CN115567138A - 一种基于光脉冲位置调制信号的帧同步方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于空间光通信领域，特别涉及一种光脉冲位置调制信号的帧同步方法。本发明首先设定一个特定的随机数数组，作为每帧PPM信息数据插入PPM空符号的位置。根据PPM信息符号和PPM空符号所在位置转换为“0”和“1”数据保存为帧同步序列模板数组。根据每个PPM符号是否含有信息，将经过时隙同步后的一帧长度接收数据都转换为“0”和“1”数据保存在数组中。将该数组和帧同步序列模板数组不断进行移位相关运算，以匹配度最高的位置作为帧的起始位置，依次取出每帧数据，并根据PPM空符号插入位置，删除PPM空符号，完成帧同步。针对信号突发中断后重新接收时，当前帧丢失少量PPM符号的情况，传统的集中插入帧头的帧同步方式在丢失帧头数据的情况下，无法正确同步，而本发明以随机形式的插入方式能够找到当前帧的起始位置，完成帧同步。
Description
技术领域
本发明属于空间光通信领域，特别涉及一种基于光脉冲位置调制信号的帧同步方法。
背景技术
近年来，随着空间科学的发展和航天技术的不断进步，人类对太空探索活动也越来越多，探索范围也越来越大。随着探测距离和传输数据量的增加，传统的微波通信方式也很难满足深空探测中大数据量的传输需求，所以当前更看好具有大容量，低功耗，天线尺寸小等优点的激光通信，而在深空激光通信中，通过脉冲所在位置来确定其携带的数据信息的脉冲位置调制(PPM)不仅降低了对发射激光功率要求，还通过展宽信号带宽降低了对信号能量的要求，由此比传统的开关键控(OOK)调制具有更高的能量效率。
对于深空光通信中，通信环境恶劣，通信距离远，有背景光噪声，时延抖动，湍流干扰等光子探测信道的特性影响，要使PPM信号能够进行正确的解调，不仅对PPM信号进行时隙同步补偿信号频偏相偏，还需要进行帧同步确定每帧数据的起始位置。
目前大多研究者用的帧同步方法是在每帧信息数据的起始位置插入一定长度的特定帧同步码组的插入法，通过移位相关计算寻找帧头，完成帧同步。它所需要的同步时间短，且同步成功的概率高。而在实际传输过程中，大气在受到各种气象因素影响会引起大气风速的随机变化产生大气湍流，当大气湍流过强时，会导致光信号在传输过程中发生深衰落，甚至在接收端出现信号完全中断的情况。针对这种情况，集中插入一段特殊的码元作为帧头的方式，如果在信号中断时丢失帧头，信号在重新接收以后，依旧有一段PPM数据无法进行同步，导致误码升高。因此研究一种适宜于衰落信道的光PPM帧同步方式对降低深空通信误码率具有重要意义。
发明内容
为了能够使PPM信号在经历大气湍流深衰落恢复正常传输后，及时正确译码，本发明提供一种针对光脉冲位置调制信号的帧同步方法，包括以下步骤：
S1、发送端在每一帧中插入PPM空符号；
S2、利用各空符号位置间距的不同，通过移位做相关运算找到帧的起始位置；
S3、消除帧中插入的PPM空符号；
S4、将同步后的PPM数据作为后续纠错译码器的输入，译码以后输出最终数据；
下面是详细的技术方案和实现过程：
1、发送端在每一帧中插入PPM空符号：
经过SCPPM编码系统进行交织、累加和PPM映射以后得到一帧PPM信息数据；根据特定的随机数数组，在每一帧PPM信息数据中插入PPM空符号，其中PPM空符号是指不包含信号脉冲的全“0”时隙组成的PPM符号；并且将PPM信息符号和PPM空符号转换为“0”、“1”序列保存在特定数组中作为帧同步序列模板数据。
2、利用各空符号位置间距的不同，通过移位做相关运算找到帧的起始位置；
接收端对采样信号进行时隙同步，并恢复光子数后，根据PPM信息符号中有光脉冲和PPM空符号中无光脉冲的差异特点，建立数组存放表示每个PPM符号位置有无脉冲的“0”、“1”序列。将其和步骤1中的帧同步序列模板数据中的“0”、“1”序列进行移位相关运算，以匹配度最高的位置为作为帧的起始位置。根据得到的帧的起始位置，依次取出一帧包含PPM空符号的数据。
3、消除帧中插入的PPM空符号：
根据步骤1中插入PPM空符号的位置，将步骤2得到的一帧包含PPM空符号的数据中的PPM空符号去除，保留PPM信息符号，完成帧同步。
4、将同步后的PPM数据作为后续纠错译码器的输入，译码以后输出最终数据。
本发明的有益技术效果包括：
1、对于大气湍流过强，造成的光信号在传输过程中发生深衰落出现信号中断的情况，集中插入一段特殊码元作为帧头的方式，如果丢失帧头在信号重新接收以后，依旧有一段PPM数据不能同步。本发明以随机分散插入PPM空符号的方式，能够在信号重新接收的时候，对于丢失少量几个PPM符号的数据也能够尽快找到当前帧的起始位置，并且正确译码。
2、在帧中随机位置插入少量特殊时隙“1”也能够解决信号中断后及时恢复同步的问题，但是在移位做相关运算的时候，本发明的插入空符号方式以PPM符号作为移位单位，而插入特殊时隙“1”的方式是以时隙作为移位单位。所以本发明方法相对于随机位置插入特殊时隙“1”的方式，虽然占用了一些带宽，但是帧同步所需时间大量减少。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为：插入PPM空符号示意图。
图2为：send_ppm数组示意图。
图3为：插入空符号数量和误码率的关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。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。
本发明方法主要包括以下步骤：
S1、发送端在每一帧中插入PPM空符号；
S2、接收端将采样数据进行时隙同步，并恢复光子数，利用各空符号位置间距的不同，通过移位做相关运算找到帧的起始位置；
S3、消除帧中插入的PPM空符号；
S4、将同步后的PPM帧数据作为后续纠错译码器的输入，译码以后输出最终数据。
实例中采取的是64-PPM的调制方式，PPM时隙频率为39.0625Mhz时钟，其中传输的每帧数据包含2520个PPM信息符号和加入的100个PPM空符号，每个PPM符号包含66个时隙，有2个保护时隙和64个信息时隙。每个PPM信息符号由一个光脉冲的“1”时隙，和65个无脉冲的“0”时隙组成，每个PPM空符号由66个无脉冲的“0”时隙组成。
本发明的具体步骤如下：
步骤S1，发送端在每一帧中插入PPM空符号；
系统发射端先由SCPPM编码系统进行交织，累加，PPM映射，加保护时隙，生成一帧信息数据。通过MATLAB随机产生100个在[1，2620]区间中不重复的数据作为特定的随机数数组。根据以上随机数数组在信息数据帧中插入PPM空符号，形成一帧PPM数据，如图1所示。保存一个2620长度的数组send_ppm作为帧同步序列模板数据，其中对应图1中的PPM信息符号位置为“1”，PPM空符号位置为“0”，如图2所示。生成的PPM数据序列可以视为长度为m*L的特殊二元序列{Yi}，其中i＝1,2,3,…,mL。其中m为每个PPM包含的时隙数量，设定的是两个保护时隙和64个信息时隙，L为一帧PPM序列的长度2620。
步骤S2、接收端将采样数据进行时隙同步，并恢复光子数后，利用各空符号位置间距的不同，通过移位做相关运算找到帧的起始位置；
接收端对采样得到的信号进行时隙同步后，根据光电信号转换，恢复光子序列。取一帧长度的数据段，即2620个PPM符号共有(64+2)*2620个时隙，查询各个PPM符号中是否有光子脉冲时隙，如果有，将receive_ppm数组中该ppm符号位置置为“1”，否则将该PPM符号置为“0”。每次将receive_ppm数组循环左移一位后和步骤1中保存的send_ppm数组做相关运算，记录每次“0”和“1”匹配的数量，在全部进行对比以后，以匹配度最高的位置X作为帧的起始端。
取出的一帧PPM数据序列同样应该是长度为m*L的特殊二元序列{Yi}，其中i＝X,X+1,…,mL+X。其中m为每个PPM包含的时隙数量，设定的2个保护时隙和64个信息时隙，L为一帧PPM序列的长度2620。
步骤S3、消除帧中插入的PPM空符号；
由X作为起始PPM符号，依次每取2620个PPM符号，即为一帧包含PPM空符号的数据。根据步骤S1中保存的send_ppm数组，去除每帧序列中的PPM空符号，恢复得到(64+2)*2520个时隙的一帧光子序列。
步骤S4，将同步后的数据去除保护时隙后作为后续纠错译码器的输入，译码以后输出最终数据。
图3是每帧插入PPM空符号的数量和误码率的关系图。由图可以看出，随着光功率的增大，四组插入不同PPM空符号数量的数据误码率都在不断减小。在相同光功率下，插入50个PPM空符号误码率大，而插入100及以上数量的PPM空符号对应的误码率较小，且性能基本一致。由于插入PPM空符号的数量越多占用的带宽越大，因此可以考虑在每一帧PPM数据中插入100个PPM空符号实现帧同步。
综上所述，本发明针对脉冲位置调制信号基于插入法的帧同步方式，相较于传统的根据PPM信号自身特点提取符号时钟的直接法和插入特殊PPM符号作为帧头的帧同步方式，本发明在随机位置插入PPM空符号的形式，不仅具有插入法的高同步效率，而且节省了发送功率，对于大气湍流导致的信号中断情况再恢复的状况，能够更快的实现帧同步。因此本发明的PPM帧同步方案具有重要的意义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种针对光脉冲位置调制信号的帧同步方法，其特征在于，在每一帧传输的数据中随机插入多个PPM空符号，通过判断空符号的位置，寻找每帧数据的起始位置，完成帧同步，包括以下步骤：
S1、发送端在每一帧中插入PPM空符号；
S2、利用各空符号位置间距的不同，通过移位做相关运算找到帧的起始位置；
S3、消除帧中插入的PPM空符号；
S4、将同步后的PPM数据作为后续纠错译码器的输入，译码以后输出最终数据。
2.根据权利要求1中所述的一种光脉冲位置调制信号的帧同步方法中，其特征在于步骤S1所包含以下具体内容：
经过SCPPM编码系统进行交织、累加和PPM映射以后得到一帧PPM信息数据；根据特定的随机数数组，在每一帧PPM信息数据中插入PPM空符号，其中PPM空符号是指不包含信号脉冲的全“0”时隙组成的PPM符号；并且将PPM信息符号和PPM空符号转换为“0”、“1”序列保存在特定数组中作为帧同步序列模板数据。
3.根据权利要求1中所述的一种光脉冲位置调制信号的帧同步方法中，其特征在于步骤S2所包含以下具体内容：
接收端对采样信号进行时隙同步，并恢复光子数后，根据PPM信息符号中有光脉冲和PPM空符号中无光脉冲的差异特点，建立数组存放表示PPM符号位置有无脉冲的“0”、“1”序列。将其和步骤1中的帧同步序列模板数据中的“0”、“1”序列进行移位做相关运算，此时认为匹配度最高的位置为作为帧的起始位置。根据得到的帧的起始位置，依次取出一帧包含PPM空符号的数据。
4.根据权利要求1中所诉的一种光脉冲位置调制信号的帧同步方法中，其特征在于步骤S3所包含以下具体内容：
根据步骤1中插入PPM空符号的位置，将接收数据中的PPM空符号去除，保留PPM信息符号，完成帧同步。
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