频调制信号c(n)表示为：

其中，n表示信号序列值的位置号。

步骤S102中，第一预设处理可以是任意能够获得扩频调制信号和扩频伪码射频信号的处理方式。

在一些可能的实施方式中，在相同的载波相位下，对扩频调制信号和扩频伪码进行成形滤波、内插、正交调制、模数转换后，得到模拟调制信号和模拟扩频伪码；对模拟调制信号和模拟扩频伪码，向射频进行频谱搬移后，得到扩频调制射频信号和扩频伪码射频信号。

对扩频后调制信号和扩频伪码信号分别进行成形滤波、内插、正交调制和数模变换，例如通过成形滤波器和数模转换器进行处理，得到模拟信号c(t)和p(t)，再进行频谱搬移，即正交两路基带信号与相应频率的正交载波进行混频，得到中心频点在载波频率处的射频信号。同时需要保持两路信号处理的一致性，最终得到扩频调制射频信号b _c (t)和扩频伪码射频信号b _p (t)，分别表示如下：

其中，t表示距离0时刻的时间，f _c表示射频信号的载波频率，θ ₀表示射频信号的载波相位。

步骤S103中，在预设条件下，向接收端发送扩频调制射频信号和扩频伪码射频信号。

在一示例中，分别以左旋和右旋极化方式由天线发送扩频调制射频信号和扩频伪码射频信号。

发送端采用双极化天线分别以左旋和右旋的极化方式分别发送信号b _c (t)和信号b _p (t)。

在本公开示例性的实施例中，通过对信号的相应处理，将处理后的信号以天线双极化隔离的方式发送，能够有效消除传输信道引入的多普勒频偏影响，实现稳定可靠传输，为卫星通信系统在高动态应用场景的效能发挥提供有力支撑。

本公开示例性的实施例中，提供一种适应极高速飞行器的抗多普勒效应信息传输方法，应用于接收端，信息传输方法包括利用两个极化通道的扩频的抗多普勒频偏的信息传输方法。图2是根据一示例性的实施例示出的一种适应极高速飞行器的抗多普勒效应信息传输方法的流程图，如图2所示，信息传输方法包括以下步骤：

步骤S201，在预设条件下，接收扩频调制射频信号和扩频伪码射频信号；

步骤S202，在相同条件下，对扩频调制射频信号和扩频伪码射频信号进行第二预设处理，得到扩频调制信号和扩频伪码；

步骤S203，根据扩频调制信号和扩频伪码，确定BPSK调制基带信号。

步骤S201中，预设条件为经过同一高动态无线传输信道，分别以左旋和右旋极化方式由天线接收扩频调制射频信号和扩频伪码射频信号。接收的扩频调制射频信号r _c (t)

和扩频伪码射频信号r _p (t)可表示为：

其中，t表示距离0时刻的时间，f _c 表示射频信号的载波频率，

表示高动态信道的多普勒频偏，

表示接收信号载波相位，

和

分别表示左旋和右旋两路极化方式接收通道的噪声。

步骤S202中，第二预设处理可以是任意能够得到扩频调制信号和扩频伪码的处理方式。

在一些可能的实施方式中，对扩频调制射频信号和扩频伪码射频信号，向中频进行频谱搬移后，得到模拟调制信号和模拟扩频伪码；在相同的载波相位下，对扩频调制信号和扩频伪码进行模数转换、抽取、滤波后，得到扩频调制信号和扩频伪码。

利用同一本振对两路接收信号进行相同频谱搬移，得到中心频点在载波频率处的射频信号，并进行采样量化转换为数字信号，对两路数字基带信号进行相同的抽取和滤波，则存在多普勒频偏的数字基带信号，即扩频调制信号和扩频伪码，变为：

其中，n表示信号序列值的位置号，d_c(n)表示接收端采样量化后的扩频调制信号，d_p(n)表示接收端采样量化后的扩频伪码信号，

和

分别表示接收端采样量化后的左旋和右旋信道的噪声信号，

表示采样率。

步骤S203中，根据扩频调制信号和扩频伪码，确定BPSK调制基带信号的发射相关参数信息。

在一示例中，确定BPSK调制基带信号的方式为：

将扩频调制信号和扩频伪码求和后得到求和信号；

将扩频调制信号和扩频伪码求差后，得到求差信号；

将求和信号和求差信号，分别取模值，得到两路模值信号；

将两路模值信号相减，再进行预设倍数的抽取、滤波，以确定BPSK调制基带信号。

对滤波和抽取后的两路数字基带信号进行求和求差，分别得到

和

两路信号，再对二者取模值，即：

考虑扩频伪码序列

为±1，将和差两路信号的模值相减得信号

，即：

对信号

进行滤波和定时抽取，可提取信号

相关信息，作为后续译码的输入。

在本公开示例性的实施例中，通过天线双极化隔离接收信号，并对信号进行相应信号处理，能够有效消除传输信道引入的多普勒频偏影响，实现稳定可靠传输，为卫星通信等无线数字信息传输系统在高动态应用场景的效能发挥提供有力支撑。

在本公开示例性的实施例中，设定高动态信道下的低速率传输链路采用BPSK调制，传输信息速率为2.4kbps，采用LDPC(448,224)纠错编码，调制符号速率为4.8ksps，进行32倍扩频，扩频后的码片速率为153.6kcps，假设高动态信道产生的多普勒频偏为38.4kHz，即符号速率的8倍。采用高斯白噪声的高动态信道对本公开的传输方法进行性能仿真，统计平均1000次蒙特卡罗仿真结果，图3为不同信噪比情况下，采用本公开中的方法在译码后的误码率性能，如图3所示，横坐标为信噪比Eb/N0，单位为dB，纵坐标为误码率BER，曲线m1为采用LDPC（Low Density Parity Check Code，低密度奇偶校验码）纠错编码的极化复用传输方法的误码率性能曲线，曲线m2为无编码的极化复用传输方法的误码率性能曲线，在传输信道信噪比(Eb/N0)不低于10dB时，误码率小于1×10^-6，表示极化复用传输方法能够在多普勒频偏是符号速率8倍的情况下实现链路可靠传输，具有很强的抗频偏能力。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (5)

1.一种适应极高速飞行器的抗多普勒效应信息传输方法，应用于发送端，其特征在于，所述信息传输方法包括利用两个极化通道的扩频的抗多普勒频偏的信息传输方法，所述信息传输方法包括：

对待发送的BPSK调制基带信号进行扩频处理，得到扩频调制信号和扩频伪码；

在相同条件下，对所述扩频调制信号和所述扩频伪码进行第一预设处理，得到扩频调制射频信号和扩频伪码射频信号；

在预设条件下，分别以左旋极化方式和右旋极化方式由天线发送所述扩频调制射频信号和所述扩频伪码射频信号。

2.根据权利要求1所述的适应极高速飞行器的抗多普勒效应信息传输方法，其特征在于，所述在相同条件下，对所述扩频调制信号和所述扩频伪码进行第一预设处理，得到扩频调制射频信号和扩频伪码射频信号，包括：

在相同的载波相位下，对所述扩频调制信号和所述扩频伪码进行成形滤波、内插、正交调制和模数转换后，得到模拟调制信号和模拟扩频伪码；

对所述模拟调制信号和所述模拟扩频伪码，以相同幅度和相位的本振信号变频，向射频进行频谱搬移后，得到所述扩频调制射频信号和所述扩频伪码射频信号。

3.一种适应极高速飞行器的抗多普勒效应信息传输方法，应用于接收端，其特征在于，所述信息传输方法包括利用两个极化通道的扩频的抗多普勒频偏的信息传输方法，所述信息传输方法包括：

在预设条件下，分别以左旋极化方式和右旋极化方式由天线接收扩频调制射频信号和扩频伪码射频信号；

在相同条件下，对所述扩频调制射频信号和所述扩频伪码射频信号进行第二预设处理，得到扩频调制信号和扩频伪码；

根据所述扩频调制信号和所述扩频伪码，确定BPSK调制基带信号。

4.根据权利要求3所述的适应极高速飞行器的抗多普勒效应信息传输方法，其特征在于，所述在相同条件下，对所述扩频调制射频信号和所述扩频伪码射频信号进行第二预设处理，得到扩频调制信号和扩频伪码，包括：

对所述扩频调制射频信号和所述扩频伪码射频信号，以相同幅度和相位的本振信号变频，向中频进行频谱搬移后，得到模拟调制信号和模拟扩频伪码；

在相同的载波相位下，对所述模拟 调制信号和所述模拟 扩频伪码进行模数转换、抽取、滤波后，得到所述扩频调制信号和所述扩频伪码。

5.根据权利要求4所述的适应极高速飞行器的抗多普勒效应信息传输方法，其特征在于，所述根据所述扩频调制信号和所述扩频伪码，确定BPSK调制基带信号，包括：

将所述扩频调制信号和所述扩频伪码求和后，得到求和信号；

将所述扩频调制信号和所述扩频伪码求差后，得到求差信号；

将所述求和信号和所述求差信号，分别取模值，得到两路模值信号；

将两路模值信号相减，再进行预设倍数的抽取、滤波，以确定BPSK调制基带信号。

Images